基于機器視覺的隧道智能檢測技術研究現狀及技術分析

薛春明

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隧道在運營期間，襯砌結構會因為設計不合理、施工不當、地質災害、運營年限、氣候條件等原因產生各種病害，嚴重影響著隧道運營安全，因此，公路隧道需要定期進行檢測，及時發現初期病害，并跟蹤病害發展趨勢。高速公路具有行車速度快、車流量大、允許檢測時間短等特點，而傳統隧道襯砌裂縫、滲水、剝落的檢測手段和設備還相對落后，主要以人工手段為主，結果依賴于檢測人員水平，無法滿足快速檢測和數字化管理需求，難以統計和分析病害發展趨勢[1]。

近年來，國內外機構開始了隧道快速檢測裝備研究工作，主要有以德國SPACETEC 公司為代表的隧道激光掃描系統和以山西交科、日本株式會社、上海同巖、武大卓越和武漢長盛為代表的機器視覺技術。激光掃描技術主要是通過激光掃描儀實現對隧道輪廓及斷面收斂自動檢測，但激光掃描儀轉速和頻率限制，檢測速度較慢；機器視覺技術主要是通過相機搭載光源獲取隧道襯砌表觀圖像，通過軟件系統進行圖像處理、病害識別和數據管理，生成襯砌表觀圖和病害統計報表。機器視覺技術由于采集速度快、識別精度高，是目前最受關注的隧道快速檢測方法[2]。

1 隧道智能檢測技術發展概況

近年來，國外研究機構開始將機器視覺應用于公路隧道快速檢測中，按照相機類型的不同，可分為商業相機和工業相機。商業相機以長盛檢測技術開發有限公司為代表，工業相機按照CCD 相機類型，分為以上海同巖和武大卓越為代表的攝像面掃描系統，以山西交科和日本株式會社（北京雷德華澳）為代表的攝像線掃描系統[3-4]。

1.1 日本倉敷紡績株式會社

圖1 智能隧道檢測系統

日本倉敷紡績株式會社探索性地將該視覺檢測引入公路隧道檢測領域，研發了首臺智能隧道檢測系統，北京雷德華澳公司于2014 年將該產品引入國內，該智能檢測系統由3 臺線掃描相機、高強度光纖光源及慣性導航等設備組成，可在80 km/h 行駛速度下實現裂縫、滲水、剝落、襯砌變形的隧道病害的檢測。隧道智能檢測系統如圖1 所示。

1.2 上海同巖

上海同巖的公路隧道快速檢測系統基于面掃描技術，系統搭載工業面陣相機和紅外補光燈實現隧道襯砌表觀連續拍攝。該公路隧道快速檢測系統包括數據采集系統、數據管理和分析系統以及病害展示系統，可在80 km/h 行駛速度下實現裂縫、剝落、滲漏水、露筋的檢測。公路隧道快速檢測車如圖2 所示。

圖2 公路隧道快速檢測車

1.3 武大卓越科技

武大卓越科技于2015 年下線的隧道快速測量系統，基于面掃描技術，該系統將16 臺工業面陣CCD 相機、LED 照明光源等元器件集成于車輛上，可在80 km/h 行駛速度下實現裂縫、滲漏水、起層、剝落的檢測。隧道快速測量系統如圖3 所示。

圖3 隧道快速測量系統

1.4 武漢長盛檢測技術開發有限公司

武漢長盛檢測技術開發有限公司于2016 年下線的隧道裂縫全景快速檢測系統如圖4 所示，該系統采用4 臺商業單反相機和多個頻閃補光燈構成，可在30 km/h 行駛速度下實現隧道裂縫、剝落、滲水、襯砌變形檢測。

圖4 隧道裂縫全景快速檢測系統

1.5 山西交通科學研究院集團有限公司

山西交通科學研究院集團有限公司自主研發的隧道智能檢測系統如圖5 所示，該系統基于線掃描技術，搭載激光光源，可在80 km/h 行駛速度下實現裂縫、滲水、剝落、襯砌變形等隧道病害的全自動識別。

圖5 隧道智能檢測系統

2 分析比較

基于機器視覺的隧道智能檢測設備技術指標如表1 所示。

表1 基于機器視覺的隧道智能檢測設備技術指標

日本株式會社研發了世界首臺隧道快速檢測車，填補隧道快速檢測空白，但為保證圖片采集質量，采用12 臺高強度光纖光源，致使車載系統能耗高，成本昂貴，由于國外技術壟斷，系統造價較高；且無法實現圖像自動化處理與特征識別，需要計算機自動識別和人工修正相結合，人工修正的工作量大。

武大卓越科技隧道快速測量系統和上海同巖隧道快速檢測車采用面掃描技術，雖然對拍攝距離、外界振動敏感性較低，但對光照強度和均勻性要求高；受光源頻率限制，系統檢測速度較慢，而且必須是恒速運動；同時，隧道襯砌是一個圓弧斷面，為了保證圖像不失真，需要使用多臺相機拍攝，導致照明強度不均勻、系統復雜、數據量大、造價高等問題；更重要的是隧道圖像由多臺面陣相機同步拍攝而成，使得圖像全自動拼接效果較差，嚴重影響病害精準測量和自動識別。

武漢長盛檢測技術開發有限公司隧道裂縫全景快速檢測系統采用商業單反相機，與工業相機相比，曝光時間、同步觸發時間等參數非常小，因此該產品檢測速度比較慢；同時商業單反相機遠距離拍攝物體時分辨率下降明顯，且單反相機采用隔行壓縮技術，圖片無法還原到初始容量，導致后期處理時圖片失真，病害識別效果較差。

山西交科集團自主研發的隧道智能檢測系統采用工業線陣相機搭配激光光源實現了對隧道襯砌表面連續拍攝，光源亮度均勻，功耗小；同時，通過上位機軟件，可調整相機的重要參數及光源亮度，使拍攝效果達到最優；另外，系統配置了激光掃描儀、陀螺儀等高精度傳感器，可在采集圖像的同時獲取隧道環境信息與車輛行駛信息，利用這些數據矯正隧道輪廓、車輛行駛路徑等因素對拍攝圖像的影響，從而提高了檢測結果的準確性 。

3 結論

傳統公路隧道質量檢測以人工檢查為主，結果依賴于檢測人員水平，遠不能滿足需求。機器視覺隧道智能檢測技術由于采集速度快、識別精度高，是目前最受關注的隧道快速檢測方法，可通過相機搭載光源實現隧道病害的快速采集，通過軟件系統進行圖像處理，病害識別和管理，并生成襯砌表觀圖和病害統計表。雖然，目前隧道檢測車圖像采集技術已較為成熟，能夠在不封閉道路情況下，以較快速度完成隧道襯砌表觀圖像采集，但是，在隧道病害處理過程中，只能實現對部分病害的自動識別，存在識別準確率低、誤報率高等問題，下一步需要重點針對隧道病害自動識別開展研究工作。