基于激光測(cè)距的隧道結(jié)構(gòu)限界檢測(cè)系統(tǒng)*

高 晶

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

隨著我國(guó)交通建設(shè)的高速發(fā)展，隧道這種利用地下空間或穿越自然山川的交通建設(shè)形式被應(yīng)用的愈加廣泛，在高速鐵路、高速公路、城市軌道交通、城市主干線等，都存在著大量的隧道結(jié)構(gòu)。由于隧道穿越復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)又具有一定程度的封閉性，其行車安全保障成為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其中，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)限界的侵限檢測(cè)成為重要的一環(huán)。隧道結(jié)構(gòu)限界是為保證隧道內(nèi)各種交通的正常運(yùn)行與安全，而規(guī)定的在一定寬度和高度范圍內(nèi)不得有任何障礙物的空間限界，又稱為隧道凈空[1]。隧道自身結(jié)構(gòu)、隧道內(nèi)機(jī)械設(shè)備以及其他不明物體的損壞、脫落、移位均會(huì)造成隧道侵限事件的發(fā)生，其對(duì)隧道交通安全造成了嚴(yán)重的隱患。傳統(tǒng)的隧道結(jié)構(gòu)限界檢測(cè)工作依靠人工完成，效率低、精度差，已不能滿足現(xiàn)代交通高速發(fā)展的需要[2]?；诖?，利用激光測(cè)距檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化的隧道結(jié)構(gòu)限界檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)保證隧道安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，本系統(tǒng)工作于隧道內(nèi)，能夠?qū)λ淼罃嗝娣较蛏弦r砌表面-45°～225°的區(qū)域進(jìn)行掃描，激光掃描器可承載于車輛或?qū)Ｓ脵z測(cè)裝置上高速移動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

圖1 系統(tǒng)工作示意圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為激光掃描單元、嵌入式工控機(jī)、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)等。

激光掃描單元：實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道襯砌表面的動(dòng)態(tài)掃描，獲取距離信息。掃描單元采用激光飛行時(shí)間測(cè)距技術(shù)[3]，測(cè)量范圍覆蓋了隧道斷面方向上-45°～225°區(qū)域，掃描步長(zhǎng)可設(shè)置為0.5°及0.25°兩個(gè)檔位，每周期測(cè)量分別輸出540(Max)及1080(Max)個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，適用于不同的檢測(cè)精度；掃描單元的掃描頻率為25～50 Hz，能夠在50 mm縱向檢測(cè)精度的要求下適應(yīng)4.5～9 km/h的檢測(cè)速度，例如檢測(cè)山西省靈山高速公路恒山隧道單洞只需不到1小時(shí)即可完成數(shù)據(jù)采集工作。

嵌入式工控機(jī)：采用小型化嵌入式工控機(jī)安裝控制軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光掃描單元的設(shè)置及數(shù)據(jù)采集。其中，控制軟件可以對(duì)激光掃描單元的掃描角度、掃描頻率、掃描步長(zhǎng)及觸發(fā)方式進(jìn)行設(shè)置；收到傳感器上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，根據(jù)協(xié)議對(duì)原始報(bào)文進(jìn)行拆分處理，根據(jù)掃描步長(zhǎng)及距離信息將數(shù)據(jù)處理為{時(shí)間：角度：距離(單位：mm)}格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)(采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server)。

上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：上位機(jī)主要功能是實(shí)現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及人機(jī)交互。通過與數(shù)據(jù)庫(kù)的通信，上位機(jī)系統(tǒng)獲取距離信息后轉(zhuǎn)化為以掃描傳感器為原點(diǎn)的XY分量，并根據(jù)坐標(biāo)變換結(jié)果，開發(fā)C# GDI+繪圖工具，在界面上實(shí)時(shí)顯示掃描輪廓的點(diǎn)圖；另外，在上位機(jī)軟件中可以設(shè)置屏蔽區(qū)域、侵限報(bào)警閾值及管理報(bào)表輸出等，屏蔽區(qū)域用于排除隧道中線纜橋架、線纜溝、照明設(shè)備、機(jī)電設(shè)備等已存在的設(shè)備對(duì)侵限檢測(cè)的影響，侵限報(bào)警閾值則是根據(jù)隧道實(shí)際情況設(shè)置，當(dāng)出現(xiàn)侵限現(xiàn)象時(shí)，侵限部分在實(shí)時(shí)顯示的掃描輪廓點(diǎn)圖中以紅色標(biāo)識(shí)，配合編碼器提供位置信息，能夠方便定位侵限部位地理坐標(biāo)，利于后期維護(hù)管理。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有兩部分：1) 嵌入式工控機(jī)控制軟件工作流程；2) 上位機(jī)系統(tǒng)工作流程。

2.1 工控機(jī)控制軟件工作流程

圖3 嵌入式工控機(jī)控制軟件工作流程

如圖3所示，軟件開始工作后分別連接激光掃描單元與數(shù)據(jù)庫(kù)，通信正常的情況下，引導(dǎo)用戶根據(jù)檢測(cè)作業(yè)環(huán)境及要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括：掃描角度、掃描頻率、掃描步長(zhǎng)及觸發(fā)方式等；根據(jù)觸發(fā)方式的選擇，結(jié)合編碼器、定時(shí)器等控制機(jī)構(gòu)，軟件對(duì)設(shè)備上傳的完整檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，采集的原始報(bào)文樣本如下：{sSN LMDscandata 1 1 D63BCB 0 0 1276 1279 E6FC1DF E706CEE 0 0 7 0 0 9C4 B4 0 1 DIST1 3F800000 00000000 6DDD0 1388 B5 33D 32C 346 347 34C 35F 35D 367 384 382 385 ……36B 368 359 348 359 0 0 0 0 0 0},根據(jù)協(xié)議要求，協(xié)議內(nèi)25字節(jié)后的數(shù)據(jù)即為對(duì)應(yīng)角度的距離信息，經(jīng)處理后，提取有效距離數(shù)據(jù)樣本如下：{20200422100223∶15∶1250}；該數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)并返回保存結(jié)果。以上流程均與人機(jī)界面互動(dòng)，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，以供檢測(cè)人員監(jiān)控。

2.2 上位機(jī)的工作流程

圖4 上位機(jī)的工作流程

如圖4所示，上位機(jī)連接數(shù)據(jù)庫(kù)正常后，等待數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)增加并讀入上位機(jī)軟件后，將{時(shí)間：角度：距離(單位：mm)}格式的數(shù)據(jù)提取其中角度與距離信息，利用公式(1)將距離信息轉(zhuǎn)化為以激光掃描單元為原點(diǎn)的XY分量，公式(1)如下：

(1)

其中，L為數(shù)據(jù)中所指的{距離}；α為數(shù)據(jù)中所指的{角度}，角度數(shù)據(jù)需根據(jù)設(shè)定的檢測(cè)步長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)遞增。

得到XY分量后，將激光掃描單元坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為GDI+繪圖坐標(biāo)系，并在繪圖界面實(shí)時(shí)刷新顯示檢測(cè)環(huán)境的實(shí)際距離信息；通過用戶給定的屏蔽區(qū)域、侵限報(bào)警閾值，甄別報(bào)警事件并輸出至人機(jī)界面顯示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

圖5 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，采用鋁型材搭建支架及附屬設(shè)備，四角設(shè)置萬向輪以方便設(shè)備的移動(dòng)。

圖6 系統(tǒng)軟件界面

系統(tǒng)軟件界面如圖6所示，在左側(cè)的控制區(qū)域，提供了連接數(shù)據(jù)庫(kù)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、實(shí)時(shí)采樣顯示、拉取數(shù)據(jù)庫(kù)歷史記錄等功能按鈕；在中部的數(shù)據(jù)列表中展示數(shù)據(jù)庫(kù)歷史記錄；在右側(cè)顯示限界檢測(cè)實(shí)時(shí)畫面并提供雙擊歷史數(shù)據(jù)顯示可視化點(diǎn)圖的功能。布置模擬隧道實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景開展測(cè)試，本系統(tǒng)在檢測(cè)范圍-45°～225°、檢測(cè)步長(zhǎng)0.25°、檢測(cè)頻率50Hz的最大檢測(cè)強(qiáng)度下，連續(xù)穩(wěn)定工作2小時(shí)，采集有效數(shù)據(jù)54651條，數(shù)據(jù)報(bào)表導(dǎo)出流暢、系統(tǒng)響應(yīng)速度快、侵限報(bào)警準(zhǔn)確，能夠滿足各類隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)限界檢測(cè)要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)基于激光測(cè)距的隧道結(jié)構(gòu)限界檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件流程設(shè)計(jì)及測(cè)試做了詳細(xì)闡述說明。通過測(cè)試，系統(tǒng)能夠開展隧道結(jié)構(gòu)的限界檢測(cè)并對(duì)侵限現(xiàn)象及時(shí)報(bào)警；系統(tǒng)利用激光檢測(cè)手段，在無光環(huán)境下能夠正常工作，減少了隧道低照度作業(yè)環(huán)境的影響；系統(tǒng)的測(cè)量速度、響應(yīng)時(shí)間均滿足限界檢測(cè)工作的要求，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工檢測(cè)方式，提高隧道運(yùn)維工作效率。另外，隨著大數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)可視化工作的進(jìn)一步開展，本系統(tǒng)提供的隧道限界數(shù)據(jù)也可用于隧道結(jié)構(gòu)病害趨勢(shì)分析及三維BIM建模等工作[4]。