1、收稿日期:修回日期:基金项目:贵州省科技计划项目(黔科合支撑 号)贵州省科技计划项目(黔科合支撑一般)作者简介:杨 科()男四川泸州人硕士研究生研究方向为混凝土外加剂:.通信作者:陶铁军()男湖北枣阳人教授博士主要从事桥梁与隧道工程、结构工程方面的研究:.:./.():基于模糊数学的混凝土表观质量综合评价杨 科 陶铁军黄柯宇徐跃生游聚刚(.贵州大学 土木工程学院贵阳 .中建科技贵州有限公司贵阳)摘 要:混凝土表面孔洞的检测和量化是混凝土表观质量评价的重要内容之一仅依据孔洞尺寸不足以全面评价混凝土的表观质量 考虑孔洞个数对混凝土表观质量评价的影响基于模糊数学方法以孔洞最大直径、孔洞面积比和孔洞个
2、数为因素集采用灰色关联度分析法计算因素集权重建立评价模型综合评估混凝土表观质量并根据评价结果探究不同比例消泡剂和引气剂对混凝土表观质量的影响规律 结果表明:分级与孔洞个数的相关系数为.通过回归分析提出了孔洞个数分级指标因素集对模筑混凝土表观质量的影响程度不同对孔洞最大直径影响最大其次为孔洞个数最后是孔洞面积比因此需将孔洞个数纳为影响模筑混凝土表观质量的重要因素 消泡剂掺量.时相应的值反而随消泡剂掺量增加而增大随引气剂掺量增加而减小合适的外加剂比例能有效提高模筑混凝土表观质量 基于模糊数学的分级方法能实现混凝土表观质量评价依据综合评价结果当消泡剂和引气剂掺量分别为.和.时混凝土表观质量最好 研究
3、结果可为模筑混凝土表观质量的优化提供参考关键词:混凝土表观质量回归分析模糊数学消泡剂引气剂模糊综合评价中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.).).第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .).:研究背景混凝土脱模时模板与新拌混凝土界面处的气泡没有释放导致大量孔洞的存在是混凝土表面质量中常见的缺陷之一 因此对孔洞进行检测并评价混凝土表观质量具有重要意义基于图像的孔洞识别能自动地给出较为客观的结果诸多学者对孔洞的检测开展了大量研究 等用不同尺寸的滤波器进行阈值分割来检测孔洞对 张混凝土图像的识别显示孔洞检测精度范围为.平均检测精度为.等同样基于图像工具进行阈值分割考虑了孔洞累
4、积分布曲线通过面积减少率、孔洞最大直径和孔洞面积比来进行表观质量评价面积减少率给出了孔洞大小的分布情况 等采用阈值分割来检测孔洞他们建立了混凝土国际委员会()推荐的尺度与孔洞面积比的关系 等直接将混凝土彩色图像中像素的 值与孔洞参考 值进行比较来识别孔洞对小孔洞的平均检测精度为 最近基于卷积神经网络的孔洞分类得到了较多关注 等用 来检测孔洞包含孔洞的 张混凝土图像作为数据集对孔洞面积和直径检测的最小错误率分别为.和.等结合图像处理与深度卷积神经网络对孔洞进行检测用 张裁剪图像作为训练集和验证集结果显示其孔洞检测精度为.召回率为.虽然各种孔洞检测手段能够实现较好的精度但是检测孔洞不是最终目的下一
5、步需要落实到对混凝土表观质量的评价上在表观质量评价方面对于混凝土表面孔洞的分级较为模糊清水混凝土应用技术规程()规定了孔洞最大直径 孔洞面积比.推荐的混凝土参考分级照片通过比较标准混凝土图像与现场混凝土图像进行分级 等以孔洞平均面积比来表征孔洞大小的分布情况较大的平均面积比意味着混凝土表面大尺寸的孔洞较多 现有对混凝土表面孔洞的分级与评价的研究多数聚焦于孔洞最大直径、孔洞面积比和孔洞面积等然而混凝土表面孔洞的分布大小等情况复杂单纯依据孔洞最大直径、孔洞面积比无法综合评判混凝土表观质量 很明显若多个评价区域的孔洞最大直径与面积比接近而孔洞的数量不同时表观质量也不同 因此孔洞的数量也应该是一种需要
6、考虑的混凝土表面质量评价因素 除此之外由于混凝土表观质量分级评价的模糊性、没有精确定义的判别准则所以仅仅凭借人工比较可能具有一定程度的误差为精确地描述现实世界中各种非定量、模糊性现象 年美国控制论专家.发表了模糊数学开创性论文“”由于模糊数学的优势其在多个领域得到应用如爆破工程、地质科学、滑坡危险性评价 在混凝土结构的损伤状况、耐久性评估方面朱平华等基于模糊数学以裂缝等多项评价指标建立了混凝土桥梁结构耐久性的三层次评估模型通过工程实例验证了该模型的可靠性 等考虑了混凝土表面不同形态的裂缝、蜂窝麻面以及其它缺陷构建两层评价指标基于层次分析法和模糊数学开发了混凝土结构健康状态评估模型 等使用模糊层
7、次分析法考虑了裂缝、渗漏等多个评价指标建立了三级评价结构模型来对民用建筑健康状态进行评估 对于混凝土的耐久性评估采用层次分析法得到较多研究但由于层次分析法需要专家打分来计算权重所以其可能易受人为因素影响 年控制系统专家邓聚龙创立了灰色系统理论灰色关联分析是灰色系统理论的重要分支通过关联度可分析各因素对结果的影响较客观地给出影响因素权重 等利用灰色关联分析建立了评价模型根据评价结果分析了路面材料对道路质量的 长江科学院院报 年 影响 薛鹏飞等基于灰色关联和模糊数学理论考虑了混凝土表面裂缝宽度等评定指标对混凝土耐久性进行评估 周世华等基于灰色关联分析理论发现硅酸二钙含量是影响水泥抗裂性最大的因素
8、徐德儒等通过灰色关联度分析了混凝土内孔结构参数与抗冻耐久性间的关系研究表明孔洞平均半径与间距系数是影响混凝土抗冻性最明显的因素综上所述当前研究未考虑孔洞个数对混凝土表观质量评价的影响同时存在分级评价方法模糊的问题 本文在前人研究的基础上考虑了孔洞个数对混凝土表观质量评价的影响采用图像处理方法计算了孔洞最大直径等参数 基于模糊数学方法以孔洞最大直径、面积比和孔洞个数为因素集以灰色关联度分析方法计算因素集权重综合评价混凝土表观质量依据三个评价参数和评价结果探讨了外加剂掺量与表观质量的关系 并通过室内试验验证了评价方法的适用性 图像处理过程.孔洞检测相较于基于神经网络的方法数字图像处理技术能方便地利
9、用小数据集进行孔洞检测而神经网络方法往往需要大量数据集来训练分类模型因此采用数字图像方法进行孔洞边缘检测 经典的边缘检测算法如、方法等 方法对目标面积超过检测面积 时检测效果接近最优当时检测性能迅速下降而混凝土孔洞面积比往往同时在各种情况下 算子被认为具有较好的边缘检测性能因此采用 算子进行孔洞边缘检测 识别到孔洞边缘后对孔洞边缘进行形态学处理以得到可用于孔洞尺寸量化的图像由于混凝土表面外观复杂的情况一些细微的划痕、阴影边缘等也会被识别为孔洞这部分不需要的误识别内容需要通过在识别算法中设置过滤系数来去除过滤系数的计算依据平面图形周长的平方与其面积的比值来确定实际操作中通过图像上代表非孔洞图形的
10、外围像素与其总像素计算的 过滤系数的计算式为 /()式中:为非孔洞过滤系数 为图形周长()为图形总像素面积()圆的周长平方与其面积的比值为 正方形的为 当图形形状越接近圆形时其周长平方与面积的比值越接近 混凝土表面的孔洞形状多数接近圆形所以孔洞周长的平方与其面积的比值也接近 经过形态学处理后这些被误识为孔洞的图形的形状大多不接近圆形其过滤系数多显著偏离 因此可以通过计算图形周长平方与面积的比值来过滤掉不需要的图形图 非孔洞图形.形态学处理后非孔洞的过滤通过 内置函数分别计算图像上典型的非孔洞图形的周长和面积来计算过滤系数 因为需要过滤的非孔洞因素的形状各不相同试图仅凭借单一的过滤系数来对所有试
11、件的孔洞进行有效的过滤是不可靠的因此通过提取每张试件图像中合适的非孔洞特征进行不同过滤系数的计算如图 所示 对检测到的孔洞边缘进行膨胀腐蚀填充过滤操作最终得到可以计算孔洞面积比等评价参数的图像如图 所示 对孔洞边缘的检测、形态学处理、非孔洞过滤和孔洞尺寸的计算通过 实现(a)(b)(c)图 经过图像处理后的孔洞.计算评价参数混凝土表面的孔洞面积与试件面积的比值认为是几何不变的如式()通过几何不变关系来实现孔洞尺寸量化()第 期杨 科 等 基于模糊数学的混凝土表观质量综合评价式中:是单个孔洞像素个数(个)是单个孔洞真实面积()是图像像素个数(个)是混凝土试件面积()孔洞面积比计算式为 /()式中
12、:为孔洞面积比()为混凝土表面孔洞个数(个)孔洞连通域的统计可按 邻域或者 邻域计算采用 邻域统计的连通域范围更广但孔洞图形边缘附近的噪声也会被统计为孔洞的一部分而按 邻域统计孔洞连通域的方法不易受噪声影响所以孔洞个数按 邻域统计图像中连通域个数式()和式()中参数 等通过 内置函数计算 模糊综合评价方法.分级评价标准混凝土表面缺陷状况复杂仅通过孔洞最大直径和孔洞面积比不能完全反映混凝土表观质量的好坏也可能出现孔洞直径和面积比相近的混凝土表面如图 所示(a)S 4(b)S 5图 孔洞最大直径与面积比相近的混凝土表面.表面孔洞最大直径和面积比 分别为.与.而 表面相应参数分别为.与.即使参考了
13、的标准混凝土图像仅凭借人眼观测也很难区分表观质量孰好孰坏所以应该考虑多方面因素对混凝土表观质量的影响并且应尽量排除主观因素对混凝土表观质量进行评价统计这 幅图像中孔洞数量发现 表面具有 个孔洞而 表面具有 个孔洞对比来看表面具有更好的表观质量 因此除了考虑孔洞最大直径与孔洞面积比 个因素也应将孔洞个数作为一个评价因素将最大直径、孔洞面积比、孔洞个数作为因素集参考 等推荐的分级表确定评价集 ()评价集元素分别代表“极好”、“很好”、“较好”、“好”、“差”、“较差”、“很差”、“极差”孔洞个数的分级标准依据对 参考图像的回归分析确认由于 参考照片第 和第 级考虑了表面凸起等其他非孔洞因素混凝土表
14、面凸起并不在此次研究范围内如图 所示并且若孔洞个数越多显然混凝土表观质量越差所以仅考虑前 级来进行回归分析 采用了指数函数的回归曲线如图 所示图 混凝土缺陷分级.1234551 01 52 02 53 03 54 0孔洞个数C I B 孔洞分级R2=0.9 2 9 7 4图 分级与孔洞个数回归曲线.回归函数式为 .()相关系数为.孔洞个数与 分级之间存在良好的相关性 最终依据回归函数计算的孔洞个数与 等推荐的孔洞尺寸分级建立如表 分级评价标准 表中以 代表 项因素集对于不同评价集区间的边界值表 孔洞分级指标 分级指标孔洞直径/面积比/孔洞个数/个.长江科学院院报 年.隶属函数建立根据分级评级指
15、标确定与评价集相对应 个区间:()隶属函数式为()()其中 ()、()为与区间值有关的常数其计算结果见表 每个评价集元素分别对应不同的隶属函数()比如评价集元素为 的隶属函数为()的隶属函数是()以此类推表 隶属函数限制值 ()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/.综合评价结果为尽可能避免主观因素的影响因素集权重按灰色关联度分析计算以 图像为参照对试验获取的 张混凝土图像进行分类分类结果作为母序列 孔洞最大直径、孔洞面积比、孔洞个数的计算结果作为子序列 如式()()()()()()()()()()()()()()母子序列除以序
16、列中第一个元素以排除量纲的影响如式()()()/()()按式()求出母序列与子序列元素差值绝对值的最大值 与最小值 ()()()()()依式()求出每个子序列与母序列的关联系数()()()()()()()()()式中 为分辨系数一般取为.灰色关联度()按式()计算()()()()()经过归一化后求得各因素权重向量 ()()()()如式()()()()()针对每一张获取的混凝土表面图像将其孔洞最大直径、孔洞面积比和孔洞个数的计算结果代入隶属度函数得到每一张图像的单因素评判矩阵 例如某一张图像计算的因素集数值分别为.代入隶属函数计算的 如式().()式中每一行分别代表了孔洞最大直径、孔洞面积比和孔洞个数对于不同评价集元素的隶属度 由于因素集都可以考虑为影响表观质量的因素而不是仅仅考虑某一项主要因素所以采用了加权平均型的模糊合成算子则最后计算综合评价结果矩阵 的计算如式()()矩阵 大小为()中每一个元素代表了在综合考虑了孔洞最大直径、孔洞面积比和孔洞个数情况下某一混凝土表面对于不同评价集元素的隶属度按最大隶属度原则确定该混凝土表观质量评价的最终结果 试验结果及分析以消泡剂()和引气剂()复
