基于機器視覺的隧道智能檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀及技術(shù)分析

薛春明

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隧道在運營期間，襯砌結(jié)構(gòu)會因為設(shè)計不合理、施工不當、地質(zhì)災(zāi)害、運營年限、氣候條件等原因產(chǎn)生各種病害，嚴重影響著隧道運營安全，因此，公路隧道需要定期進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)初期病害，并跟蹤病害發(fā)展趨勢。高速公路具有行車速度快、車流量大、允許檢測時間短等特點，而傳統(tǒng)隧道襯砌裂縫、滲水、剝落的檢測手段和設(shè)備還相對落后，主要以人工手段為主，結(jié)果依賴于檢測人員水平，無法滿足快速檢測和數(shù)字化管理需求，難以統(tǒng)計和分析病害發(fā)展趨勢[1]。

近年來，國內(nèi)外機構(gòu)開始了隧道快速檢測裝備研究工作，主要有以德國SPACETEC 公司為代表的隧道激光掃描系統(tǒng)和以山西交科、日本株式會社、上海同巖、武大卓越和武漢長盛為代表的機器視覺技術(shù)。激光掃描技術(shù)主要是通過激光掃描儀實現(xiàn)對隧道輪廓及斷面收斂自動檢測，但激光掃描儀轉(zhuǎn)速和頻率限制，檢測速度較慢；機器視覺技術(shù)主要是通過相機搭載光源獲取隧道襯砌表觀圖像，通過軟件系統(tǒng)進行圖像處理、病害識別和數(shù)據(jù)管理，生成襯砌表觀圖和病害統(tǒng)計報表。機器視覺技術(shù)由于采集速度快、識別精度高，是目前最受關(guān)注的隧道快速檢測方法[2]。

1 隧道智能檢測技術(shù)發(fā)展概況

近年來，國外研究機構(gòu)開始將機器視覺應(yīng)用于公路隧道快速檢測中，按照相機類型的不同，可分為商業(yè)相機和工業(yè)相機。商業(yè)相機以長盛檢測技術(shù)開發(fā)有限公司為代表，工業(yè)相機按照CCD 相機類型，分為以上海同巖和武大卓越為代表的攝像面掃描系統(tǒng)，以山西交科和日本株式會社（北京雷德華澳）為代表的攝像線掃描系統(tǒng)[3-4]。

1.1 日本倉敷紡績株式會社

圖1 智能隧道檢測系統(tǒng)

日本倉敷紡績株式會社探索性地將該視覺檢測引入公路隧道檢測領(lǐng)域，研發(fā)了首臺智能隧道檢測系統(tǒng)，北京雷德華澳公司于2014 年將該產(chǎn)品引入國內(nèi)，該智能檢測系統(tǒng)由3 臺線掃描相機、高強度光纖光源及慣性導航等設(shè)備組成，可在80 km/h 行駛速度下實現(xiàn)裂縫、滲水、剝落、襯砌變形的隧道病害的檢測。隧道智能檢測系統(tǒng)如圖1 所示。

1.2 上海同巖

上海同巖的公路隧道快速檢測系統(tǒng)基于面掃描技術(shù)，系統(tǒng)搭載工業(yè)面陣相機和紅外補光燈實現(xiàn)隧道襯砌表觀連續(xù)拍攝。該公路隧道快速檢測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理和分析系統(tǒng)以及病害展示系統(tǒng)，可在80 km/h 行駛速度下實現(xiàn)裂縫、剝落、滲漏水、露筋的檢測。公路隧道快速檢測車如圖2 所示。

圖2 公路隧道快速檢測車

1.3 武大卓越科技

武大卓越科技于2015 年下線的隧道快速測量系統(tǒng)，基于面掃描技術(shù)，該系統(tǒng)將16 臺工業(yè)面陣CCD 相機、LED 照明光源等元器件集成于車輛上，可在80 km/h 行駛速度下實現(xiàn)裂縫、滲漏水、起層、剝落的檢測。隧道快速測量系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 隧道快速測量系統(tǒng)

1.4 武漢長盛檢測技術(shù)開發(fā)有限公司

武漢長盛檢測技術(shù)開發(fā)有限公司于2016 年下線的隧道裂縫全景快速檢測系統(tǒng)如圖4 所示，該系統(tǒng)采用4 臺商業(yè)單反相機和多個頻閃補光燈構(gòu)成，可在30 km/h 行駛速度下實現(xiàn)隧道裂縫、剝落、滲水、襯砌變形檢測。

圖4 隧道裂縫全景快速檢測系統(tǒng)

1.5 山西交通科學研究院集團有限公司

山西交通科學研究院集團有限公司自主研發(fā)的隧道智能檢測系統(tǒng)如圖5 所示，該系統(tǒng)基于線掃描技術(shù)，搭載激光光源，可在80 km/h 行駛速度下實現(xiàn)裂縫、滲水、剝落、襯砌變形等隧道病害的全自動識別。

圖5 隧道智能檢測系統(tǒng)

2 分析比較

基于機器視覺的隧道智能檢測設(shè)備技術(shù)指標如表1 所示。

表1 基于機器視覺的隧道智能檢測設(shè)備技術(shù)指標

日本株式會社研發(fā)了世界首臺隧道快速檢測車，填補隧道快速檢測空白，但為保證圖片采集質(zhì)量，采用12 臺高強度光纖光源，致使車載系統(tǒng)能耗高，成本昂貴，由于國外技術(shù)壟斷，系統(tǒng)造價較高；且無法實現(xiàn)圖像自動化處理與特征識別，需要計算機自動識別和人工修正相結(jié)合，人工修正的工作量大。

武大卓越科技隧道快速測量系統(tǒng)和上海同巖隧道快速檢測車采用面掃描技術(shù)，雖然對拍攝距離、外界振動敏感性較低，但對光照強度和均勻性要求高；受光源頻率限制，系統(tǒng)檢測速度較慢，而且必須是恒速運動；同時，隧道襯砌是一個圓弧斷面，為了保證圖像不失真，需要使用多臺相機拍攝，導致照明強度不均勻、系統(tǒng)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大、造價高等問題；更重要的是隧道圖像由多臺面陣相機同步拍攝而成，使得圖像全自動拼接效果較差，嚴重影響病害精準測量和自動識別。

武漢長盛檢測技術(shù)開發(fā)有限公司隧道裂縫全景快速檢測系統(tǒng)采用商業(yè)單反相機，與工業(yè)相機相比，曝光時間、同步觸發(fā)時間等參數(shù)非常小，因此該產(chǎn)品檢測速度比較慢；同時商業(yè)單反相機遠距離拍攝物體時分辨率下降明顯，且單反相機采用隔行壓縮技術(shù)，圖片無法還原到初始容量，導致后期處理時圖片失真，病害識別效果較差。

山西交科集團自主研發(fā)的隧道智能檢測系統(tǒng)采用工業(yè)線陣相機搭配激光光源實現(xiàn)了對隧道襯砌表面連續(xù)拍攝，光源亮度均勻，功耗??；同時，通過上位機軟件，可調(diào)整相機的重要參數(shù)及光源亮度，使拍攝效果達到最優(yōu)；另外，系統(tǒng)配置了激光掃描儀、陀螺儀等高精度傳感器，可在采集圖像的同時獲取隧道環(huán)境信息與車輛行駛信息，利用這些數(shù)據(jù)矯正隧道輪廓、車輛行駛路徑等因素對拍攝圖像的影響，從而提高了檢測結(jié)果的準確性 。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)公路隧道質(zhì)量檢測以人工檢查為主，結(jié)果依賴于檢測人員水平，遠不能滿足需求。機器視覺隧道智能檢測技術(shù)由于采集速度快、識別精度高，是目前最受關(guān)注的隧道快速檢測方法，可通過相機搭載光源實現(xiàn)隧道病害的快速采集，通過軟件系統(tǒng)進行圖像處理，病害識別和管理，并生成襯砌表觀圖和病害統(tǒng)計表。雖然，目前隧道檢測車圖像采集技術(shù)已較為成熟，能夠在不封閉道路情況下，以較快速度完成隧道襯砌表觀圖像采集，但是，在隧道病害處理過程中，只能實現(xiàn)對部分病害的自動識別，存在識別準確率低、誤報率高等問題，下一步需要重點針對隧道病害自動識別開展研究工作。