基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的鐵路隧道襯砌表面狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁道祥

（中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110013）

隧道是重要的鐵路設(shè)施，其狀態(tài)好壞直接影響鐵路行車(chē)安全及運(yùn)輸效能。我國(guó)鐵路隧道總數(shù)量及總里程均處較大規(guī)模，這些隧道建設(shè)年代不同，材料各異，結(jié)構(gòu)多樣。大量早期建設(shè)的隧道，存在不同程度的損壞，且呈逐年惡化趨勢(shì)。《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》中規(guī)定隧道要定期進(jìn)行檢測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)損壞及時(shí)維修，避免事故發(fā)生，但以往因隧道襯砌表面狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)相對(duì)落后，主要采用目視檢查、人工記錄、釘錘敲擊等方法，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。

目前隧道襯砌表面狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)手段主要有人工目測(cè)、人工儀器檢測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、多光譜分析法等。人工檢測(cè)費(fèi)工費(fèi)時(shí)、效率低，主要依靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)裂縫進(jìn)行判斷，有一定的主觀(guān)性，很難保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且檢測(cè)的過(guò)程中必須要暫時(shí)停止過(guò)往車(chē)輛運(yùn)行，通常還要借助升降車(chē)等起落設(shè)備，檢測(cè)人員具有一定的危險(xiǎn)性；人工儀器檢測(cè)需要工作人員操作儀器近距離進(jìn)行對(duì)焦、讀取數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)，這種檢測(cè)手段同樣不僅效率低、勞動(dòng)力大，而且人工讀取的數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)誤差；地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)雖然可以準(zhǔn)確地探測(cè)出裂縫，但是不具有圖像采集系統(tǒng)的多功能性；多光譜分析法雖然可以檢測(cè)到微小的裂縫，但是檢測(cè)效率低，不適合應(yīng)用到隧道襯砌表面狀態(tài)檢測(cè)中。

為了能更加準(zhǔn)確、快捷、安全的檢測(cè)隧道襯砌表面狀態(tài)，本文提出一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的鐵路隧道襯砌表面狀態(tài)檢測(cè)方法，利用線(xiàn)陣圖像采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在高速狀態(tài)下，對(duì)隧道襯砌表面狀態(tài)進(jìn)行非接觸式檢測(cè)，形成完整、高清晰度的隧道襯砌表面圖像，并通過(guò)智能圖像處理技術(shù)自動(dòng)識(shí)別出問(wèn)題點(diǎn)圖像及定位信息。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)可分為圖像采集和圖像處理兩個(gè)子系統(tǒng)：圖像采集系統(tǒng)主要包含檢測(cè)車(chē)、工業(yè)線(xiàn)掃相機(jī)、圖像采集卡、照明設(shè)備、定位系統(tǒng)、工控機(jī)；圖像分析處理系統(tǒng)主要包括圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像特征識(shí)別與提取。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)主要包括檢測(cè)車(chē)、工業(yè)線(xiàn)掃相機(jī)、照明設(shè)備、定位系統(tǒng)、圖像采集卡、工控機(jī)等幾個(gè)部分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為車(chē)載式，安裝在現(xiàn)有的隧道限界檢測(cè)車(chē)上，充分利用隧道限界檢測(cè)車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行設(shè)備布局、安裝。

線(xiàn)掃相機(jī)按檢測(cè)角度覆蓋區(qū)域分布在隧檢車(chē)機(jī)械間檢測(cè)窗內(nèi)，照明系統(tǒng)光源與線(xiàn)掃相機(jī)一一匹配安裝，如圖2所示。

圖像采集系統(tǒng)各個(gè)組成部分主要功能如下。

（1）檢測(cè)車(chē)：設(shè)備的載體。

（2）線(xiàn)掃相機(jī)：襯砌表面圖像采集。

（3）照明設(shè)備：補(bǔ)償隧道內(nèi)光照亮度，滿(mǎn)足線(xiàn)掃相機(jī)對(duì)光照的較高要求。

圖2 系統(tǒng)布局示意圖

（4）定位系統(tǒng)：采集實(shí)時(shí)車(chē)速，將相機(jī)的采集速率和檢測(cè)車(chē)的速度相匹配。

（5）圖像采集卡：將采集到的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成工控機(jī)能夠識(shí)別、處理的數(shù)字信號(hào)，壓縮處理后存入工控機(jī)硬盤(pán)中。

（6）工控機(jī)：整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的'大腦'，在檢測(cè)過(guò)程中，工控機(jī)作為圖像采集軟件的硬件平臺(tái)負(fù)責(zé)圖像采集過(guò)程的控制，同時(shí)采集并存儲(chǔ)檢測(cè)車(chē)的速度和位置信息；在圖像處理系統(tǒng)中，工控機(jī)作為圖像處理軟件的硬件平臺(tái)負(fù)責(zé)圖像信息處理和提取。因此工控機(jī)性能的好壞直接影響到檢測(cè)質(zhì)量。

在整套檢測(cè)系統(tǒng)中，還需配備供電子系統(tǒng)、定位子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)才能保證檢測(cè)工作正常進(jìn)行，設(shè)計(jì)方案如下。

（1）供電子系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)需要連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，且系統(tǒng)中的各部分設(shè)備都離不開(kāi)電源供電，為了確保檢測(cè)過(guò)程中設(shè)備供電不發(fā)生異常，必須具備穩(wěn)定的供電系統(tǒng)為檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行不間斷供電。因此，檢測(cè)車(chē)安裝柴油發(fā)電機(jī)組，為車(chē)內(nèi)設(shè)備和生活設(shè)施提供電源，不依賴(lài)外部供電。同時(shí)，用電設(shè)備前端安裝有不間斷穩(wěn)壓電源，給用電設(shè)備提供一個(gè)穩(wěn)定的用電環(huán)境，免受電壓波動(dòng)帶來(lái)的干擾，保證檢測(cè)過(guò)程中即使發(fā)電機(jī)組故障斷電檢測(cè)系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作一定時(shí)間。

（2）定位子系統(tǒng)

車(chē)速定位子系統(tǒng)在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中是非常關(guān)鍵的，一是定位車(chē)輛當(dāng)前行進(jìn)總里程，二是定位車(chē)輛在隧道內(nèi)實(shí)際位置，并與掃描圖像一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。定位算法是根據(jù)車(chē)速傳感器數(shù)值計(jì)算出來(lái)的。在檢測(cè)過(guò)程中需要實(shí)時(shí)采集檢測(cè)車(chē)的速度，車(chē)速傳感器的理論計(jì)算公式為：

其中，D代表車(chē)輪輪徑，f代表車(chē)速傳感器的輸出脈沖頻率Hz，N代表車(chē)輪旋轉(zhuǎn)一圈車(chē)速傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)。

（3）照明子系統(tǒng)

目前，大部分隧道內(nèi)燈光的光照強(qiáng)度較弱，再加上建造隧道用的混凝土顏色較深，因此可能影響到采集的圖像質(zhì)量，給裂縫圖像的識(shí)別和特征提取增加難度。因此，為了得到高質(zhì)量的圖像，同時(shí)便于后期圖像處理、特征識(shí)別以及提取，必須要為采集系統(tǒng)提供照明系統(tǒng)。由于相機(jī)距離隧道襯砌表面較遠(yuǎn)，普通LED光源無(wú)法達(dá)到良好效果，所以應(yīng)該選擇激光光源作為照明設(shè)備。

1.1.2 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理是綜合數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)采集到的隧道表面圖像進(jìn)行處理、分析、提取裂縫特征信息的過(guò)程。圖像處理的核心過(guò)程如圖3所示。

圖3 圖像處理過(guò)程示意圖

（1）裂縫圖像增強(qiáng)

圖像預(yù)處理就是將采集到的隧道襯砌表面圖像進(jìn)行增強(qiáng)，以達(dá)到提高圖像質(zhì)量的目的。圖像增強(qiáng)的結(jié)果是凸顯圖像中的重要部分，去除或者減弱不重要的部分，便于后期的圖像特征提取和參數(shù)計(jì)算。

（2）裂縫圖像分割

圖像分析是對(duì)采集到的隧道襯砌表面圖像進(jìn)行分割，提取出圖像特征部分，包括圖像的邊緣、區(qū)域等，是進(jìn)行圖像分類(lèi)、參數(shù)計(jì)算的前提，是實(shí)現(xiàn)圖像分析首先要完成的操作。

（3）裂縫圖像分類(lèi)與參數(shù)計(jì)算

為了給隧道襯砌維護(hù)提供技術(shù)支持，需要將采集到的隧道襯砌表面圖像進(jìn)行裂縫識(shí)別、提取特征值（如裂縫面積、長(zhǎng)度和寬度），然后依據(jù)特征值將圖像裂縫進(jìn)行分類(lèi)。最后將得到的裂縫數(shù)值與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，評(píng)估出隧道的危險(xiǎn)等級(jí)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)檢測(cè)車(chē)進(jìn)入隧道后，線(xiàn)掃相機(jī)開(kāi)始以一定的行頻掃描隧道表面狀態(tài)，行頻根據(jù)實(shí)時(shí)車(chē)速自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證圖像不出現(xiàn)拉伸或者壓縮現(xiàn)象；然后圖像采集卡將采集到的圖像信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和壓縮，存儲(chǔ)在工控機(jī)中；最后應(yīng)用圖像處理分析系統(tǒng)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，處理的結(jié)果是把裂縫目標(biāo)從背景區(qū)域中分離出來(lái)，對(duì)裂縫圖像進(jìn)行參數(shù)值計(jì)算和分類(lèi)，最后將裂縫參數(shù)與裂縫評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，得出裂縫破損等級(jí)，為工務(wù)部門(mén)制定維修方案提供決策依據(jù)，保證隧道的安全運(yùn)營(yíng)。系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作原理圖

2 前期工作基礎(chǔ)

2016年初，沈陽(yáng)局集團(tuán)公司科研所課題組針對(duì)隧道襯砌表面狀態(tài)檢測(cè)進(jìn)行了大量調(diào)研，對(duì)國(guó)內(nèi)外前沿的圖像采集設(shè)備及圖像處理技術(shù)進(jìn)行了深入研究，最終確定了圖像采集系統(tǒng)采用工業(yè)線(xiàn)掃相機(jī)結(jié)合激光光源采集圖像，圖像處理分析系統(tǒng)采用圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像自動(dòng)分類(lèi)、裂縫參數(shù)計(jì)算（面積、寬度、長(zhǎng)度）、裂縫病害程度分級(jí)等處理分析技術(shù)。

2016年3月，課題組委派技術(shù)人員，在隧道限界檢測(cè)車(chē)WX998264檢測(cè)沈陽(yáng)局集團(tuán)公司隧道限界期間，進(jìn)行了隧道襯砌表面狀態(tài)圖像采集實(shí)驗(yàn)，在列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)下，用一臺(tái)工業(yè)CCD線(xiàn)陣一體機(jī)拍攝隧道襯砌，檢測(cè)效果基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，為下一步工作打下了基礎(chǔ)。圖5為當(dāng)時(shí)在隧檢車(chē)內(nèi)安裝檢測(cè)設(shè)備的情況。

圖5 前期試驗(yàn)工作設(shè)備情況

圖6、7為實(shí)際檢測(cè)圖像。可以看出，圖像成像較為理想，襯砌表面裂紋清晰可見(jiàn)，精度約為3mm左右，若再對(duì)圖像進(jìn)行后期分析處理，檢測(cè)精度可進(jìn)一步提升。

圖6 前期試驗(yàn)測(cè)試圖像1

圖7 前期試驗(yàn)測(cè)試圖像2

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的鐵路隧道襯砌表面狀態(tài)檢測(cè)方法，論證了充分利用現(xiàn)代工業(yè)圖像檢測(cè)、處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)隧道襯砌表面狀態(tài)的高速檢測(cè)及病害分析，從根本上解決傳統(tǒng)檢測(cè)手段帶來(lái)的弊病，從而有效保障鐵路隧道運(yùn)營(yíng)安全，具有良好的應(yīng)用前景。