紅外視頻檢測系統開放實驗項目設計

劉 永，秦 旻，李紅鏑

(重慶交通大學 管理模擬實驗中心, 重慶 400074)

工程管理專業橫跨管理科學與工程、土木工程兩大學科，一方面要求學生掌握現代工程管理科學理論、方法、手段和土木工程技術，另一方面培養學生具備在國內外工程建設領域從事項目決策和實施全過程管理的基本能力[1-3]。“公路養護技術與管理”是工程管理專業的專業課程之一，主要介紹公路技術狀況評定、公路日常養護方法和病害防治措施。本課程要求學生掌握基本的公路養護技術以及管理方法。目前，該門課程教學有48學時的理論教學課時，未開設實驗教學內容。但是，公路養護技術作為該專業課程的主要教學內容之一，具有很強的應用實踐性，迫切需要針對一些關鍵技術加強對學生實踐技能的培養。從近幾年的教學效果來看，大部分學生通過理論課程的學習，能夠知道和了解一些典型的公路養護技術知識，但還是缺乏對這些養護技術與方法的感性認識和深層次理解。據此，我們應該完善該專業課程的教學內容，針對公路養護技術，設計與開展一系列具有一定工程實踐意義的能力和技能培訓的實踐教學內容，幫助學生理解和消化課堂上的理論知識和關鍵技術要點，培養和鍛煉學生動手的實踐技能與崗位就業能力[4-7]。

2010年，在中央與地方共建高等學校專項資金的支持下，我校管理模擬實驗中心結合工程管理專業的發展特點和公路養護技術專業課程的實踐教學要求，新引進了一套先進的教學科研實驗平臺——紅外視頻檢測系統，服務于科研與實驗教學。充分考慮溫度作為瀝青路面就地熱再生技術施工過程中的關鍵檢測與控制參數，結合課題組科研項目的研究成果，將該過程引入實驗教學，并設計了一個“瀝青路面就地熱再生過程中溫度變異的探究”開放實驗項目。采用先進的紅外視頻檢測系統觀測瀝青路面就地熱再生施工過程中的溫度變異現象，不僅能夠使學生熟悉和掌握這一先進的檢測技術手段[8-11]，拓寬學生的專業知識視野，并通過對檢測數據的處理、分析和比較，加深對新型高等級公路養護技術“就地熱再生技術原理和施工工藝及機組設備”的理解和掌握，而且還能提高大型貴重儀器設備利用率，充分發揮投資效益。本文從實驗目的、實驗原理、實驗內容、實驗步驟及數據等方面闡述了該實驗項目的設計過程，并給出了實驗教學案例。

1 實驗目的與原理

通過開設針對該紅外視頻檢測系統的開放實驗項目，讓學生對該系統的功能和實踐應用有所了解，掌握就地熱再生技術原理和施工過程及機組設備，并在教師的引導下，自主完成有關驗證性、綜合性和探索性的實驗內容。

1.1 實驗目的

(1) 了解紅外視頻檢測系統的工作原理，掌握該系統檢測溫度的操作使用方法；

(2) 熟悉瀝青路面就地熱再生技術施工的機組設備、施工過程及其在各個工作環節中的溫度控制要求；

(3) 掌握紅外圖像分析軟件和統計分析軟件進行溫度離析現象的紅外圖像數據分析和離析程度判斷方法。

1.2 紅外視頻檢測系統及測溫原理

在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在以電磁波的形式向外輻射能量，其輻射能包括各種波長，且其波長分布呈現出一定的規律。其中，波長范圍在0.76μm與1000μm之間為紅外光波，而紅外光波具有很強的溫度效應。從理論上講，只要能收集并探測這些輻射能，就可以通過重新排列來自探測器的信號，形成與景物輻射分布相對應的熱圖像，這正是紅外測溫技術的關鍵理論所在。據此，用于探測目標物體的熱紅外輻射的紅外視頻檢測系統，即通過光電轉換、電信號處理等一系列手段，將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像[12]。紅外視頻檢測系統原理結構如圖1所示。

圖1 紅外視頻檢測系統原理結構圖

1.3 就地熱再生技術與溫度檢測

就地熱再生技術是一種將舊瀝青路面經過加熱、軟化、銑刨、收集后，與再生劑、新瀝青材料、新集料等按照一定的比例重新拌和混合料，用于鋪筑路面面層或基層的新型高等級公路養護技術[11, 13]。其主要施工機組包括路面加熱機組、銑刨機、復拌機、攤鋪機和壓實機組。施工工藝流程為：首先使用專用的路面加熱機組對路面進行加熱升溫，軟化原有的瀝青路面，然后利用銑刨機進行翻松，翻松過程中加入適當比例的再生劑或改性瀝青，再將其收集到復拌機中，同時添加部分新拌瀝青混合料，拌和均勻，通過攤鋪機按路面施工設計要求進行攤鋪，最后使用壓實機組對攤鋪后的路面進行壓實,如圖2所示。

圖2 施工機組設備的施工流程圖

對于就地熱再生技術而言，瀝青混合料的溫度離析問題是路面不均勻性的主要原因之一，直接影響著后期路面使用性能和壽命[14-16]。溫度離析可使不同的溫度區域的壓實性不同，溫度高的地方壓實性能較好，溫度低的地方較差，達不到路用性能設計要求。因此，從施工溫度控制到溫度離析控制，對解決路面不均勻的早期損壞、提高路面使用壽命，具有重要的作用和意義。

考慮到施工工藝中溫度檢測的各個重要環節，如圖2中所標注的數字序號1—7。1表示待施工路面的初始溫度檢測點；2表示經過加熱機組加熱后，路面的實時溫度檢測點；3表示路面經過加熱銑刨機的處理后，瀝青混合料的溫度分布檢測點；4表示料斗中加入了新料，新料的溫度分布檢測點；5表示混合料經過復拌機處理后，混合料的溫度分布檢測點；6表示混合料經過攤鋪機拌和、整形、初步振實整平后，路面的溫度分布檢測點；7表示各壓實機組對路面壓實過程中的溫度分布檢測點。利用紅外視頻檢測系統，依次對固定作業路面按照上述各個溫度檢測點的位置要求進行紅外視頻圖像數據的拍攝和存儲，完成實驗分析所需數據的采集，為后續數據處理與分析奠定基礎。

2 實驗步驟

首先打開紅外視頻檢測系統，進入操作界面，按照設備說明書，在選單欄進行設備調試與檢測參數設置，包括日期和時間、偏好設置、物料輻射率、物距、環境溫度、濕度設置等；然后，按照實驗原理中所講解的施工過程所要求的溫度檢測點，選取待檢測瀝青路面標段的某個固定空間位置點，依次拍攝并存儲紅外視頻圖像；最后，在后臺應用紅外圖像分析軟件提供的點、區域等分析功能和統計分析軟件的數據處理功能進行溫度數據的處理、對比和分析溫度分布情況。

3 實驗結果及分析

通過紅外視頻檢測系統，可以采集就地熱再生施工機組運行過程中的瀝青路面或集料的溫度分布紅外圖像。某等級公路養護施工樁號K154+800，根據溫度檢測要求，按照施工流程圖(見圖2)中的溫度檢測點分布的情況，采集紅外視頻圖像與可見光對照圖像，結果如圖3所示。由于篇幅有限，只列出來某個溫度檢測點的一幅圖像對照組。在學生實驗過程中，要求在每個溫度檢測點位置，至少采集3幅紅外圖像與可見光對照圖像，用于綜合分析，減少誤差。

由圖3可以發現，很難從紅外圖像中認識溫度離析的現象，需要借助相關軟件來對紅外圖像數據做進一步的分析。以探究經過壓實機組壓實完畢后的瀝青路面溫度離析情況為例，利用分析軟件SatIrReport System對紅外圖像進行分析。壓實機組作業完畢之后，在拍攝的路面區域中，最高溫度為72.46℃，最低溫度為57.29℃，平均溫度為65.40℃，極差溫度為15.17℃，即壓實后的路面溫度最大差異為15.17℃。參照美國NCHRP441報告中提出的溫度離析標準(見表1)，此種情況為輕度溫度離析。

圖3 各溫度檢測點采集的紅外圖像與可見光對照圖

溫度離析程度無輕度中度重度溫度/℃<1010-1617-25>25

為了進一步探究溫度離析現象，利用分析軟件提供的點工具、區域工具作進一步分析。應用點分析工具，隨機選取10個溫度檢測點(見圖4中的P1、P2、……、P9、P10)，做統計分析，分別求取溫度均值、極差、標準方差和變異系數，按照表1中的標準，出現了輕微離析，且根據變異系數也可得出溫度存在一定差異。計算結果見表2。

圖4 點工具、區域工具分析結果

測試點P1P2P3P4P5溫度值/℃58.6566.2865.6268.1265.65測試點P6P7P8P9P10溫度值/℃65.5266.5367.9470.5660.20平均值:65.51℃ 極差:11.91標準差:3.577 變異系數:5.46%

應用區域分析工具，隨機確定了3個不同位置的區域分析圓(見圖4中的C1、C2、C3)，做直方圖統計分析，如圖5所示。3個區域的直方圖統計特征相似，且極差分別為11.63、11.76、13.65，見表3。依據標準可判定為屬于輕度離析。

圖5 C1、C2、C3區域分析直方圖

測試區域全區域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溫度極差/℃15.1711.6311.7613.65

4 結束語

所設計的實驗項目首次應用于我校工程管理專業開放教學環節中，選擇此課題的學生超過了預期設定的人數。在開放實驗項目教學實訓的過程中，實驗教師首先要給參與開放實驗的學生講解開放實驗的目的、內容及要求，再由學生根據實驗內容的要求自主完成分析問題、查找資料、設計方案、過程分析、數據論證、結論總結等實驗過程的訓練。經過為期8個學時的開放實驗訓練，大多數學生不但掌握了紅外視頻檢測系統的工作原理和實操技能，熟悉了就地熱再生這一典型的瀝青路面養護技術的施工機組設備原理、施工工藝流程及溫度控制要求，而且可以設計方案實現關鍵質量控制點的溫度分布檢測與溫度離析程度判斷。但是，還存在一些有待完善的問題：

(1) 工程管理專業的學生對關鍵的施工技術能夠很快理解和消化，但是由于實驗設備以及現場的熱再生機組涉及計算機硬件設備、大型機械設備的知識內容繁多、交叉明顯，所以在實驗教學之前，需要針對性地講解其他專業的預備知識，從而影響了開放實驗項目的教學進度；

(2) 在實驗項目實施過程中，考慮到現場施工環境的復雜性、安全性等問題，未能組織學生到施工現場進行實驗，只是由實驗教師到施工現場預先拍攝和錄制視頻和紅外圖像資料，然后再結合視頻資料講解施工過程，最后由學生根據自主設計的方案，在資料庫里選擇施工作業段的視頻和紅外圖像資料來完成實驗過程，此實驗過程易使得學生對這一技術應用的感性認識不足，存在一些理解偏差；

(3) 開放實驗項目的設計只針對了該紅外視頻檢測系統應用的一個典型工程技術應用方面——就地熱再生瀝青路面養護施工過程溫度變異，應用面較窄，使得所研究與設計的實驗項目并未充分發揮該系統的教學實踐優勢，后期需要進一步拓寬其應用領域，使該套教學實驗系統更好地服務于實驗教學。

[1] 張立山，董艷英，徐淑媛.論工程管理專業學生從業能力的培養[J].教育與職業, 2013 (26):102-104.

[2] 王學通，龐永師，禹奇才.工程管理專業實驗課程體系的研究與實踐[J].中國大學教學, 2011(1):77-79.

[3] 王雪青，楊秋波.中美英工程管理專業本科教育的比較及其啟示[J].中國大學教學,2010(6):36-39.

[4] 王麗，周玲，尹麗丹，等.創新型實踐教學在大學生能力培養中的作用[J].實驗室研究與探索,2013,32(3):143-146.

[5] 陳爽.應用型人才培養模式的實驗教學改革[J].實驗室研究與探索,2012,31(8):1-3.

[6] 孫盾，姚纓英，范承志.實驗教學環節與創新能力培養[J].實驗技術與管理,2012,29(5):28-30.

[7] 謝惠波，楊艷，陳麗，等.論開放實驗室建設[J].實驗技術與管理,2011,28(5):178-181.

[8] 周志剛，李瓊，李強，等.瀝青路面現場熱再生施工控制溫度的研究[J].中外公路,2011,31(3):57-62.

[9] 郭大進，沙愛民，孫建華，等.運用紅外熱像儀改善瀝青混合料溫度離析效果的研究[J]. 公路交通科技,2007,24(5):63-66.

[10] 李強，鐘燕輝，張蓓，等.紅外熱像儀在瀝青路面質量控制中的應用研究[J].中外公路,2007,27(4):102-105.

[11] 郭小宏，楊健民，李朋偉.就地熱再生技術加熱等級和作業速度研究[J].公路工程,2013,38(3):213-218.

[12] 李云紅.基于紅外熱像儀的溫度測量技術及其應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2010.

[13] 盛燕萍，李海濱，孟建黨.就地熱再生技術在瀝青路面養護工程中的應用[J].廣西大學學報：自然科學版,2012,37(1):134-140.

[14] 彭余華，沙愛民，羅志華，等.瀝青混合料溫度離析特性[J].長安大學學報：自然科學版,2008,28(6):5-10.

[15] 閆翔宇.瀝青路面施工溫度離析評價[J].中外公路,2012,32(2):82-84.

[16] 張蕾，焦曉磊，王哲人，等.瀝青路面溫度離析標準的探討[J].公路交通科技,2008,25(6):15-19.