隧道視覺檢測機(jī)器人成套系統(tǒng)研制

段英杰

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著大量隧道進(jìn)入養(yǎng)護(hù)期，隧道檢測將成為日常養(yǎng)護(hù)的重要課題，如何在有限時間內(nèi)完成大量檢測工作將是未來隧道養(yǎng)護(hù)的關(guān)注點。目前隧道檢測主要采用人工檢查方式，存在工作效率低、個人主觀程度大、花費高、危險性大等問題，無法滿足快速準(zhǔn)確的檢測要求，這使得隧道檢測業(yè)務(wù)對快速檢測裝備需求的不斷提高[1]。

2014 年國內(nèi)首次從日本引進(jìn)基于機(jī)器視覺的隧道檢測設(shè)備，該系統(tǒng)雖然填補(bǔ)了公路隧道快速檢測手段的空白，但受硬件條件限制，系統(tǒng)相機(jī)焦距、景深等參數(shù)調(diào)整范圍有限，隔振性能差，在某些工況下圖像采集質(zhì)量嚴(yán)重降低甚至模糊；而且由于國外技術(shù)壟斷，核心數(shù)據(jù)無法掌握在用戶手中[2]。

近幾年，國內(nèi)相繼研制出了隧道快速檢測系統(tǒng)，該類設(shè)備將面陣相機(jī)矩陣、LED 照明光源等元器件集成于車輛上。雖然面對掃描技術(shù)拍攝距離、外界振動敏感性較低，但對光照強(qiáng)度要求非常高，因此該類產(chǎn)品仍然沒有解決系統(tǒng)龐大、造價高等問題，并且面陣相機(jī)的工作原理也限制了檢測精度的提高。同時，由于面陣相機(jī)的工作原理，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余大、圖像亮度不均勻，隧道襯砌病害識別速度較低。因此研制具有檢測精度高、病害識別速度快的隧道視覺檢測機(jī)器人成套系統(tǒng)具有重要意義。

1 隧道視覺檢測機(jī)器人成套系統(tǒng)構(gòu)成

隧道視覺檢測機(jī)器人成套系統(tǒng)主要包括隧道智能檢測車和數(shù)據(jù)中心。

1.1 隧道智能檢測車系統(tǒng)構(gòu)成

隧道智能檢測車由車頭至車尾依功能劃分為：駕駛室、視覺采集功能區(qū)、智能化工作區(qū)、供配電功能區(qū)等4 個功能區(qū)。

圖1 隧道智能檢測車系統(tǒng)構(gòu)成

1.1.1 駕駛室

駕駛室保持原車設(shè)計，保持駕駛的方便性和安全性，室內(nèi)設(shè)有兩個席位，一個駕駛席位，一個保障席位。駕駛室頂部安裝一套人防專用長排警燈警報器；駕駛室儀表臺安裝一套警燈警報器控制器和一套定位導(dǎo)航系統(tǒng)、倒車監(jiān)視系統(tǒng)；在駕駛室與操作室安裝一個對講電話系統(tǒng)。

1.1.2 視覺采集功能區(qū)

視覺采集功能區(qū)主要包括stewart 穩(wěn)定平臺、視覺采集成套設(shè)備、高精度自調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)裝置、車輛位姿測量裝置、隧道斷面掃描裝置等，如圖2 所示。

圖2 視覺采集功能區(qū)

1.1.3 智能化工作區(qū)

操作室中布置了系統(tǒng)中的人機(jī)交互部分，包括開關(guān)按鈕、鼠標(biāo)鍵盤、顯示器等。座椅提供了安全帶，保證操作人員的行車安全。同時，為了給操作人員提供相對舒適的作業(yè)條件，設(shè)置了空調(diào)、暖風(fēng)機(jī)等設(shè)備，具體如圖3 所示。

圖3 智能化工作區(qū)

1.1.4 供配電功能區(qū)

供配電功能區(qū)集成了發(fā)電機(jī)、UPS、電源管理系統(tǒng)以及工控機(jī)等，整個系統(tǒng)具有過載保護(hù)、短路保護(hù)等功能，保證了隧道智能檢測車在使用過程中的安全性。

1.1.5 整車主要技術(shù)參數(shù)

布氏桿菌病合并重癥Guillain-Barré綜合征1例報告 ………………………… 吳迎春，馮麗娜，王哲，等 45

隧道智能檢測車技術(shù)參數(shù)如下所示：

a）檢測速度 0～80 km/h；

b）定位精度 0.5 m；

c）裂縫寬度檢測精度 0.2 mm；

d）檢測準(zhǔn)確率 大于90%；

e）病害識別速度 1 km/h；

g）角分辨率 0.25°；

h）車輛位姿測量 0.01°。

1.2 數(shù)據(jù)中心

為達(dá)到0.2 mm 的隧道裂縫檢測精度，需要極高的像素，隨之產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，每公里隧道采集數(shù)據(jù)量為24 G，需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)中心用于處理、存儲和管理這類數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心包括數(shù)據(jù)存儲中心、數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)管理中心三部分，如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)中心

1.2.1 數(shù)據(jù)存儲中心

通過磁盤陣列技術(shù)將數(shù)據(jù)中心容量擴(kuò)充至100 T，應(yīng)用自主研發(fā)的海量數(shù)據(jù)無損壓縮技術(shù)[3]，存儲通過外業(yè)采集獲得隧道襯砌表觀圖像、慣性導(dǎo)航坐標(biāo)數(shù)據(jù)、隧道襯砌輪廓掃描數(shù)據(jù)和車輛位姿儀態(tài)數(shù)據(jù)，并對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理中心

圖像處理需要占用大量的計算機(jī)資源，數(shù)據(jù)中心由5 臺配置有高性能GPU 的服務(wù)器構(gòu)成，能夠滿足同時對5 條長度超過15 km 的隧道進(jìn)行圖像拼接和病害智能識別的要求，形成可視化檢測報告。

1.2.3 數(shù)據(jù)管理中心

對隧道病害特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析、管理，在識別軟件中用戶可以查閱每條隧道的病害信息，相應(yīng)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(jìn)行搜索和統(tǒng)計。業(yè)主和檢測單位能夠獲取到每條隧道和每條病害的發(fā)展歷程，掌握病害成長歷程，為制定維護(hù)方案提供依據(jù)。

2 隧道視覺檢測機(jī)器人核心部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 視覺采集角度調(diào)節(jié)裝置

隧道標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)輪廓斷面由起拱線高度、拱部圓弧半徑等參數(shù)來描述，依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[4]，高速公路隧道以雙洞單向兩車道為主，設(shè)計時速有60 km/h、80 km/h、100 km/h 和 120 km/h 四種級別，分別對應(yīng)不同的建筑限界橫斷面。4 種公路等級對應(yīng)的起拱線高度分別為6.74 m、7.03 m、7.31 m 和7.72 m，對應(yīng)的拱部圓弧半徑分別為5.14 m、5.43 m、5.7 m 和 6.12 m。

以60 km/h 和120 km/h 的隧道為例，同一位置處拍攝距離相差1 m 左右，特別是對于雙洞單向三車道的大斷面公路隧道，起拱線高度約8.9 m、拱部圓弧半徑約7.4 m，同一位置處的差距更大，差距將達(dá)到2 m 以上。

為了使采集的圖像滿足精度要求，并且保證多個相機(jī)精度的一致性，需要調(diào)整視覺系統(tǒng)中各個相機(jī)相對于隧道斷面的位置，因此該系統(tǒng)設(shè)計了一種能夠?qū)囕d工業(yè)相機(jī)進(jìn)行角度粗調(diào)和微調(diào)的裝置，如圖5 所示。

圖5 視覺采集角度調(diào)節(jié)裝置

該裝置包括底座，底座底部固定安裝在stewart平臺上，內(nèi)部圓形軌道與角度粗調(diào)滑動塊間隙配合，通過螺栓固定，角度粗調(diào)滑動塊水平面與鋁型材支架底部固定連接，回轉(zhuǎn)驅(qū)動兩側(cè)端面分別與底座立板和連接鋼板連接。通過回轉(zhuǎn)驅(qū)動的轉(zhuǎn)動帶動鋁型材支架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)工業(yè)相機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度粗調(diào)，在每個采集模塊支撐架兩側(cè)有圓弧形滑動槽，可以對支撐架內(nèi)的視覺采集模塊旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行微調(diào)。

2.2 車載式測速裝置

為精確采集視覺檢測機(jī)器人坐標(biāo)信息，研發(fā)人員設(shè)計了一種車載式測速裝置，如圖6 所示。

殼體內(nèi)裝有測速裝置，兩側(cè)通過安裝前、后板固定，導(dǎo)向軸一端與傳感器連接、另一端與法蘭固定，法蘭通過其上的螺母柱與車輛輪轂連接，進(jìn)而隨車輪一起轉(zhuǎn)動；殼體上端通過緊固螺母與導(dǎo)向桿連接，導(dǎo)向桿與固定桿構(gòu)成一個移動副，可實現(xiàn)沿桿中心線方向的往復(fù)運動；內(nèi)、外夾板通過螺栓與車體固定加緊，L 型固定支座兩端與外夾板及卡環(huán)連接，卡環(huán)固定于固定桿上。

圖6 車載式測速裝置

該結(jié)構(gòu)可適應(yīng)復(fù)雜路況引起的車體顛簸和偏移，保護(hù)高精度測速裝置不受損壞，并且時刻保持測速裝置隨車輪同步轉(zhuǎn)動，保證了車輛坐標(biāo)信息的精確度。

3 工程應(yīng)用

研發(fā)團(tuán)隊將機(jī)器人、計算機(jī)視覺等技術(shù)應(yīng)用于隧道檢測領(lǐng)域，拓展了相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用范圍，形成了通用性能較好的隧道檢測用視覺機(jī)器人成套技術(shù)，解決了國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品普遍存在的因隧道斷面尺寸不同、行車軌跡不確定等原因造成的適用范圍小、圖像采集質(zhì)量差、檢測速度慢、病害識別自動化程度低等諸多技術(shù)難題。

隧道視覺檢測機(jī)器人成套系統(tǒng)自研發(fā)成功以來，已在重慶、四川、貴州、陜西、山西等省進(jìn)行了工程應(yīng)用，完成50 余條高速公路600 多座隧道的檢測業(yè)務(wù)，應(yīng)用效果得到了業(yè)主的一致好評，圖7 為隧道檢測現(xiàn)場。

圖7 重慶酉沿高速檢測現(xiàn)場

實踐證明，隧道智能檢測車工藝設(shè)計合理，軟硬件性能穩(wěn)定可靠，技術(shù)成熟性高，技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，圖像采集精度高，可在80 km/h 行駛速度下實現(xiàn)隧道裂縫、滲水、剝落、襯砌變形、蓋板破損及缺失等病害的全自動識別，大幅度降低時間和成本，可滿足各種等級公路隧道的日常、定期、專項檢測要求；數(shù)據(jù)中心可滿足隧道海量圖片的存儲、分析、處理和病害識別。與人工檢測相比，利用數(shù)據(jù)中心生成的檢測報告，能夠直觀反映隧道實際的表觀病害情況，具有病害識別速度快、準(zhǔn)確率高等特點，便于隧道運管單位進(jìn)行制定養(yǎng)護(hù)計劃。

表1 隧道病害統(tǒng)計表

表2 隧道襯砌病害記錄表

4 結(jié)語

研究人員從工程實際出發(fā)，設(shè)計研發(fā)了視覺采集角度調(diào)節(jié)裝置和車載測速裝置，實現(xiàn)了對車載工業(yè)相機(jī)拍攝角度的精確調(diào)節(jié)以及病害坐標(biāo)的高精度獲取；組建了數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了海量隧道圖像數(shù)據(jù)的存儲、處理和管理，提高了隧道病害識別速度。隧道視覺檢測機(jī)器人成套系統(tǒng)的研發(fā)成功大幅降低隧道檢測時間和檢測成本，便于對公路隧道進(jìn)行定期檢測和數(shù)據(jù)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(hù)費用等多方面發(fā)揮不可替代的作用。同時對提高公路、鐵路隧道智能化檢測水平方面具有重要意義。