隧道視覺檢測(cè)機(jī)器人成套系統(tǒng)研制

段英杰

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著大量隧道進(jìn)入養(yǎng)護(hù)期，隧道檢測(cè)將成為日常養(yǎng)護(hù)的重要課題，如何在有限時(shí)間內(nèi)完成大量檢測(cè)工作將是未來(lái)隧道養(yǎng)護(hù)的關(guān)注點(diǎn)。目前隧道檢測(cè)主要采用人工檢查方式，存在工作效率低、個(gè)人主觀程度大、花費(fèi)高、危險(xiǎn)性大等問(wèn)題，無(wú)法滿足快速準(zhǔn)確的檢測(cè)要求，這使得隧道檢測(cè)業(yè)務(wù)對(duì)快速檢測(cè)裝備需求的不斷提高[1]。

2014 年國(guó)內(nèi)首次從日本引進(jìn)基于機(jī)器視覺的隧道檢測(cè)設(shè)備，該系統(tǒng)雖然填補(bǔ)了公路隧道快速檢測(cè)手段的空白，但受硬件條件限制，系統(tǒng)相機(jī)焦距、景深等參數(shù)調(diào)整范圍有限，隔振性能差，在某些工況下圖像采集質(zhì)量嚴(yán)重降低甚至模糊；而且由于國(guó)外技術(shù)壟斷，核心數(shù)據(jù)無(wú)法掌握在用戶手中[2]。

近幾年，國(guó)內(nèi)相繼研制出了隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)，該類設(shè)備將面陣相機(jī)矩陣、LED 照明光源等元器件集成于車輛上。雖然面對(duì)掃描技術(shù)拍攝距離、外界振動(dòng)敏感性較低，但對(duì)光照強(qiáng)度要求非常高，因此該類產(chǎn)品仍然沒有解決系統(tǒng)龐大、造價(jià)高等問(wèn)題，并且面陣相機(jī)的工作原理也限制了檢測(cè)精度的提高。同時(shí)，由于面陣相機(jī)的工作原理，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余大、圖像亮度不均勻，隧道襯砌病害識(shí)別速度較低。因此研制具有檢測(cè)精度高、病害識(shí)別速度快的隧道視覺檢測(cè)機(jī)器人成套系統(tǒng)具有重要意義。

1 隧道視覺檢測(cè)機(jī)器人成套系統(tǒng)構(gòu)成

隧道視覺檢測(cè)機(jī)器人成套系統(tǒng)主要包括隧道智能檢測(cè)車和數(shù)據(jù)中心。

1.1 隧道智能檢測(cè)車系統(tǒng)構(gòu)成

隧道智能檢測(cè)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(gè)功能區(qū)。

圖1 隧道智能檢測(cè)車系統(tǒng)構(gòu)成

1.1.1 駕駛室

駕駛室保持原車設(shè)計(jì)，保持駕駛的方便性和安全性，室內(nèi)設(shè)有兩個(gè)席位，一個(gè)駕駛席位，一個(gè)保障席位。駕駛室頂部安裝一套人防專用長(zhǎng)排警燈警報(bào)器；駕駛室儀表臺(tái)安裝一套警燈警報(bào)器控制器和一套定位導(dǎo)航系統(tǒng)、倒車監(jiān)視系統(tǒng)；在駕駛室與操作室安裝一個(gè)對(duì)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(tái)、視覺采集成套設(shè)備、高精度自調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)裝置、車輛位姿測(cè)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(jī)交互部分，包括開關(guān)按鈕、鼠標(biāo)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(shí)，為了給操作人員提供相對(duì)舒適的作業(yè)條件，設(shè)置了空調(diào)、暖風(fēng)機(jī)等設(shè)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(jī)、UPS、電源管理系統(tǒng)以及工控機(jī)等，整個(gè)系統(tǒng)具有過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)等功能，保證了隧道智能檢測(cè)車在使用過(guò)程中的安全性。

1.1.5 整車主要技術(shù)參數(shù)

布氏桿菌病合并重癥Guillain-Barré綜合征1例報(bào)告 ………………………… 吳迎春，馮麗娜，王哲，等 45

隧道智能檢測(cè)車技術(shù)參數(shù)如下所示：

a）檢測(cè)速度 0～80 km/h；

b）定位精度 0.5 m；

c）裂縫寬度檢測(cè)精度 0.2 mm；

d）檢測(cè)準(zhǔn)確率 大于90%；

e）病害識(shí)別速度 1 km/h；

g）角分辨率 0.25°；

h）車輛位姿測(cè)量 0.01°。

1.2 數(shù)據(jù)中心

為達(dá)到0.2 mm 的隧道裂縫檢測(cè)精度，需要極高的像素，隨之產(chǎn)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(yīng)的數(shù)據(jù)中心用于處理、存儲(chǔ)和管理這類數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)中心

通過(guò)磁盤陣列技術(shù)將數(shù)據(jù)中心容量擴(kuò)充至100 T，應(yīng)用自主研發(fā)的海量數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮技術(shù)[3]，存儲(chǔ)通過(guò)外業(yè)采集獲得隧道襯砌表觀圖像、慣性導(dǎo)航坐標(biāo)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(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算機(jī)資源，數(shù)據(jù)中心由5 臺(tái)配置有高性能GPU 的服務(wù)器構(gòu)成，能夠滿足同時(shí)對(duì)5 條長(zhǎng)度超過(guò)15 km 的隧道進(jìn)行圖像拼接和病害智能識(shí)別的要求，形成可視化檢測(cè)報(bào)告。

1.2.3 數(shù)據(jù)管理中心

對(duì)隧道病害特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析、管理，在識(shí)別軟件中用戶可以查閱每條隧道的病害信息，相應(yīng)的圖片顯示在瀏覽窗口中，還可以按照病害種類、裂縫長(zhǎng)度和寬度、里程信息、病害位置等進(jìn)行搜索和統(tǒng)計(jì)。業(yè)主和檢測(cè)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(zhǎng)歷程，為制定維護(hù)方案提供依據(jù)。

2 隧道視覺檢測(cè)機(jī)器人核心部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 視覺采集角度調(diào)節(jié)裝置

隧道標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)輪廓斷面由起拱線高度、拱部圓弧半徑等參數(shù)來(lái)描述，依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，高速公路隧道以雙洞單向兩車道為主，設(shè)計(jì)時(shí)速有60 km/h、80 km/h、100 km/h 和 120 km/h 四種級(jí)別，分別對(duì)應(yīng)不同的建筑限界橫斷面。4 種公路等級(jí)對(duì)應(yīng)的起拱線高度分別為6.74 m、7.03 m、7.31 m 和7.72 m，對(duì)應(yīng)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(duì)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(dá)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(gè)相機(jī)精度的一致性，需要調(diào)整視覺系統(tǒng)中各個(gè)相機(jī)相對(duì)于隧道斷面的位置，因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)囕d工業(yè)相機(jī)進(jìn)行角度粗調(diào)和微調(diào)的裝置，如圖5 所示。

圖5 視覺采集角度調(diào)節(jié)裝置

該裝置包括底座，底座底部固定安裝在stewart平臺(tái)上，內(nèi)部圓形軌道與角度粗調(diào)滑動(dòng)塊間隙配合，通過(guò)螺栓固定，角度粗調(diào)滑動(dòng)塊水平面與鋁型材支架底部固定連接，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)端面分別與底座立板和連接鋼板連接。通過(guò)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鋁型材支架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)相機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度粗調(diào)，在每個(gè)采集模塊支撐架兩側(cè)有圓弧形滑動(dòng)槽，可以對(duì)支撐架內(nèi)的視覺采集模塊旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行微調(diào)。

2.2 車載式測(cè)速裝置

為精確采集視覺檢測(cè)機(jī)器人坐標(biāo)信息，研發(fā)人員設(shè)計(jì)了一種車載式測(cè)速裝置，如圖6 所示。

殼體內(nèi)裝有測(cè)速裝置，兩側(cè)通過(guò)安裝前、后板固定，導(dǎo)向軸一端與傳感器連接、另一端與法蘭固定，法蘭通過(guò)其上的螺母柱與車輛輪轂連接，進(jìn)而隨車輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)；殼體上端通過(guò)緊固螺母與導(dǎo)向桿連接，導(dǎo)向桿與固定桿構(gòu)成一個(gè)移動(dòng)副，可實(shí)現(xiàn)沿桿中心線方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；內(nèi)、外夾板通過(guò)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(cè)速裝置

該結(jié)構(gòu)可適應(yīng)復(fù)雜路況引起的車體顛簸和偏移，保護(hù)高精度測(cè)速裝置不受損壞，并且時(shí)刻保持測(cè)速裝置隨車輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了車輛坐標(biāo)信息的精確度。

3 工程應(yīng)用

研發(fā)團(tuán)隊(duì)將機(jī)器人、計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)應(yīng)用于隧道檢測(cè)領(lǐng)域，拓展了相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用范圍，形成了通用性能較好的隧道檢測(cè)用視覺機(jī)器人成套技術(shù)，解決了國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)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(zhì)量差、檢測(cè)速度慢、病害識(shí)別自動(dòng)化程度低等諸多技術(shù)難題。

隧道視覺檢測(cè)機(jī)器人成套系統(tǒng)自研發(fā)成功以來(lái)，已在重慶、四川、貴州、陜西、山西等省進(jìn)行了工程應(yīng)用，完成50 余條高速公路600 多座隧道的檢測(cè)業(yè)務(wù)，應(yīng)用效果得到了業(yè)主的一致好評(píng)，圖7 為隧道檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。

圖7 重慶酉沿高速檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

實(shí)踐證明，隧道智能檢測(cè)車工藝設(shè)計(jì)合理，軟硬件性能穩(wěn)定可靠，技術(shù)成熟性高，技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，圖像采集精度高，可在80 km/h 行駛速度下實(shí)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(dòng)識(shí)別，大幅度降低時(shí)間和成本，可滿足各種等級(jí)公路隧道的日常、定期、專項(xiàng)檢測(cè)要求；數(shù)據(jù)中心可滿足隧道海量圖片的存儲(chǔ)、分析、處理和病害識(shí)別。與人工檢測(cè)相比，利用數(shù)據(jù)中心生成的檢測(cè)報(bào)告，能夠直觀反映隧道實(shí)際的表觀病害情況，具有病害識(shí)別速度快、準(zhǔn)確率高等特點(diǎn)，便于隧道運(yùn)管單位進(jìn)行制定養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。

表1 隧道病害統(tǒng)計(jì)表

表2 隧道襯砌病害記錄表

4 結(jié)語(yǔ)

研究人員從工程實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)研發(fā)了視覺采集角度調(diào)節(jié)裝置和車載測(cè)速裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車載工業(yè)相機(jī)拍攝角度的精確調(diào)節(jié)以及病害坐標(biāo)的高精度獲??；組建了數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)了海量隧道圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和管理，提高了隧道病害識(shí)別速度。隧道視覺檢測(cè)機(jī)器人成套系統(tǒng)的研發(fā)成功大幅降低隧道檢測(cè)時(shí)間和檢測(cè)成本，便于對(duì)公路隧道進(jìn)行定期檢測(cè)和數(shù)據(jù)管理，便于統(tǒng)計(jì)和分析病害的發(fā)展趨勢(shì)，從而在保障公路隧道安全運(yùn)營(yíng)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)公路隧道初期病害、降低維護(hù)費(fèi)用等多方面發(fā)揮不可替代的作用。同時(shí)對(duì)提高公路、鐵路隧道智能化檢測(cè)水平方面具有重要意義。