地鐵隧道滲漏水病害快速檢測及圖像處理技術

姚旭朋

（同濟大學國家土建結構預制裝配化工程技術研究中心，200092，上海//高級工程師）

地鐵隧道滲漏水病害快速檢測及圖像處理技術

姚旭朋

（同濟大學國家土建結構預制裝配化工程技術研究中心，200092，上海//高級工程師）

檢測盾構隧道滲漏水的傳統人工檢測方法工效低，無法滿足大量運營地鐵隧道快速檢測的需求。隧道滲漏水快速檢測系統包括快速攝像設備及與之配套的圖像分析處理器。快速攝像設備是基于工業定焦相機和自動化控制技術集成開發的，可實現對地鐵隧道滲漏水病害的快速攝像。與快速攝像系統配套的圖像分析與數據處理器，是根據地鐵隧道結構宏觀特征和結構構件空間幾何關系開發的，能實現病害特征的快速計算，并對病害進行分類。該隧道滲漏水快速檢測系統在上海地鐵中的應用效果良好，現場攝像速度達5 km/h，滲漏水病害檢測準確率達到95%。

地鐵隧道；滲漏水病害；快速檢測；圖像分析

滲漏水是隧道的主要病害之一，也是引起隧道其他病害的根源［1-2］。上海處于軟土地區，90%以上的地鐵隧道均采用盾構法施工完成。因而，在上海地鐵運營中，滲漏水病害狀況的檢測和掌控作為日常維護工作的內容之一，一向受到極高的重視［3-6］。

傳統的隧道滲漏水病害檢測方法極簡單，都以人工為主，按照現場檢查和數據處理分步完成［7-8］。現場檢查工作組多為4人，以相機和隧道結構圖紙為主要工作用具。在現場針對滲漏水病害檢查時，工作人員需要完成發現病害、初步分類和現場記錄等工作。現場記錄時，要完成確定位置、圖像繪制及拍照保存等工作，并將三者信息對應標注。數據處理工作主要是將現場病害描繪圖紙進行電子化，并根據病害類型和規定的統計條件進行分析。最后編制報告進行信息反饋。現場病害檢查工作只能在每天晚上地鐵停運之后開展，每天有效工作時間僅有2 h。完成1個1 000環隧道區間的表觀病害檢查需要1 d，數據處理需2 d。

可見，人工檢查隧道滲漏水病害的方法具有時間窗口窄、檢查效率低、判定差異大和信息反饋周期長等缺點［3］。當前，上海地鐵運營線路總長達617 km。如全部依靠人工開展滲漏水病害檢查勢必難以滿足需求，故必須要研發適用于地鐵隧道的滲漏病害快速檢查的設備及相應海量數據處理技術。

通過現場快速攝像獲取地鐵隧道結構滲漏水病害，并采用配套的圖像分析技術進行數據處理的新型快速檢測（以下簡為“快速檢測”）技術能克服人工檢測的缺點，其實施效果良好。

1 快速檢測系統

快速檢測系統由快速攝像設備和圖像分析處理器組成。

1.1 快速攝像設備

1.1.1 快速攝像設備構成

快速攝像設備包括車載平臺和采集中心兩個模塊。車載平臺為“工”字型可移動框架，由前梁、后梁、中梁、立柱和電池等組成（見圖1）。采集中心由工業定焦相機、里程控制卡、編碼器、補光器、交換機和主控電腦等部件組成。各模塊組裝后可在軌道上推行完成檢測工作。

圖1 快速檢測系統車載平臺

車載平臺提供移動式工作平臺和設備支撐框架。工業定焦相機為病害圖像采集部件；補光器用來補償現場拍攝光照條件；編碼器和控制卡實現移動過程中自動圖像拍攝，且具有縱向里程記錄和病害圖像縱向定位的功能。工業定焦相機沿著環形支架布置（見圖2），通過與確定的立柱高度相配合，實現隧道內部表面的全覆蓋。

圖2 相機布置方式

1.1.2 快速攝像設備工作原理

快速攝像設備采用模塊化裝配式設計。在完成車載平臺裝配和控制系統啟動之后，車載平臺通過運動帶動編碼器轉動，使編碼器產生電子脈沖。在設定的距離間隔上，編碼器的電子脈沖進入控制卡激活控制卡中的控制程序，進而激活工業定焦相機，并同步激活補光器進行拍攝。拍攝的圖像通過交換機存入主控電腦。具體工作流程如圖3所示。

現場測試表明，快速攝像設備可實現5 km/h的病害拍攝速度。而固定的相機布置方式及脈沖化的里程控制，可實現隧道滲漏水病害的精確定位。

1.2 圖像分析處理器

圖3 快速檢測系統平臺工作流程

實現隧道滲漏水病害狀況的快速檢測，快速攝像僅是基礎性工作。只有實現了對所攝圖像的快速分析，才能充分地提高信息反饋的效率。圖像分析處理工作包括圖像預處理、圖像分割、病害特征計算和病害分類等4個主要步驟。

圖像預處理和圖像分割主要基于現有的傳統技術來完成，本文不予展開介紹。病害特征計算和病害分類是實現圖像快速分析處理的關鍵。對此根據目前地鐵隧道檢測技術水平和評價方法，結合快速檢測技術特點進行了針對性開發。

1.2.1 病害特征計算

病害特征計算時要按連通區算法的特點和地鐵隧道滲漏水病害統計需要來設計其主要指標參數。主要指標參數包括面積大小、占空比、長寬比及灰度差等。經過腐蝕和膨脹處理后的圖像可對病害進行連通區信息計算。該算法包括查找連通區及連通區的指標參數計算兩部分。

查找連通區的步驟為：

（1）從照片的第一個像素開始，在圖像中依順序查找亮度為1（即白色，在二值圖中亮度只有1和0，1為白色，0為黑色）的像素，當找到第一個亮度為1的像素時停止查找，并將此像素設置序號為1。

（2）在該位置的相鄰8個像素點（如圖4所示）開始查找亮度為1的像素，若發現有亮度為1的像素，則將該像素標記為序號1。

圖4 中心像素的8個相鄰像素

（3）只要有序號為1的像素，即對該點進行步驟（2）的運算，直到該位置周圍沒有亮度為1的像素。所有序號為1的像素是相鄰的，被稱為連通區1。

（4）繼續查找亮度為1的像素，查找過程中跳過序號為1的區域，當其他位置有亮度為1的像素時，則將該位置標為序號2。

（5）在序號為 2 的位置上重復步驟（2）、（3），直至該序號位置周圍沒有亮度為1的像素。所有序號為2的像素也是相鄰的，被稱為連通區2。

（6）按照上述步驟依次查找圖像中的連通區并編號，直到圖像中沒有無標記的病害區域。

依次計算連通區域n的指標參數：

（∑編號為n的像素個數）×每個像素對應的實際面積；

包含連通區的最小矩形（見圖5）水平長度等于該連通區最左邊像素位置和最右邊像素位置之差，豎直長度等于該連通區最上面像素位置和最下面像素位置之差。包含連通區的最小矩形面積等于寬度乘以高度。

圖5 包含連通區的最小矩形

查找連通區可將圖像中的每一塊病害區分開來，連通區的指標參數計算可得出病害的特征信息。這為病害的識別和分類做了準備。

1.2.2 病害分類

病害的分類是通過分析病害的特征信息（如面積大小、占空比、長寬比、灰度差）來進行的。滲漏水、破損和裂縫等病害在特征上存在一些統計規律。識別程序可通過不斷地學習和修正得到合適的參數，進而對病害進行分類。

根據人工在隧道內檢測識別的經驗，滲漏水、破損和裂縫等不同病害的特征各不相同，而同種病害的特征有一定的規律。表1是常見病害的特征信息。

根據病害特征信息的不同，通過統計經驗確定大小閥值，可識別出每個病害連通區所屬的病害類型。另外，還可根據檢測系統記錄的每張照片所在的里程數，定位出病害所在位置。根據病害的大小、類型和位置，就可統計出病害在隧道內的空間分布。

表1 不同病害的連通區特征

2 實施效果

采用快速攝像技術及圖形快速處理技術的地鐵隧道快速檢測系統已經在上海多條地鐵線路的結構滲漏水病害檢測中得以應用。從現場應用的結果來看，滲漏水病害檢測準確率達到95%。

首先，快速檢測系統通過對現場獲取的滲漏水圖像進行自動分析，得出實際滲漏水病害對比圖（如圖6所示）。該圖片攜帶有原始圖像采集時賦予的縱向位置和環向位置信息；其次，通過對病害對比圖片空間位置信息的虛擬整理，貼入對應類型的隧道結構內部空間展開圖中，形成病害展開圖（如圖7所示）。病害對比圖和病害展開圖能分別從局部和宏觀的角度衡量某段隧道滲漏水狀態；而且，病害對比圖具有可追溯的特征，即通過圖片的空間位置信息，還原到已檢測的地鐵隧道工程中。

圖6 病害對比圖

圖7 病害展開圖

在地鐵隧道日常維護中，滲漏水病害的統計分析也是必要工作，可用以衡量區間或者線路等更大范圍內滲漏水病害的發育程度。因此，滲漏水病害的統計工作（見圖8）也是其快速檢測的必要功能之一。

3 結論

根據地鐵隧道的特點，設計了快速攝像系統架構，開發了以工業定焦相機為基礎快速攝像系統，實現了地鐵隧道結構滲漏水病害的現場快速攝像。

圖8 病害統計圖

通過對圖像處理技術的研究，開發了針對地鐵隧道結構滲漏水病害的快速分析方法，并實現了圖像的智能化處理，給出了實用化的滲漏水病害表現結果。

該快速檢測系統，能夠以5 km/h速度實現現場滲漏水病害的圖像采集工作。配合智能化的數據處理方法，總體效率比傳統方式提升了20多倍，突破了當前地鐵隧道滲漏水病害檢測的關鍵瓶頸問題，提高了信息反饋速度，為地鐵隧道運營安全提供新的保障手段。

［1］ 吳江濱，張頂立，王夢恕.鐵路運營隧道病害現狀及檢測評估［J］.中國安全科學學報，2003，13（6）：49．

［ 2 ］ RICHARDS J A.Inspection，maintenance and repair of tunnels:international lessons and practice[J].Tunneling and Underground space Technology，1998，（13）：369．

［3］ 畢湘利，袁勇，王秀志，等.軟土隧道工程運營期結構安全關鍵技術研究[R].上海：上海市科學技術委員會，2014.

［4］ 王如路，周賢浩，余泳亮.近年來上海地鐵監護發現的問題及對策[C]//中國土木工程學會.中國土木工程學會隧道及地下工程學會地下鐵道專業委員會第十四屆學術交流會論文集，北京：中國科學技術出版社，2001：239．

［5］ 葉耀東，朱合華，王如路.軟土地鐵運營隧道病害現狀及成因分析［J］.地下空間與工程學報，2007，3（1）：158．

［6］ 鄭永來，李美利，王明洋，等.軟土隧道滲漏對隧道及地面沉降影響研究［J］.巖土工程學報，2005，27（2）：243．

［7］ 姚旭朋.運營地鐵隧道結構病害快速監測技術［J］.現代隧道技術，2014，51（S1）：205．

［8］ 黃永杰，柳獻，袁勇，等.盾構隧道滲漏水的自動檢測技術［J］.上海交通大學學報，2012，46（1）：73．

Rapid Inspection of Water LeakageDefectinMetro Tunnel and Image Treatment Technology

YAO Xupeng

The current water leakage defect inspection method is inefficient and can′not meet the demands of rapid inspection for large amount of metro tunnel maintenance.A rapid inspection system includes fast video camera，image analysis and treatment system belonging with the camera.,which is developed by using industrial fixed focus camera and automatic control technology，assisted with the matching image processing software. This system could realize fast photography of the tunnel water leakage，analyze the characters of leakage defects and classify the seepage water diseases.Ithas been used in Shanghaimetro tunnel maintenance with the speed of 5 km/h and the 95%accuracy.

metro tunnel； water leakage defect； rapid inspection；image analysis

Author′s address National Technology Research Center for Prefabricated Civil Engineering Structure of Tongji University，200092，Shanghai，China

U457+.2

10.16037/j.1007-869x.2017.12.012

2016-03-10）