隧道沉降變形連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

陳 剛

(上海隧道工程有限公司盾構(gòu)分公司，上海 200092)

隧道沉降變形連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

陳 剛

(上海隧道工程有限公司盾構(gòu)分公司，上海 200092)

為保證隧道安全運(yùn)營, 要長期對(duì)其進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。隧道沉降變化是評(píng)估隧道安全的一個(gè)重要指標(biāo)。文章利用激光準(zhǔn)直性設(shè)計(jì)了隧道沉降監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)，該系統(tǒng)由激光源組件和目標(biāo)靶組成，系統(tǒng)首先采集激光打到目標(biāo)靶上的光斑圖像，再通過圖像分割、形態(tài)學(xué)處理等獲得光斑中心坐標(biāo)，結(jié)合其他參數(shù)和初始測(cè)量信息，最終得出隧道沉降變化情況。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和工程應(yīng)用證明，該系統(tǒng)具有低成本、易于敷設(shè)、高精度等優(yōu)點(diǎn)，能對(duì)隧道沉降實(shí)施有效監(jiān)測(cè)。

圖像處理；隧道沉降變形；激光準(zhǔn)直

0 引言

隧道沉降變形監(jiān)測(cè)是保護(hù)地鐵、保障人們的生命安全以及整個(gè)城市的交通體系安全的一項(xiàng)重要工作。隧道沉降監(jiān)測(cè)目前主要采用人工測(cè)量方法和自動(dòng)測(cè)量方法，每公里雙管地鐵隧道人工方法測(cè)量需要一個(gè)月的時(shí)間。自動(dòng)測(cè)量方法主要是參考文獻(xiàn)[1]中的靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量法、參考文獻(xiàn)[2]中的傾斜傳感器測(cè)量隧道變形方法和參考文獻(xiàn)[3]中的全站儀測(cè)量隧道沉降變形方法。靜力水準(zhǔn)儀測(cè)量法不能測(cè)量測(cè)點(diǎn)的水平位移，不能反映隧道變形的信息。傾斜傳感器測(cè)量法是在隧道管片同一環(huán)的每個(gè)管片上設(shè)置一個(gè)傾斜傳感器，傳感器組角度變化信息由計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算，缺點(diǎn)是不能測(cè)量管片垂直沉降信息，營運(yùn)隧道批量使用成本太高。全站儀測(cè)量隧道沉降變形方法適用于施工過程中對(duì)關(guān)鍵控制區(qū)域的自動(dòng)檢測(cè)，缺點(diǎn)是測(cè)點(diǎn)棱鏡不宜布置太多，不斷尋找測(cè)量目標(biāo)的工作方式將影響全站儀機(jī)械壽命，不適應(yīng)長期測(cè)量工作方式。

本文研制的隧道沉降變形連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用遠(yuǎn)程通信技術(shù)、激光準(zhǔn)直性以及激光燈可控性，采用圖像處理技術(shù)結(jié)合測(cè)量模型，計(jì)算隧道沉降形變情況。該系統(tǒng)測(cè)量時(shí)可以使用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)手段，不會(huì)打斷隧道正常運(yùn)行，同時(shí)降低了測(cè)量人員進(jìn)行隧道工作風(fēng)險(xiǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量不會(huì)受到限制，不會(huì)因?yàn)楸O(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量過多、工作量增大，使得監(jiān)測(cè)周期過長。該系統(tǒng)能快速地自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，解決了手工作業(yè)模式效率低、不能及時(shí)快速地反饋監(jiān)測(cè)信息的問題。

1 系統(tǒng)組成

工作井中安裝目標(biāo)靶，隧道里50 m范圍內(nèi)每環(huán)管片特征測(cè)點(diǎn)位置上布置激光源組件，通信線將各激光源與目標(biāo)靶組成局部網(wǎng)絡(luò)。主控制器置于目標(biāo)靶箱體內(nèi)，由計(jì)算機(jī)及應(yīng)用軟件組成，主控制器依次激勵(lì)激光組件向目標(biāo)靶發(fā)射激光，打到前、后雙靶上。目標(biāo)靶依次采集各激光組件所發(fā)出激光打在目標(biāo)靶上的圖像，通過主控制器計(jì)算光斑中心坐標(biāo)，結(jié)合初始坐標(biāo)參數(shù)得出所測(cè)點(diǎn)的水平偏移量與垂直偏移量。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由以下兩個(gè)主要部分組成：

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

(1)激光源組件：由RS485通信模塊、控制模塊、電源模塊、光發(fā)射器等組成。激光組件對(duì)通信模塊接口的信息進(jìn)行解碼分析，如果通信模塊接口上的地址碼與激光組件設(shè)定的地址碼一致，則激光控制器接受主控制器的控制指令，對(duì)激光組件發(fā)出開啟或關(guān)閉驅(qū)動(dòng)指令。激光組件固定在測(cè)點(diǎn)位置的安裝支架上，各激光發(fā)射器控制單元由通信線與主控制器組成RS485總線網(wǎng)。

圖2 目標(biāo)靶內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(2)目標(biāo)靶：包括一對(duì)工業(yè)電子照相機(jī)、一對(duì)成像幕布、支架、防護(hù)機(jī)箱、工控機(jī)。激光通過防護(hù)玻璃后先投射于前幕布并在前幕布上成像，其中一部分激光進(jìn)一步投射于后幕布并在后幕布上成像。兩臺(tái)電子照相機(jī)分別采集前幕布和后幕布上所成的圖像，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理獲取激光成像位置與入射角度，如圖2所示。

2 圖像處理

攝像頭拍攝激光打到目標(biāo)靶上的光斑，經(jīng)過圖像處理后計(jì)算出光斑中心坐標(biāo)，其計(jì)算準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量精度有很大影響。理想情況下拍攝到的光斑是圓形狀光點(diǎn)，由于核氖激光發(fā)射器本身原因，光斑周圍會(huì)出現(xiàn)衍射條紋和散射點(diǎn)。激光在空氣介質(zhì)中傳播可能會(huì)遇到粉塵、水汽等，導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)局部暗點(diǎn)或亮點(diǎn)。攝像頭在抓拍、保存圖像時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生條紋，如果光斑在圖像上的位置正好處于條紋上，光斑圖像就會(huì)造成失真。這些因素都會(huì)影響光斑中心坐標(biāo)的計(jì)算精確度，需要進(jìn)行圖像處理降低干擾。

2.1 閾值分割

激光打到目標(biāo)靶上光斑中心區(qū)域呈現(xiàn)為白色。拍攝一張光斑圖像之后，可獲得圖像上每個(gè)像素RGB值[4]。圖像中光斑中心區(qū)域相對(duì)于其他區(qū)域有較高R值分量，為了得到準(zhǔn)確激光光斑的位置信息，采取單閾值分割的方法來提取：

(1)

其中，threshold為設(shè)定閾值，大小為圖像中R最大值的0.95倍。

2.2 形態(tài)學(xué)處理

經(jīng)過閾值分割之后，大部分背景都被消除，圖像中仍然有不少噪聲、雜波，使用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法來消除光斑分割結(jié)果中的異常情況。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是用一組形態(tài)學(xué)代數(shù)運(yùn)算子，度量、提取圖像中對(duì)應(yīng)形態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像分析和識(shí)別。最基本的形態(tài)學(xué)運(yùn)算子有：腐蝕、膨脹、開和閉，用這些算子及其組合來進(jìn)行圖像形狀和結(jié)構(gòu)的分析及處理[5]。具體操作中采用3×3白色方塊結(jié)構(gòu)元進(jìn)行形態(tài)學(xué)濾波，對(duì)閾值分割出來的二值圖像按下式進(jìn)行開啟和閉合操作：

B=(B×S)·S=(((BΘS)⊕S)⊕S)ΘS

(2)

閉運(yùn)算能平滑光斑的輪廓，可將條紋分離光斑重新融合到一起，填充比結(jié)構(gòu)元素小的洞。開運(yùn)算完全刪除了不能包含結(jié)構(gòu)元素的對(duì)象區(qū)域，也可以平滑光斑的輪廓，斷開了狹窄的連接，去掉了散射點(diǎn)。

2.3 中心坐標(biāo)計(jì)算

前面兩步處理后，光斑圖像中除了有光斑外還可能有衍射條紋。統(tǒng)計(jì)出圖像中8連通區(qū)域的面積，如果最大區(qū)域面積值大于設(shè)定閾值，則認(rèn)為該區(qū)域?yàn)楣獍?，否則認(rèn)為該圖像中沒有抓拍到光斑。經(jīng)過上面處理后，統(tǒng)計(jì)圖像上值為1的像素位置，求出平均值就是光斑中點(diǎn)坐標(biāo)。

3 測(cè)量模型

測(cè)量模型根據(jù)激光準(zhǔn)直性，將其做一個(gè)空間向量，建立以激光發(fā)射器中心為原點(diǎn)、激光發(fā)射方向?yàn)閄軸、水平方向?yàn)閅軸、坡度垂直方向?yàn)閆軸的坐標(biāo)系。測(cè)量模型原理如圖3所示，模型分為兩個(gè)階段：(1)初始階段：人工測(cè)得相關(guān)坐標(biāo)，計(jì)算出激光源與目標(biāo)靶之間相對(duì)關(guān)系；(2)監(jiān)測(cè)階段：若隧道發(fā)生形變，攝像頭拍到的光斑中心位置就會(huì)隨著變化，由光斑中心坐標(biāo)結(jié)合其他參數(shù)以及初始階段信息，就能得到隧道沉降變化情況。

圖3 測(cè)量模型原理

3.1 初始階段

(3)

3.2 監(jiān)控階段

監(jiān)測(cè)階段激光發(fā)射器中心坐標(biāo)可能發(fā)生變動(dòng)，先以目標(biāo)靶后端面板為例，目標(biāo)靶固定不動(dòng)其中心坐標(biāo)不變。已知激光源初始坐標(biāo)、激光發(fā)射器初始發(fā)射方位角、坡度，監(jiān)測(cè)階段激光光斑中心坐標(biāo)(y監(jiān),z監(jiān))，根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]中的三參數(shù)空間坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式可以建立方程：

(4)

(5)

由上式(4)、(5)可解出監(jiān)控情況下，激光源位移變化量(ΔX,ΔY,ΔZ)。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)精度實(shí)驗(yàn)

2013年7月系統(tǒng)研制完成，將激光源放置與目標(biāo)靶相距50 m左右距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。前端到前靶相距181 mm，前靶與后靶相距180 mm，后靶到后端距離為89 mm，下面點(diǎn)到后端面中心距離為270 mm。實(shí)驗(yàn)之前使用貼片和全站儀，人工測(cè)量激光源和目標(biāo)靶的相應(yīng)坐標(biāo)(如表1所示)。實(shí)驗(yàn)時(shí)將目標(biāo)靶安放在固定位置不動(dòng)，激光源安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，以5 mm為單位按順序依次移動(dòng)到初始位置的左、左上、上、右上、右、右下、下、左下位置處，最后再回到原位。

表1 初始情況坐標(biāo)值 (單位m)

整個(gè)過程中使用全站儀人工測(cè)量激光源實(shí)際坐標(biāo)，與初始位置相減得到激光源實(shí)際偏移量，檢驗(yàn)系統(tǒng)精度。系統(tǒng)使用圖像處理方法得到激光光斑坐標(biāo)，運(yùn)用測(cè)量模型計(jì)算出激光源偏移值，與人工測(cè)量偏移量進(jìn)行比較，如表2所示，從表中可以看出系統(tǒng)計(jì)算出來的偏移量與人工測(cè)量值相差在1 mm以內(nèi)。

4.2 上海大連路隧道應(yīng)用

2014年7月～11月在上海大連路隧道工作走道內(nèi)，安裝系統(tǒng)并進(jìn)行了應(yīng)用。目標(biāo)靶安裝在隧道接線柜右側(cè)緊鄰的第一塊管片上，高低以隧道接線柜居中，左右接近隧道接線柜，要求支架牢固穩(wěn)定，如圖4(d)所示。目標(biāo)靶供電電源為交流220 V，由供電電纜就近獲取電源，目標(biāo)靶與19個(gè)激光部件由通信電纜串聯(lián)連接，如圖4(a)所示。

安裝激光組件以底板上兩個(gè)安裝腰眼中心連線為參考點(diǎn)，管片水平方向(隧道軸向)安裝位置為：管片環(huán)寬1.2 m，每隔2環(huán)安裝1個(gè)激光組件，在第3，5，7，9，…，2×i+1(i=1,2,…19)號(hào)管片上安裝下一個(gè)目標(biāo)靶，激光源組件之間的距離為2.4 m，試驗(yàn)范圍≤50 m；管片高低方向安裝位置為：兩個(gè)隧道接線柜上沿拉一條直線，每個(gè)激光組件距該直線垂直距離為50×imm(i激光組件序號(hào))，如圖4(b)所示。激光源和目標(biāo)靶安裝好后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，如圖4(c)所示。

監(jiān)測(cè)過程按每小時(shí)1次的采樣周期，依次發(fā)送當(dāng)前測(cè)點(diǎn)通信地址、開啟或關(guān)閉該測(cè)點(diǎn)激光源的控制信息。系統(tǒng)計(jì)算、采集隧道沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖5所示，圖中描繪了激光源位置—時(shí)間曲線。地面計(jì)算機(jī)通過因特網(wǎng)，可以實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)計(jì)算出來的沉降信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程沉降監(jiān)控。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 (單位:mm)

圖4 上海大連路隧道應(yīng)用

圖5 歷史數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié)束語

隧道沉降變形連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制和工程應(yīng)用試驗(yàn)，為隧道沉降變形提供了一種自動(dòng)在線檢測(cè)技術(shù)和裝置。該系統(tǒng)由一個(gè)目標(biāo)靶和多個(gè)激光組件組成，將目標(biāo)靶安裝在相對(duì)穩(wěn)定位置、激光組件安裝在被測(cè)位置，用于目標(biāo)靶和激光組件之間截平面位置變化檢測(cè)。對(duì)于被測(cè)點(diǎn)密度高、范圍長的隧道沉降變形在線連續(xù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性。

[1] 孫澤信,張書豐,劉寧.靜力水準(zhǔn)儀在運(yùn)營期地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2015,52(1):203-208.

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[6] 章書壽,華錫生.工程測(cè)量[M].北京:水利水電出版社,1994.

Monitoring system for tunnel settlement deformation

Chen Gang

(Shanghai Tunnel Engineering Construction Company Ltd. TBM Construction Branch, Shanghai 200092, China)

In order to ensure the security of tunnel operation, the long-term structural deformation monitoring should be adopted. Tunnel settlement deformation is an important indicator to assess the safety of tunnel. This paper mainly introduces the monitoring system for tunnel settlement based on laser alignment, which is composed of laser modules and the target. The measurement purpose of this system has been realized through collecting video data of a laser spot, image segmentation, the morphological processing, the modules of surveying and initial parameter successively. Experimental results and engineering application show that this system is efficient in monitoring the structural deformation of tunnel, and has the advantages of low cost, easy laying and high precision as well.

image processing; tunnel settlement deformation; laser alignment

上海市科委資助項(xiàng)目(16111107600)；上海市人才發(fā)展資金資助項(xiàng)目(201406)；上海城建集團(tuán)管控中心項(xiàng)目(2015-B-2)

TP399

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.023

陳剛.隧道沉降變形連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(15)：80-83,86.

2017-03-15)

陳剛(1981-),男,博士后,工程師,主要研究方向:圖像處理、自動(dòng)測(cè)量、盾構(gòu)智能控制。