一种混凝土振捣棒插拔状态识别方法及装置

技术领域

本发明涉及混凝土施工质量控制领域，具体涉及一种混凝土振捣棒插拔状态识别方法及装置。

背景技术

传统混凝土施工过程不可控，成型过程不可逆，混凝土浇筑质量难以保证，一旦混凝土终凝存在缺陷后期修补成本高、耗时长。规范振捣是混凝土浇筑过程中保障成型质量重要环节，但现有振捣施工规程仅提出原则性指导意见，振捣密实评价存在主观非量化问题。目前，集成物联网、建造信息模型、人工智能等新技术的混凝土智能振捣馈控系统可解决振捣过程粗放问题。这其中，准确实时的振捣棒插拔状态判定是实现精准评价混凝土振捣质量的关键环节。

中国专利文献CN110847614A提出基于光纤传感的混凝土振捣时间统计方法，该方法通过在拟振捣区域混凝土中铺设光纤传感器采集混凝土振捣各区域平均振幅数据判定振捣棒插入与拔出，但是该方法在混凝土浇筑区域铺设大量光纤不符合工程实践应用需求，难以推广与落地。中国专利CN102507658A提出在振捣棒头安装电极采集分析振捣棒插拔待振混凝土时电极反馈电位值判定振捣棒插拔状态，但是振捣棒头振动频率高达200Hz左右，混凝土拌合物的复杂组成尤其是骨料砂石与钢筋等组分极易破坏反复插拔的棒头电极，导致插拔状态判定装置失效。中国专利CN111721929A提出基于振捣棒振捣过程电流信号变化判定插拔状态，但该方法未考虑实际施工过程振捣棒随机触碰钢筋、模板等导致误判为有效插入混凝土等工况，判定方法过于简化，无法适应普通混凝土结构中振捣棒插拔过程所获取的电流信号采集的复杂性非线性特征提取，难易处理信号的波动以及合理区分插拔状态关系，显然不适用于复杂的现场振捣工艺实际工况，不具备现场应用可操作与结果复现性。中国专利CN205348802U提出状态测试装置包括：采集电动机工作电流的交流互感器、滤波及A/D转换模块、根据预先整定的电流阈值进行判别，但同样仅依靠单一电流阈值难以准确识别复杂工况下振捣棒插拔状态，识别精度无法可靠界定，不能保证实际应用有效性。

发明内容

为此，本发明提供一种混凝土振捣棒插拔状态识别方法及装置，以解决现有现场复杂条件下浇筑振捣的插拔状态难以量化识别和准确记录的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，公开了一种混凝土振捣棒插拔状态识别方法，其特征在于，所述方法为：

S1、流互感器穿心悬挂于电机火线线缆，采集电机输入电流至插拔状态采集盒内电流输入模块，整流、转换并增益放大为单片机可识别的电压信号；

S2、单片机以1000Hz频率采集输入电压信号，10ms自动计算一次平均值作为代表数据点，根据实际工程采样分析需要，每秒自动判定上传一次插拔状态信息；

S3、自动采集至少1分钟连续空载电压数据，并降序排列每秒空载电压数据点选取第15个序列点作为计算点，连续空载时间段内自动计算点平均值作为电压阈值U

S4、预先采集空载电压、误碰钢筋、有载电压差值数据，单种工况数据集样本数至少100个，基于遗传模拟退火算法优化模糊C均值聚类法将上述数据聚类为三类，第二类与第三类聚类中心均值作为电压差值阈值U

S5、自动采集振捣全过程电压数据，实时计算判定振捣插拔状态：以每秒为判定单元，滤波处理电压数据后当每秒内60个数据点中75％大于电压阈值U

S6、实际正常振捣过程中工人至少振捣混凝土1s，因此可规定当连续有载时间小于2s该段有载修正为空载，实际操作中可依据现场工人经验习性振捣时长设定。

进一步地，所述S2步骤中采用切比雪夫Ⅰ型滤波器对100个平均化代表数据点滤波处理后自动选取300ms～900ms为代表时间段判定插拔状态。

进一步地，所述步骤S5中当不满足滤波处理电压数据后当每秒内60个数据点中75％大于或小于电压阈值U

进一步地，所述方法在判定出振捣棒当前的状态后，将判断结果通过Zigbee模块发送至数据库进行储存，并通过显示终端展示当前的状态判断结果，根据状态调整相应的操作。

根据本发明的第二方面公开了一种混凝土振捣棒插拔状态识别装置，所述混凝土振捣棒插拔状态识别装置包括：电流互感器、插拔状态采集盒、振捣电机和振捣棒，所述振捣棒与振捣电机连接，所述电流互感器穿心连接振捣电机的火线，电流互感器与插拔状态采集盒连接，将采集的电流传送至插拔状态采集盒，所述插拔状态采集盒将输入的电流转换为单片机可识别的电压信号，判定振捣棒的插拔状态。

进一步地，所述电流互感器实时采集振捣电机输入的电流信号，电流互感器将电流信号传送至插拔状态采集盒，所述插拔状态采集盒对电流信号进行处理。

进一步地，所述插拔状态采集盒包括：电源模块、电流输入模块、单片机、Zigbee模块，所述电流输入模块对接收的电流信号进行整流，整流后经过滑动变阻器分流出部分电流转换为单片机可识别的电压信号，电压信号经过LM358元件增益放大后传输至单片机，单片机根据电压信号对振捣棒的插拔状态进行判断，判断结果通过Zigbee模块发送至数据库进行储存。

进一步地，所述电机输入电流频率为50Hz，经电流输入模块整流后和转变后，成为100Hz电压信号，周期为10ms，单片机采样频率为1000Hz，采样周期1ms，取连续每10个采样数据平均值作为一个代表数据点。

进一步地，所述单片机采集到电压信号后使用切比雪夫Ⅰ型滤波器进行滤波，滤波后选取每1s内的第300ms～900ms电压信号处理代表数据点值作为该1s的状态特征判定依据。

本发明具有如下优点：

本发明公开了一种混凝土振捣棒插拔状态识别方法及装置，能有效实现振捣棒不同工作状态电压信号的实时处理识别与工作插拔状态的准确判定，为混凝土/钢筋混凝土浇捣中采用振捣棒智能化施工工艺的有效振捣作业状态实时判定，提供了插拔工艺参数的准确可靠获取方法；

实现非接触式振捣全过程参数采集，判定模型中电压阈值与电压差值阈值联合判定方法，只需采集空载电压、误碰钢筋(模板、预埋件)电压、有载等各种典型工况下电压信号初始数据，该过程在施工前完成预采集，不影响正常施工过程实时采集判定；智能判定装置真正实现了即插即用功能，能对传统混凝土振捣施工工序同步准确、实时、可靠获得振捣棒插拔工作状态获取振捣有效时间。该装置与方法可适用于不同类型的交流振捣电动机与各类复杂施工现场，具有很好普适性；采样判定频率为1Hz，判定精度高(大于90％)，完全满足工程现场实际需要。

本发明公开的智能识别装置体积小、安装方便，无需对振捣棒、振捣电动机进行任何改造，不影响正常施工工序，真正实现即插即用适用于不同类型的交流振捣电动机与各类复杂施工现场；所述智能判定模型依据电压信号频谱特点以直流分量为主要特征值，采用切比雪夫Ⅰ型滤波器滤波，在保留信号特征前提下有效减少信号不规则波动便于后续信号分析；所述智能判定模型采用双阈值法，有效区别空载、有载振捣状态，其中差值阈值基于遗传模拟退火优化模糊C均值聚类法界定，使得所述判定模型具有较好区别误触钢筋、插入混凝土内引起判定电压上升功能，有效提高判定精度；所述智能评价模型基于实际施工现状提出可靠灵活的有载状态修正方法，进一步提高了复杂工况条件下施工现场振捣棒插拔式振捣状态识别的可行性与准确性，识别精度大于90％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种混凝土振捣棒插拔状态识别装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种混凝土振捣棒插拔状态识别方法的插拔状态采集盒工作流程图；

图3为本发明实施例提供的一种混凝土振捣棒插拔状态识别方法的电压信号频域与时域示意图；

图4为本发明实施例提供的一种混凝土振捣棒插拔状态识别方法的电压信号滤波图；

图5为本发明实施例提供的基于遗传模拟退火优化模糊C均值聚类法采样数据处理流程图；

图6为本发明实施例提供的一种混凝土振捣棒插拔状态识别方法的振捣全过程处理信号实时判定图；

图中：1-火线、2-电流互感器、3-插拔状态采集盒、4-振捣电机、5-振捣棒。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开了一种混凝土振捣棒5插拔状态识别方法，所述方法为：

S1、流互感器穿心悬挂于电机火线1线缆，采集电机输入电流至插拔状态采集盒3内电流输入模块，整流、转换并增益放大为单片机可识别的电压信号；

S2、单片机以1000Hz频率采集输入电压信号，10ms自动计算一次平均值作为代表数据点，根据实际工程采样分析需要，每秒自动判定上传一次插拔状态信息；

S3、自动采集至少1分钟连续空载电压数据，并降序排列每秒空载电压数据点选取第15个序列点作为计算点，连续空载时间段内自动计算点平均值作为电压阈值U

S4、预先采集空载电压、误碰钢筋、有载电压差值数据，单种工况数据集样本数至少100个，参考图5，基于遗传模拟退火算法优化模糊C均值聚类法将上述数据聚类为三类，第二类与第三类聚类中心均值作为电压差值阈值U

S5、参考图6，自动采集振捣全过程电压数据，实时计算判定振捣插拔状态：以每秒为判定单元，滤波处理电压数据后当每秒内60个数据点中75％大于电压阈值U

S6、实际正常振捣过程中工人至少振捣混凝土1s，因此可规定当连续有载时间小于2s该段有载修正为空载，实际操作中可依据现场工人经验习性振捣时长设定。

上述S2步骤中采用切比雪夫Ⅰ型滤波器对100个平均化代表数据点滤波处理后自动选取300ms～900ms为代表时间段判定插拔状态。

本实施例中距离说明步骤S4，以某工程地铁6号线某段混凝土浇筑实施例统计空载、误碰钢筋、有载三种情况分别出现于三类区域内概率为例做进一步阐述：

表1电压差值聚类统计表

由表1可知：空载情况全部分布于第一类、第二类，主要集中于第一类，差值变化范围小；误碰钢筋情况分布于三类，主要集中于第一类、第二类，差值变化范围较大；有载情况主要分布于三类，差值变化范围最大。

以第二类、第三类聚类中心均值作为差值阈值，空载差值100％小于差值阈值，当不满足电压数据点75％小于电压阈值仍可准确判定为空载；误碰钢筋差值92％小于差值阈值，当不满足电压数据点75％小于电压阈值仍可有效判定为空载；有载情况下不满足电压数据点75％大于电压阈值主要发生在插拔前后，该情况出现概率约为有载差值分布于第三类概率20％,仍可有效判定为有载，因此步骤S4界定电压差值阈值U

步骤S5中当不满足滤波处理电压数据后当每秒内60个数据点中75％大于或小于电压阈值U

通过以上技术方案，可有效实现任意工况下采用振捣棒5在混凝土/钢筋混凝土插拔及振捣作业时智能化识别和判定插拔状态的功效。在判定出振捣棒5当前的状态后，将判断结果通过Zigbee模块发送至数据库进行储存，并通过显示终端展示当前的状态判断结果，根据状态调整相应的操作。

本实施例公开的混凝土振捣棒5插拔状态识别方法应用于某地铁6号线某段浇捣过程监控，插拔状态判定结果对照现场同步施工影像判定对比，准确度大于90％，实践证明该判定模型具有较为准确的判定精度。

现场视频影像资料显示：50s～54s、99～102s振捣棒5触碰钢筋，电压上升不满足电压数据点75％小于电压阈值，但差值小于电压差值阈值正确判定为空载，实践表明该判定模型具有准确区分误碰钢筋与插入混凝土导致电压上升两种情况功能，从而有效提高识别精度。

实施例2

参考图1，本实施例公开了一种混凝土振捣棒5插拔状态识别装置，所述混凝土振捣棒5插拔状态识别装置包括：电流互感器2、插拔状态采集盒3、振捣电机4和振捣棒5，所述振捣棒5与振捣电机4连接，所述电流互感器2穿心连接振捣电机4的火线1，电流互感器2与插拔状态采集盒3连接，将采集的电流传送至插拔状态采集盒3，所述插拔状态采集盒3将输入的电流转换为单片机可识别的电压信号，判定振捣棒5的插拔状态。

参考图2，电流互感器2实时采集振捣电机4输入的电流信号，电流互感器2将电流信号传送至插拔状态采集盒3，所述插拔状态采集盒3对电流信号进行处理；插拔状态采集盒3包括：电源模块、电流输入模块、单片机、Zigbee模块，所述电流输入模块对接收的电流信号进行整流，整流后经过滑动变阻器分流出部分电流转换为单片机可识别的电压信号，电压信号经过LM358元件增益放大后传输至单片机，单片机根据电压信号对振捣棒5的插拔状态进行判断，判断结果通过Zigbee模块发送至数据库进行储存。

电机输入电流频率为50Hz，经电流输入模块整流后和转变后，成为100Hz电压信号，周期为10ms，单片机采样频率为1000Hz，采样周期1ms，取连续每10个采样数据平均值作为一个代表数据点。单片机A/D转化对应范围为：模拟量范围0～3.3V，数字量范围0～4096。

单片机采集到电压信号后使用切比雪夫Ⅰ型滤波器进行滤波，滤波后选取每1s内的第300ms～900ms电压信号处理代表数据点值作为该1s的状态特征判定依据。滤波原理为：根据实际工程采样分析需要，每秒判定上传一次插拔状态信息，每采集1s共有100个平均化代表数据点进行滤波分析，对上述代表数据点进行傅里叶变换得到频域图，由频域图可知电压能量主要集中于直流分量，将直流分量作为主要特征值，其余频段幅值采用附图3和4所示滤波器滤波。智能判定模型依据电压信号频谱特点以直流分量为主要特征值，采用切比雪夫Ⅰ型滤波器滤波，在保留信号特征前提下有效减少信号不规则波动便于后续信号分析。识别装置体积小、安装方便，无需对振捣棒5、振捣电动机进行任何改造，不影响正常施工工序，真正实现即插即用适用于不同类型的交流振捣电动机与各类复杂施工现场。

本实施例公开的一种混凝土振捣棒5插拔状态识别装置，实现非接触式振捣全过程参数采集，判定模型中电压阈值与电压差值阈值联合判定方法，只需采集空载电压、误碰钢筋(模板、预埋件)电压、有载等各种典型工况下电压信号初始数据，该过程在施工前完成预采集，不影响正常施工过程实时采集判定；智能判定装置真正实现了即插即用功能，能对传统混凝土振捣施工工序同步准确、实时、可靠获得振捣棒5插拔工作状态获取振捣有效时间。该装置与方法可适用于不同类型的交流振捣电动机与各类复杂施工现场，具有很好普适性；采样判定频率为1Hz，判定精度高(大于90％)，完全满足工程现场实际需要。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。