樁基成孔智能檢測平臺的研究與設計

陳曦鳴，朱克亮，吳自明，王震海，徐 寧

(國網安徽省電力有限公司建設分公司，安徽 合肥 230001)

0 引 言

混凝土土灌注樁是當前變電站和線路工程常用的地基處理方式，成孔質量是否滿足設計和規范要求直接關系到混凝土澆筑成樁質量，對上部結構穩定起到決定性的作用[1]。目前，規范當中對于樁基成孔之后灌注混凝土之前的各項指標檢測方法基本依賴于人工檢驗,樁基成孔質量的驗收控制精準度達標存在很大的局限性與不足。距離精準度的指標控制還有很大差距，建設管理存在很大的技術盲區[2]。如何方便、快速、精準地測出各項指標，克服上述問題的局限性和不足，通過計算機系統以圖形形式把成孔及其各項指標參數顯示出來成為關鍵。因此，對樁基成孔質量進行智能判別的研究顯得非常重要。

1 樁基檢測系統總體設計

利用超聲波法進行樁基成孔質量檢測[3-5]，系統平臺實現成孔傾向和傾角、孔深、孔徑、垂直度、沉渣厚度、泥漿指標等參數采樣，經數據傳輸模塊上傳至檢測儀數據分析軟件，以圖文并茂方式再現數字化參數，并實時給出成孔質量分析結果。經檢測儀采集的數據及分析結果經數據傳輸模塊同時同步到在線檢測云平臺，實現檢測數據同步存檔功能的同時，采用大數據分析在線矯正單一設備分析結果的準確性。云平臺支持多用戶分權限登錄，滿足監理單位、施工單位、業主等多方人員同步實時獲取檢測結果。

1.1 檢測技術的基本原理

對于超聲波檢測，其檢測原理是根據孔的大小和規格要求選擇適當數量的聲測管，超聲波發射和接收換能器水平預置在聲測管中，超聲波發射一定頻率的電脈沖，通過發送換能器轉換成聲波，聲波到達孔壁后被反射回來，接收換能器接收帶有關混凝土材料的性質、內部結構和組成成分的聲波信號，再由接收換能器轉換成電信號后實時傳送到儀器進行收集，然后對主要的聲學物理，例如傳輸時間，聲音振幅和頻率進行分析和處理，進一步判定孔徑(槽寬)、孔(槽)深、孔(槽)壁垂直度[6]。

1.2 檢測系統總體構成

樁基成孔質量智能檢測系統采用模塊化設計，主要包括檢測裝置，絞車提升機構，控制分析終端，系統平臺。系統架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構

1.2.1 檢測裝置

檢測裝置主要進行數據采集，包括超聲波探頭，鉆孔攝像頭。超聲波探頭對準孔內任一點垂直方向下降，脈沖信號發生器在超聲波探頭下降期間將一系列電脈沖發送至發射換能器的壓電體，隨之壓電體將該電脈沖轉換為超聲脈沖并進行發射。它經過泥漿后被鉆孔側壁反射回去，由接收器接收后再轉換為電信號上傳到服務器。而鉆孔攝像頭在干孔內部進行圖像采集，高清圖像信息回傳至服務端，能夠輔助相關人員對巖層分布情況和充盈系數進行分析。

1.2.2 絞車提升機構

絞車提升模塊需兼有手動和自動兩種工作方式，速度可調。主機通過控制箱供電，當電力中斷時可保存當前測試數據，通電后數據不丟失。在將超聲波探頭和鉆探攝像機下降到待檢測泥漿上部至底部的過程，記錄孔的側壁在兩個或四個方向上的表面狀態信號。

1.2.3 控制分析終端

分析終端即服務器端，通過USB、串口或CAN總線等計算機通信方式對所述提升機構發送指令，控制電動機械進行運轉，控制檢測儀器探頭或相關傳感器進行數據采集等，并可同步實現自動計算各測點孔徑值、偏移值和垂直度和沉渣厚度。根據超聲波探頭傳輸的超聲波的發射信號被接收的反射信息經過數據處理模塊放大、濾波等信號處理后傳至數據記錄模塊，記錄整個鉆孔的孔壁曲線，因為超聲波在固定介質中是以固定的傳播速度進行傳輸，因此可以假設超聲波的探頭到孔壁的距離為L，超聲波在泥漿中傳播速度為V，并且測得的實際超聲波發射和接收的時間差為t，則距離可以根據公式L=1/2V·t得到。通過超聲波探頭在垂直方向上進行不同深度方向的截面尺寸的測量，然后由數據記錄模塊同步繪制出各方向孔(槽)壁形態圖。通過記錄的形態圖中的結果分析鉆孔直徑和垂直度等基本參數，通過超聲波探頭傳輸的超聲波的頻譜信息，分析孔底入巖深度，沉渣厚度，護壁泥漿質量等結果。通過鉆孔攝像頭回傳的孔壁圖像，樁身砼充盈系數判斷進行輔助性驗證，對需要驗收的巖石錨桿基礎、人工挖孔基礎等關系到成孔質量的工藝進行可視化驗證。

1.2.4 系統平臺

系統平臺包括樁基觸摸屏終端和瀏覽器云端管理平臺，以圖形化方式實時顯示傳感器檢測數據，如下降深度、當前位置孔徑等，動態繪制數據曲線，并對檢測異常情況進行圖像及聲音報警，并預留第二階段樁身完整性檢測的接口。另一方面，系統平臺包含本地數據存儲功能，對實時檢測數據進行分析并存儲，根據測量時間、地點、成孔編號等實現數據分組標記，以便數據管理系統后臺集中管理。管理員可以通過軟件圖形用戶界面，使用觸屏或鼠標方便快捷地對檢測儀器參數進行設置，如對待檢測成孔進行編號、配置檢測儀器標定參數、配置設備運行模式、設定檢測項目等，且所有設置參數可持久化存儲。

2 數據處理算法設計

2.1 超聲波孔底沉渣信號濾波

對樁基檢測信號進行濾波可以提高回波信號的信噪比，是數據信號處理的第一步。在測量鉆孔沉渣厚度時，由于對測量精度的要求比較高，需要抑制噪聲以提高濾波時信號的信噪比，而且還要求不要引入其他干擾信號。

目前，Gabor變換在生物、地震、語音、電網瞬變、電路放電等類信號的應用中都具有很好的時頻局部化特性，另一方面，在生物識別、邊緣檢測、數據壓縮、圖像處理和機器視覺等領域應用中[7-10]，可以兼顧信號在時域和頻域中的分辨能力。文中采用Gabor變換提取樁基檢測信號的局部頻域和時域信息，提高濾波系統魯棒性。

文中采用的超聲波換能器中心頻率為100 kHz，采樣頻率為2 MHz，采樣間隔為0.5 μs。從圖2中觀察到沉渣與水界面(上界面)的回波，稱為一次回波，回波之后是較小的振幅回波，該回波是沉積物和孔壁底部(下部界面)處的反射波，稱之為二次回波。可以觀察到，如果發射功率過大，會產生多次回波影響判斷。如果發射功率降低，則二次回波衰減明顯，主要是因為沉渣對超聲的衰減比較大。

圖2 護臂泥漿懸濁液中波形情況

文中經過設置Gabor濾波器的各項參數，進行了f0為100 kHz濾波結果分析，結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，已經減少了濾波后信號中的噪聲，并且在消除有效信號之間的靜止區域波動的同時，可以很好地恢復源信號。濾波處理，可以為后續的弱信號增強、首波檢測提供基礎。

圖3 f0=100 kHz的Garbo濾波的結果

2.2 超聲回波中的首波檢測

超聲檢測時，超聲波會在泥漿與沉渣的界面進行一次反射，經過沉渣與桶底的時候會進行第二次反射，通過檢測兩次反射波的時間差，即可算出孔底部的沉渣厚度。假設沉渣上下界面的反射波時差為t，沉渣中傳播速度為v(固定速度)，則沉渣的厚度為d=1/2vt。因此，只要分別確定超聲波在上下兩個界面反射回波的首波位置，就可根據公式計算出沉渣的厚度[11-12]。

首波是聲波的頭波，其與隨后的波一起形成整個波列。首波是聲波的開始的象征，在分層媒介的檢測中，其到達時間通常用于計算各層之間的時間差。因此，在基于聲波的傳播時間的檢測中，最重要的是提取首波。首波的檢測精度直接決定了時間差測量的準確性。由于首波幅度通常很小，造成了提取困難，很容易與系統噪聲混淆，在高頻超聲波測量中檢測首波更加困難。

文中通過閾值法進行首波的判定。通過大量的實驗分析與驗算，設置一個閾值即為首波的判定閾值，如果檢測的信號幅度小于閾值，則認為該信號是噪聲信號。如果信號幅度大于閾值，則將該信號視為聲波信號，而第一個大于該預設閾值的即為首波。為了防止由大于閾值的單個噪聲變化引起的誤判，使用大于閾值的多個連續信號幅度來確認首波。而回波依據首波來進行界定，如圖4所示。

圖4 通過首波檢測確定回波采樣點位置

3 樁基檢測系統軟件實現

該系統軟件采用模塊化設計，分為機械部分、電子硬件部分和軟件部分[13]。機械包含絞車、滑輪等；電子硬件部分包含各個電路控制板、電機、編碼器等；軟件包含服務器端、C/S系統客戶端和B/S系統客戶端，主要包括以C語言開發的底層硬件驅動程序和平板電腦端應用程序。用戶與上位機進行人機交互，控制電機運行和樁基參數數據采集與傳輸，上位機對樁基參數進行保存及顯示。整個系統采用RS485通訊，完成控制命令及數據傳輸。其中上位機和下位機軟件可單獨調試，提高了系統開發的效率，靈活性更強。

3.1 下位機底層軟件設計

下位機軟件以代碼調試器，主要實現對下位機硬件接口的驅動和控制和上位機的通訊交互。在考慮系統工作所需的時效性、安全性、穩定性，以及MCU片容量大小限制等因素的情況下，采用STM32F405RGT6處理芯片，下層計算機程序設計使用中和輪詢的前端和后端模式。有效利用低功耗的高效中斷處理，確保系統穩定工作[14]。

工作流程如圖5所示。下位機模塊上電后，首先啟動程序初始化，完成MCU片上寄存器和系統控制單元的初始化，常規端口功能配置，中斷模塊配置以及每個變量的初始化定義；初始化工作完成后進入狀態檢測，判定成孔狀態，依據干孔或濕孔進行樁基參數測量。當檢測完成后，記錄X、X'、Y、Y'的值，根據幾何知識計算可得孔徑信息。當樁孔傾斜時，傳感器在下降過程中會偏離孔位的中心。假定從樁孔的中心位置O'到傳感器位置O的距離是樁基礎偏差。根據樁基偏移距離可以計算得到樁基偏移距離和傾斜角度，用于后續的數據矯正。首次采樣時，上位機終端將樁基參數和儀器參數信息發送給下位機，同時發送采樣指令，完成儀器的功能驅動和變量參數設置，然后驅動探針到達樁底并等待上位機終端反饋指令進行檢測，檢測完成后由六軸傳感器進行參數矯正，最后數據打包上傳，下位機系統復位。由此流程就由上位機端控制，進入絞車控制、數據實時采集、自動檢測裝置位置觸發、數據上傳處理分析的循環工作中。

圖5 下位機軟件工作流程

3.2 上位機交互軟件設計

3.2.1 自動判別算法設計

檢測數據的首波聲時、聲幅參數的準確判讀是超聲波樁基成孔檢測的首要問題，本系統中數據的處理分析工作集中在客戶端。文中在閾值判別的基礎上，設計了自動閾值判讀法[15]，通過預設一個幅值閾值來實現首波自動識別。在前期大量的實驗分析中得到不同沉渣厚度范圍下的聲波閾值參數，預設的閾值通過在聲波波形進行標定，程序將采集的數據進行消零處理，采集數據的絕對值與該預定閾值進行匹配，得到并記錄首個大于該閾值的第一組數據的序列號，并向前搜索第一個零交叉點，將其記錄為首波的時間點并確定首波幅值點。自動閾值判定法不再需要手動對聲波波形進行閾值的光波標定，進而進行人工首波的篩查。在實際的實驗中，自動閾值判讀程序實現簡單，且不會因采集波形前端畸變帶來的干擾從而造成人工誤判情況，可以完全滿足現場檢測換能器的要求，提高了判定速度和識別精度。

3.2.2 人機交互界面設計

人機交互應用程序開發使用的是模型—視圖—控制器模式，其中模型用來表明業務規則，視圖是用戶看到的界面，控制器是接受輸入數據并完成任務要求。每個顯示界面都由基本的活動組件加上配置文件組成，通過不同的適配器將外部數據綁定到組件上，實現當前事件的處理，完成現實操作控制。在每個組件定義相應的回調方法，實現不同界面之間的跳轉和數據交換[16]。

在考慮實際進行樁基檢測可便操作性后，設計了簡單直觀的交互界面。如圖6所示的主操作界面，可以實現絞車控制、探頭上升下降控制、實時測量參數、聲波圖形查看等基本工作，除主操作界面外，還有參數設置界面，可以進行探頭參數、絞車參數、判定閾值參數等的設置與修改。文件管理界面可進行歷史數據的查看和導出。波形查看界面可以更直觀地看到檢測數據，可以進行實時和歷史查看。

圖6 樁基成孔服務端界面

3.3 軟件交互接口協議設計

在系統上位機與下位機的交互過程中，需要充分保證通信的穩定性和可靠性，以確保對指令的無誤操作和數據的準確接收。在實現通信協議基本功能和不影響通訊的效率的基礎上實現簡潔的接口協議[17]。在接口協議設計中，簡化了數據包的發送和接收解析。本系統使用表1中數據的完整幀格式，充分考慮了干擾或其他因素引起的誤碼影響。

表1 通訊協議帖格式

傳輸數據按照通信協議幀格式，還需在數據段收尾加上諸如數據長度和校驗碼等字段，以便于接收者進行數據解析。發送數據前，對封裝后的數據進行奇偶校驗，并將校驗值寫入傾斜校驗字段。接收到數據幀后，按照相同格式檢查接收到的數據并進行驗證，進而分析數據。數據傳輸過程中還需要設置一定的等待時間和重傳次數限制，來保障通信率，避免丟包或者重傳。接收器需要在最大等待時間內確認或拒絕該數據幀。只有在接收到確認幀之后，才進行下一次傳輸。否則，認為該幀數據丟包，需要被重發，并且設置相應的重發次數標志。當重發次數累加到一定閾值后，將該消息上傳上位機，進行錯誤提示。

整個流程中樁基觸摸屏終端首先向絞車模塊控制終端發送啟動控制指令，啟動絞車運行。在絞車運行過程中，樁基觸摸屏終端可以下發讀深度指令至絞車模塊控制終端及下發讀孔徑指令至數據采集模塊控制終端，以上過程無需反饋。當數據采集模塊控制終端到達樁底時，需要主動向C申請停止，同時樁基觸摸屏終端必須給與停止反饋。當樁基觸摸屏終端需要主動結束絞車模塊控制終端，則同時需要絞車模塊控制終端反饋是否收到結束指令。在限定時間內沒有收到回復內容的，需要重發指令并適當的給出報警指示。

4 實驗仿真與模擬

在樁基成孔模擬檢測時，采樣頻率設定為100 Hz，信號增益設定為自動增益。超聲波傳感器浸入鉆井泥漿中，傳感器探頭同時對四個方向上發射超聲波。超聲波在泥漿中傳播后遇到孔壁時被部分反射回來，經接收器接收。通過時間差和傳播速度計算得到孔壁的距離，并將其記錄在顯示屏上。圖7為連續的測試記錄形成的孔徑圖像。結果顯示該孔的工程樁身總長20.4 m，沉渣厚度5 m，最小直徑77 mm,最大傾斜度1%，試驗測得結果與實際結果一致。

圖7 上位機實時檢測界面

5 結束語

針對目前缺乏先進準確的成孔質量檢測儀器的現狀，提出成孔質量的超聲波檢測方法，并圍繞超聲信號在樁基檢測過程中的信號濾波、波形增強和首波檢測等問題開展了相應的研究工作。設計了智能硬件檢測電路和人機交互操作系統，形成了一套智能超聲樁基成孔檢測系統平臺，使施工人員通過便攜式智能設備更加全面、專業、直觀地獲取到成孔質量參數，實現自動化技術判別。最后，系統將進一步改進檢測算法，實現對更多種類的成孔質量參數的檢測，為建設管理提供強力有效的技術支撐。