多功能隧道快速檢測系統(tǒng)設計

唐建平++樊曉楠++溫興水++宋京++涂市委

摘 要為了提高隧道病害的檢測速度，通過設計以車載式的檢測裝置代替人工檢測來提高檢測速度。通過CAD和Solidworks建立隧道檢測車模型，并對檢測裝置結(jié)構(gòu)尺寸進行進一步設計。進行隧道檢測車的制造，進一步搭建檢測設備，安裝相應的工業(yè)CCD攝像機，照明設備，發(fā)電裝置。試驗結(jié)果表明：通過三維建模并進行實體制造出來的檢測車能實現(xiàn)相應的快速檢測功能，滿足隧道檢測的要求。

【關(guān)鍵詞】隧道檢測車 快速檢測 三維建模 實體搭建

1 隧道檢測車整體方案設計

檢測車是經(jīng)由輕卡奧鈴TX改裝設計而成，車廂體設計成前半部分可縱向滑動，箱體后部焊接于底板上，前部箱體縱向滑動到最大，箱體內(nèi)部檢測設備可進行工作，檢測隧道病害。車體內(nèi)部隧道襯砌裂縫檢測系統(tǒng)分為圖像采集和圖像處理兩大部分。圖像采集部分是對隧道襯砌裂縫進行采集的過程，圖像采集部分主要包括檢測車、24臺CCD 相機、照明設備等。圖像處理部分是核心部分，主要包括對隧道內(nèi)裂縫進行圖像的預處理、圖像的增強、圖像的分割、圖像的特征識別與提取過程。

2 隧道檢測車系統(tǒng)功能設計

2.1 圖像采集系統(tǒng)安裝架結(jié)構(gòu)方案設計

檢測車核心設備，由24臺工業(yè)CCD相機構(gòu)造而成，相機安裝于弧形轉(zhuǎn)盤上，底部安裝有180°電動轉(zhuǎn)盤，可使得弧形轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動180°，在檢測車不調(diào)轉(zhuǎn)方向的情況下，進一步檢測對側(cè)隧道病變情況：

實體組裝圖如圖1。

2.2 圖像采集系統(tǒng)部件的選型

圖像采集部分主要包括24臺工業(yè)以太網(wǎng)相機、4個千兆6口網(wǎng)卡、兩臺高性能工業(yè)計算機、24個頻閃燈、旋轉(zhuǎn)編碼器及發(fā)電機、穩(wěn)壓電源等。軟件系統(tǒng)主要由圖像采集軟件和圖像拼接處理軟件組成。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分集成在貨車車廂里，形成一套可快速集成的隧道檢測車，實現(xiàn)隧道表面的快速檢測。檢測系統(tǒng)啟動時，首先要對各個模塊進行初始化操作，當然包括對圖像采集卡和 CCD 相機等參數(shù)的設置，并打開照明系統(tǒng)。

進行圖像采集的過程中需要滿足的要求如下：

（1）采集圖像精度：本方案設計出要檢測1mm 寬的裂縫，因此測量到的裂縫參數(shù)數(shù)值必須精確到1mm ，故選擇相機參數(shù)為 500 萬像素（2500*2000）。

（2）由于線陣 CCD 相機對光強的要求比較高，因此采用面陣 CCD 相機對隧道襯砌圖像進行采集。

（3）本設計采用4個千兆6口圖像采集卡，以保證在較快的速度內(nèi)完成對隧道襯砌圖像的采集工作。于裂縫圖像的顏色紋理比較單一，且黑白圖像傳輸速度快，因此黑白 CCD 攝像機就能滿足系統(tǒng)的要求。

（4）為了實現(xiàn)在有限的時間內(nèi)對隧道襯砌的檢測，必須限定載體車的行駛速度，初步要求載體車以 10km/h 以上速度行駛。

（5）為了保證對隧道的安全評估，需要對隧道襯砌進行全面檢測，要求在圖像采集的過程中全面檢測，沒有遺漏。在實際采集的過程中，為了保證隧道襯砌圖像的完整性，要求相鄰相機拍攝的區(qū)域存在重疊區(qū)域。該面陣相機單個像素的大小為2um 2um，假設所選檢測車高2.5m，照相機固定的位置與所拍斷面距離為2m，那么

，，進而計算出f≈19.8mm。該照相機像素為2500*2000，每個像素對應的實際寬度為0.2mm，因此所拍圖像的實際大小就是50cm*40cm。又因為該隧道周長為19.49m，隧道中有兩個車道，一次只需要拍攝半個隧道斷面，再加上左右兩幅圖像之間有大概12.5cm的重疊區(qū)域，因此弧形支架上所安裝的照相機臺數(shù)最少為24臺。由于所選照相機的最短曝光時間是50us，所以此檢測車行駛的最高速度為4m/s，即14.4km/h。要保證所拍攝到的隧道襯砌表面圖像是清晰可見的，檢測車的行車速度必須控制在14.4km/h以內(nèi)，照相機的采集速率為每秒10幀。工控機選擇主板：AIMB-784；CPU：I7-4790k；運存：2*4G；硬盤：1T機械硬盤。

3 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理部分是利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對存儲到工控機中的圖像進行處理和分析，最終得到裂縫特征信息的過程。

3.1 隧道內(nèi)壁的縫隙圖像的增強技術(shù)

圖像增強技術(shù)主要是利用相應的算法將工業(yè)CCD相機拍到的隧道內(nèi)壁裂縫進行凸顯處理，對一些沒有價值的信息點弱化，使得其圖像裂縫提取和計算方便；

3.2 裂縫圖像閾值分割

圖像的進一步處理是對工業(yè)CCD相機拍攝到的圖像進行分割步驟，這樣可以將圖像最主要的部分（裂縫）進行提取，是進一步圖像分類、參數(shù)計算的基礎，這一步也是至關(guān)重要的；

3.3 隧道內(nèi)壁縫隙的分類與相關(guān)參數(shù)計算

為了進行隧道內(nèi)壁的養(yǎng)護工作，需要將圖像裂縫進行分類并且提取裂縫的特征值，如裂縫面積、長度和寬度。根據(jù)計算得到的裂縫參數(shù)值與相關(guān)標準進行對比，得到隧道的安全程度。

4 基于Guided濾波的Retinex圖像增強算法

（1）獲得所需要處理的圖像信息。

（2）得到所需要的圖像后進一步用將裂縫信息分解為n層，同時獲得裂縫信息在最大和最小的指數(shù)信息。

（3）進一步對分解后的指數(shù)信息進行下一步處理。

（4）最后一步，對裂縫信息再次重構(gòu)，輸出相應的圖像。

5 圖像分割技術(shù)

進一步的對圖像增強處理后的圖像分割動態(tài)閾值方法：

步驟1：將整幅圖像分解成一系列相互之間有50%重疊的子圖像。

步驟2：檢測各子圖像的直方圖是否具有雙峰性質(zhì)。如果是，則采用最優(yōu)閾值法確定該子圖像的閾值，否則不進行處理。

步驟3：根據(jù)已得到的部分子圖像的閾值，插值得到其他不具備雙峰性質(zhì)的子圖像的閾值。

步驟4：根據(jù)各子圖像的閾值插值得到所有像素的閾值。

6 試驗結(jié)果分析

圖2是該隧道檢測車在實體隧道內(nèi)運用圖像采集系統(tǒng)所拍攝的隧道裂縫病害，圖像清晰穩(wěn)定，可進一步進行圖像的處理分析，證明了本方案的可行性。

參考文獻

[1]王華夏.高速鐵路隧道襯砌裂縫圖像快速采集系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學，2013.

作者單位

1.杭州市交通運輸發(fā)展服務中心 浙江省杭州市 310004

2.長安大學 陜西省西安市 710064