基于視覺識(shí)別的隧道落石預(yù)警系統(tǒng)

吳俊垚

（貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 貴州 凱里 556000）

0 前言

在隧道施工時(shí)，由于巖石本身的裂縫及地質(zhì)脆弱部分的影響，容易造成落石的掉落， 2016 年到2018 年的中鐵某局的職業(yè)安全與健康調(diào)查資料中因落石共造成47 名傷者，其中有6%的人死亡，42%以上的人員需要修養(yǎng)一個(gè)月以上。雖然采取在工作面上設(shè)置落石保護(hù)臺(tái)，確保工人不用完全暴露的措施，但工人施工時(shí)需要有監(jiān)視人員在其后觀察巖石異常并及時(shí)報(bào)警，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。因此本文根據(jù)這種情況提出通過(guò)高速攝影機(jī)結(jié)合視覺識(shí)別算法，對(duì)即將松脫的巖石進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)判，在0.1 秒內(nèi)通過(guò)光和聲音的落石進(jìn)行報(bào)警，將落石的預(yù)警效率進(jìn)行提升，以保障現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全。

1 落石監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置組成

落石監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由落石檢測(cè)裝置和報(bào)警裝置組成。操作過(guò)程中，將照明攝像機(jī)安裝在不干擾掘進(jìn)設(shè)備附近（5～10 米）工作的位置。主要檢測(cè)和報(bào)警下降的物體，如碎石脫落。該裝置主要通過(guò)對(duì)大的巖石及1cm 程度的小巖石的落石進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用高速攝影機(jī)（秒幾十次至50 次）拍攝的圖像，視覺識(shí)別通過(guò)對(duì)連續(xù)的兩個(gè)幀之間的差分圖像進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)圖像檢測(cè)垂直向下移動(dòng)體作為落石的方法。該裝置的圖像處理和圖像識(shí)別技術(shù)將在第三節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

照明裝置使用采用LED 照明，及激光進(jìn)行校差同時(shí)使用近紅外光照射，減少LED 照度不足情況下進(jìn)行的圖像識(shí)別不清的問(wèn)題。另外該裝置包括高性能的PC 用于存儲(chǔ)檢測(cè)落石所需的拍攝條件信息和檢測(cè)目標(biāo)信息。

正常使用時(shí)，當(dāng)?shù)袈湮矬w（落石或噴涂混凝土的剝落等）時(shí)，裝置立即進(jìn)行識(shí)別，警示燈閃爍并包報(bào)有警笛聲，提醒現(xiàn)場(chǎng)工人注意。

2 基于視覺識(shí)別落石檢測(cè)的算法

2.1 視覺識(shí)別落石原理

在落石檢測(cè)中，首先用相機(jī)拍攝的圖像作為數(shù)據(jù)進(jìn)入圖像采集單元。于此圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行落石檢測(cè)。首先，在落石檢測(cè)區(qū)域計(jì)算中，根據(jù)過(guò)去N 幀（實(shí)際上約為N=3 到10）幀之間的差分圖像確定落石檢測(cè)排除范圍，在兩個(gè)落石檢測(cè)單元（單個(gè)落石和群落石）中，僅對(duì)檢測(cè)區(qū)域?qū)β涫M(jìn)行檢測(cè)。如果檢測(cè)到落石，則數(shù)據(jù)將發(fā)送，以便通過(guò)落石檢測(cè)單元觀察落石并發(fā)出警報(bào)。

2.2 落石區(qū)域內(nèi)移動(dòng)體識(shí)別算法

落石檢測(cè)的圖像識(shí)別算法識(shí)別除落石以外的移動(dòng)物體，如工人和掘進(jìn)機(jī)附近的重型設(shè)備，以及"落石檢測(cè)區(qū)域計(jì)算"，該區(qū)域除該范圍外，還檢測(cè)落石檢測(cè)區(qū)域所反射的物體為巖石。落石檢測(cè)區(qū)域計(jì)算單元，通過(guò)處理時(shí)間序列中連續(xù)幀之間的差分圖像，從過(guò)去N 幀中每個(gè)差分圖像中提取移動(dòng)區(qū)域，執(zhí)行每個(gè)移動(dòng)區(qū)域的集合范圍以外的區(qū)域作為落石檢測(cè)區(qū)域的過(guò)程。對(duì)于過(guò)去N 幀的圖像，生成時(shí)間序列中連續(xù)兩個(gè)幀的差異部分圖像，通過(guò)按閾值執(zhí)行值化過(guò)程，從每個(gè)差分圖像中提取移動(dòng)體的區(qū)域。最后，落石檢測(cè)區(qū)域計(jì)算單元確定合成移動(dòng)區(qū)域，并賦予相同的數(shù)字以作為一個(gè)組像素定義為落石檢測(cè)禁止區(qū)域，除落石檢測(cè)禁區(qū)外，其余空白區(qū)域?yàn)槁涫瘷z測(cè)區(qū)域。此外，在這里視覺識(shí)別僅對(duì)擴(kuò)大每個(gè)移動(dòng)體區(qū)域的收集并插值，由于移動(dòng)體的間隙和過(guò)去幀中沒(méi)有移動(dòng)，因此未檢測(cè)到移動(dòng)識(shí)別。

其中算法將落石識(shí)別的島狀區(qū)域成為檢測(cè)區(qū)域，但島狀區(qū)域?yàn)楣と舜┐鞯姆垂獗承?，因此需要?duì)圖像中明亮區(qū)域進(jìn)行處理，以避免錯(cuò)誤的落石識(shí)別情況發(fā)生。

2.3 落石區(qū)域內(nèi)落石識(shí)別算法

落石檢測(cè)單元，在落石檢測(cè)區(qū)域拍攝的特定轉(zhuǎn)移物作為落石候選物，通過(guò)跟蹤落石候選于多個(gè)幀，具有單個(gè)落石檢測(cè)單元，用于確定落石候選物是否為真正的落石。上一個(gè)落石對(duì)應(yīng)于移動(dòng)前的落石，而下面的落石對(duì)應(yīng)于移動(dòng)后的落石。單個(gè)落石檢測(cè)單元如果檢測(cè)到一組兩個(gè)落石，則分別從兩個(gè)落石候選的重心位置確定重心。當(dāng)向上和向下的落石候選物被視為二維圖像時(shí)，這種重心是數(shù)學(xué)重心，可根據(jù)落石候選形狀和面積等計(jì)算。自然落體區(qū)域設(shè)置為前一個(gè)落石候選的重心下方。如果落石候選位置連續(xù)位于多個(gè)幀上，則確定落石候選位置為真正的落石。此外，落石檢測(cè)單元對(duì)于單個(gè)落石，所有移動(dòng)體出現(xiàn)在落石檢測(cè)區(qū)域作為落石候選，通過(guò)跟蹤所有落石候選的重心在多個(gè)幀上，落石候選者包括一個(gè)群落石檢測(cè)，以確定它是否是真正的落石。因此，即使同時(shí)發(fā)生大量落石，也可以檢測(cè)真正的落石，從而防止落石的遺漏。

2.4 基于視覺識(shí)別隧道落石算法驗(yàn)證

在驗(yàn)證過(guò)程中使用了大約50 小時(shí)的視頻記錄，曾成功捕獲落石瞬間的圖像記錄。

3 總結(jié)與展望

作為隧道落石的檢測(cè)，第一次在國(guó)內(nèi)使用視覺識(shí)別技術(shù)，已于2018 年7 月完成樣機(jī)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了新的圖像識(shí)別算法，申報(bào)中國(guó)發(fā)明專利，通過(guò)視覺識(shí)別對(duì)隧道掘進(jìn)過(guò)程中危險(xiǎn)巖石地帶提前進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。今后需要進(jìn)一步根據(jù)多個(gè)隧洞現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件調(diào)整參數(shù)，做到設(shè)備具有相當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)。最終實(shí)現(xiàn)隧道落石檢測(cè)的實(shí)時(shí)、便捷更有效的保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)施工人員。