红外视频检测系统开放实验项目设计

刘 永，秦 旻，李红镝

(重庆交通大学 管理模拟实验中心, 重庆 400074)

工程管理专业横跨管理科学与工程、土木工程两大学科，一方面要求学生掌握现代工程管理科学理论、方法、手段和土木工程技术，另一方面培养学生具备在国内外工程建设领域从事项目决策和实施全过程管理的基本能力[1-3]。“公路养护技术与管理”是工程管理专业的专业课程之一，主要介绍公路技术状况评定、公路日常养护方法和病害防治措施。本课程要求学生掌握基本的公路养护技术以及管理方法。目前，该门课程教学有48学时的理论教学课时，未开设实验教学内容。但是，公路养护技术作为该专业课程的主要教学内容之一，具有很强的应用实践性，迫切需要针对一些关键技术加强对学生实践技能的培养。从近几年的教学效果来看，大部分学生通过理论课程的学习，能够知道和了解一些典型的公路养护技术知识，但还是缺乏对这些养护技术与方法的感性认识和深层次理解。据此，我们应该完善该专业课程的教学内容，针对公路养护技术，设计与开展一系列具有一定工程实践意义的能力和技能培训的实践教学内容，帮助学生理解和消化课堂上的理论知识和关键技术要点，培养和锻炼学生动手的实践技能与岗位就业能力[4-7]。

2010年，在中央与地方共建高等学校专项资金的支持下，我校管理模拟实验中心结合工程管理专业的发展特点和公路养护技术专业课程的实践教学要求，新引进了一套先进的教学科研实验平台——红外视频检测系统，服务于科研与实验教学。充分考虑温度作为沥青路面就地热再生技术施工过程中的关键检测与控制参数，结合课题组科研项目的研究成果，将该过程引入实验教学，并设计了一个“沥青路面就地热再生过程中温度变异的探究”开放实验项目。采用先进的红外视频检测系统观测沥青路面就地热再生施工过程中的温度变异现象，不仅能够使学生熟悉和掌握这一先进的检测技术手段[8-11]，拓宽学生的专业知识视野，并通过对检测数据的处理、分析和比较，加深对新型高等级公路养护技术“就地热再生技术原理和施工工艺及机组设备”的理解和掌握，而且还能提高大型贵重仪器设备利用率，充分发挥投资效益。本文从实验目的、实验原理、实验内容、实验步骤及数据等方面阐述了该实验项目的设计过程，并给出了实验教学案例。

1 实验目的与原理

通过开设针对该红外视频检测系统的开放实验项目，让学生对该系统的功能和实践应用有所了解，掌握就地热再生技术原理和施工过程及机组设备，并在教师的引导下，自主完成有关验证性、综合性和探索性的实验内容。

1.1 实验目的

(1) 了解红外视频检测系统的工作原理，掌握该系统检测温度的操作使用方法；

(2) 熟悉沥青路面就地热再生技术施工的机组设备、施工过程及其在各个工作环节中的温度控制要求；

(3) 掌握红外图像分析软件和统计分析软件进行温度离析现象的红外图像数据分析和离析程度判断方法。

1.2 红外视频检测系统及测温原理

在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，其辐射能包括各种波长，且其波长分布呈现出一定的规律。其中，波长范围在0.76μm与1000μm之间为红外光波，而红外光波具有很强的温度效应。从理论上讲，只要能收集并探测这些辐射能，就可以通过重新排列来自探测器的信号，形成与景物辐射分布相对应的热图像，这正是红外测温技术的关键理论所在。据此，用于探测目标物体的热红外辐射的红外视频检测系统，即通过光电转换、电信号处理等一系列手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像[12]。红外视频检测系统原理结构如图1所示。

图1 红外视频检测系统原理结构图

1.3 就地热再生技术与温度检测

就地热再生技术是一种将旧沥青路面经过加热、软化、铣刨、收集后，与再生剂、新沥青材料、新集料等按照一定的比例重新拌和混合料，用于铺筑路面面层或基层的新型高等级公路养护技术[11, 13]。其主要施工机组包括路面加热机组、铣刨机、复拌机、摊铺机和压实机组。施工工艺流程为：首先使用专用的路面加热机组对路面进行加热升温，软化原有的沥青路面，然后利用铣刨机进行翻松，翻松过程中加入适当比例的再生剂或改性沥青，再将其收集到复拌机中，同时添加部分新拌沥青混合料，拌和均匀，通过摊铺机按路面施工设计要求进行摊铺，最后使用压实机组对摊铺后的路面进行压实,如图2所示。

图2 施工机组设备的施工流程图

对于就地热再生技术而言，沥青混合料的温度离析问题是路面不均匀性的主要原因之一，直接影响着后期路面使用性能和寿命[14-16]。温度离析可使不同的温度区域的压实性不同，温度高的地方压实性能较好，温度低的地方较差，达不到路用性能设计要求。因此，从施工温度控制到温度离析控制，对解决路面不均匀的早期损坏、提高路面使用寿命，具有重要的作用和意义。

考虑到施工工艺中温度检测的各个重要环节，如图2中所标注的数字序号1—7。1表示待施工路面的初始温度检测点；2表示经过加热机组加热后，路面的实时温度检测点；3表示路面经过加热铣刨机的处理后，沥青混合料的温度分布检测点；4表示料斗中加入了新料，新料的温度分布检测点；5表示混合料经过复拌机处理后，混合料的温度分布检测点；6表示混合料经过摊铺机拌和、整形、初步振实整平后，路面的温度分布检测点；7表示各压实机组对路面压实过程中的温度分布检测点。利用红外视频检测系统，依次对固定作业路面按照上述各个温度检测点的位置要求进行红外视频图像数据的拍摄和存储，完成实验分析所需数据的采集，为后续数据处理与分析奠定基础。

2 实验步骤

首先打开红外视频检测系统，进入操作界面，按照设备说明书，在选单栏进行设备调试与检测参数设置，包括日期和时间、偏好设置、物料辐射率、物距、环境温度、湿度设置等；然后，按照实验原理中所讲解的施工过程所要求的温度检测点，选取待检测沥青路面标段的某个固定空间位置点，依次拍摄并存储红外视频图像；最后，在后台应用红外图像分析软件提供的点、区域等分析功能和统计分析软件的数据处理功能进行温度数据的处理、对比和分析温度分布情况。

3 实验结果及分析

通过红外视频检测系统，可以采集就地热再生施工机组运行过程中的沥青路面或集料的温度分布红外图像。某等级公路养护施工桩号K154+800，根据温度检测要求，按照施工流程图(见图2)中的温度检测点分布的情况，采集红外视频图像与可见光对照图像，结果如图3所示。由于篇幅有限，只列出来某个温度检测点的一幅图像对照组。在学生实验过程中，要求在每个温度检测点位置，至少采集3幅红外图像与可见光对照图像，用于综合分析，减少误差。

由图3可以发现，很难从红外图像中认识温度离析的现象，需要借助相关软件来对红外图像数据做进一步的分析。以探究经过压实机组压实完毕后的沥青路面温度离析情况为例，利用分析软件SatIrReport System对红外图像进行分析。压实机组作业完毕之后，在拍摄的路面区域中，最高温度为72.46℃，最低温度为57.29℃，平均温度为65.40℃，极差温度为15.17℃，即压实后的路面温度最大差异为15.17℃。参照美国NCHRP441报告中提出的温度离析标准(见表1)，此种情况为轻度温度离析。

图3 各温度检测点采集的红外图像与可见光对照图

温度离析程度无轻度中度重度温度/℃<1010-1617-25>25

为了进一步探究温度离析现象，利用分析软件提供的点工具、区域工具作进一步分析。应用点分析工具，随机选取10个温度检测点(见图4中的P1、P2、……、P9、P10)，做统计分析，分别求取温度均值、极差、标准方差和变异系数，按照表1中的标准，出现了轻微离析，且根据变异系数也可得出温度存在一定差异。计算结果见表2。

图4 点工具、区域工具分析结果

测试点P1P2P3P4P5温度值/℃58.6566.2865.6268.1265.65测试点P6P7P8P9P10温度值/℃65.5266.5367.9470.5660.20平均值:65.51℃ 极差:11.91标准差:3.577 变异系数:5.46%

应用区域分析工具，随机确定了3个不同位置的区域分析圆(见图4中的C1、C2、C3)，做直方图统计分析，如图5所示。3个区域的直方图统计特征相似，且极差分别为11.63、11.76、13.65，见表3。依据标准可判定为属于轻度离析。

图5 C1、C2、C3区域分析直方图

测试区域全区域C1C2C3最大值/℃72.4669.7870.4772.46最小值/℃57.2958.1558.7158.81平均值/℃65.4064.7464.9965.93温度极差/℃15.1711.6311.7613.65

4 结束语

所设计的实验项目首次应用于我校工程管理专业开放教学环节中，选择此课题的学生超过了预期设定的人数。在开放实验项目教学实训的过程中，实验教师首先要给参与开放实验的学生讲解开放实验的目的、内容及要求，再由学生根据实验内容的要求自主完成分析问题、查找资料、设计方案、过程分析、数据论证、结论总结等实验过程的训练。经过为期8个学时的开放实验训练，大多数学生不但掌握了红外视频检测系统的工作原理和实操技能，熟悉了就地热再生这一典型的沥青路面养护技术的施工机组设备原理、施工工艺流程及温度控制要求，而且可以设计方案实现关键质量控制点的温度分布检测与温度离析程度判断。但是，还存在一些有待完善的问题：

(1) 工程管理专业的学生对关键的施工技术能够很快理解和消化，但是由于实验设备以及现场的热再生机组涉及计算机硬件设备、大型机械设备的知识内容繁多、交叉明显，所以在实验教学之前，需要针对性地讲解其他专业的预备知识，从而影响了开放实验项目的教学进度；

(2) 在实验项目实施过程中，考虑到现场施工环境的复杂性、安全性等问题，未能组织学生到施工现场进行实验，只是由实验教师到施工现场预先拍摄和录制视频和红外图像资料，然后再结合视频资料讲解施工过程，最后由学生根据自主设计的方案，在资料库里选择施工作业段的视频和红外图像资料来完成实验过程，此实验过程易使得学生对这一技术应用的感性认识不足，存在一些理解偏差；

(3) 开放实验项目的设计只针对了该红外视频检测系统应用的一个典型工程技术应用方面——就地热再生沥青路面养护施工过程温度变异，应用面较窄，使得所研究与设计的实验项目并未充分发挥该系统的教学实践优势，后期需要进一步拓宽其应用领域，使该套教学实验系统更好地服务于实验教学。

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