隧道智能檢測系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設計與研究

薛春明

（山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

隧道智能檢測系統(tǒng)采集速度快、精度高、穩(wěn)定性好、自動化程度高且能耗低，可在正常行車速度下，實現(xiàn)公路隧道裂縫、滲水、剝落、襯砌變形、蓋板破損及缺失等襯砌表觀病害的快速檢測，可滿足各種等級公路隧道的日常、定期、專項檢測[1-2]。隧道智能檢測系統(tǒng)在正常速度下進行數(shù)據采集，速度可達80 km∕h，每秒數(shù)據量可達300 Mb。為了提高檢測效率，實現(xiàn)智能化圖像采集，保障圖像采集質量，提高圖像處理速度和病害識別精度，本文針對隧道智能檢測系統(tǒng)設計了一套集數(shù)據采集、處理和管理的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了隧道襯砌圖像的高效、高質量采集以及圖像數(shù)據的高效處理[3-4]。

1 數(shù)據采集系統(tǒng)

數(shù)據采集系統(tǒng)由圖像采集軟件、數(shù)據采集軟件和圖像轉換軟件組成。圖像采集軟件用于采集隧道圖片信息；數(shù)據采集軟件由編碼器采集軟件、激光三維掃描儀采集軟件及微型陀螺儀數(shù)據采集軟件3 個模塊系統(tǒng)組成，分別采集車輛里程數(shù)據、隧道襯砌輪廓尺寸數(shù)據和車輛三自由度運動姿態(tài)信息；圖像轉化軟件主要對采集圖像數(shù)據進行壓縮。

1.1 圖像采集軟件

圖像采集軟件主界面如圖1所示，由功能區(qū)、顯示區(qū)和狀態(tài)區(qū)組成，用于實現(xiàn)相機參數(shù)設置、圖像采集、圖像查看、圖像存儲設置以及圖像顯示等功能。同時，該軟件內置了相機管理和配置功能，用于實現(xiàn)相機服務器和設備號的匹配以及相機參數(shù)的導入，如圖2所示，是實現(xiàn)相機識別、相機管理和圖像準確采集的重要保證，是確保圖像質量的關鍵因素。另外，圖像的連續(xù)和動態(tài)顯示是展現(xiàn)軟件好壞和反映圖像質量的直接窗口，為了便于用戶對圖像全局和局部的觀察，開發(fā)了圖像顯示比例可調控件，如圖3所示，實現(xiàn)用戶的自由調控。

圖1 單相機采集軟件

圖3 圖像顯示比例可調控件

隧道智能檢測系統(tǒng)采用半幅畫面采集方式，即在高速公路隧道行車道和超車道各行駛一次，在一次半幅采集過程中，單個相機無法滿足視場及精度要求，需要設置3 套工業(yè)相機及配套光源對隧道襯砌進行圖像采集。該系統(tǒng)采用多線程并行技術，將單相機采集軟件系統(tǒng)升級為多相機采集軟件，該軟件能夠自動識別相機數(shù)量，在擁有單相機采集軟件所有功能的基礎上，能夠同時預覽到所有相機的采集畫面[5]。多相機采集軟件如圖4所示。

圖4 多相機采集軟件

1.2 數(shù)據采集軟件

數(shù)據采集軟件主要由編碼器、激光三維掃描儀和微型陀螺儀子系統(tǒng)組成，軟件界面如圖5所示。編碼器子系統(tǒng)主要包括串口設置、編碼器設置、數(shù)據顯示、功能鍵等功能，用于顯示角度值、脈沖數(shù)量、車速和里程，設置編碼器發(fā)送的脈沖數(shù)量；激光三維掃描儀子系統(tǒng)是采用激光技術掃描隧道輪廓，以極坐標形式測繪隧道輪廓，可實時顯示測量物體與掃描儀之間的距離和相對角度，用于定測隧道智能檢測車的位置；微型陀螺儀子系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)設置、系統(tǒng)標定、系統(tǒng)權重、溫度顯示、姿態(tài)角、角速度、加速度等功能，該軟件實現(xiàn)了俯仰角、滾轉角、方向角的實時采集和顯示，方便后期圖像處理時圖像矯正、裂縫識別等。

圖5 數(shù)據采集軟件

1.3 圖像轉化軟件

隧道智能檢測系統(tǒng)數(shù)據采集作業(yè)速度為80 km∕h，數(shù)據量為300 Mb∕s。采集過程中，為了實現(xiàn)大量數(shù)據瞬間完整存儲，系統(tǒng)對原始數(shù)據不經過任何加工和處理，采用RAW 格式保存。采集完成后，需將非可視化原始數(shù)據通過增加表頭信息轉化為可視化圖片，同時，對巨大數(shù)據量進行無損壓縮。為了方便轉換過程，加快轉換速度，完成批量轉換和去除無效圖片，開發(fā)了一款圖像轉換軟件，如圖6所示。

圖6 圖像轉化軟件

2 數(shù)據處理系統(tǒng)

數(shù)據處理系統(tǒng)由圖像預處理軟件、圖像拼接軟件和圖像病害識別軟件組成。圖像預處理軟件對采集的隧道圖像進行預處理，使其滿足復雜隧道環(huán)境下裂縫識別；圖像拼接軟件對圖像進行拼接，形成全幅展布圖；圖像病害識別軟件實現(xiàn)隧道海量圖片數(shù)據的分析、處理和識別。

2.1 圖像預處理軟件

隧道圖像預處理軟件主要包括圖像增強、圖像二值化、直方圖均衡、旋轉、亮度減弱增加等功能，用以滿足復雜隧道環(huán)境下低對比度的裂縫識別與檢測，系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 圖像預處理軟件

2.2 圖像拼接軟件

該系統(tǒng)采集到的每張圖片代表實際里程1 m，為了形成隧道整體展布圖，需要將兩個半幅的6 套相機采集的圖片拼接在一起。拼接方式主要有位置和特征點拼接兩種，由于隧道等級不同，每套相機視場的重復率也會隨之不同，位置拼接方式需要根據隧道等級設置不同裁剪參數(shù)。特征點拼接方式原理是在圖片重復區(qū)域依據梯度和灰度方向計算得到面特征點，基于所有的特征點將相鄰圖片自動拼接，該拼接方式能夠得到很好的拼接效果[6-7]，因此，該系統(tǒng)采用特征點拼接方式。圖像拼接軟件子系統(tǒng)如圖8所示，隧道全幅拼接效果如圖9所示。

圖8 圖像拼接軟件

圖9 全幅圖拼接

2.3 圖像病害識別軟件

隧道病害識別軟件，如圖10所示，集成圖像分割和深度學習的算法，可實現(xiàn)圖像處理、數(shù)據報表，以及存儲管理，滿足隧道海量圖片數(shù)據的分析、處理和識別。同時，該軟件依托病害數(shù)據中心對采集的病害進行信息數(shù)據化管理，可與隧道歷史數(shù)據比對和預測，得到病害擴展趨勢和速率等信息，為隧道養(yǎng)護決策提供全方面數(shù)據支撐[8-9]。

圖10 圖像病害識別軟件

3 數(shù)據管理系統(tǒng)

隧道病害數(shù)據管理系統(tǒng)，如圖11所示，可對裂縫、剝落、滲水、機電設施和蓋板的破損及丟失等病害類型進行統(tǒng)一管理，具備數(shù)據報表、病害統(tǒng)計、隧道襯砌表觀圖出具及數(shù)據中心管理等功能。系統(tǒng)用戶可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分析。系統(tǒng)用戶可選擇多種輸出選項，包括檢測日志、隧道襯砌表觀圖、病害統(tǒng)計表、隧道病害提取圖像等。

圖11 隧道病害數(shù)據管理系統(tǒng)

3.1 病害統(tǒng)計報表

病害統(tǒng)計報表中包括病害里程樁號、位置、病害類型、病害幾何參數(shù)特性等，總表中按照病害類型、位置、病害幾何參數(shù)進行數(shù)據統(tǒng)計。隧道襯砌病害記錄表如表1所示。

表1 隧道襯砌病害記錄表

3.2 隧道襯砌表觀圖

隧道襯砌表觀圖為隧道全幅圖，全部病害信息展現(xiàn)在襯砌表觀圖上，每張圖呈現(xiàn)一定里程襯砌圖像，表觀圖中每種裂縫顏色表示0.2 mm 跨度的寬度，更加醒目地表示裂縫寬度。該種呈現(xiàn)方式更加直觀地將病害信息展現(xiàn)在襯砌表觀圖中，具有更強的閱讀性，如圖12所示。

圖12 隧道襯砌表觀圖

3.3 隧道病害數(shù)據中心

隧道病害數(shù)據中心如圖13所示，可對所有數(shù)據進行統(tǒng)一管理，使用了自主研發(fā)的海量數(shù)據無損壓縮技術，存儲外業(yè)采集獲得的數(shù)據；同時，配置高性能GUP服務器，可進行隧道圖像拼接和病害智能識別，形成可視化檢測報告；另外，可對隧道病害特征數(shù)據進行提取、分析、管理，可對病害信息進行統(tǒng)計與分析，展示隧道病害發(fā)展過程，為業(yè)主制定維護方案提供依據。

圖13 隧道病害數(shù)據中心

4 結論與展望

隧道智能檢測系統(tǒng)軟件系統(tǒng)通過圖像快速轉化、無損壓縮、預處理及圖像拼接，形成了全幅展布圖，通過深度學習算法實現(xiàn)了圖像數(shù)據的分析、處理與識別；建立了數(shù)據管理中心，實現(xiàn)了數(shù)據報表、病害統(tǒng)計、隧道襯砌表觀圖出具及數(shù)據中心管理等功能。

隧道智能檢測軟件系統(tǒng)的成功應用，保障了圖像采集質量，提高了圖像處理速度和病害識別精度，保障數(shù)據處理的順利進行，大幅降低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，具有較好的應用前景。