基于主動(dòng)式全景視覺的隧道全斷面高速動(dòng)態(tài)健康檢測(cè)裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及全景激光光源、全方位視覺傳感器、數(shù)字圖像處理、H維重構(gòu)技術(shù)W及 計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在隧道的自動(dòng)檢測(cè)和H維建模方面的應(yīng)用，尤其涉及一種基于主動(dòng)式全景 視覺的隧道全斷面高速動(dòng)態(tài)健康檢測(cè)裝置與方法，主要應(yīng)用于地鐵和高鐵隧道運(yùn)營(yíng)期間的 自動(dòng)健康監(jiān)測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 地鐵和高鐵隧道的健康監(jiān)測(cè)可分為兩個(gè)階段；施工階段和運(yùn)營(yíng)階段。在鐵路隧道 的運(yùn)營(yíng)過程中，隧道的安全問題主要受到W下幾個(gè)方面的影響；一是列車運(yùn)營(yíng)過程中長(zhǎng)期 振動(dòng)荷載引起的道床整體沉降；二是由于大多數(shù)長(zhǎng)大隧道處于復(fù)雜的地質(zhì)條件中，列車荷 載引起的線路沿軸線方向的不均勻沉降；最后就是隧道周邊建筑物的影響。而該些影響會(huì) 造成隧道輪廓的開裂，變形，漏水甚至脫落等一系列安全問題。
[0003] 目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)隧道施工階段的監(jiān)測(cè)技術(shù)己比較成熟，但是對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)期間的 監(jiān)測(cè)重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。事實(shí)上，運(yùn)營(yíng)階段因時(shí)間跨度大、影響因素復(fù)雜、災(zāi)害社會(huì)影響大， 對(duì)地鐵和高鐵隧道的健康監(jiān)測(cè)更應(yīng)該得到充分的重視。隧道輪廓的檢測(cè)能方便的掌握隧道 凈空，監(jiān)測(cè)隧道的變形，因此隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)在鐵路運(yùn)輸過程中占有重要的地位。
[0004] 在隧道的運(yùn)維階段，為了不影響線路運(yùn)營(yíng)，只能利用"開天窗"時(shí)間，而"開天窗"時(shí) 間是一定的，該就需要快速地進(jìn)行檢測(cè)，傳統(tǒng)的點(diǎn)站式測(cè)量斷面變形的方式顯然不能滿足 要求。根據(jù)高鐵和城市地鐵發(fā)展的需求，對(duì)隧道全斷面進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)健康監(jiān)測(cè)，并要求監(jiān)測(cè) 過程能與列車運(yùn)行同步，便于管理人員實(shí)時(shí)、連續(xù)、快速地掌握隧道變化，及時(shí)消除影響運(yùn) 輸安全的隱患。在此過程中要求完成斷面檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、傳輸，并快速給出相 應(yīng)的斷面輪廓及隧道的H維模型，乃至實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析出各種安全隱患。
[0005] 隧道檢測(cè)具有隧道變形的漸變性和長(zhǎng)期性、測(cè)點(diǎn)多、線路長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù) 分析復(fù)雜等特點(diǎn)。非接觸式車載隧道斷面檢測(cè)已成為主流檢測(cè)技術(shù)。目前，非接觸式車載隧 道斷面檢測(cè)方案主要采用了激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)等。而且普遍應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外先 進(jìn)的軌道檢測(cè)車上，檢測(cè)效率得到了很大的提升。比較典型的有；法國(guó)2005年投入使用的 用W改善高速線路維護(hù)的基礎(chǔ)設(shè)施高速檢測(cè)列車MGV，運(yùn)用攝影測(cè)量的方式能夠在300km 的速度下對(duì)接觸網(wǎng)、軌道等進(jìn)行檢測(cè)；德國(guó)的GeoRail-Xpress綜合檢測(cè)車能對(duì)線路上的可 見和不可見部分進(jìn)行全數(shù)字化測(cè)量、采集和分析；其上搭載有由4維軌道環(huán)境照相機(jī)構(gòu)成 的線路和環(huán)境檢測(cè)裝置，由6個(gè)激光傳感器和2架數(shù)碼行掃描照相機(jī)構(gòu)成的軌道檢測(cè)裝置， 檢測(cè)速度為lOOkm/h ;日本軌道綜合檢測(cè)車W 2002年3月投入使用的East-I型最具代表 性，該列車采用700系電動(dòng)車組，6輛編組，可W實(shí)施88項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目，其中應(yīng)用列車頂部的攝 像裝置采用圖像處理技術(shù)測(cè)量道床及周邊結(jié)構(gòu)物的情況，最高運(yùn)行速度275km/h ;奧地利 的Plasser公司時(shí)速為250km/h的EM250型高速軌檢車，意大利"阿基米德"號(hào)綜合檢測(cè)車 等都搭載有運(yùn)用攝影測(cè)量技術(shù)或激光輔助圖像處理技術(shù)的高速隧道檢測(cè)設(shè)備。
[0006] 綜上所述，關(guān)于激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)在車載隧道斷面檢測(cè)的主要優(yōu)缺 點(diǎn)是：激光掃描測(cè)量不受外界光線干擾，但由于受掃描光點(diǎn)發(fā)散效應(yīng)的限制，測(cè)量復(fù)雜斷 面時(shí)的精度低，問題是掃描測(cè)距方式受機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件的制約在行進(jìn)過程中掃描光點(diǎn)呈螺旋 形前進(jìn)，掃描頻率不容易做得太高，而且高速行進(jìn)過程中所測(cè)得的點(diǎn)位置不處于一個(gè)橫截 面內(nèi)，該屬于原理性誤差，必須通過多次往復(fù)測(cè)量提高測(cè)量精度，不利于對(duì)長(zhǎng)距離隧道的測(cè) 量。同時(shí)由于多次往復(fù)動(dòng)態(tài)測(cè)量對(duì)定位精度要求極高，實(shí)施也較為困難。因此，有些研究者 提出了采用間隔30°安裝9個(gè)激光掃描儀同時(shí)對(duì)隧道斷面進(jìn)行掃描，該也無疑提高了投入 和運(yùn)維成本，而且該樣的掃描也僅僅限于幾個(gè)點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)全斷面的實(shí)時(shí)掃描。
[0007] 計(jì)算機(jī)圖像H角形攝影測(cè)量雖然具有較高的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度，但測(cè)量時(shí)易受陽光、 隧道內(nèi)燈光等外界光線干擾而產(chǎn)生偏差，嚴(yán)重時(shí)甚至失效。因此必須采用復(fù)雜的圖像處理 算法進(jìn)行一定程度的彌補(bǔ)，例如通過二維濾波和模式識(shí)別技術(shù)，濾除燈光影像，識(shí)別隧道洞 壁上的激光光帶位置等。而且通常的動(dòng)態(tài)測(cè)量要求每砂幾百甚至上千峽的采樣速率，目前 技術(shù)難W實(shí)現(xiàn)全部圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，如果借助圖像處理技術(shù)提取和存儲(chǔ)激光光帶位 置，則圖像處理步驟又會(huì)大大增加處理時(shí)間，制約系統(tǒng)采樣速度，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，不適 合于高速行進(jìn)過程中的安全監(jiān)測(cè)。
[0008] 因此，如何在高速動(dòng)態(tài)測(cè)量條件下同時(shí)保證高測(cè)量精度、高采樣速率及快速H維 建模是地鐵和高鐵隧道自動(dòng)監(jiān)測(cè)重要課題。
[0009] 中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮?7101789公開了一種用激光量測(cè)建筑物或洞穴輪廓斷 面，它在測(cè)角裝置中采用了音叉狹縫振子、在傳動(dòng)系統(tǒng)中采用H級(jí)光電盤脈沖計(jì)數(shù)和復(fù)位 電路，測(cè)量精度達(dá)到了 ±2. 5%，在測(cè)量同時(shí)經(jīng)微機(jī)處理能立即取得斷面的極坐標(biāo)參數(shù)，最 大凈高和凈寬、斷面凈面積等數(shù)值。該種技術(shù)主要存在的問題是不適合于高速行進(jìn)過程中 的監(jiān)測(cè)。
[0010] 中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮?01410121950. X公開了一種隧道安全檢修車與檢測(cè)方 法，檢修系統(tǒng)包括控制柜、顯示屏、前距離傳感器、后距離傳感器、旋轉(zhuǎn)軸承機(jī)構(gòu)和檢測(cè)裝 置；信息采集系統(tǒng)包括萬向旋轉(zhuǎn)支架、3D全息掃描儀和信息儲(chǔ)存模塊。該發(fā)明稱能夠自動(dòng) 和快速的檢測(cè)隧道內(nèi)表面出現(xiàn)裂縫或者表層脫落等問題的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了快速維修的同時(shí)， 對(duì)隧道進(jìn)行區(qū)域性的3D信息采集，為后期提供依據(jù)，從而提升檢修的效率W及信息采集與 檢修的效果。但是該種技術(shù)掃描點(diǎn)十分有限，對(duì)3D全息掃描結(jié)果沒有進(jìn)行任何處理，仍然 需要人工觀察全息掃描圖像來進(jìn)行識(shí)別。
[0011] 中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枮?01410009353. 8公開了一種鐵路隧道智能巡檢裝置及其 使用方法，巡檢裝置包括控制主板、機(jī)箱、輔助光源、數(shù)碼相機(jī)和報(bào)警器；控制主板中安裝專 用軟件；專用軟件對(duì)數(shù)碼相機(jī)拍攝的數(shù)碼照片進(jìn)行分析、處理和保存；當(dāng)處理結(jié)果超出設(shè) 定范圍時(shí)，報(bào)警器工作；但是該專利中并無對(duì)數(shù)碼相機(jī)所拍攝的圖像進(jìn)行自動(dòng)分析處理的 內(nèi)容和對(duì)隧道全斷面進(jìn)行H維測(cè)量。
[0012] 隧道健康監(jiān)測(cè)包括隧道結(jié)構(gòu)侵蝕監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)和環(huán)境情況 監(jiān)測(cè)，其中尤其是結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)非常重要，其監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要為隧道的縱向沉降（縱軸線變 形）、橫向位移和斷面的收斂變形。
[0013] 隧道全斷面高速動(dòng)態(tài)健康檢測(cè)方法的幾個(gè)性能要求；①圖像采集速度的要求；系 統(tǒng)安裝于隧道檢測(cè)車上，在120km/h的檢測(cè)速度下，采集頻率要滿足至少每0. Im采集一個(gè) 綜合斷面；②測(cè)量精度的要求；對(duì)斷面的空間的靜態(tài)測(cè)量誤差須小于5mm ;③可靠性的要 求；所選用的硬件設(shè)備必須穩(wěn)定性高，系統(tǒng)必須能滿足長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的要求；④自 動(dòng)化健康診斷評(píng)估的要求；自動(dòng)分析隧道發(fā)生的形變，建立隧道變形H維動(dòng)態(tài)模型，并形成 相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制；⑥操作和維護(hù)簡(jiǎn)單化要求；對(duì)隧道全斷面進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)健康監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù) 的采集、分析、處理、傳輸均為自動(dòng)完成，不需要人工的干預(yù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 為了克服已有的隧道健康檢測(cè)方法的自動(dòng)化和智能化水平低、難W實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道進(jìn) 行高精度測(cè)量、高采樣速率及快速H維建模等不足，本發(fā)明提供一種用于對(duì)隧道全斷面進(jìn) 行高速動(dòng)態(tài)健康監(jiān)測(cè)，能夠提高隧道健康檢測(cè)自動(dòng)化和智能化水平，對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)變形進(jìn) 行高精度的自動(dòng)分析和評(píng)估，實(shí)現(xiàn)隧道變形H維動(dòng)態(tài)建模。
[0015] 要實(shí)現(xiàn)上述
【發(fā)明內(nèi)容】
，必須要解決五個(gè)核也問題；（1)實(shí)現(xiàn)一種全景激光光源； (2)實(shí)現(xiàn)一種能快速高精度獲得實(shí)際物體深度信息的主動(dòng)式全景視覺傳感器；（3)準(zhǔn)確估 算出軌道方向的縱向里程坐標(biāo)；(4)采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)隧道內(nèi)的H維重建方法；（5)建 立空間數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)發(fā)布隧道形變信息.建立隧道變形H維動(dòng)態(tài)模型，并形成預(yù)警機(jī)制。
[001