段英杰
(山西省交通科技研發(fā)有限公司,山西 太原 030032)
隨著大量隧道進入養(yǎng)護期,隧道檢測將成為日常養(yǎng)護的重要課題,如何在有限時間內完成大量檢測工作將是未來隧道養(yǎng)護的關注點。目前隧道檢測主要采用人工檢查方式,存在工作效率低、個人主觀程度大、花費高、危險性大等問題,無法滿足快速準確的檢測要求,這使得隧道檢測業(yè)務對快速檢測裝備需求的不斷提高[1]。
2014 年國內首次從日本引進基于機器視覺的隧道檢測設備,該系統(tǒng)雖然填補了公路隧道快速檢測手段的空白,但受硬件條件限制,系統(tǒng)相機焦距、景深等參數(shù)調整范圍有限,隔振性能差,在某些工況下圖像采集質量嚴重降低甚至模糊;而且由于國外技術壟斷,核心數(shù)據(jù)無法掌握在用戶手中[2]。
近幾年,國內相繼研制出了隧道快速檢測系統(tǒng),該類設備將面陣相機矩陣、LED 照明光源等元器件集成于車輛上。雖然面對掃描技術拍攝距離、外界振動敏感性較低,但對光照強度要求非常高,因此該類產品仍然沒有解決系統(tǒng)龐大、造價高等問題,并且面陣相機的工作原理也限制了檢測精度的提高。同時,由于面陣相機的工作原理,導致數(shù)據(jù)冗余大、圖像亮度不均勻,隧道襯砌病害識別速度較低。因此研制具有檢測精度高、病害識別速度快的隧道視覺檢測機器人成套系統(tǒng)具有重要意義。
隧道視覺檢測機器人成套系統(tǒng)主要包括隧道智能檢測車和數(shù)據(jù)中心。
隧道智能檢測車由車頭至車尾依功能劃分為:駕駛室、視覺采集功能區(qū)、智能化工作區(qū)、供配電功能區(qū)等4 個功能區(qū)。
圖1 隧道智能檢測車系統(tǒng)構成
1.1.1 駕駛室
駕駛室保持原車設計,保持駕駛的方便性和安全性,室內設有兩個席位,一個駕駛席位,一個保障席位。駕駛室頂部安裝一套人防專用長排警燈警報器;駕駛室儀表臺安裝一套警燈警報器控制器和一套定位導航系統(tǒng)、倒車監(jiān)視系統(tǒng);在駕駛室與操作室安裝一個對講電話系統(tǒng)。
1.1.2 視覺采集功能區(qū)
視覺采集功能區(qū)主要包括stewart 穩(wěn)定平臺、視覺采集成套設備、高精度自調節(jié)回轉裝置、車輛位姿測量裝置、隧道斷面掃描裝置等,如圖2 所示。
圖2 視覺采集功能區(qū)
1.1.3 智能化工作區(qū)
操作室中布置了系統(tǒng)中的人機交互部分,包括開關按鈕、鼠標鍵盤、顯示器等。座椅提供了安全帶,保證操作人員的行車安全。同時,為了給操作人員提供相對舒適的作業(yè)條件,設置了空調、暖風機等設備,具體如圖3 所示。
圖3 智能化工作區(qū)
1.1.4 供配電功能區(qū)
供配電功能區(qū)集成了發(fā)電機、UPS、電源管理系統(tǒng)以及工控機等,整個系統(tǒng)具有過載保護、短路保護等功能,保證了隧道智能檢測車在使用過程中的安全性。
1.1.5 整車主要技術參數(shù)
布氏桿菌病合并重癥Guillain-Barré綜合征1例報告 ………………………… 吳迎春,馮麗娜,王哲,等 45
隧道智能檢測車技術參數(shù)如下所示:
a)檢測速度 0~80 km/h;
b)定位精度 0.5 m;
c)裂縫寬度檢測精度 0.2 mm;
d)檢測準確率 大于90%;
e)病害識別速度 1 km/h;
g)角分辨率 0.25°;
h)車輛位姿測量 0.01°。
為達到0.2 mm 的隧道裂縫檢測精度,需要極高的像素,隨之產生海量數(shù)據(jù),每公里隧道采集數(shù)據(jù)量為24 G,需要建立相應的數(shù)據(jù)中心用于處理、存儲和管理這類數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心包括數(shù)據(jù)存儲中心、數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)管理中心三部分,如圖4 所示。
圖4 數(shù)據(jù)中心
1.2.1 數(shù)據(jù)存儲中心
通過磁盤陣列技術將數(shù)據(jù)中心容量擴充至100 T,應用自主研發(fā)的海量數(shù)據(jù)無損壓縮技術[3],存儲通過外業(yè)采集獲得隧道襯砌表觀圖像、慣性導航坐標數(shù)據(jù)、隧道襯砌輪廓掃描數(shù)據(jù)和車輛位姿儀態(tài)數(shù)據(jù),并對所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。
1.2.2 數(shù)據(jù)處理中心
圖像處理需要占用大量的計算機資源,數(shù)據(jù)中心由5 臺配置有高性能GPU 的服務器構成,能夠滿足同時對5 條長度超過15 km 的隧道進行圖像拼接和病害智能識別的要求,形成可視化檢測報告。
1.2.3 數(shù)據(jù)管理中心
對隧道病害特征數(shù)據(jù)進行提取、分析、管理,在識別軟件中用戶可以查閱每條隧道的病害信息,相應的圖片顯示在瀏覽窗口中,還可以按照病害種類、裂縫長度和寬度、里程信息、病害位置等進行搜索和統(tǒng)計。業(yè)主和檢測單位能夠獲取到每條隧道和每條病害的發(fā)展歷程,掌握病害成長歷程,為制定維護方案提供依據(jù)。
隧道標準內輪廓斷面由起拱線高度、拱部圓弧半徑等參數(shù)來描述,依據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》[4],高速公路隧道以雙洞單向兩車道為主,設計時速有60 km/h、80 km/h、100 km/h 和 120 km/h 四種級別,分別對應不同的建筑限界橫斷面。4 種公路等級對應的起拱線高度分別為6.74 m、7.03 m、7.31 m 和7.72 m,對應的拱部圓弧半徑分別為5.14 m、5.43 m、5.7 m 和 6.12 m。
以60 km/h 和120 km/h 的隧道為例,同一位置處拍攝距離相差1 m 左右,特別是對于雙洞單向三車道的大斷面公路隧道,起拱線高度約8.9 m、拱部圓弧半徑約7.4 m,同一位置處的差距更大,差距將達到2 m 以上。
為了使采集的圖像滿足精度要求,并且保證多個相機精度的一致性,需要調整視覺系統(tǒng)中各個相機相對于隧道斷面的位置,因此該系統(tǒng)設計了一種能夠對車載工業(yè)相機進行角度粗調和微調的裝置,如圖5 所示。
圖5 視覺采集角度調節(jié)裝置
該裝置包括底座,底座底部固定安裝在stewart平臺上,內部圓形軌道與角度粗調滑動塊間隙配合,通過螺栓固定,角度粗調滑動塊水平面與鋁型材支架底部固定連接,回轉驅動兩側端面分別與底座立板和連接鋼板連接。通過回轉驅動的轉動帶動鋁型材支架進行旋轉,實現(xiàn)工業(yè)相機的旋轉角度粗調,在每個采集模塊支撐架兩側有圓弧形滑動槽,可以對支撐架內的視覺采集模塊旋轉角度進行微調。
為精確采集視覺檢測機器人坐標信息,研發(fā)人員設計了一種車載式測速裝置,如圖6 所示。
殼體內裝有測速裝置,兩側通過安裝前、后板固定,導向軸一端與傳感器連接、另一端與法蘭固定,法蘭通過其上的螺母柱與車輛輪轂連接,進而隨車輪一起轉動;殼體上端通過緊固螺母與導向桿連接,導向桿與固定桿構成一個移動副,可實現(xiàn)沿桿中心線方向的往復運動;內、外夾板通過螺栓與車體固定加緊,L 型固定支座兩端與外夾板及卡環(huán)連接,卡環(huán)固定于固定桿上。
圖6 車載式測速裝置
該結構可適應復雜路況引起的車體顛簸和偏移,保護高精度測速裝置不受損壞,并且時刻保持測速裝置隨車輪同步轉動,保證了車輛坐標信息的精確度。
研發(fā)團隊將機器人、計算機視覺等技術應用于隧道檢測領域,拓展了相關技術的應用范圍,形成了通用性能較好的隧道檢測用視覺機器人成套技術,解決了國內外相關產品普遍存在的因隧道斷面尺寸不同、行車軌跡不確定等原因造成的適用范圍小、圖像采集質量差、檢測速度慢、病害識別自動化程度低等諸多技術難題。
隧道視覺檢測機器人成套系統(tǒng)自研發(fā)成功以來,已在重慶、四川、貴州、陜西、山西等省進行了工程應用,完成50 余條高速公路600 多座隧道的檢測業(yè)務,應用效果得到了業(yè)主的一致好評,圖7 為隧道檢測現(xiàn)場。
圖7 重慶酉沿高速檢測現(xiàn)場
實踐證明,隧道智能檢測車工藝設計合理,軟硬件性能穩(wěn)定可靠,技術成熟性高,技術適應性強,圖像采集精度高,可在80 km/h 行駛速度下實現(xiàn)隧道裂縫、滲水、剝落、襯砌變形、蓋板破損及缺失等病害的全自動識別,大幅度降低時間和成本,可滿足各種等級公路隧道的日常、定期、專項檢測要求;數(shù)據(jù)中心可滿足隧道海量圖片的存儲、分析、處理和病害識別。與人工檢測相比,利用數(shù)據(jù)中心生成的檢測報告,能夠直觀反映隧道實際的表觀病害情況,具有病害識別速度快、準確率高等特點,便于隧道運管單位進行制定養(yǎng)護計劃。
表1 隧道病害統(tǒng)計表
表2 隧道襯砌病害記錄表
研究人員從工程實際出發(fā),設計研發(fā)了視覺采集角度調節(jié)裝置和車載測速裝置,實現(xiàn)了對車載工業(yè)相機拍攝角度的精確調節(jié)以及病害坐標的高精度獲取;組建了數(shù)據(jù)中心,實現(xiàn)了海量隧道圖像數(shù)據(jù)的存儲、處理和管理,提高了隧道病害識別速度。隧道視覺檢測機器人成套系統(tǒng)的研發(fā)成功大幅降低隧道檢測時間和檢測成本,便于對公路隧道進行定期檢測和數(shù)據(jù)管理,便于統(tǒng)計和分析病害的發(fā)展趨勢,從而在保障公路隧道安全運營、及時發(fā)現(xiàn)公路隧道初期病害、降低維護費用等多方面發(fā)揮不可替代的作用。同時對提高公路、鐵路隧道智能化檢測水平方面具有重要意義。