地鐵隧道病害快速檢測(cè)技術(shù)淺析

賀建

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正文：

1.前言

我國(guó)地鐵最早在1969年于北京落成，運(yùn)行至今已有四十年。目前地鐵作為城市中最主要的通勤工具給城市的繁榮和發(fā)展提供了保障，中國(guó)已成為世界上隧道和地下工程最多最復(fù)雜、發(fā)展最快的國(guó)家。地鐵所處環(huán)境有局限性和復(fù)雜性，發(fā)生病害后難以治理，產(chǎn)生事故后危害極大。標(biāo)準(zhǔn)化且快速的隧道病害檢查作為隧道病害治理的第一步，必要且緊迫。通過(guò)隧道病害全面檢查，了解隧道使用狀況，排摸不良區(qū)段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源，為隧道維護(hù)治理提供依據(jù)，并開(kāi)展針對(duì)性的整治工作，甚至應(yīng)急處理，從而消除隱患。

2.傳統(tǒng)方式

目前地鐵隧道的檢測(cè)方式還是采用人工肉眼識(shí)別，然后用標(biāo)尺測(cè)量，相機(jī)拍照記錄裂縫特質(zhì)形態(tài)，人工記錄裂縫位置信息,該方檢測(cè)到裂縫準(zhǔn)確率低，容易漏檢，在檢測(cè)工程中，人員安全性差，檢測(cè)效率低，同時(shí)由于隧道的許多部位不容易靠近，需要借助車載式隧道檢測(cè)設(shè)備來(lái)完成檢測(cè)工作。而人工檢測(cè)效果依賴維護(hù)檢測(cè)人員的專業(yè)技術(shù)水平，安全防護(hù)意識(shí)，個(gè)人情緒等因素。受地鐵運(yùn)營(yíng)的制約，有效作業(yè)時(shí)間少、工效低，所形成的海量紙質(zhì)信息給后續(xù)病害信息的統(tǒng)計(jì)與分析增加了很大的難度。

對(duì)于目前已處于運(yùn)營(yíng)期間的地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括區(qū)間隧道拱頂及道床的沉降、隧道管片的側(cè)向位移及隧道結(jié)構(gòu)的收斂變形等。運(yùn)營(yíng)隧道在地鐵運(yùn)行期間是不允許作業(yè)人員進(jìn)入軌行區(qū)的，所以傳統(tǒng)的人工作業(yè)模式無(wú)法保證監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)的頻率。

3.全自動(dòng)全站儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)全站儀也叫做測(cè)量機(jī)器人，是一種可以自動(dòng)搜索、識(shí)別及精確照準(zhǔn)目標(biāo)。并且可以自動(dòng)測(cè)量距離、角度、三維坐標(biāo)等信息的智能型電子全站儀。自動(dòng)全站儀即是在普通全站儀的基礎(chǔ)上集成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、影像傳感器系統(tǒng)、智能照準(zhǔn)識(shí)別系統(tǒng)等發(fā)展而成的。儀器通過(guò)工業(yè)相機(jī)獲取影像，然后通過(guò)識(shí)別匹配在計(jì)算機(jī)和控制器，通過(guò)操縱器和馬達(dá)進(jìn)行完成精確照準(zhǔn)，進(jìn)而通過(guò)傳感器獲取目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，得到目標(biāo)物體的位置信息以及隨時(shí)間的變化。

全自動(dòng)全站儀監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)在于全程不需要人工參與，即使在運(yùn)營(yíng)時(shí)段依然可以連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是系統(tǒng)的安置需要通過(guò)前期設(shè)計(jì)留下預(yù)留孔來(lái)安放全站儀底座和標(biāo)靶棱鏡，而且僅能觀測(cè)到隧道的結(jié)構(gòu)形變無(wú)法觀測(cè)到表面病害及背后空洞。

4.激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)

激光掃描檢測(cè)技術(shù)的最初階段是采用全景三維激光掃描儀在所選取的隧道內(nèi)連續(xù)布設(shè)測(cè)站進(jìn)行隧道輪廓掃描，并在相鄰測(cè)站之間設(shè)置參考標(biāo)靶，對(duì)于采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系歸化、點(diǎn)云壓縮等預(yù)處理操作后，再進(jìn)行隧道斷面的截取和擬合，最終獲取隧道收斂變形結(jié)果。固定式激光掃描系統(tǒng)需分段掃描后再進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，每臺(tái)激光掃描儀的工作范圍大概在30m左右，為了方便后期云點(diǎn)數(shù)據(jù)的拼接需要兩側(cè)有25%～30%邊界搭接，而且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的操作要求和后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接處理的精度要求都很高。

激光掃描小車的優(yōu)勢(shì)相對(duì)于規(guī)定全景掃描在于其線型掃描的模式。全景掃描時(shí)掃描儀不僅會(huì)采集到豎直面的數(shù)據(jù)，還會(huì)采集到前后面的信息，是對(duì)周圍的物體進(jìn)行全方位的掃描。在隧道掃描中會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)用點(diǎn)，給后期的云點(diǎn)拼接工作帶來(lái)不便。線性掃描的模式，掃描儀的激光發(fā)射器只在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，水平面固定不動(dòng)。激光發(fā)射器轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，得到的掃描點(diǎn)呈一條螺旋線，因此被稱為線掃描模式。

該技術(shù)的有點(diǎn)在于描所達(dá)到的精度可達(dá)0.03毫米，在一些較大的裂縫也可以在點(diǎn)云圖中反映，所得結(jié)果精度較高。缺點(diǎn)是檢測(cè)速度雖然可以達(dá)到5km～10km每小時(shí)，但相對(duì)于30km長(zhǎng)的地鐵來(lái)說(shuō)檢測(cè)一遍依然是較大的工作量。

5.圖像分析技術(shù)檢測(cè)系統(tǒng)

圖像分析技術(shù)是以機(jī)器視覺(jué)為基礎(chǔ)的新興檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)利用高速光學(xué)成像技術(shù)以及多圖像識(shí)別方法，在移動(dòng)車載平臺(tái)上安裝相機(jī)設(shè)備，對(duì)地鐵隧道進(jìn)行高清拍攝，高速獲取隧道表面的數(shù)字圖像并存儲(chǔ)，同時(shí)記錄圖像拍攝位置，再利用數(shù)字圖像處理算法將海量圖像數(shù)據(jù)與病害特征數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行隧道病害特征匹配與病害識(shí)別分析。

攝像機(jī)在行駛過(guò)程中對(duì)隧道進(jìn)行高速拍攝，同時(shí)使用傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，并將所拍攝的圖像進(jìn)行融合，再分段對(duì)融合后的圖像進(jìn)行裂縫、水漬、剝落等特征檢測(cè)。對(duì)圖像中的元素進(jìn)行分析，分理出圖像中的異常元素，再對(duì)異常部分進(jìn)行特征提取，然后和已知災(zāi)害特征進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)災(zāi)害種類和干擾元素進(jìn)行分類，再將災(zāi)害部位進(jìn)行標(biāo)注，計(jì)算災(zāi)害的長(zhǎng)寬及面積，對(duì)嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)估。

開(kāi)始檢測(cè)之前，需先將各相機(jī)拍攝物距調(diào)整到一致距離，然后通過(guò)人工標(biāo)識(shí)將裂縫尺貼于隧道壁上，記錄下裂縫尺的拍攝狀態(tài)。再通過(guò)標(biāo)定板等模擬地鐵行進(jìn)過(guò)程當(dāng)中轉(zhuǎn)彎、震動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的扭曲，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保存。

圖像分析技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)速度快可以達(dá)到35km～40km每小時(shí)，前期數(shù)據(jù)采集使用人力少。識(shí)別精度可以達(dá)到0.02mm，接近規(guī)范對(duì)裂縫最小的定義。缺點(diǎn)在于首先CCD相機(jī)光照要求較高，不均勻的光照和亮度低的光源均會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響，隧道表面紋理的不均勻性以及混凝上材料的色差，導(dǎo)致采集到的圖像背景顏色存在較大的變化，隧道內(nèi)管線、油污等都會(huì)對(duì)分析效果造成影響。

6.結(jié)束語(yǔ)

隨著各大城市地鐵的開(kāi)通，地鐵隧道的維護(hù)和保養(yǎng)的工作量也將隨之增加。傳統(tǒng)人工辦法速度慢精度差已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)在的時(shí)代需求，各種快速檢測(cè)的邏輯都是講數(shù)據(jù)采集與病害分析分開(kāi)，盡量將工作交給電腦完成。將實(shí)體的工程問(wèn)題改變?yōu)閿?shù)字化提高分析效率?？梢灶A(yù)見(jiàn)在不遠(yuǎn)的將來(lái)更多的人工智能設(shè)備將會(huì)投入到工程檢測(cè)當(dāng)中，為人們的交通出行保駕護(hù)航。