隧道病害快速檢測技術(shù)現(xiàn)狀及分析比較?

王平讓

（河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南鄭州 450006）

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隧道病害快速檢測技術(shù)現(xiàn)狀及分析比較?

王平讓

（河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南鄭州 450006）

摘要：以計算機信號分析和圖像處理為基礎(chǔ)的快速檢測技術(shù)可實現(xiàn)隧道病害檢測的自動化、快速化和客觀化，克服了傳統(tǒng)檢測方法存在的工作量大、效率低、主觀性強等缺點。文中在對國內(nèi)外最新隧道病害快速檢測技術(shù)研究開發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，根據(jù)傳感器類型的不同將該檢測技術(shù)分成基于攝像測量的快速檢測技術(shù)和基于激光掃描的快速檢測技術(shù)兩類，選取具有代表性的研究開發(fā)機構(gòu)及其檢測系統(tǒng)進(jìn)行分析，并從硬件組成和軟件算法兩方面對兩類檢測技術(shù)的特點進(jìn)行了綜合分析比較，提出了今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：隧道；病害監(jiān)測；快速檢測；攝像測量；激光掃描

隨著隧道工程建設(shè)的快速發(fā)展，隧道病害問題日益突出。為了對隧道病害進(jìn)行整治，首先需對病害情況進(jìn)行全方位檢測。傳統(tǒng)的隧道病害檢測方法主要采用目測，配備一定的簡易設(shè)備，如機械式或數(shù)顯式病害觀測儀等，進(jìn)行現(xiàn)場記錄和病害標(biāo)記，人工描繪病害展開圖。這些檢測方法需要大量的人力、物力，費時、費力，危險程度高，對于隧道拱頂病害檢測還需專門的升降設(shè)備，而且檢測結(jié)果主觀性大，不同檢測人員會得出不同的檢測結(jié)果，不利于對隧道安全性進(jìn)行客觀和定量評價。國際隧道協(xié)會通過分析總結(jié)隧道病害檢測的經(jīng)驗和教訓(xùn)，指出無損快速檢測技術(shù)將是今后的發(fā)展方向。日本已經(jīng)在隧道無損快速檢測技術(shù)方面作了大量研究，并取得了一定的研究成果。

隧道病害快速檢測技術(shù)主要采用各種形式的傳感器探測隧道襯砌影像圖，通過圖像處理完成對病害的檢測和分類等。根據(jù)傳感器類型的不同，隧道病害快速檢測技術(shù)可分為攝像測量檢測技術(shù)和激光掃描檢測技術(shù)兩類。

1　攝像測量快速檢測技術(shù)

攝像測量以透視幾何理論為基礎(chǔ)，基于數(shù)字影像與攝影測量的基本原理，通過攝像手段（CCD或CMOS圖像傳感器）確定目標(biāo)的外形和運動狀態(tài)，并形成圖像，圖像上每一個像素點的灰度反映空間物體表面某點反射光的強度，而該點在圖像上的位置則與空間物體表面對應(yīng)點的幾何位置有關(guān)。該方法可瞬間獲取被測物體的大量物理和幾何信息，是一種基于數(shù)字信息和數(shù)字影像技術(shù)及自動控制手段的非接觸式快速檢測技術(shù)。

隧道病害攝像測量快速檢測技術(shù)主要采用CCD工業(yè)相機（線陣或面陣）對隧道襯砌表面進(jìn)行快速連續(xù)掃描，得到隧道襯砌表面影像圖，再采用圖像處理和圖像識別算法提取病害信息，并繪制病害展開圖。下面介紹這方面研究比較典型的研究機構(gòu)及其檢測系統(tǒng)。

1.1韓國漢陽大學(xué)

圖1　韓國漢陽大學(xué)隧道檢測系統(tǒng)

韓國漢陽大學(xué)機械工程系應(yīng)用移動式機器人系統(tǒng)對隧道襯砌病害進(jìn)行快速檢測，機器人系統(tǒng)攜帶線掃描CCD工業(yè)相機（4 096像素/行）、減振器、編碼器和特定光源等設(shè)備，以5 km/h的檢測速度對隧道進(jìn)行連續(xù)掃描。圖1和圖2分別為該檢測系統(tǒng)的組成部分和硬件配置示意圖。

圖2　韓國漢陽大學(xué)隧道檢測系統(tǒng)的硬件配置

1.2日本鐵道技術(shù)研究所

圖3和圖4為日本鐵道綜合技術(shù)研究所研究開發(fā)的公路隧道病害快速檢測系統(tǒng)。

圖3　日本鐵道技術(shù)研究所隧道檢測系統(tǒng)

圖4　日本鐵道技術(shù)研究所隧道檢測系統(tǒng)掃描示意圖

該系統(tǒng)采用車載線掃描工業(yè)相機（圖像分辨率5 000像素/行）、高能金屬鹵化物光源和可編程自動調(diào)焦系統(tǒng)對隧道進(jìn)行掃描檢測，檢測車行駛速度13 ～25 km/h，圖像分辨率0.5～1.0 mm/像素。采用的圖像分析方法為：先對源圖像進(jìn)行中值濾波和直方圖歸一化處理，并進(jìn)行陰影修正，然后應(yīng)用動態(tài)閾值方法進(jìn)行圖像二值化處理，應(yīng)用膨脹和腐蝕等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運算方法去除孤立點并提取連續(xù)裂縫。該方法由于圖像分辨率不高及識別算法未考慮裂縫幾何形態(tài)，檢測到的裂縫最小寬度較大。

1.3日本計測檢查株式會社

圖5～7為日本計測檢查株式會社開發(fā)的市場化的病害隧道快速無損檢測系統(tǒng)。

圖5　日本計測檢查株式會社隧道檢測系統(tǒng)在工作中的狀況

圖6　日本計測檢查株式會社隧道檢測系統(tǒng)組成

圖7　日本計測檢查株式會社隧道檢測系統(tǒng)掃描示意圖

該快速檢測系統(tǒng)由車載的數(shù)臺CCD工業(yè)相機、高亮度光源、發(fā)電設(shè)備、設(shè)備箱和臺架等組成。所采集圖像的分辨率為0.3 mm/像素。在病害識別和分析方面已開發(fā)出相應(yīng)的商業(yè)化軟件Crack-Draw21，可在軟件中顯示病害沿隧道拱頂?shù)恼归_圖，根據(jù)展開圖可對隧道的安全狀況作出評估。該系統(tǒng)的不足之處是不能實現(xiàn)病害的完全自動識別，需要計算機自動識別和人工修正相結(jié)合，人工修正的工作量較大。

2　激光掃描快速檢測技術(shù)

激光掃描檢測通過激光掃描器和距離傳感器獲取被測目標(biāo)表面形態(tài)，其工作過程實際上是一個不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過程，通過具有一定分辨率的空間點所組成的點云圖來表達(dá)系統(tǒng)對目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果。每掃描一個云點后，圖像傳感器將云點信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號并直接傳送給計算機系統(tǒng)，經(jīng)過相應(yīng)系統(tǒng)軟件進(jìn)行一系列處理，獲取目標(biāo)表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行各種量算或建立立體模型，并形成視頻圖像。

隧道病害激光掃描快速檢測技術(shù)主要采用激光掃描器對隧道襯砌表面進(jìn)行連續(xù)掃描，得到隧道襯砌表面影像圖。國外發(fā)達(dá)國家在這方面的研究較多，有的公司已開發(fā)出商業(yè)化檢測系統(tǒng)。

2.1瑞士GRP5000檢測系統(tǒng)

GRP5000是由瑞士AMBERG技術(shù)公司研究開發(fā)的隧道病害快速檢測系統(tǒng)（見圖8和圖9）。

圖8　瑞士GRP5000隧道檢測系統(tǒng)

圖9　瑞士GRP5000隧道檢測系統(tǒng)掃描示意圖

GRP5000系統(tǒng)采用激光掃描儀對隧道進(jìn)行全方位檢測，可得到高清影像圖，可標(biāo)注隧道病害并自動計算裂縫長度和滲水面積等參數(shù)，并將結(jié)果輸入Excel軟件進(jìn)行圖形報表分析。當(dāng)小車在軌道上行走時，高速旋轉(zhuǎn)的激光掃描儀發(fā)射的激光以螺旋線的形式對隧道表面進(jìn)行全斷面掃描，通過分析發(fā)射和接收到的激光信號（強度和相位差），獲得隧道襯砌內(nèi)表面影像圖及隧道襯砌表面各點距軌道中心線的距離。激光掃描儀每秒獲取高達(dá)50萬個測點的斷面數(shù)據(jù)，每個測點包含該位置的反射率和幾何尺寸信息（角度和距離），上述測量成果構(gòu)成隧道表面狀態(tài)評估的基礎(chǔ)資料。

在病害識別和分析方面有專門的商業(yè)化軟件Tunnel Map，在該軟件中可建立隧道的數(shù)字化模型，其中最重要的內(nèi)容是隧道內(nèi)表面的數(shù)字化展開圖。為便于觀察和輸入信息，可將隧道沿拱頂中心展開，只需輸入表面上某一點或?qū)ο蟮睦锍碳霸谡归_圖中距拱頂中心的距離，便可定義其位置。另外，還可將隧道按區(qū)間進(jìn)行劃分，便于進(jìn)行管理和統(tǒng)計等，盾構(gòu)隧道可直接將每個環(huán)片定義為一個區(qū)間分別進(jìn)行管理。Tunnel Map軟件可充當(dāng)隧道病害采集和狀態(tài)評價系統(tǒng)，用于觀察和收集已有建筑的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，根據(jù)測點的幾何信息對隧道進(jìn)行限界分析，還可分類標(biāo)注各種病害，如裂縫和滲水區(qū)域等。病害展開圖具有坐標(biāo)信息，可自動計算并統(tǒng)計裂縫長度和滲水面積等病害的幾何尺寸，這些數(shù)字化的信息和數(shù)據(jù)可作為隧道安全狀態(tài)評估的依據(jù)。

2.2德國SPACETEC TS3檢測系統(tǒng)

SPACETEC TS3是由德國SPACETEC公司研究開發(fā)的病害隧道快速掃描檢測系統(tǒng)（見圖10和圖11）。該系統(tǒng)可安裝在任何檢測車上，能對隧道進(jìn)行全方位掃描檢測，檢測隧道襯砌滲水及其滲水面積、裂縫的寬度及位置。該檢測系統(tǒng)激光掃描器的掃描頻率為280 Hz，圖像分辨率為5 mm。

圖10　德國SPACETEC TS3隧道檢測系統(tǒng)

圖11　德國SPACETEC TS3隧道檢測系統(tǒng)組成

2.3法國ATLAS 70檢測系統(tǒng)

ATLAS 70是由法國HGH紅外系統(tǒng)公司研究開發(fā)的多傳感器隧道無損快速檢測系統(tǒng)（見圖12）。屬于多傳感器檢測系統(tǒng)，配置了激光掃描傳感器、紅外掃描傳感器、測距儀和計程儀等設(shè)備，可進(jìn)行隧道裂縫和滲水的全方位檢測。激光器掃描頻率為300 Hz，圖像分辨率為5 mm。

圖12　法國ATLAS 70隧道檢測系統(tǒng)

3　分析比較

基于攝像測量和基于激光掃描的隧道病害快速檢測方法的技術(shù)指標(biāo)比較見表1。

表1　隧道病害快速檢測技術(shù)比較

基于攝像測量的隧道病害快速檢測技術(shù)的優(yōu)點是采用的工業(yè)相機分辨率很高，特別是采用線陣CCD工業(yè)相機時，分辨率更高，可達(dá)0.2 mm/像素，通?？蓹z測出細(xì)微的裂縫。其不足之處是需要特定的光源，光源系統(tǒng)的好壞直接決定了圖像質(zhì)量，從而決定圖像識別算法的效果；另外，大多數(shù)算法還不能實現(xiàn)病害的完全自動識別，需要和人工修正相結(jié)合，人工修正工作量較大。

基于激光掃描的隧道病害快速檢測技術(shù)的優(yōu)點是不需要特定光源，圖像質(zhì)量較好。其不足之處是圖像分辨率不高，如瑞士AMBERG技術(shù)公司開發(fā)的GRP5000檢測系統(tǒng)采集到的圖像分辨率僅為5 mm/像素，且不能進(jìn)行病害的自動識別；另外，大多數(shù)激光掃描檢測技術(shù)主要提供一個隧道襯砌病害和限界分析的數(shù)字化管理平臺，主要根據(jù)檢測人員的經(jīng)驗進(jìn)行病害識別和分析。

4　結(jié)語

隧道病害快速檢測技術(shù)可實現(xiàn)隧道病害檢測的快速化和客觀化，根據(jù)所采用傳感器類型的不同，可分為攝像測量快速檢測技術(shù)和激光掃描快速檢測技術(shù)兩類。兩類方法各有優(yōu)缺點，攝像測量快速檢測技術(shù)獲取的圖像分辨率高，但需要特定的高亮度光源，而激光掃描快速檢測技術(shù)不需要特定的光源，但圖像的分辨率相對較低。兩種方法都可以獲取清晰的隧道病害圖像，但在病害識別和分析上，都要采用人工識別或人工修正的方法，自動識別程度不高。

病害的自動識別和評估、病害檢測結(jié)果的高精度化等將是今后隧道病害快速檢測技術(shù)研究的熱點，數(shù)字?jǐn)z像測量和激光掃描技術(shù)的集成將是今后隧道病害快速檢測技術(shù)的發(fā)展方向。

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該系統(tǒng)采用的圖像分析算法如下：首先對源圖像進(jìn)行直方圖均衡化，以增強圖像的對比度，應(yīng)用Sobel和Laplacian檢測算子識別裂縫邊緣，再應(yīng)用Gaussian濾波器降噪，通過設(shè)定的閾值識別裂縫，最后應(yīng)用圖搜索算法提取裂縫。該系統(tǒng)可檢測裂縫的寬度、長度和走向等參數(shù)。但由于采用的只是通用的圖像處理方法，未考慮裂縫的幾何形態(tài)，算法不完善，病害識別準(zhǔn)確度不高。

中圖分類號：U457

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0241-05

基金項目：?河南省交通運輸廳科技計劃項目（2012D07）

收稿日期：2016-02-02