純機器視覺盾尾間隙自動檢測裝置關鍵技術研究

楊宏燕（上海隧道工程有限公司，上海 200233）

盾構法隧道施工過程中，盾構千斤頂支撐成環管片端面，成環管片的外圓與盾殼內圓之間的距離稱為盾尾間隙。是否及時正確掌握盾尾間隙數據是盾構糾偏和管片定位操作決策的重要依據之一。目前隧道施工主要采用人工測量的方法獲得盾尾間隙數據。人工測量盾尾間隙的基本測點一般位于成環管片平面的正交軸線上。每推完一環和拼完管片各測量一次。人工測量數據的正確性與盾尾間隙測點的光線、視角、視距相關，且與測量者設置直尺的垂直度相關。因此，人工測量盾尾間隙數據的正確性具有一定離散型。

近年來，某些盾構制造商在盾構測控系統中配置了定制的盾尾間隙檢測裝置，但均未有效解決惡劣檢測環境適應性的技術難題。研制純機器視覺盾尾間隙檢測裝置的目的是期望解決盾尾間隙檢測裝置現有技術的共性難題，對促進盾尾間隙檢測裝置環境適應性的研究具有積極意義。

1 盾尾間隙自動檢測技術發展狀況

盾尾間隙自動檢測裝置按檢測原理可劃分為機械傳動原理、激光原理、機械激光原理、超聲波原理、線激光視覺原理與純視覺原理等。

（1）機械傳動原理檢測裝置。日本三菱公司、IHI 公司早期開發機械原理盾尾間隙自動檢測裝置，傳動結構夾持電子檢測裝置伸入盾殼與管片之間測出盾尾間隙數值。現場應用常會發生盾尾油脂污染或同步注漿漿液固化檢測裝置傳動結構的故障。

（2）激光原理檢測裝置。英國 VMT 公司早期開發 SLuM激光盾尾間隙檢測裝置，缺陷是受管片拼裝機工作方式限制，無法安裝在盤式拼裝機的盾構上。

（3）機械激光原理檢測裝置。上海盾構設計實驗研究中心有限公司開發的激光機械式盾尾間隙自動檢測裝置安裝在推進千斤頂根部，帶激光測距儀的旋轉編碼器搜索管片邊緣，根據測距和轉角信息計算盾尾間隙。該裝置限于非掘進狀態檢測。

（4）超聲波原理檢測裝置。德國海瑞克公司在上海市北橫通道盾構的盾尾內圓結構表面配置超聲波傳感器。當發射端和接收端之間受盾尾油脂或漿液污染后存在可靠性問題。

（5）線激光視覺原理檢測裝置。日本 ENZAN KOUBOU公司開發的線激光視覺原理盾尾間隙自動檢測裝置安裝在推進千斤頂根部，計算機根據千斤頂行程跟蹤線激光位置，由視覺軟件判定激光線條的位置變化。但未見實際應用現場環境適應性的相關文獻。

（6）純視覺原理檢測裝置。早期 STEC 公司開發的純視覺原理盾尾間隙自動檢測裝置安裝在千斤頂頭部的極楦上，掘進過程中圖像的管片位置始終恒定，但盾尾內側相對管片無可靠位置信息。

機械傳動原理、激光原理、機械激光原理、超聲波原理與線激光視覺原理這 5 種檢測原理的裝置在施工現場理想工況條件下均能成功應用，但在惡劣環境或特殊工況條件下未必能成熟應用。早期開發的純視覺原理檢測裝置未解決純視覺原理盾尾間隙檢測裝置的關鍵技術難題。

2 研制純機器視覺盾尾間隙檢測裝置的關鍵技術

2.1 總體技術方案

采用 0.5 英寸 CCD 網絡攝像機作為機器視覺傳感器。定焦鏡頭焦距為 6.2 mm，視場角（H/O/V）57°/47°/37°，調焦景深范圍 600～2 800 mm。攝像機保護等級 IP 65。攝像機安裝在 2 個千斤頂根部之間的盾構本體鋼結構上，可避免盾尾油脂和注漿漿液污染。在盾殼無可靠參照物工況下，以攝像機 CCD 坐標系為基準，辨識和判斷管片特征邊在 CCD坐標系上的位置變化，由此計算出盾尾間隙。

2.2 關鍵技術

針對無可靠參照物的運動管片在圖像上近大遠小、現場各種光污染對機器視覺檢測干擾等難題，構建純機器視覺盾尾間隙檢測裝置主要功能模塊，具體如圖 1 所示。機器視覺管片邊界提取方法旨在克服環境變化光干涉，以提高管片特征邊界圖數轉換的有效性。純機器視覺盾尾間隙檢測方法以CCD 坐標系為基準，在垂直運動物距條件下解析平面移動管片對應的盾尾間隙數值。自動跟蹤視覺目標區域方法是抑制攝像機安裝位置及視圖失真引起的盾尾間隙檢測誤差。管片圖像特征邊界點網格過濾方法是規避視圖中的各種視覺干擾因素。本文重點分析中間 3 個功能模塊的關鍵技術。

圖1 純機器視覺盾尾間隙檢測裝置主要功能模塊

3 純機器視覺盾尾間隙檢測方法

由于視覺圖像中的盾構內殼無可靠參考位置信息，因此利用攝像機安裝位置與盾尾內殼相對靜止特點，建立基于CCD 坐標系的盾尾間隙解算方法。

3.1 建立 CCD 坐標系

建立以 CCD 圖素中心為基準的直角坐標系。圖像中管片二邊像素和是管片左邊和右邊像素的絕對值之和，其計算公式如式（1）所示。

式中：Y—圖像中管片二邊像素之和；

L—CCD 縱軸中心到管片左邊界的像素值絕對值；

R—CCD 縱軸中心到管片右邊界的像素值。

3.2 管片物距與管片二邊像素和的關系

管片物距與圖像中管片二邊像素之和的定量關系如式（2）所示。

式中：Y—圖像中管片二邊像素之和；

b—像素系數；

x—千斤頂的實際長度，mm；

a—攝像機安裝的位置系數。

在千斤頂近距離 (x0) 時，人工獲得管片二邊像素和(Y0)；在千斤頂遠距離 (x1) 時，人工獲得管片二邊像素和(Y1)，分別將 (x0，Y0)、(x1，Y1) 代入式（2），解聯立方程得a、b，如式（3）、（4）所示。

3.3 求解盾尾間隙的值

可利用式（2）求得有效物距范圍視圖中管片二邊的像素和 (Y)，則式（5）或式（6）只需一條管片邊的像素值，就能得到所測管片間隙的結果。式（5）適用僅有管片左邊像素值 (L)、式（6）適用僅有管片右邊像素值 (R)。

式中：d—盾尾間隙計算結果;

dz—動態零點（由人工初始化標定確定）；

h—管片厚度，mm。

3.4 標定動態零點

盾尾間隙零點隨掘進距離動態變化。盾尾間隙零點標定時，分別將近距離 (x0) 人工測量盾尾間隙 (dm0) 值和遠距離(x1) 人工測量盾尾間隙 (dm1) 值分別代入式（5）的d，得公式（7）～（10）。

4 自動跟蹤視覺目標區域方法

針對攝像機定位產生的管片特征邊界信息點的水平、高程、旋轉方向偏差的技術難題，建立視覺工具自動跟蹤目標區域方法，使視覺軟件控件工具在視圖中直接進入管片邊界特征點區域搜索。最終可自動適應視場方向、視角旋轉等安裝誤差因素，提高圖數辨識的效率。

4.1 特征邊界目標區域跟蹤定位

同理，由人工確認近距離 (x0) 管片邊界特征點的高程分量像素值 (ζ0)，遠距離 (x1) 確認該管片邊界特征點的高程分量新的位置像素值 (ζ1)。可求管片邊界特征點的高程分量跟蹤定位值，如式（13）、（14）所示。

4.2 定義工具尺寸

在初始化參數集中，定義近距離工具寬度tw0（像素值），遠距離工具寬度tw1（像素值），寬高比tk，計算公式如式（15）～（17）所示。

4.3 特征邊界點跟蹤方式

5 管片網格邊界特征點過濾方法

建立管片網格邊界特征點過濾方法，其意義在于可過濾現場若干雜光等圖形干擾信息，提高盾尾檢測可靠性。

5.1 網格邊界特征點定義

（1）利用有效可視邊界。除了管片內外徑在圖像上的左右兩條邊外，圖像上的管片防水膠條邊界可以利用。僅利用膠條邊界求盾尾間隙的方法，如式（18）所示。

hr—膠條右邊界到管片右邊界的距離。

（2）網格邊界特征點數組。設j為有效檢測邊(j=1～3)，j=1 為管片左邊界L、j=2 為貼在管片上的橡膠條右邊Lr，j=3 為管片右邊界R。設k為每條邊測點高度的層次，k=1 為上 1 F、k=2 為上 2 F、k=3 為上 3 F、k=4為中層、k=5 為下 1 F、k=6 為下 2 F、k=7 為下 3 F。由此，管片網格邊界任一有效特征點的檢測信息可由下標 [j,k]的二維數組定義。

5.2 網格邊界特征點初始參數

由于攝像機平面、高程和旋轉視角安裝誤差會引起視圖失真，因此對管片網格中每個邊界特征點分別進行標定，記錄標定千斤頂近距離 (x0) 信息。標定確認或求出下列標定數組參數如表 1 所示。

表1 標定數組變量定義

5.3 僅用 1 個網格邊界特征點求解盾尾間隙

用表 1 標定數組變量代入式（2）、（1 0）、（5）～（7）、（1 8）的相應變量，求得管片網格邊界特征點的盾尾間隙集群輸出，計算公式為式（19）～（21）。

式（19）～（21）中的數組變量定義參考式（6）、（7）、（18）的相應變量解釋。

5.4 網格化盾尾間隙檢測集群數據的篩選

可采用重心法篩選網格化盾尾間隙 21 個節點的檢測數據，得出視覺圖像當前周期盾尾間隙檢測結果。

6 工程應用情況

掘進 6 環的 5 個受檢測點的統計數據反映盾尾間隙自動檢測裝置的精度 ＜ 4 mm，符合工程實際應用需求。

7 結 語

（1）研制成果具有較高的技術創新質量。示范工程應用數據結果反映所研制的純機器視覺盾尾間隙自動檢測裝置的技術創新點具有明顯的工程應用實際效果。① 建立的“前后運動管片圖像的盾尾間隙檢測方法”最少由管片1個有效邊界特征點信息就可解算出盾尾間隙，避免了變化物距產生的計算誤差，提高了檢測結果的正確性。② 建立的“圖像特征點網絡過濾方法”具有規避管片上潮濕痕跡、管片上文字痕跡、防水條不規則狀態、施工環境局部炫光、強逆光等干擾因素，提高了環境適應性。③ 建立的“圖像特征點自動跟蹤方法”抑制了安裝位置“傾斜” “旋轉”因素產生的視圖位置失真引起的檢測誤差，提高了現場調試維護的效率。

（2）可進一步優化的技術措施。① 可適當提高攝像機的CCD 像素值。② 現場照明可采取格柵防炫光輔助措施。

純機器視覺盾尾間隙自動檢測裝置應用軟件的核心算法，在上海市北橫通道東線施工應用過程中結合現場工況不斷深化、細化和優化。由第三方專業單位在北橫通道東線 1 398 環～2 000 環之間取 6 環進行人工精測，結果與機器實測記錄數據對比。共測試 5 個盾尾間隙檢測裝置（1號～2 號，5 號～7 號）。安裝在盾構上部 7 號盾尾間隙檢測位置的檢測數據分析結果如表 2 所示。

表2 7 號攝像機盾尾間隙檢測數據正確性分析表 mm