砂石骨料加工系统智能监测技术研究

摘 要：为了对砂石骨料进行高效加工，本文设计了一种多次破碎多次筛分的加工工艺流程，采用机器视觉的方法对整个加工流程进行智能监测。采用了均值滤波+中值滤波+LoG滤波的组合滤波手段对监测图像进行处理，从而可以自动化识别各环节的砂石骨料颗粒度等指标。在试验过程中，以砂石骨料的含泥量、小颗粒含量、大颗粒含量为监测指标，对比了不同砂石骨料等级，证实了本文方法的有效性。

关键词：砂石骨料；加工系统；加工工艺；智能监测

中图分类号：TV 42" " 文献标志码：A

在水利水电工程、道路桥梁工程中，砂石骨料都是建设中非常重要的原材料。尤其是在某些工程中，砂石原料可以就地取材，从而极大地节省了砂石骨料的制作成本、运输成本[1]。因此，合理地利用砂石原料加工砂石骨料，对混凝土等建筑材料的制备具有十分重要的意义。在这个过程中，还要节约使用砂石原料，因为这些原料都属于不可再生资源，会随着使用而不断减少[2]，这就要求制备砂石骨料时的工艺更加合理，并且尽可能对加工现场进行有效监测，避免某些不能及时发现的问题对整个工艺造成重大影响。大部分砂石骨料的加工工艺过程一般都是采用人工监测方法，并依靠监测人员的经验进行判断，从而导致监测准确率不稳定、监测效率下降[3]。如果能将视觉传感器等配置到砂石骨料加工过程的监测环节中，并用智能算法代替人工监测形成自动化的判别结果，就可以大大提高监测准确率、砂石骨料的加工优质率、加工过程的自动化率，从而有效减少砂石原料的浪费。

1 砂石骨料加工工艺设计

砂石骨料加工系统的设计核心是加工工艺设计。如果加工工艺流程清晰合理，就可以根据工艺要求选择加工设备和加工方法，从而构建出合理的加工系统。根据砂石骨料的加工经验，一般可以将加工工艺分成3类：干加工工艺主要适用于加工现场水源不方便使用的场合；湿加工工艺主要适用于加工现场水源丰富的场合；干湿混合加工工艺适用于加工现场水源及水量适中的场合。

本文研究的是水利工程项目附近的砂石骨料加工，有充分的水资源可以利用，因此采用湿加工理念来设计砂石骨料的加工工艺流程。湿加工的优势是非常明显的，河水经过长时间冲刷和侵蚀加上空气的风化作用，使河道两侧的岩石破碎成石块，这些石块就成为骨料制作的基本原料。由此可见，湿加工的最大优势是可以就地取材，不仅原材料充足，而且节省了交通运输的费用，大大降低了砂石骨料的制作成本。但是需要注意的是，湿加工中的原料石块颗粒大且不均匀，无法通过一次破碎和筛选就完成骨料加工，须经过多次破碎、多次筛选才能完成加工。这个工艺过程包括多个复杂的步骤，但也可以加工不同等级的骨料。本文采用的砂石骨料加工工艺，如图1所示。

从图1给出的加工工艺流程可以看出，砂石原料经过了多次筛分和多次粉碎，最终制成了不同颗粒度级别的砂石骨料，可以用于不同等级的混凝土材料制备。

多次筛分：第一次筛分是振动筛筛分，第二次筛分是预筛分设备筛分，第三次筛分是检查筛分。

多次粉碎：粗碎处理、中碎处理、立式制砂破碎、螺旋洗砂破碎。多次筛分和多次破碎配合在一起，形成完整的处理流程和工艺，大大提高了砂石骨料的制作质量。根据这个工艺流程，就可以选择合理设备方法，从而建立砂石骨料的加工系统。

2 砂石骨料加工系统智能监测设计

为了有效提高砂石骨料加工过程中的成品率，对加工过程进行自动化智能监测，这里利用摄像机作为传感器，对加工流程中的关键环节进行视觉监测。摄像机通过对加工现场图像进行实施拍摄，利用机器视觉的处理方法，就可以得出自动的监测和判别结果，不仅可以提高砂石骨料的成品率，还可以加快加工速度。基于此，设计智能监测流程，如图2所示。

在砂石骨料加工过程中，摄像机是最主要的监控仪器和检测设备。摄像机可以将砂石骨料拍摄成图像，进一步采用图像处理技术完成砂石骨料提取，从而采用机器视觉算法判断砂石骨料的颗粒度。在视觉监测的过程中，现场拍摄环境的噪声，对砂石骨料的分辨影响最大。因此，要进行去噪处理。

根据噪声和信号之间的关系可以分为加性噪声和乘性噪声。如果噪声与图像灰度不相关，就将其称为加性噪声，如公式（1）所示。

g=f+n " （1）

式中：g为受噪声影响后的图像灰度；f为图像的真实灰度；n为噪声。

如果噪声与图像灰度相关，就将其称之为乘性噪声，如公式（2）所示。

g=f+fn " （2）

在有效区分出噪声的种类后，采用均值滤波+中值滤波+LoG滤波的组合去噪方案。

均值滤波：均值滤波是一种消除图像噪声的线性处理方法。这种方法的基本思想是用几个像素灰度的平均值来代替每个像素的灰度。其计算过程如公式（3）所示。

（3）

式中：S为（x，y）点领域中坐标的集合，但不包括其本身；M为集合内坐标点的点数。

均值滤波是一种典型的线性滤噪方法，因为其运算简单快速，同时又能够有效地去除随机噪声，所以适用面较广，至今仍是一种常用的滤噪方法，许多滤噪方法都在此基础上发展而来，其缺点是会严重破坏图像的边缘和细节。

中值滤波：中值滤波是一种消除噪声的非线性处理方法，它的基本原理是用该点的一个邻近各点值的中值代替数字图像或数字序列中一点的值。中值的定义：设有一组数x1，x2，…，xn，把n个数按值大小顺序排列，假定y为中间的一个数（即中值），则有y=Med{x1，x2，…，xn}。例如有一序列为（80，90，200，110，120），则这个序列的中值为110。

中值滤波需要一个滤波窗口，即待滤波点周围的特定长度或形状的邻域。在一维情况下，中值滤波的窗口是一个含有奇数个像素的滑动窗口。二维时的滤波窗口形状可以是方形，也可以是十字形，窗口的大小也可以不同。

中值滤波是一种典型的非线性处理方法，它的优势是可以非常有效地消除图像中的脉冲噪声，且能够较好地保护图像边缘信息。缺点是当滤波窗口变大时，运算速度显著下降，对图像的实时处理有影响。

LoG滤波：LoG滤波将高斯滤波和拉普拉斯边缘检测结合在一起，提出了拉普拉斯-高斯边缘检测算法，简称LoG算子。其形状酷似墨西哥草帽，因此又称作墨西哥草帽算子。

LoG滤波对图像进行高斯滤波，滤除服从高斯分布的噪声，而且孤立的噪声点和小组织结构也被滤除。然后，用拉普拉斯锐化突现图像的边缘信息。这个方法的优点是可以精确滤除图像中的高斯噪声，缺点是对椒盐噪声效果不佳，而且其自身的图像平滑能力和边缘定位能力相矛盾。

3 砂石骨料加工中智能监测效果试验

在完成了砂石骨料的加工工艺设计和视觉监测方法设计后，通过试验对研究成果进行验证。第一组试验利用本文设计的砂石骨料加工系统和机器视觉自动监测技术，对比砂石骨料中含泥量。在这组试验中，同时测试了3个指标，分别是砂石骨料中的最小含泥量、最大含泥量和平均含泥量。对不同等级的砂石骨料而言，含泥量越少效果越好。但是，在砂石骨料的颗粒度较小的情况下，很难将其中的泥沙完全去除，因此含泥量较多。第一组试验的测试结果，如图3所示。

从图3中3条曲线的变化情况可以看出，随着砂石骨料等级不断提高，其中的平均含泥量、最大含泥量、最小含泥量都呈现不断下降的趋势。这也表明，砂石骨料的等级越高，含泥量就会越少。

第二组试验，利用本文设计的砂石骨料加工系统和机器视觉自动监测技术，可以获得砂石骨料中小颗粒含量的对比结果。在这组试验中，同时测试了3个指标，分别是砂石小颗粒的最小含量、最大含量和平均含量。第二组试验的测试结果，如图4所示。

从图4中3条曲线的变化情况可以看出，随着砂石骨料等级的不断提高，其中的小颗粒平均含量、小颗粒最大含量、小颗粒最小含量都呈现先上升再下降的趋势。在砂石骨料等级为10mm的情况下，3个指标都出现峰值，因为小颗粒的颗粒度大小接近10mm，同此等级的砂石骨料掺杂在一起，很难区分，所以占比会较高。

第三组试验，利用本文设计的砂石骨料加工系统和机器视觉自动监测技术，可以获得砂石骨料中大颗粒含量的对比结果。在这组试验中，同时测试了3个指标，分别是砂石大颗粒的最小含量、最大含量和平均含量。第三组试验的测试结果，如图5所示。

从图5中3条曲线的变化情况可以看出，随着砂石骨料等级不断提高，其中的大颗粒平均含量、大颗粒最大含量、大颗粒最小含量都呈现先迅速上升再缓慢下降的趋势。在砂石骨料等级为40mm的情况下，3个指标都出现峰值，因为大颗粒的颗粒度大小接近40mm，同等级的砂石骨料掺杂在一起，很难区分，所以占比较高。

从上面的三组试验结果的综合比较和分析过程可以看出，在多次筛分和多次破碎的处理工艺下，砂石骨料制备较为理想。而基于机器视觉的智能监测流程和方法，又可以准确地计算砂石骨料中的含泥量、小颗粒含量、大颗粒含量，这对进一步提高砂石骨料的制备质量也具有十分重要的意义。通过上述试验过程，本文的砂石骨料加工制造工艺和系统设计、基于机器视觉的智能监测方法设计，都是非常合理的，可以用于砂石骨料的实际制备工作。

4 结论

砂石骨料是水利工程、道路桥梁建设的重要材料，其加工工艺、加工系统、自动监测都是非常重要的研究内容。本文首先对砂石骨料进行加工工艺设计，考虑到就近水利工程的便利，设计了多次破碎、多次筛分的湿加工工艺，为加工系统设备和方法选择提供了依据。在智能监测环节的设计上，采用了基于摄像机和机器视觉的自动化监测方法，在三次筛分后配置监测所用的摄像机。试验结果表明，本文设计的砂石骨料加工工艺和智能监测方法，可以有效地对砂石骨料的含泥量、小颗粒含量、大颗粒含量进行监测。

参考文献

[1] 胡进武，李果，邓乐清，等.乌东德特高拱坝混凝土砂石骨料生产质量改进措施研究[J].长江科学院院报，2021，38（8）：139-145，150.

[2] 刘占波，刘建强.“砂石骨料 4.0+”：我国砂石骨料行业新的发展方向—中国砂石协会会长胡幼奕谈我国砂石骨料行业发展现状及趋势[J].中国建材，2019，22（7）：56-59.

[3] 罗辉，赵晓松.浅谈红河谷地区元蔓高速公路项目砂石骨料加工系统的工艺设计及常见问题[J].建材发展导向，2020，18（4）：77-81.