沥青跑道面层摊铺过程的混合料离析自动判别方法

孙誉

（新疆民航专业工程质量监督站，乌鲁木齐830016）

1 引言

机场工程中，沥青跑道应用越来越广泛。由于机场的特殊性，对沥青跑道的建设要求比公路更严格。实践表明，现有的沥青道面检测手段大部分为有损检测，不可避免地会对沥青道面造成结构性损伤，且主要依靠人工操作，检测速度慢、效率低，而操作人员的人为因素可能会导致检测过程产生无法消除的随机误差。这种情况下，对于同一检测指标，采用不同仪器可能得出不同的结论，例如，用不同检测仪器得到的构造深度、结论可能存在差异。基于上述道面检测方法的局限性，未来道面检测的发展趋势应主要体现在：无损检测、实时、高效化、自动化、智能化等方面。

近年来，随着数字图像技术、视频采集技术、计算机技术的迅速发展，计算机视觉应用技术日渐成熟，民航领域逐渐开始利用这些新兴技术。通过以往的沥青道面摊铺均匀性研究可知：粗集料的分布状态对沥青道面均匀性有重要影响，而细集料由于颗粒较小、数量众多，基本不存在离析问题，利用这一特性，可为道面混合料离析检测提供一个新思路。本文提出了一种基于数字图像技术的沥青混合料离析自动判定方法，能实现快速、高效检测道面摊铺质量，可为数字化施工及在线检测提供技术支撑。

2 离析判断的传统方法

离析判断的传统方法主要可分为五大类，即视觉观察法、试样组成分析法、无核密度仪法、铺砂法及激光构造深度仪法。其各自的优缺点如下：

1）视觉观察法相对简单、直接，但由于这种方法因观察者而异，主观性较强，并没有一个客观的评价标准；

2）试样组成分析法检测效率较低，且对操作人员的基本职业素质有所要求；

3）无核密度仪法轻便、可连续工作时间较长、测量的数据可以下载到计算机，相比于核子密度仪法具有无放射性、安全的优点，但其精确性稍逊于核子密度仪法；

4）铺砂法虽然操作简便、材料易取，但是消耗的人力较大且检测速度较慢；

5）激光构造深度仪法具有速度快、效率高、连续等特点，但仅能检测道面某断面的平均构造深度[2]。

3 基于数字图像的自动判别方法

以上传统方法存在较多弊端，有必要寻求一种新型的无损检测手段，实现对沥青道面混合料均匀性的实时检测。本文通过对沥青道面的实拍图片进行数字图像处理得到判定指标（即区域比值标准差），再将判定结果传输至PC 端进行储存，最终实现混合料离析自动判别。

3.1 自动判别流程

在沥青道面摊铺时，如果混合料发生离析现象，则导致集料颗粒分布不均匀，或粗、细集料各集中于一个区域范围内。反之，如果混合料在摊铺过程中较为均匀，则粗、细集料在所摊铺的路表平面上的位置分布也将比较均匀。本研究试图通过数字图像的采集、处理、分析来判定摊铺道面沥青混合料的均匀性。自动判别流程如图1 所示。

图1 数字图像自动判别流程图

3.2 数字图像处理环节

数字图像处理（Digital Image Processing）是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的技术。数字图像的灰度图像以二维矩阵存储在计算机中，而MATLAB 是对矩阵运算最适用的工具，故选择MATLAB 对数字图像进行分析和处理[3]。

利用MATLAB 对沥青混合料摊铺过程进行图像均匀性相关分析，依次进行灰度图像转化[4]、图像滤波去噪、直方图均衡化，并对分割后的图像进行形态学处理开闭运算，之后再转化为二值图像（见图2）[5]。结果表明，在排除较小颗粒的情况下，直观上能够较为明显地反映混合料的分布情况。

图2 沥青混合料图像处理与离析识别

3.3 判定指标

如图3 所示，在固定检测高度后，2.36 mm 粒径对应的像素点数也相应固定，筛选出2.36 mm 以上粒径集料，图像分割为4×4 共16 块小矩形后[6]，统计各矩形内满足粒径要求像素数量与分割区域像素数量之比，利用式（1）计算各区域比值标准差：

图3 区域离析度判定示意图

式中，x 为样本均值；n 为样本大小。

经过计算，结合实际情况，本文推荐的阈值范围见表1，根据其对沥青混凝土道面的离析情况进行判别。

表1 区域离析度判定表

4 实时监测的系统设计

结合图形化数据流编程的LabVIEW 软件和具有强大数字图像处理功能的MATLAB 软件各自的优势，本文设计了沥青跑道面层摊铺过程的混合料离析实时监测系统，如图4 所示。利用Math Script 向MATLAB扩展，依托LabVIEW 软件和相应的控件NI-vision 实时采集摊铺过程中的图像。随后借助MATLAB脚本服务器对数字图像进行分析，实时获取指标Sr。最后，通过4G 无线网络进行远程数据的传输，实现对沥青道面离析的实时检测判定。

图4 基于LabVIEW的实时监测系统设计

5 结语

由于沥青混合料的离析对沥青道面的使用性能和寿命有严重的影响，沥青道面发生的大部分病害都与沥青混合料的离析有关。本文应用的数字图像处理技术能够较好地反映沥青混合料道面摊铺时的集料分布状况；运用MATLAB 软件提出的集料离析判定指标可较准确地判断沥青混合料道面摊铺时的集料是否处于离析状态；编制出的软件能够较大程度上实现沥青混合料道面摊铺时的均匀性实时检测。