一種盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種安全、便捷、經(jīng)濟、可靠的盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法。它包括三部份內容：盾構機精密三維模型的構造、檢測影像數(shù)據(jù)的姿態(tài)解算、空間場景結構恢復；其中：精密三維模型構造包括構建盾構機模型的基礎框架和三維模型精細化處理兩個步驟，檢測影像數(shù)據(jù)的姿態(tài)解算包括相機標定、圖像采集和姿態(tài)解算三個步驟，空間場景結構恢復包括圖像處理、定向操作和刀具磨損定量檢測三個步驟。本發(fā)明的有益效果是：實現(xiàn)了刀具虛擬可視化集成顯示和磨損情況的數(shù)字化評估，避免刀具損壞后未及時更換而造成大面積的損傷或不必要開艙檢查及更換刀具，延長的刀具的使用壽命，從而降低工程安全風險，降低工程造價，縮短工程周期。
【專利說明】一種盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及盾構機刀具磨損檢測相關【技術領域】，尤其是指一種用于隧道盾構施工 中盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法。

【背景技術】
[0002] 盾構法是暗挖施工中的一種全機械化施工方法。盾構機作為一種集機、電、液技術 為一體的大型設備，其刀具更換必須為帶壓作業(yè)，安全風險大、費用高昂、作業(yè)工期長?，F(xiàn)有 的檢測方法包括開艙檢查、刀具磨損感應裝置、異味添加劑、掘進參數(shù)分析等，其中開艙檢 查的方法存在很高的風險，刀具磨損感應裝置檢測不全面，異味添加劑在泥水式盾構中效 果不佳，掘進參數(shù)分析方法不夠精準。這些方法在一定程度上滿足了生產(chǎn)控制需求，但還存 在諸多工程問題。如能安全、便捷、經(jīng)濟、可靠地分析刀盤磨損情況，為換刀提供科學指導， 無疑會帶來明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。
[0003] 當今基于攝影測量的監(jiān)控技術在社會生產(chǎn)和實踐活動中已經(jīng)獲得了廣泛的應用， 與其它測量和檢測技術相比較，影像檢測最能符合人們的直接視覺感受，使用上的便捷性 優(yōu)勢突出。
[0004] 數(shù)字攝影測量技術在工程領域的應用首次由Linkwitz (1963)，Rengers (1967)等 人在上世紀60年代提出，為工程應用研究提出一個嶄新的思路。近年來基于電子技術的迅 猛發(fā)展，數(shù)字攝影測量技術在土木工程，特別是巖土工程和結構工程領域的應用也取得很 大進展。
[0005] 德國航空航天局研究中心已成功開發(fā)了 ESPI(2000)、ARGUS(2004)、AT0S(2008) 等諸多基于光學圖像的檢測分析系統(tǒng)。目前在結構物表面細微裂縫的超高精度識別，大尺 寸結構物的高精度數(shù)值化建模，以及振動分析中得到廣泛應用。奧地利的3G Software & Measurement GmbH公司、德國的Gom公司、日本的北九州檢測檢查公司等，開發(fā)了諸多工程 領域的攝影測量技術。
[0006] 由于水對光的散射和與吸收、水壓、能見度等因素，水下光電成像系統(tǒng)與陸地使用 的光學觀測系統(tǒng)大為不同。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，水下攝像技術已日趨成熟，日本Moritox公 司、法國ECA公司、美國洛克西德公司都研制成功了水下攝像系統(tǒng)。在國內，中國科學院西 安光機所也研制成功了水下電視系統(tǒng)。沈凌敏對水下攝像技術進行了較深入的研究，并從 水中成像的光學特性、輔助照明系統(tǒng)、水下目標圖像提取技術等方面進行了闡述。
[0007] 結合泥水盾構機隧道施工的工程特點，克服密封艙內無光源、高水壓、高侵蝕性、 泥水混合復雜介質等不利條件，將攝影測量技術應用于隧道盾構施工中刀具的可視化檢 測，并實現(xiàn)定量分析是一項可行的具有重要意義的創(chuàng)新。


【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術中存在上述的不足，提供了一種安全、便捷、經(jīng)濟、可 靠的盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法。
[0009] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：
[0010] 一種盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法，通過攝像裝置進行拍照成 像，然后對所得圖像進行分析處理，再與刀具原始三維模型進行對比，得出刀具磨損情況， 以便對需要更換的刀具進行及時處理，具體操作步驟如下：
[0011] (4)盾構機精密三維模型的構造，其中：盾構機精密三維模型的構造依次包括構 建盾構機模型的基礎框架和三維模型精細化處理兩個步驟；
[0012] (5)檢測影像數(shù)據(jù)的姿態(tài)解算，包括相機標定、圖像采集和姿態(tài)解算三個步驟；其 中，對于檢測系統(tǒng)的攝像裝置，通過標定首先確定其內參數(shù)和畸變參數(shù)，再對采集的原始影 像進行畸變校正，恢復攝影時刻的光線約束關系，最后對攝像裝置姿態(tài)和攝像裝置在世界 坐標系中的位置進行解算；
[0013] (6)空間場景結構恢復，包括圖像處理、定向操作和刀具磨損定量檢測三個步驟， 是基于OpenSceneGrapWOSG)技術實現(xiàn)三維可視化平臺開發(fā)，測量后的影像要素以0SG圖 像對象的形式顯示在三維平臺中，并對磨損信息進行數(shù)值統(tǒng)計，生成并輸出統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖表。
[0014] 本發(fā)明采用數(shù)字攝影測量技術，利用經(jīng)過三維控制場標定的攝像裝置采集盾構施 工中刀具的影像數(shù)據(jù)，通過與盾構機精密三維模型的定向操作，借助三維可視化平臺和影 像分析對刀具的磨損情況進行定量檢測，該方法實現(xiàn)了刀具虛擬可視化集成顯示和磨損情 況的數(shù)字化評估，是隧道盾構施工中刀具磨損的安全、便捷、經(jīng)濟、可靠的檢測方法，具有重 要的經(jīng)濟和社會效益及重大的工程意義。
[0015] 作為優(yōu)選，在步驟（1)中，構建盾構機模型的基礎框架是利用廠方提供的CAD工 程圖紙，在3dmax三維模型制作平臺下，完成基于工程圖紙的初始三維模型的制作，模型制 作采用構造立體幾何法（CSG)的模型構造方式，完成各個確定部件和盾構機刀盤骨架的搭 建，然后進行組裝操作。
[0016] 作為優(yōu)選，在步驟（1)中，三維模型精細化處理是，采用三維激光掃描儀，對完成 組裝調試的盾構機進行全方位的掃描，點云掃描完成后，需要對不同站的點云進行濾波、拼 接、分割、特征提取等操作，使不同站采集的點云歸一化到統(tǒng)一的坐標系下，并通過點云旋 轉、平移，使其與模型坐標系得到統(tǒng)一，進而提取點云中的特征參數(shù)值，最后借助點云導入 插件，將點云數(shù)據(jù)導入到建模軟件之中，對初始三維模型進行修改和構建，完成精密三維模 型的構建工作。
[0017] 作為優(yōu)選，在步驟（2)中，相機標定是攝影測量工作全過程的重要組成部分，可以 通過對攝取的影像進行畸變校正，消除由相機鏡頭畸變產(chǎn)生的像點坐標誤差；具體為，在四 個設站對室內高精度三維控制場進行攝影，使用直接線性算法（DLT)求解中心構想方程求 得內參數(shù)矩陣K，再以求得的參數(shù)為初始值，考慮畸變因素，采用最小二乘法求解畸變參數(shù) kc。
[0018] 作為優(yōu)選，在步驟（2)中，對于圖像采集是，將攝像裝置固定到推進裝置的前端， 推進裝置通過法蘭與球閥對接，將攝像裝置推送到盾構機氣泡艙室前壁外，對施工中盾構 機刀具拍攝影像。
[0019] 作為優(yōu)選，在步驟（2)中，對于姿態(tài)解算是，采用P4P算法和單像空間后方交 會（Resection)的聯(lián)合定向解算方案，實現(xiàn)精密姿態(tài)解算；其中，P4P算法是基于任意 2D點的可視角度和對應3D點的角度一樣，所實現(xiàn)的單像線性算法；單像空間后方交會 (Resection)，是以單張相片為基礎，利用至少三個已知控制點坐標和三個影像坐標，根據(jù) 共線方程求解外方位元素的方法。
[0020] 作為優(yōu)選，在步驟（3)中，圖像處理的目標是從目標影像中提取出磨損后的邊緣 信息，需要對圖像依次進行銳化、直方圖均衡、閾值分割和Canny邊緣檢測；其中，銳化處理 的目標是突出圖像中的某些細節(jié)或者增強被模糊了的特征；直方圖均衡對圖像變換后，使 所有灰度層上的像素分布概率密度為1 ;閾值分割利用邊緣存在的灰度等級的躍遷，來優(yōu) 化邊緣信息提取效果；Canny邊緣檢測利用二維高斯函數(shù)對圖像進行平滑，再計算函數(shù)梯 度的幅值和方向，以非極大值抑制排除非邊緣像素，最后根據(jù)滯后閾值確定刀具邊緣。
[0021] 作為優(yōu)選，在步驟（3)中，定向操作是，在模型和圖像上提取明顯的特征點或特征 線，用他們作為轉化的基準數(shù)據(jù)，采用P4P定向算法來實現(xiàn)大角度的定向操作，以解決一般 算法的不收斂問題，在模型和圖像上分別選取同名點，存入模型和圖像坐標文件，然后一次 性讀取這些文件，計算定向參數(shù)。
[0022] 作為優(yōu)選，在步驟（3)中，刀具磨損定量檢測是，在定向操作完成以后，獲取了由 模型到圖像的投影參數(shù)或矩陣，將模型上的刀盤的邊緣投影到圖像上，與圖像上的刀盤邊 緣進行對比，就可以獲取磨損信息。
[0023] 本發(fā)明的有益效果是：以安全、便捷、經(jīng)濟、可靠的方法檢測刀具的磨損程度，避免 刀具損壞后未及時更換而造成大面積的損傷或不必要開艙檢查及更換刀具，延長的刀具的 使用壽命，從而降低工程安全風險，降低工程造價，縮短工程周期；實現(xiàn)了刀具虛擬可視化 集成顯示和磨損情況的數(shù)字化評估，具有重要的經(jīng)濟和社會效益及重大的工程意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明的工作流程圖。

【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步的描述。
[0026] 如圖1所示，一種盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法，具體包括三部 份內容：盾構機精密三維模型的構造、檢測影像數(shù)據(jù)的姿態(tài)解算、空間場景結構恢復。其中： 精密三維模型構造包括構建盾構機模型的基礎框架和三維模型精細化處理兩個步驟，檢測 影像數(shù)據(jù)的姿態(tài)解算包括相機標定、圖像采集和姿態(tài)解算三個步驟，空間場景結構恢復包 括圖像處理、定向操作和刀具磨損定量檢測三個步驟。
[0027] 具體操作步驟如下：
[0028] 一、盾構機精密三維模型的構造
[0029] 1. 1構建盾構機模型的基礎框架
[0030] 利用廠方提供的CAD工程圖紙，在3dmax三維模型制作平臺下，完成基于工程圖紙 的初始三維模型的制作。模型制作采用構造立體幾何法（CSG)的模型構造方式。獨立制作 單刃滾刀、雙刃滾刀、主刀、先行刀、仿形刀、中央刀具、推出滾刀、和盾構機的刀盤骨架，然 后將它們進行組裝即可完成建模的初步效果。
[0031] 1. 2三維模型精細化處理
[0032] 由于CAD設計圖紙并非完全準確而全面，而且制造過程中有些部分的切削、焊接 和鉚接并沒有嚴格規(guī)定，因此盾構機模型的基礎框架與組裝完成的盾構機實體之間還有較 大差異。所以必須對盾構機實體部件進行數(shù)據(jù)采集，用實體信息進行現(xiàn)有模型的調整和完 善。在盾構機組裝完成后，需采用三維激光掃描儀，對完成組裝調試的盾構機進行全方位的 掃描。
[0033] 點云掃描完成后，需要對不同站的點云進行濾波、拼接、分割、特征提取等操作，使 不同站采集的點云歸一化到統(tǒng)一的坐標系下，并通過點云旋轉、平移，使其與模型坐標系得 到統(tǒng)一，進而提取點云中的特征參數(shù)值。最后借助點云導入插件，將點云數(shù)據(jù)導入到建模軟 件之中，對初始三維模型進行修改和構建，完成精密三維模型的構建工作。
[0034] 二、檢測影像數(shù)據(jù)的姿態(tài)解算
[0035] 2. 1相機標定
[0036] 在四個設站對室內高精度三維控制場進行攝影，用結構已知、高精度加工的標定 尺作為空間參照物，使用直接線性算法（DLT)求解中心構想方程求得內參數(shù)矩陣K。以求得 的參數(shù)為初始值，考慮徑向畸變和切向畸變，采用最小二乘法求解畸變參數(shù)k。。
[0037] 圖像坐標系和世界坐標系之間的關系如下：

【權利要求】
1. 一種盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法，其特征是，通過攝像裝置進行 拍照成像，然后對所得圖像進行分析處理，再與刀具原始三維模型進行對比，得出刀具磨損 情況，以便對需要更換的刀具進行及時處理，具體操作步驟如下： (1) 盾構機精密三維模型的構造，其中：盾構機精密三維模型的構造依次包括構建盾 構機模型的基礎框架和三維模型精細化處理兩個步驟； (2) 檢測影像數(shù)據(jù)的姿態(tài)解算，包括相機標定、圖像采集和姿態(tài)解算三個步驟；其中， 對于檢測系統(tǒng)的攝像裝置，通過標定首先確定其內參數(shù)和畸變參數(shù)，再對采集的原始影像 進行畸變校正，恢復攝影時刻的光線約束關系，最后對攝像裝置姿態(tài)和攝像裝置在世界坐 標系中的位置進行解算； (3) 空間場景結構恢復，包括圖像處理、定向操作和刀具磨損定量檢測三個步驟，是基 于OpenSceneGraph^SG)技術實現(xiàn)三維可視化平臺開發(fā)，測量后的影像要素以OSG圖像對 象的形式顯示在三維平臺中，并對磨損信息進行數(shù)值統(tǒng)計，生成并輸出統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖表。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法，其特征 是，在步驟（1)中，構建盾構機模型的基礎框架是利用廠方提供的CAD工程圖紙，在3dmax 三維模型制作平臺下，完成基于工程圖紙的初始三維模型的制作，模型制作采用構造立體 幾何法（CSG)的模型構造方式，完成各個確定部件和盾構機刀盤骨架的搭建，然后進行組 裝操作。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法，其 特征是，在步驟（1)中，三維模型精細化處理是，采用三維激光掃描儀，對完成組裝調試的 盾構機進行全方位的掃描，點云掃描完成后，需要對不同站的點云進行濾波、拼接、分割、特 征提取等操作，使不同站采集的點云歸一化到統(tǒng)一的坐標系下，并通過點云旋轉、平移，使 其與模型坐標系得到統(tǒng)一，進而提取點云中的特征參數(shù)值，最后借助點云導入插件，將點云 數(shù)據(jù)導入到建模軟件之中，對初始三維模型進行修改和構建，完成精密三維模型的構建工 作。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法，其特征 是，在步驟（2)中，相機標定是攝影測量工作全過程的重要組成部分，可以通過對攝取的影 像進行畸變校正，消除由相機鏡頭畸變產(chǎn)生的像點坐標誤差；具體為，在四個設站對室內高 精度三維控制場進行攝影，使用直接線性算法（DLT)求解中心構想方程求得內參數(shù)矩陣K， 再以求得的參數(shù)為初始值，考慮畸變因素，采用最小二乘法求解畸變參數(shù)k。。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法，其特征 是，在步驟（2)中，對于圖像采集是，將攝像裝置固定到推進裝置的前端，推進裝置通過法 蘭與球閥對接，將攝像裝置推送到盾構機氣泡艙室前壁外，對施工中盾構機刀具拍攝影像。
6. 根據(jù)權利要求1或4或5所述的一種盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分 析方法，其特征是，在步驟⑵中，對于姿態(tài)解算是，采用P4P算法和單像空間后方交 會（Resection)的聯(lián)合定向解算方案，實現(xiàn)精密姿態(tài)解算；其中，P4P算法是基于任意 2D點的可視角度和對應3D點的角度一樣，所實現(xiàn)的單像線性算法；單像空間后方交會 (Resection)，是以單張相片為基礎，利用至少三個已知控制點坐標和三個影像坐標，根據(jù) 共線方程求解外方位元素的方法。
7. 根據(jù)權利要求1所述的一種盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法，其特征 是，在步驟（3)中，圖像處理的目標是從目標影像中提取出磨損后的邊緣信息，需要對圖像 依次進行銳化、直方圖均衡、閾值分割和Canny邊緣檢測；其中，銳化處理的目標是突出圖 像中的某些細節(jié)或者增強被模糊了的特征；直方圖均衡對圖像變換后，使所有灰度層上的 像素分布概率密度為1 ;閾值分割利用邊緣存在的灰度等級的躍遷，來優(yōu)化邊緣信息提取 效果；Canny邊緣檢測利用二維高斯函數(shù)對圖像進行平滑，再計算函數(shù)梯度的幅值和方向， 以非極大值抑制排除非邊緣像素，最后根據(jù)滯后閾值確定刀具邊緣。
8. 根據(jù)權利要求1所述的一種盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法，其特征 是，在步驟（3)中，定向操作是，在模型和圖像上提取明顯的特征點或特征線，用他們作為 轉化的基準數(shù)據(jù)，采用P4P定向算法來實現(xiàn)大角度的定向操作，以解決一般算法的不收斂 問題，在模型和圖像上分別選取同名點，存入模型和圖像坐標文件，然后一次性讀取這些文 件，計算定向參數(shù)。
9. 根據(jù)權利要求8所述的一種盾構機刀具磨損的可視化定量標定及分析方法，其特征 是，在步驟（3)中，刀具磨損定量檢測是，在定向操作完成以后，獲取了由模型到圖像的投 影參數(shù)或矩陣，將模型上的刀盤的邊緣投影到圖像上，與圖像上的刀盤邊緣進行對比，就可 以獲取磨損信息。
【文檔編號】G06F17/50GK104156536SQ201410408942
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月19日 優(yōu)先權日:2014年8月19日
【發(fā)明者】石振明, 石新棟, 周駿, 張英明, 吳全立, 姚占虎, 趙小鵬, 張亞果, 王善高, 管圣功, 陳方偉, 俞松波 申請人:中交隧道工程局有限公司, 同濟大學