地鐵隧道滲漏水病害快速檢測及圖像處理技術(shù)

姚旭朋

（同濟(jì)大學(xué)國家土建結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配化工程技術(shù)研究中心，200092，上海//高級工程師）

地鐵隧道滲漏水病害快速檢測及圖像處理技術(shù)

姚旭朋

（同濟(jì)大學(xué)國家土建結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配化工程技術(shù)研究中心，200092，上海//高級工程師）

檢測盾構(gòu)隧道滲漏水的傳統(tǒng)人工檢測方法工效低，無法滿足大量運(yùn)營地鐵隧道快速檢測的需求。隧道滲漏水快速檢測系統(tǒng)包括快速攝像設(shè)備及與之配套的圖像分析處理器?？焖贁z像設(shè)備是基于工業(yè)定焦相機(jī)和自動化控制技術(shù)集成開發(fā)的，可實(shí)現(xiàn)對地鐵隧道滲漏水病害的快速攝像。與快速攝像系統(tǒng)配套的圖像分析與數(shù)據(jù)處理器，是根據(jù)地鐵隧道結(jié)構(gòu)宏觀特征和結(jié)構(gòu)構(gòu)件空間幾何關(guān)系開發(fā)的，能實(shí)現(xiàn)病害特征的快速計算，并對病害進(jìn)行分類。該隧道滲漏水快速檢測系統(tǒng)在上海地鐵中的應(yīng)用效果良好，現(xiàn)場攝像速度達(dá)5 km/h，滲漏水病害檢測準(zhǔn)確率達(dá)到95%。

地鐵隧道；滲漏水病害；快速檢測；圖像分析

滲漏水是隧道的主要病害之一，也是引起隧道其他病害的根源［1-2］。上海處于軟土地區(qū)，90%以上的地鐵隧道均采用盾構(gòu)法施工完成。因而，在上海地鐵運(yùn)營中，滲漏水病害狀況的檢測和掌控作為日常維護(hù)工作的內(nèi)容之一，一向受到極高的重視［3-6］。

傳統(tǒng)的隧道滲漏水病害檢測方法極簡單，都以人工為主，按照現(xiàn)場檢查和數(shù)據(jù)處理分步完成［7-8］?，F(xiàn)場檢查工作組多為4人，以相機(jī)和隧道結(jié)構(gòu)圖紙為主要工作用具。在現(xiàn)場針對滲漏水病害檢查時，工作人員需要完成發(fā)現(xiàn)病害、初步分類和現(xiàn)場記錄等工作。現(xiàn)場記錄時，要完成確定位置、圖像繪制及拍照保存等工作，并將三者信息對應(yīng)標(biāo)注。數(shù)據(jù)處理工作主要是將現(xiàn)場病害描繪圖紙進(jìn)行電子化，并根據(jù)病害類型和規(guī)定的統(tǒng)計條件進(jìn)行分析。最后編制報告進(jìn)行信息反饋?，F(xiàn)場病害檢查工作只能在每天晚上地鐵停運(yùn)之后開展，每天有效工作時間僅有2 h。完成1個1 000環(huán)隧道區(qū)間的表觀病害檢查需要1 d，數(shù)據(jù)處理需2 d。

可見，人工檢查隧道滲漏水病害的方法具有時間窗口窄、檢查效率低、判定差異大和信息反饋周期長等缺點(diǎn)［3］。當(dāng)前，上海地鐵運(yùn)營線路總長達(dá)617 km。如全部依靠人工開展?jié)B漏水病害檢查勢必難以滿足需求，故必須要研發(fā)適用于地鐵隧道的滲漏病害快速檢查的設(shè)備及相應(yīng)海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

通過現(xiàn)場快速攝像獲取地鐵隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害，并采用配套的圖像分析技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的新型快速檢測（以下簡為“快速檢測”）技術(shù)能克服人工檢測的缺點(diǎn)，其實(shí)施效果良好。

1 快速檢測系統(tǒng)

快速檢測系統(tǒng)由快速攝像設(shè)備和圖像分析處理器組成。

1.1 快速攝像設(shè)備

1.1.1 快速攝像設(shè)備構(gòu)成

快速攝像設(shè)備包括車載平臺和采集中心兩個模塊。車載平臺為“工”字型可移動框架，由前梁、后梁、中梁、立柱和電池等組成（見圖1）。采集中心由工業(yè)定焦相機(jī)、里程控制卡、編碼器、補(bǔ)光器、交換機(jī)和主控電腦等部件組成。各模塊組裝后可在軌道上推行完成檢測工作。

圖1 快速檢測系統(tǒng)車載平臺

車載平臺提供移動式工作平臺和設(shè)備支撐框架。工業(yè)定焦相機(jī)為病害圖像采集部件；補(bǔ)光器用來補(bǔ)償現(xiàn)場拍攝光照條件；編碼器和控制卡實(shí)現(xiàn)移動過程中自動圖像拍攝，且具有縱向里程記錄和病害圖像縱向定位的功能。工業(yè)定焦相機(jī)沿著環(huán)形支架布置（見圖2），通過與確定的立柱高度相配合，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部表面的全覆蓋。

圖2 相機(jī)布置方式

1.1.2 快速攝像設(shè)備工作原理

快速攝像設(shè)備采用模塊化裝配式設(shè)計。在完成車載平臺裝配和控制系統(tǒng)啟動之后，車載平臺通過運(yùn)動帶動編碼器轉(zhuǎn)動，使編碼器產(chǎn)生電子脈沖。在設(shè)定的距離間隔上，編碼器的電子脈沖進(jìn)入控制卡激活控制卡中的控制程序，進(jìn)而激活工業(yè)定焦相機(jī)，并同步激活補(bǔ)光器進(jìn)行拍攝。拍攝的圖像通過交換機(jī)存入主控電腦。具體工作流程如圖3所示。

現(xiàn)場測試表明，快速攝像設(shè)備可實(shí)現(xiàn)5 km/h的病害拍攝速度。而固定的相機(jī)布置方式及脈沖化的里程控制，可實(shí)現(xiàn)隧道滲漏水病害的精確定位。

1.2 圖像分析處理器

圖3 快速檢測系統(tǒng)平臺工作流程

實(shí)現(xiàn)隧道滲漏水病害狀況的快速檢測，快速攝像僅是基礎(chǔ)性工作。只有實(shí)現(xiàn)了對所攝圖像的快速分析，才能充分地提高信息反饋的效率。圖像分析處理工作包括圖像預(yù)處理、圖像分割、病害特征計算和病害分類等4個主要步驟。

圖像預(yù)處理和圖像分割主要基于現(xiàn)有的傳統(tǒng)技術(shù)來完成，本文不予展開介紹。病害特征計算和病害分類是實(shí)現(xiàn)圖像快速分析處理的關(guān)鍵。對此根據(jù)目前地鐵隧道檢測技術(shù)水平和評價方法，結(jié)合快速檢測技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了針對性開發(fā)。

1.2.1 病害特征計算

病害特征計算時要按連通區(qū)算法的特點(diǎn)和地鐵隧道滲漏水病害統(tǒng)計需要來設(shè)計其主要指標(biāo)參數(shù)。主要指標(biāo)參數(shù)包括面積大小、占空比、長寬比及灰度差等。經(jīng)過腐蝕和膨脹處理后的圖像可對病害進(jìn)行連通區(qū)信息計算。該算法包括查找連通區(qū)及連通區(qū)的指標(biāo)參數(shù)計算兩部分。

查找連通區(qū)的步驟為：

（1）從照片的第一個像素開始，在圖像中依順序查找亮度為1（即白色，在二值圖中亮度只有1和0，1為白色，0為黑色）的像素，當(dāng)找到第一個亮度為1的像素時停止查找，并將此像素設(shè)置序號為1。

（2）在該位置的相鄰8個像素點(diǎn)（如圖4所示）開始查找亮度為1的像素，若發(fā)現(xiàn)有亮度為1的像素，則將該像素標(biāo)記為序號1。

圖4 中心像素的8個相鄰像素

（3）只要有序號為1的像素，即對該點(diǎn)進(jìn)行步驟（2）的運(yùn)算，直到該位置周圍沒有亮度為1的像素。所有序號為1的像素是相鄰的，被稱為連通區(qū)1。

（4）繼續(xù)查找亮度為1的像素，查找過程中跳過序號為1的區(qū)域，當(dāng)其他位置有亮度為1的像素時，則將該位置標(biāo)為序號2。

（5）在序號為 2 的位置上重復(fù)步驟（2）、（3），直至該序號位置周圍沒有亮度為1的像素。所有序號為2的像素也是相鄰的，被稱為連通區(qū)2。

（6）按照上述步驟依次查找圖像中的連通區(qū)并編號，直到圖像中沒有無標(biāo)記的病害區(qū)域。

依次計算連通區(qū)域n的指標(biāo)參數(shù)：

（∑編號為n的像素個數(shù)）×每個像素對應(yīng)的實(shí)際面積；

包含連通區(qū)的最小矩形（見圖5）水平長度等于該連通區(qū)最左邊像素位置和最右邊像素位置之差，豎直長度等于該連通區(qū)最上面像素位置和最下面像素位置之差。包含連通區(qū)的最小矩形面積等于寬度乘以高度。

圖5 包含連通區(qū)的最小矩形

查找連通區(qū)可將圖像中的每一塊病害區(qū)分開來，連通區(qū)的指標(biāo)參數(shù)計算可得出病害的特征信息。這為病害的識別和分類做了準(zhǔn)備。

1.2.2 病害分類

病害的分類是通過分析病害的特征信息（如面積大小、占空比、長寬比、灰度差）來進(jìn)行的。滲漏水、破損和裂縫等病害在特征上存在一些統(tǒng)計規(guī)律。識別程序可通過不斷地學(xué)習(xí)和修正得到合適的參數(shù)，進(jìn)而對病害進(jìn)行分類。

根據(jù)人工在隧道內(nèi)檢測識別的經(jīng)驗(yàn)，滲漏水、破損和裂縫等不同病害的特征各不相同，而同種病害的特征有一定的規(guī)律。表1是常見病害的特征信息。

根據(jù)病害特征信息的不同，通過統(tǒng)計經(jīng)驗(yàn)確定大小閥值，可識別出每個病害連通區(qū)所屬的病害類型。另外，還可根據(jù)檢測系統(tǒng)記錄的每張照片所在的里程數(shù)，定位出病害所在位置。根據(jù)病害的大小、類型和位置，就可統(tǒng)計出病害在隧道內(nèi)的空間分布。

表1 不同病害的連通區(qū)特征

2 實(shí)施效果

采用快速攝像技術(shù)及圖形快速處理技術(shù)的地鐵隧道快速檢測系統(tǒng)已經(jīng)在上海多條地鐵線路的結(jié)構(gòu)滲漏水病害檢測中得以應(yīng)用。從現(xiàn)場應(yīng)用的結(jié)果來看，滲漏水病害檢測準(zhǔn)確率達(dá)到95%。

首先，快速檢測系統(tǒng)通過對現(xiàn)場獲取的滲漏水圖像進(jìn)行自動分析，得出實(shí)際滲漏水病害對比圖（如圖6所示）。該圖片攜帶有原始圖像采集時賦予的縱向位置和環(huán)向位置信息；其次，通過對病害對比圖片空間位置信息的虛擬整理，貼入對應(yīng)類型的隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間展開圖中，形成病害展開圖（如圖7所示）。病害對比圖和病害展開圖能分別從局部和宏觀的角度衡量某段隧道滲漏水狀態(tài)；而且，病害對比圖具有可追溯的特征，即通過圖片的空間位置信息，還原到已檢測的地鐵隧道工程中。

圖6 病害對比圖

圖7 病害展開圖

在地鐵隧道日常維護(hù)中，滲漏水病害的統(tǒng)計分析也是必要工作，可用以衡量區(qū)間或者線路等更大范圍內(nèi)滲漏水病害的發(fā)育程度。因此，滲漏水病害的統(tǒng)計工作（見圖8）也是其快速檢測的必要功能之一。

3 結(jié)論

根據(jù)地鐵隧道的特點(diǎn)，設(shè)計了快速攝像系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)了以工業(yè)定焦相機(jī)為基礎(chǔ)快速攝像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地鐵隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害的現(xiàn)場快速攝像。

圖8 病害統(tǒng)計圖

通過對圖像處理技術(shù)的研究，開發(fā)了針對地鐵隧道結(jié)構(gòu)滲漏水病害的快速分析方法，并實(shí)現(xiàn)了圖像的智能化處理，給出了實(shí)用化的滲漏水病害表現(xiàn)結(jié)果。

該快速檢測系統(tǒng)，能夠以5 km/h速度實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場滲漏水病害的圖像采集工作。配合智能化的數(shù)據(jù)處理方法，總體效率比傳統(tǒng)方式提升了20多倍，突破了當(dāng)前地鐵隧道滲漏水病害檢測的關(guān)鍵瓶頸問題，提高了信息反饋速度，為地鐵隧道運(yùn)營安全提供新的保障手段。

［1］ 吳江濱，張頂立，王夢恕.鐵路運(yùn)營隧道病害現(xiàn)狀及檢測評估［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2003，13（6）：49．

［ 2 ］ RICHARDS J A.Inspection，maintenance and repair of tunnels:international lessons and practice[J].Tunneling and Underground space Technology，1998，（13）：369．

［3］ 畢湘利，袁勇，王秀志，等.軟土隧道工程運(yùn)營期結(jié)構(gòu)安全關(guān)鍵技術(shù)研究[R].上海：上海市科學(xué)技術(shù)委員會，2014.

［4］ 王如路，周賢浩，余泳亮.近年來上海地鐵監(jiān)護(hù)發(fā)現(xiàn)的問題及對策[C]//中國土木工程學(xué)會.中國土木工程學(xué)會隧道及地下工程學(xué)會地下鐵道專業(yè)委員會第十四屆學(xué)術(shù)交流會論文集，北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2001：239．

［5］ 葉耀東，朱合華，王如路.軟土地鐵運(yùn)營隧道病害現(xiàn)狀及成因分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2007，3（1）：158．

［6］ 鄭永來，李美利，王明洋，等.軟土隧道滲漏對隧道及地面沉降影響研究［J］.巖土工程學(xué)報，2005，27（2）：243．

［7］ 姚旭朋.運(yùn)營地鐵隧道結(jié)構(gòu)病害快速監(jiān)測技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51（S1）：205．

［8］ 黃永杰，柳獻(xiàn)，袁勇，等.盾構(gòu)隧道滲漏水的自動檢測技術(shù)［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2012，46（1）：73．

Rapid Inspection of Water LeakageDefectinMetro Tunnel and Image Treatment Technology

YAO Xupeng

The current water leakage defect inspection method is inefficient and can′not meet the demands of rapid inspection for large amount of metro tunnel maintenance.A rapid inspection system includes fast video camera，image analysis and treatment system belonging with the camera.,which is developed by using industrial fixed focus camera and automatic control technology，assisted with the matching image processing software. This system could realize fast photography of the tunnel water leakage，analyze the characters of leakage defects and classify the seepage water diseases.Ithas been used in Shanghaimetro tunnel maintenance with the speed of 5 km/h and the 95%accuracy.

metro tunnel； water leakage defect； rapid inspection；image analysis

Author′s address National Technology Research Center for Prefabricated Civil Engineering Structure of Tongji University，200092，Shanghai，China

U457+.2

10.16037/j.1007-869x.2017.12.012

2016-03-10）