[發明專利]一種動態顆粒材料數值信息的測量方法及實驗裝置

在審

• 申請號: 202210520200.4
• 申請日: 2022-05-13
• 公開（公告）號: CN114973073A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 劉昊;馬殷軍;陳滿;聶志紅;左君;張亮;徐軍;董博峰;張康銀
• 申請（專利權）人: 中南大學;中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州工程建設指揮部;中國建筑股份有限公司;中建鐵路投資建設集團有限公司
• 主分類號: G06V20/40
• 分類號: G06V20/40;G06V10/25;G06V10/26;G06V10/764;G06V10/766;G06V10/80;G06V10/82;G06N3/04;G06N3/08;G01N15/00
• 代理公司: 長沙歐諾專利代理事務所(普通合伙) 43234
• 代理人: 歐穎;梁捷

本發明提供了一種動態顆粒材料數值信息的測量方法，包括采集動態顆粒材料視頻、創建數據集、端到端的多任務學習、視頻實例分割和后處理步驟；采集動態顆粒材料視頻是將動態的顆粒材料記錄成視頻；創建數據集是將動態顆粒材料視頻逐幀轉換成圖片，并使用標注工具對轉換得到的圖片抽取一部分進行標記，接著將標注好的數據劃分為訓練集和驗證集；端到端的多任務學習是利用標注好的數據，對視頻實例分割算法模型進行訓練；視頻實例分割是使用訓練好的視頻實例分割算法模型，對采集到的動態顆粒材料視頻進行視頻實例分割；后處理步驟包括：S1、質心提取及等比例標定；S2、等效橢圓擬合及長軸角度提取。

技術領域

本發明屬于動態顆粒材料測量技術領域，具體涉及一種動態顆粒材料數值信息的測量方法及實驗裝置。

背景技術

現如今，作為快速交通網建設中的主體：高速鐵路與高速公路發展迅速，對道路、鐵路工程的建設要求越來越高。傳統的道路、鐵路路基壓實技術已經很難滿足當前發展的需要。路基智能壓實技術的出現在提高道路、鐵路路基施工質量、耐久性的方面發揮了重要的作用。

路基壓實過程中的土體本質上是屬于顆粒材料。顆粒材料由松散狀態變為致密，這是顆粒運動引起內部細觀結構變化的結果。同時，平移和旋轉作為顆粒運動的兩種主要的運動形式，對顆粒材料的宏觀力學行為，尤其是變形，有著顯著的影響。

目前，獲取和分析動態顆粒材料數值信息的主要方法是離散元法(DEM)，該方法最早由Cundall和Strack于20世紀70年代提出，并一直受到許多學者的關注和發展。然而，數值模型本身及其統計結果缺乏有效的數據驗證，難以被普遍接受。隨著技術的發展，在真實物理實驗中利用智能傳感器SmartRock可以獲取單個顆粒的運動信息，但是存在傳感器昂貴以及無法獲取多個顆粒的運動信息的缺點。利用顆粒跟蹤測速儀(PTV)、顆粒成像測速儀(PIV)、激光散斑測速儀(LSV)等技術，可以對顆粒進行跟蹤和測量，其中PTV技術廣泛應用于顆粒流動實驗。但上述方法設備復雜、成本高，不利于大量顆粒的數值測量。同時上述方法在顆粒過多時容易出現混疊，導致精度低，部分顆粒無法測量。

因此，為了簡化實驗設備、節省成本、提高識別精度，測量更多的顆粒，從而測量動態顆粒材料的數值信息，進一步統計分析振動壓實過程中不同外因或內因作用下顆粒的運動規律，需要設計一種新的動態顆粒材料數值信息的測量方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種動態顆粒材料數值信息的測量方法及實驗裝置，以解決背景技術中提出的目前的動態顆粒材料數值信息的測量方式還存在諸多缺陷的問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種動態顆粒材料數值信息的測量方法，包括以下步驟，采集動態顆粒材料視頻、創建數據集、端到端的多任務學習、視頻實例分割和后處理步驟；

采集動態顆粒材料視頻：對顆粒材料施加振動荷載或旋轉荷載，使顆粒材料發生振動或轉動，并將動態的顆粒材料記錄成視頻；

創建數據集：將采集到的動態顆粒材料視頻逐幀轉換成圖片，然后使用標注工具對轉換得到的圖片均勻抽取一部分進行標記得到標注好的數據，接著將標注好的數據劃分為訓練集和驗證集；

端到端的多任務學習：利用標注好的數據，對視頻實例分割算法模型進行訓練；

視頻實例分割(Video instance segmention，VIS)：使用訓練好的視頻實例分割算法模型，對采集到的動態顆粒材料視頻進行視頻實例分割；

后處理步驟包括：

S1、質心提取及等比例標定：在視頻實例分割的過程中，將視頻幀所處的二維平面獨立地分成x方向和y方向，然后將x方向左右兩邊的掩碼像素等分，將y方向上下兩邊的掩碼像素也等分，提取出顆粒材料的質心；使用質心位移代表顆粒材料的平移量，并檢測出顆粒材料的平移量，再對平移量求一階導數和二階導數，檢測出顆粒材料的速度和加速度；