高速鐵路隧道襯砌裂縫自動(dòng)化檢測(cè)硬件系統(tǒng)研究

王華夏，漆泰岳，王 睿

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

高速鐵路隧道襯砌裂縫自動(dòng)化檢測(cè)硬件系統(tǒng)研究

王華夏，漆泰岳，王 睿

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

襯砌裂縫是最常見(jiàn)的隧道病害。由于高速鐵路列車(chē)運(yùn)行速度較快，襯砌裂縫造成襯砌混凝土掉塊會(huì)對(duì)高速鐵路運(yùn)行造成極大安全隱患。目前國(guó)內(nèi)襯砌裂縫檢測(cè)還停留在以人工檢測(cè)為主的階段，而基于圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橋梁、公路等工程中，但是由于隧道自身的特殊性，檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展較為緩慢。在結(jié)合高速鐵路隧道自身特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出一套隧道裂縫自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)工作原理進(jìn)行闡釋?zhuān)诖嘶A(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各項(xiàng)硬件設(shè)備進(jìn)行選型，最后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成組裝和調(diào)試，基本達(dá)到了預(yù)期的效果。

鐵路隧道;隧道襯砌，裂縫，自動(dòng)檢測(cè)，圖像采集

近些年來(lái)國(guó)內(nèi)建設(shè)了大量的高速鐵路，高速鐵路對(duì)線路平直性要求較高，在穿越山嶺地帶時(shí)，基本是以橋梁和隧道的形式通過(guò)的，橋梁和隧道占整個(gè)線路的比例很高，部分甚至超過(guò)了90%。

隧道襯砌由于各種內(nèi)外因素綜合作用造成裂縫病害出現(xiàn)，包括混凝土收縮和外部荷載引起的裂縫。此外，高速鐵路中列車(chē)高速運(yùn)行引發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)會(huì)加劇襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的開(kāi)展，裂縫會(huì)降低混凝土結(jié)構(gòu)物的承載能力、耐久性及防水性。如果襯砌裂縫導(dǎo)致襯砌混凝土發(fā)生掉快，則會(huì)在很大程度上威脅高速鐵路運(yùn)行的安全。日本高速鐵路就曾出現(xiàn)隧道襯砌掉塊導(dǎo)致列車(chē)脫軌的嚴(yán)重事故，因此，需要周期性地對(duì)襯砌裂縫進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)。伴隨著大量高速鐵路隧道的建設(shè)和投入運(yùn)營(yíng)，未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)都將面臨著大量隧道需要定期進(jìn)行維護(hù)、檢修的現(xiàn)狀。然而，我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展也暴露了配套設(shè)施建設(shè)滯后的問(wèn)題，隧道檢測(cè)方面的技術(shù)和設(shè)備較為落后，無(wú)法滿(mǎn)足快速發(fā)展的隧道建設(shè)的要求。

高速鐵路隧道具有允許檢測(cè)時(shí)間很短的特點(diǎn)，隧道檢測(cè)若只利用鐵路線路開(kāi)天窗這一段很短的時(shí)間開(kāi)展工作，使用人工或人工儀器檢測(cè)很難完成任務(wù)。尤其是在我國(guó)目前修建了一批長(zhǎng)大隧道，依靠人工更加無(wú)法在要求的時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)。另外，高速鐵路運(yùn)行具有速度快的特殊性，列車(chē)駛?cè)胨淼篮髸?huì)產(chǎn)生巨大的空氣壓力和負(fù)壓效應(yīng)，若檢修人員不及時(shí)撤離，會(huì)嚴(yán)重威脅檢測(cè)人員生命安全。

國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家如德國(guó)、日本等在裂縫襯砌檢測(cè)方面，比國(guó)內(nèi)的技術(shù)要成熟和先進(jìn)，除了以上的國(guó)內(nèi)的2種方法，主要是取自動(dòng)化的檢測(cè)方法。本文利用圖像采集與處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)襯砌裂縫的自動(dòng)檢測(cè)。首先對(duì)隧道襯砌進(jìn)行自動(dòng)圖像采集，CCD照相機(jī)掃描就是一種常見(jiàn)的圖像自動(dòng)采集方式。通過(guò)圖像采集卡即可將CCD相機(jī)的視頻信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中，實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和處理。利用計(jì)算機(jī)編制軟件，對(duì)采集到的海量圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括裂縫的識(shí)別、提取、計(jì)算。

通過(guò)本項(xiàng)目的研究，提出一套系統(tǒng)的裂縫圖像采集、圖像處理、裂縫尺寸測(cè)量以及安全性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，為未來(lái)幾年內(nèi)高速鐵路隧道的快速檢測(cè)提供可靠的方法，在保持高速鐵路的安全及順利運(yùn)營(yíng)方面，具有重要的意義。

1 自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

車(chē)載隧道襯砌裂縫檢測(cè)法就如同電視錄像，利用以CCD相機(jī)為核心部件的圖像采集系統(tǒng)對(duì)隧道斷面進(jìn)行連續(xù)的信息采集，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后經(jīng)過(guò)A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換，再次將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字圖像信息，輸入計(jì)算機(jī)并存盤(pán)，然后再經(jīng)過(guò)圖像處理系統(tǒng)，提取出襯砌裂縫信息，如裂縫的范圍，具體位置以及裂縫的走向、寬度等，最后對(duì)裂縫危害作出評(píng)價(jià)，對(duì)下一步的監(jiān)測(cè)以及防治提出指導(dǎo)性意見(jiàn)。系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理

高速鐵路隧道裂縫自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)首先需要完成的工作是對(duì)外部數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存檔。外部數(shù)據(jù)主要是指采集到的襯砌裂縫圖像信息、圖像位置信息和速度傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。其中最重要，也是與最終實(shí)現(xiàn)對(duì)襯砌裂縫進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)最重要的數(shù)據(jù)是襯砌裂縫的圖像。裂縫圖像的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)主要基于工業(yè)領(lǐng)域機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)原理［11］，利用高效率的相機(jī)對(duì)隧道襯砌裂縫圖像進(jìn)行快速采集，代替效率低下的人工檢測(cè)。采集到的襯砌圖像通過(guò)在計(jì)算機(jī)上編制的軟件進(jìn)行處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的識(shí)別、提取和測(cè)量，并且利用編制的自動(dòng)化判別系統(tǒng)對(duì)裂縫危害進(jìn)行評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)從圖像采集、圖像識(shí)別到危險(xiǎn)評(píng)估的一整套自動(dòng)檢測(cè)方案。檢測(cè)系統(tǒng)因需要在高速鐵路隧道內(nèi)運(yùn)行，故需要安裝在有軌檢測(cè)車(chē)上，實(shí)際應(yīng)用中可在高速鐵路軌道上運(yùn)行。其硬件組成如圖2所示。根據(jù)圖2所示的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)示意圖對(duì)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段的試驗(yàn)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)設(shè)備進(jìn)行組裝、調(diào)試和優(yōu)化。

圖2 系統(tǒng)硬件組成

2 自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)硬件選型

檢測(cè)系統(tǒng)硬件的主要構(gòu)成包括以下設(shè)備:有軌檢測(cè)車(chē)、CCD相機(jī)、光學(xué)系統(tǒng)(鏡頭)、圖像采集卡、電源、照明系統(tǒng)、定位系統(tǒng)(包括轉(zhuǎn)速傳感器與紅外傳感器)等。整個(gè)系統(tǒng)集成安裝在有軌檢測(cè)車(chē)上，以便后期在高速鐵路軌道上進(jìn)行檢測(cè)工作。系統(tǒng)擁有高性能的圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，以便保證系統(tǒng)在高速運(yùn)行的狀態(tài)下采集高精度的隧道襯砌圖像，后期進(jìn)行圖像處理分析時(shí)，能夠依據(jù)采集到的裂縫圖像提取到各種裂縫的特征參數(shù)，并根據(jù)特征參數(shù)對(duì)隧道安全狀況進(jìn)行評(píng)估。

2.1 CCD相機(jī)及鏡頭選型

在隧道裂縫圖像采集過(guò)程中，相機(jī)鏡頭與隧道襯砌處于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)之中;另一方面，裂縫自動(dòng)檢測(cè)又要求相機(jī)拍攝到高清晰高分辨率的圖像。這兩方面的原因就給圖像采集帶來(lái)了很大困難。

電荷耦合器件(CCD)的功能是把二維光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變成一維以時(shí)間為自變量的視頻輸出信號(hào)。CCD可分為兩大類(lèi):線陣CCD和面陣CCD，兩者都利用CCD將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)圖像的采集。由于線陣傳感相機(jī)直接將接收到的一維光信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)序的電信號(hào)，即獲得一維的圖像信號(hào)。若想用線陣CCD獲得二維圖像信號(hào)，必須使線陣CCD與二維圖像做相對(duì)掃描運(yùn)動(dòng)［7］。

圖像采集部分的核心是CCD相機(jī)，它的工作程序是當(dāng)列車(chē)駛?cè)胨淼篮?，相機(jī)開(kāi)始進(jìn)行隧道襯砌信息的采集，再將所采集的信息進(jìn)行儲(chǔ)存，使之成為可以進(jìn)一步處理的信息。從結(jié)構(gòu)上可以將CCD分為線陣CCD和面陣CCD兩種。線陣相機(jī)是通過(guò)被攝物體的移動(dòng)，利用單行像素的圖像傳感器(一維)來(lái)建立二維圖像。相對(duì)于面陣圖像的獲取，線陣圖像在獲取高分辨率的圖像時(shí)成本低、動(dòng)態(tài)范圍大、光敏感度高，而且允許被掃描物體的移動(dòng)速度較快。線陣CCD因只有1排感光器件，故相對(duì)面陣CCD簡(jiǎn)單，成本自然相對(duì)較低。線陣CCD可以擁有數(shù)量巨大的單排感光單元，在測(cè)量范圍一定的前提下，其測(cè)量精度比面陣CCD高很多，從而能夠滿(mǎn)足裂縫檢測(cè)的高精度要求。并且線陣CCD實(shí)時(shí)傳輸光電變換信號(hào)和自?huà)呙杷俣瓤?、頻率響應(yīng)高，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)采集，并能在低照度下工作［4］。在襯砌裂縫自動(dòng)化采集系統(tǒng)中，若檢測(cè)車(chē)以30 km/h的速度行駛，則每秒鐘行進(jìn)的距離約為8.33 m，在這種工作條件下面陣CCD采集到的圖像會(huì)產(chǎn)生模糊、拖影等嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量的情況，這就給下一步的圖像自動(dòng)識(shí)別造成難以克服的影響，也不利于提高檢測(cè)的精確度。由于面陣CCD相機(jī)自身工作原理的局限性，使其不適于對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)連續(xù)無(wú)遺漏地高精度捕捉［4］。線陣CCD每次只采集1行圖像，而且線陣CCD的工作頻率可以達(dá)到幾十MHz，采集到圖像就不會(huì)因檢測(cè)車(chē)的高速運(yùn)動(dòng)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響。另外，線陣CCD相機(jī)是對(duì)隧道襯砌進(jìn)行連續(xù)掃描拍攝，可以在隧道縱向形成連續(xù)的圖像，避免了圖像重合和拼接的問(wèn)題。

對(duì)于隧道襯砌裂縫圖像自動(dòng)采集系統(tǒng)，線陣CCD相機(jī)采集隧道襯砌表面圖像進(jìn)而獲得襯砌裂縫信息，而由于襯砌表面顏色和紋理都較為單一，不需要使用彩色CCD，黑白CCD完全能夠滿(mǎn)足檢測(cè)需要。另外相同價(jià)位的黑白CCD和彩色CCD相機(jī)相比，彩色CCD相機(jī)的分辨率及靈敏度都較低，黑白CCD相機(jī)更能滿(mǎn)足圖像后期處理的高精度要求，且相對(duì)于彩色圖像，黑白圖像所占用的存儲(chǔ)空間更小，處理速度更快，尤其是對(duì)于檢測(cè)整條隧道，系統(tǒng)需要處理海量數(shù)據(jù)的情況下，黑白CCD相機(jī)的速度優(yōu)勢(shì)更加明顯。

由于采集系統(tǒng)是進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集的，在車(chē)輛行駛的情況下要滿(mǎn)足檢測(cè)襯砌裂縫≥0.2 mm的裂縫，同時(shí)還要在高速鐵路隧道停止運(yùn)營(yíng)的允許時(shí)間(開(kāi)天窗)內(nèi)完成檢測(cè)。該系統(tǒng)選擇的線陣攝像機(jī)應(yīng)該能同時(shí)滿(mǎn)足以上兩個(gè)條件，即裂縫的限值(精度要求)和時(shí)間限值。

由于本系統(tǒng)中采用線陣CCD相機(jī)，檢測(cè)車(chē)運(yùn)行方向與隧道縱向一致，線陣CCD垂直于檢測(cè)車(chē)運(yùn)行方向布置，因此只需要考慮豎向點(diǎn)數(shù)即可。假設(shè)拍攝范圍的高度為2 m，由于系統(tǒng)要求能夠達(dá)到的精度為能識(shí)別0.2 mm以上的裂縫，因此計(jì)算線陣CCD的分辨率至少要達(dá)到2/0.000 2=10 000才能滿(mǎn)足檢測(cè)要求。

對(duì)于時(shí)間要求，以石太客運(yùn)專(zhuān)線太行山隧道為例，隧道長(zhǎng)度約為27.87 km，若檢測(cè)時(shí)間限制在120 min(T)，隧道的長(zhǎng)度為 L，則列車(chē)速度 v≥L/T=13.94 km/h，即3.87 m/s。線陣相機(jī)拍攝一次橫向?qū)挾确秶醋畲缶扔?jì)算，即0.2 mm，則線陣相機(jī)若每秒鐘連續(xù)拍攝，需拍攝3.87/0.000 2=19 350次，即要求相機(jī)頻率大于19 350 Hz。考慮到在同樣硬件條件下，相機(jī)的精度越高相應(yīng)的頻率越低，因此，同時(shí)滿(mǎn)足高精度和高速度條件對(duì)相機(jī)要求較高，可考慮在滿(mǎn)足精度的前提下，降低圖像采集速度，一條隧道可以分多次采集。

根據(jù)以上各方面的要求，本車(chē)載系統(tǒng)選擇的線陣CCD照相機(jī)為DALSA公司的Piranha3高分辨線陣相機(jī)。Piranha3系列利用DALSA最新的IT-Px傳感器，其具有最優(yōu)靈敏度，是DALSA公司目前可用的最大分辨率和最大輸出量的線掃描CCD相機(jī)。表1是相機(jī)的特性。

表1 Piranha3線陣CCD的特性

圖像采集系統(tǒng)中另外一個(gè)重要組成部分是相機(jī)鏡頭，鏡頭是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的窗口，因此其對(duì)裂縫圖像采集起著關(guān)鍵性的作用。要選擇合適的鏡頭保證光學(xué)系統(tǒng)成像清晰，做到透光性強(qiáng)、雜散光少，像面照度分布均勻，足夠的相對(duì)孔徑，圖像幾何畸變小。由于本系統(tǒng)中采用的線陣CCD光敏區(qū)域較長(zhǎng)，故應(yīng)選用視場(chǎng)較大的物鏡。綜合以上要求，本檢測(cè)系統(tǒng)選用Myutron公司生產(chǎn)的 FV8528W-P2型鏡頭，該鏡頭為固定焦距85 mm，工作距離0.46～∞，適合長(zhǎng)距離及大視野拍攝。這款鏡頭可以很好地滿(mǎn)足相機(jī)的使用要求，達(dá)到系統(tǒng)采集隧道裂縫圖像的要求。

2.2 圖像采集卡選型

圖像采集卡(Framegrabber)是控制相機(jī)拍攝，將CCD獲取的圖像信號(hào)進(jìn)行采集和數(shù)字化后傳輸?shù)诫娔X中，以數(shù)據(jù)文件的形式保存在硬盤(pán)上的硬件設(shè)備。隧道裂縫圖像自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在掃描整個(gè)隧道襯砌的圖像信息時(shí)，所獲取的圖像數(shù)據(jù)量非常大，而且這些海量的數(shù)據(jù)要求在一定的時(shí)間內(nèi)采集完畢并傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)裂縫圖像進(jìn)行處理和分析，因此需要較快的速度保證圖像采集的工作順利完成。圖像采集卡是連接圖像采集和圖像處理部分的橋梁，圖像采集卡將CCD獲取的圖像信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電腦能夠識(shí)別、處理的數(shù)字信號(hào)，將海量數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線直接傳輸?shù)诫娔X中，減輕了CPU的工作壓力，留給CPU更多的時(shí)間對(duì)裂縫圖像進(jìn)行識(shí)別、提取和處理。

選擇圖像采集卡一般要遵循以下幾個(gè)原則。

(1)圖像采集卡的接口制式一定要與所選相機(jī)一致，否則導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法工作。

(2)相機(jī)的數(shù)據(jù)率不能超過(guò)圖像采集卡的數(shù)據(jù)率，公式如下

其中，Data Rate(Grabber)為采集卡的數(shù)據(jù)率;Data Rate(Camera)為相機(jī)的數(shù)據(jù)率;R為相機(jī)的分辨率;f為相機(jī)的幀頻;d為相機(jī)的數(shù)字深度。

(3)PCI總線的傳輸速率和采集卡緩存的大小要能夠滿(mǎn)足傳輸大量隧道襯砌圖像數(shù)據(jù)的要求。

(4)隧道檢測(cè)車(chē)在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)車(chē)的運(yùn)行速度向采集卡發(fā)出采集圖像的信號(hào)，所以必須保證發(fā)出的控制信號(hào)和外觸發(fā)信號(hào)采集卡可以接受，要根據(jù)具體情況選擇支持控制信號(hào)的合適采集卡。

(5)圖像采集卡需要專(zhuān)門(mén)的軟件來(lái)支持硬件的工作，選擇圖像采集卡同時(shí)要考慮支持軟件的功能，考慮視覺(jué)系統(tǒng)的易用性。

根據(jù)上述對(duì)線陣相機(jī)選型的特性分析，采用與相機(jī)對(duì)應(yīng)的DALSA公司的Xcelera-CL PX4 Full圖像采集卡。各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 Xcelera-CL PX4 Full參數(shù)規(guī)格

2.3 照明系統(tǒng)

由于檢測(cè)車(chē)是以一定的速度對(duì)隧道襯砌圖像進(jìn)行采集，而隧道內(nèi)亮度較低，且襯砌表面材料一般為混凝土，顏色較暗，因此可能造成檢測(cè)系統(tǒng)在采集圖像時(shí)通過(guò)鏡頭進(jìn)入的光線不足，導(dǎo)致采集到的圖像亮度不夠，達(dá)不到后續(xù)進(jìn)行圖像處理的要求，從而給裂縫圖像識(shí)別、提取和分析帶來(lái)困難。因此，考慮在檢測(cè)系統(tǒng)中加入照明設(shè)備，以保證獲取的圖片質(zhì)量。此外，照明系統(tǒng)的光強(qiáng)、方位和均勻性等的變化對(duì)相機(jī)獲取襯砌裂縫的靈敏度與分辨能力影響也非常大，所以要選擇合適的光源和打光技巧。

在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中常用的輔助照明光源有鹵素?zé)簟晒?、激光、LED等。以上幾種光源擁有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)隧道襯砌裂縫自動(dòng)化檢測(cè)的特定情況進(jìn)行選擇。鹵素?zé)魞r(jià)格昂貴，并且使用中耗損嚴(yán)重，壽命較短，使用時(shí)需要定期更換以保證亮度達(dá)標(biāo);熒光燈的亮度差、穩(wěn)定性不高，尤其不適合應(yīng)用在亮度較低的隧道檢測(cè)上。LED具有單色性好、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性及均勻性好和亮度便于調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，通過(guò)組合多個(gè)LED可以得到合適的照明條件。因此，本系統(tǒng)采用組合LED光源作為裂縫自動(dòng)采集系統(tǒng)的輔助照明光源。通過(guò)固定支架在相機(jī)兩側(cè)分別固定2個(gè)長(zhǎng)條形LED光源，使光線與照相機(jī)鏡頭方向平行，使得照相機(jī)拍攝范圍能夠獲得足夠的亮度。

2.4 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)是高速鐵路隧道襯砌檢測(cè)系統(tǒng)必須重視的一個(gè)子系統(tǒng)，是整個(gè)系統(tǒng)可行性的基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)中的裂縫采集系統(tǒng)是安裝在可以高速運(yùn)行的檢測(cè)車(chē)上的，檢測(cè)車(chē)在隧道內(nèi)高速行駛配合圖像采集系統(tǒng)完成對(duì)隧道裂縫圖像的采集。線陣CCD相機(jī)每觸發(fā)一次采集到一行圖像，通過(guò)檢測(cè)車(chē)在隧道內(nèi)連續(xù)運(yùn)行掃描得到二維襯砌圖像，而檢測(cè)車(chē)的運(yùn)行速度不可能精確地保持恒定，如果不對(duì)檢測(cè)車(chē)運(yùn)行速度加以監(jiān)控，線陣CCD得到的隧道襯砌圖像就無(wú)法完整獲取整個(gè)隧道的圖像信息。使用速度傳感器可以協(xié)調(diào)相機(jī)采集隧道襯砌圖像數(shù)據(jù)的頻率與檢測(cè)車(chē)行駛速度。通過(guò)脈沖信號(hào)的輸出，進(jìn)而觸發(fā)線陣CCD實(shí)時(shí)采集每行圖像，使得檢測(cè)車(chē)的運(yùn)行速度與線陣CCD的掃描頻率保持同步。本系統(tǒng)采用美國(guó)先進(jìn)的霍爾元件來(lái)拾取轉(zhuǎn)速信號(hào)，記錄儀接收到轉(zhuǎn)速信號(hào)就開(kāi)始正常工作。這種速度傳感器采用優(yōu)良的材質(zhì)和獨(dú)特的防護(hù)結(jié)構(gòu)，使它具有很高的安全性能而且能保持足夠的精度。這種速度傳感器的工作原理是對(duì)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)測(cè)得的脈沖頻求得系統(tǒng)的行進(jìn)速度。理論的測(cè)速公式為

式中 D——機(jī)車(chē)輪徑;m;

f——傳感器輸出脈沖頻率，Hz;

N——車(chē)輪轉(zhuǎn)一周脈沖傳感器所發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)。

此外，為了進(jìn)一步提高隧道裂縫檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，需要設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)判別系統(tǒng)開(kāi)始和結(jié)束工作的子系統(tǒng)。當(dāng)檢測(cè)車(chē)進(jìn)入隧道后系統(tǒng)開(kāi)始工作，當(dāng)檢測(cè)車(chē)離開(kāi)隧道后系統(tǒng)關(guān)閉，停止圖像采集。本系統(tǒng)采用紅外線距離傳感器來(lái)完成這一工作，可在檢測(cè)車(chē)兩側(cè)安裝垂直于檢測(cè)車(chē)行進(jìn)方向的紅外線距離傳感器，當(dāng)紅外線測(cè)距儀檢測(cè)到車(chē)輛與周?chē)矬w間距離發(fā)生突變且小于某個(gè)數(shù)值，就可認(rèn)為檢測(cè)車(chē)已經(jīng)駛?cè)胨淼?，向系統(tǒng)發(fā)出指令開(kāi)始圖像采集工作，同理，在檢測(cè)車(chē)離開(kāi)隧道時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)，停止采集工作。通過(guò)這種方法實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化開(kāi)啟和關(guān)閉。

2.5 移動(dòng)檢測(cè)車(chē)

檢測(cè)車(chē)不僅是檢測(cè)人員活動(dòng)的場(chǎng)所，檢測(cè)人員需要長(zhǎng)時(shí)間在檢測(cè)車(chē)內(nèi)完成工作，同時(shí)檢測(cè)車(chē)也是整個(gè)襯砌裂縫檢測(cè)系統(tǒng)的載體。檢測(cè)車(chē)的整體剛度、布局以及減振性能等都會(huì)直接影響圖像采集的精度?？紤]到后期實(shí)際應(yīng)用于高速鐵路隧道，檢測(cè)車(chē)必須能夠在鐵路軌道上運(yùn)行。

考慮到機(jī)車(chē)應(yīng)用的外掛要求和相機(jī)拍攝的精度要求等方面的因素，需要在檢測(cè)車(chē)上給相機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)固定支架。固定支架的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)因素:(1)照相機(jī)必須安裝在車(chē)輛合適的位置，以便達(dá)到所要求的拍攝范圍以及拍攝精度，因此相機(jī)與LED光源安裝在可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的伸縮機(jī)構(gòu)上。另外，相機(jī)相互之間的角度也應(yīng)可以調(diào)節(jié)，使得相機(jī)之間采集到圖像有搭接的部分。(2)不僅檢測(cè)車(chē)自身要采取減振措施，支架同樣需要采取一定的減振措施，車(chē)身與支架之間安裝阻尼減振器，消除車(chē)身振動(dòng)、變形等對(duì)圖像采集造成的影響，保證檢測(cè)車(chē)在高速行駛的情況下拍攝圖像的質(zhì)量。(3)因?yàn)榫€陣CCD相機(jī)及鏡頭是比較精密的儀器，需要在相機(jī)鏡頭前部安裝防護(hù)罩，在工作時(shí)防護(hù)罩自動(dòng)開(kāi)啟，防護(hù)罩在系統(tǒng)不工作時(shí)關(guān)閉，以保護(hù)圖像采集設(shè)備安全。(4)整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好剛性，且具有較強(qiáng)的耐蝕性，保證檢測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間在隧道惡劣環(huán)境下工作的安全穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)功能測(cè)試及存在問(wèn)題

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)上文所述硬件進(jìn)行組裝和調(diào)試。使用混凝土砌塊模擬隧道襯砌，檢驗(yàn)各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)際性能，包括最佳的照明效果，線陣相機(jī)采集到圖像的精度，分析在不同掃描速度下采集圖像的分辨率，最終得到現(xiàn)有條件下圖像采集的極限速度。分析檢測(cè)精度的各種影響因子，并針對(duì)各影響因素提出解決辦法，最大限度地提高采集圖像的質(zhì)量。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，不斷提升圖像識(shí)別速度，實(shí)現(xiàn)裂縫圖像數(shù)據(jù)的高速識(shí)別和采集。技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線

試驗(yàn)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題如下。

(1)檢測(cè)系統(tǒng)采集圖像的精度和范圍不能完全達(dá)到理想的效果。這主要是由于現(xiàn)有硬件設(shè)備條件的限制。因現(xiàn)有線陣CCD的感光單元有限，若測(cè)量精度能夠達(dá)到理想的0.2 mm，則拍攝到的圖像范圍較小，在實(shí)際高速鐵路隧道工程中，需要多臺(tái)相機(jī)同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，不經(jīng)濟(jì)的同時(shí)給圖像拼接帶來(lái)困難。這需要后期采用精度更高的線陣相機(jī)來(lái)解決這一問(wèn)題。另外，檢測(cè)車(chē)車(chē)身在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)、傾斜都會(huì)造成圖像精度降低，速度越快造成的影響越大，需要進(jìn)一步加強(qiáng)檢測(cè)車(chē)的減振措施來(lái)消除影響。

(2)圖像采集的極限速度需要進(jìn)一步提高。實(shí)驗(yàn)中，一方面檢測(cè)車(chē)移動(dòng)速度越快，采集到的圖像質(zhì)量隨之降低;另一方面，圖像的高速采集還涉及到海量數(shù)據(jù)的傳輸、處理和保存的問(wèn)題，速度越快對(duì)硬件系統(tǒng)的要求越高。對(duì)于圖像采集、識(shí)別的極限速度有待進(jìn)一步研究加以提高。

(3)定位系統(tǒng)的累積誤差問(wèn)題。定位系統(tǒng)作為圖像采集的核心控件，對(duì)采集圖像的完整性和準(zhǔn)確性有很大影響，但是在長(zhǎng)距離的運(yùn)行過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生累積誤差，需要研究加以消除。

(4)本文試驗(yàn)中，自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)主要是CCD相機(jī)對(duì)裂縫圖像的采集，只從表面裂縫情況對(duì)隧道的安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)較為片面。在下一步的研究中，自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)集成地質(zhì)雷達(dá)等設(shè)備對(duì)隧道襯砌背后空洞、漏水狀況進(jìn)行全方位的檢測(cè)，有利于隧道安全狀況的全面評(píng)估。

4 結(jié)語(yǔ)

在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外隧道檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展的現(xiàn)實(shí)情況，提出了基于CCD圖像采集的隧道自動(dòng)化檢測(cè)方案。依據(jù)隧道襯砌裂縫檢測(cè)的特點(diǎn)，對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案和工作原理進(jìn)行了闡述。針對(duì)此自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)工作特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)備選型依據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括線陣CCD相機(jī)、鏡頭、圖像采集卡、照明系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、檢測(cè)車(chē)等重要硬件設(shè)備。最終，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)本系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行調(diào)試，初步達(dá)到了自動(dòng)化檢測(cè)的目標(biāo)。通過(guò)自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)為我國(guó)高速鐵路隧道襯砌裂縫的檢測(cè)提供一種全新而高效的方法，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的某些不足，有待在后續(xù)研究和實(shí)際應(yīng)用中加以改進(jìn)和完善。

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Research on Hardware System for Automatic Detection of Tunnel Lining Crack on High-Speed Railway

WANG Hua-xia，QI Tai-yue，WANG-Rui
(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Lining crack is one of the most common diseases of the tunnel.Because the train runs very fast on high-speed railway，the concrete debris-falling due to tunnel lining cracking may cause serious safety hazard on the operation of high-speed railway.At present in China，however，it is manual inspection that dominates the inspection of tunnel lining crack，while the detection system based on image processing has been widely used in bridges，roads and other projects;but because of the particularity of the tunnel，the development of detection system used for tunnel is relatively slow.In this paper，by combining with the characteristics of high-speed railway tunnel itself，a set of automatic detection system used for detecting the tunnel lining cracks was put forward，and the working principle of this system was analyzed.On this basis，the models of various hardware devices in relation to this automatic detection system were selected.Finally，the assembling and debugging for this system were all completed in laboratory，and the expected result has been basically achieved.

railway tunnel;tunnel lining;crack;automatic detection;image acquisition

U238;U45

A

1004-2954(2013)10-0097-05

2013-03-11;

2013-04-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278423);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(SWJTU11ZT33)

王華夏(1989—)，男，碩士研究生，E-mail:lemonshou@yahoo.cn。