基于DXF文件的鐵路隧道襯砌病害矢量化研究與應用

劉艷芬 柴雪松 雷林 吳玉哲 陳學喜 李健超 于國丞

1.中鐵科學技術開發有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵路蘭州局集團有限公司工務部，蘭州 730000

高效的周期性檢測及精確維修是保證鐵路運營安全和延長隧道壽命的關鍵手段。目前鐵路工務部門檢測隧道襯砌病害的方法主要有機器視覺法、地質雷達法、激光掃描法、聲波檢測等［1-6］。鐵路隧道襯砌智能檢測系統可靈活安裝于工務軌道車或專用車輛上，已在中國鐵路成都局、蘭州局、廣州局集團有限公司的工務軌道車以及中國鐵道科學研究院集團有限公司的輪軌式、輪胎式高速鐵路隧道檢測車上應用，在滬昆高速鐵路、貴廣客運專線、長琿城際鐵路、蘭渝鐵路等運營線路上使用，在銀西鐵路、鄭萬鐵路、太焦鐵路等新建線路檢測中使用，涵蓋不同線路等級、斷面尺寸、單雙線路的隧道。

傳統的轉化方法是采用人工二次錄入的方式，將病害信息數據繪制到CAD矢量圖上，存在工作量大、出錯率高等問題。本文結合隧道襯砌表觀病害智能檢測系統，在機器視覺法的基礎上，將相機拍攝的位圖文件中病害像素點轉化為病害的二維點云數據，然后通過Alpha Shapes算法［7-9］提取病害的輪廓邊界點，最后將病害的輪廓通過C++編寫的程序繪制到CAD矢量圖中。通過研究圖形交換格式（Drawing Interchange Format，DXF）文件的內容，提出基于DXF文件的隧道襯砌病害矢量圖的自動生成方法。

1 隧道襯砌病害矢量化研究

1.1 隧道襯砌表觀病害檢測原理

隧道襯砌表觀病害智能檢測系統采用高速成像和激光掃描技術，實現隧道襯砌表觀高清圖像和限界數據的快速采集，同時基于深度學習技術實現襯砌開裂、剝落（掉塊）、滲漏水等表觀病害輪廓、位置的自動識別以及長度、寬度等特征的自動提取。

以單洞雙線隧道為例，將多通道高清圖像采集單元采用合適的交叉布局方式安裝在檢測車上，當檢測車以一定運行速度在隧道內部檢測時，高清相機會對視野范圍內的隧道表面進行成像。根據每個相機安裝的位置和成像視野，將隧道襯砌拱墻劃分為八個區域，每個區域對應相機的成像通道，如圖1所示。

圖1 多相機的成像通道

當檢測車在上行線檢測運行時，1#—4#相機同時對隧道內表面的左半側拍攝成像；當檢測車在下行線檢測運行時，5#—8#相機同時對隧道內表面的右半側拍攝成像。通道可以表征病害在隧道環向上的坐標信息。

將1#—8#通道的圖像數據按一定規則進行自動拼接，環向上剔除冗余，縱向上對齊并配準里程，按施工縫切分，得到全斷面高清大圖。

1.2 表觀病害識別

采用深度學習技術訓練多任務和多尺度的病害識別算法，輸出縱向里程位置、環向拱墻區域等病害位置，精確提取病害輪廓，給出像素序列。根據像素尺度計算病害長度、寬度、面積等幾何特征。系統可自動識別的特征有線條型病害（裂縫、網狀裂縫等）和區域型病害（剝落掉塊、施工縫破損、滲漏水等）。

1.3 病害里程定位

對于在二維平面圖上標識病害屬性信息和隧道臺賬信息的相對位置關系，里程定位的精確程度和描述方式至關重要。系統基礎定位依靠安裝在軸頭的光電旋轉編碼器實現，其輸出寬度固定且能自適應檢測速度的脈沖信號，通過脈沖寬度和脈沖計數實現里程計算。相機的觸發依賴相同的脈沖源，因此可實現圖像和里程的初步配準。定位精度一般可達到每公里誤差1 m以內。

針對某一座隧道，其入口、出口、公里標、半公里標是很好的里程校準依據，可實現分米級定位。根據隧道固定設施標志標識、施工縫等圖像特征，可實現縱向和環向的厘米級定位。

本文實現的鐵路隧道病害矢量圖自動生成方法采用線路里程、洞身里程、斷面信息綜合進行描述。使用斷面坐標將線路里程、關聯圖像與病害精準定位。里程坐標和斷面坐標之間的數學關系為

式中：L為隧道的洞身里程；c為常數，與檢測車的運行速度、編碼器的采樣頻率等有關；N為斷面坐標值；V x為斷面在x維度上的像素值。

檢測車測得的斷面如圖2所示。中間的三條淺灰色曲線，每兩條曲線之間便是一個斷面。斷面的坐標方向是隧道的大里程方向，從隧道入口到隧道出口逐漸增大。隧道縱向的里程可以使用斷面坐標表示。

圖2 斷面示意

1.4 隧道襯砌病害矢量圖設計

1.4.1 底圖設計

矢量圖的原點是面向大里程時隧道左側墻角。矢量圖橫軸沿隧道方向，其長度取決于隧道的長度。為方便核對和讀取病害在隧道縱向上的位置，矢量圖橫坐標使用線路里程、洞身里程、斷面序號三種標識。其中，隧道洞身里程和斷面的起點都是相對于隧道入口，即隧道入口的洞身里程是0，斷面序號是1。

矢量圖的縱軸為隧道環向，垂直于線路方向，高度取決于隧道橫斷面的內周長，內周長通常由線路運行速度和隧道單雙線類型決定。為方便找到病害在隧道環向上的位置，縱坐標的標識有下行起拱線、下行線路中線、隧道中線、上行線路中線、上行起拱線。典型橫斷面如圖3所示。

圖3 隧道的典型橫斷面

1.4.2 病害圖元及圖層設計

病害圖元根據病害類型和輪廓形狀進行定義。根據輪廓形狀可以分為線條型病害和區域型病害，其中線條型病害有裂縫，區域型病害有襯砌剝落掉塊、施工縫破損、滲漏水、襯砌不密實等。線條型病害的種類相對較少，可以使用AutoCAD中的折線或多線段繪制。區域型病害的種類相對較多，可以使用AutoCAD中的填充模式BOX、ANSI38等進行定義區分，見表1。

表1 病害名稱及圖元類型

根據Q/CR 405.2—2019《鐵路橋隧建筑物劣化評定第2部分：隧道》中拱墻襯砌裂縫、滲漏水等病害的劣化指標等級評定，將病害劃分為AA（極嚴重）、A1（嚴重）、B（較重）、C（較輕）、D（輕微）五個劣化等級，并分別使用紅色、橙色、黃色、藍色、綠色五種顏色對病害圖元進行等級區分顯示。為方便查閱標記矢量圖中同一劣化等級的所有病害，將病害圖元按劣化等級分別存放在圖層1—圖層5中。

2 隧道襯砌病害矢量化實現

2.1 DXF文件分析

DXF文件是AutoCAD圖形文件中包含所有信息的一種帶標記數據的表示方式文件。由于其具有結構嚴密、易于讀取等特點，現已成為國際上較為通用的圖形交換格式之一。一個完整的DXF文件由六個段組成，按順序分別是標題段（HEADER）、類段（CLASSES）、表段（TABLES）、塊段（BLOCKS）、實體段（ENTITIES）、對象段（OBJECT），其生成流程見圖4。

圖4 DXF文件生成流程

1）標題段。標題段記錄了所有標題變量的當前值或當前狀態。這些標題變量記錄了圖形系統的當前狀態。

2）類段。類段包含的信息適用于應用程序定義的類，這些類的實例出現在數據庫的BLOCKS、ENTITIES和OBJECTS段。

3）表段。表段包含若干個表，每個表都包含多個條目。本研究表段有4個表，包括線型表、圖層表、字體表、視圖表的定義。

4）塊段。塊段包含所有塊的定義，其中包括由HATCH命令和由關聯標注生成的匿名塊。每個塊定義都包含在圖形中使用該塊時構成該塊的圖元。此段中的圖元格式與ENTITIES段中的相同。BLOCKS段中的所有圖元都出現在BLOCK和ENDBLK圖元之間。BLOCK和ENDBLK圖元僅出現在BLOCKS段。

5）實體段。實體段記錄了每個實體的名稱、所在圖層的名字、線型、顏色、厚度、實體描述字及有關的幾何數據。多線段的主要組代碼和組值見表2。可知，DXF文件實質是一組表達具體圖形程序的執行指令，若能找到描述各個段和實體的組碼和組值的規律，便可使用高級語言編寫實現DXF文件自動生成的程序，將隧道病害信息寫入DXF文件中。

表2 多線段組代碼和組值

6）對象段。對象與圖元類似，唯一不同的是對象沒有圖形或幾何意義。初圖元、符號表記錄、符號表之外的所有對象都存儲在對象段。該段通過所有權表示一個具有對象的拓撲次序的對象同類堆，因此所有者始終出現在它們所擁有的對象之前。

2.2 矢量化方法

基于DXF文件的隧道襯砌病害矢量化，是使用C++語言將隧道病害信息寫入到DXF文件的實體段中，流程見圖5。可知，鐵路隧道襯砌病害矢量化主要有兩部分：①CAD矢量圖的底圖和圖例部分的生成；②CAD矢量圖中病害圖元和病害標注信息的生成。

圖5 矢量化方法代碼生成流程

2.3 隧道襯砌病害矢量圖中底圖和圖例部分生成

在隧道襯砌病害矢量圖的底圖生成之前，應根據隧道的信息數據計算底圖的長度和寬度。底圖寬度h和長度L的計算式為

式中：C為隧道橫斷面的內周長，是由隧道所在線路的運行速度和隧道的單雙線別決定；hd為矢量圖下邊框的高度；hu為矢量圖下邊框的高度；a為鐵路隧道襯砌病害智能檢測系統的系統補償；N為該病害所在斷面數；Lr為矢量圖右邊框的長度；Ll為矢量圖左邊框的長度。

矢量圖橫軸的線路里程、洞身里程、斷面數值三種標識如圖6（a）所示。根據檢測隧道的病害種類設計圖例中病害圖元類型，如圖6（b）所示。因此，在隧道襯砌病害矢量圖底圖和圖例生成之前，應加載隧道的線路名稱、線路運行速度、線路單雙線別、隧道名稱、隧道類型、隧道起始里程、隧道終止里程、隧道長度，檢測斷面數量、病害種類等隧道的信息數據。

圖6 隧道襯砌矢量圖底圖和圖例

2.4 隧道襯砌病害矢量圖病害圖元

病害圖元的生成由兩部分組成：①病害二維點云數據的邊界提取；②病害坐標的轉化和屬性的計算，生成圖元和文字注釋部分。

2.4.1 輪廓提取

為方便在矢量圖上查找區分病害，須將病害的輪廓顯示在矢量圖上，因此應對病害的點云數據進行邊界輪廓的提取。使用Alpha Shapes可快速提取數據點云的邊界輪廓點。

由高清圖像采集單元獲取的隧道表觀病害圖像經過圖像處理后得到病害的點云數據，如圖7（a）所示。圖7（b）中紅色散點便是點云數據經Alpha Shapes算法提取后的邊界點。由于邊界點是按照橫軸順序存儲的，應對提取后的邊界點數據進行排序，基于排序后的數據點繪制病害的輪廓曲線，如圖7（c）所示。

圖7 病害圖像

2.4.2 坐標變換

病害i的輪廓數據坐標（x i，y i）是相對于一個斷面的，需要將病害i的斷面坐標轉換成矢量坐標（X i，Y i）。病害坐標的轉換式為

式中：V x為斷面在x維度上的像素值。

病害屬性包括線條型病害的長度l、區域型病害的面積S，計算式為

式中：（x i，y i）和（x i+1，y i+1）是病害相鄰兩點的坐標；n+1是線條型病害數據點的個數。

區域型病害的面積可用病害的外接矩形面積近似代替，即矩形長度與寬度的乘積。矩形的長度是病害在橫軸上的最大值Xmax與最小值Xmin的差，矩形的寬度是病害在縱軸上的最大值Ymax與最小值Ymin的差。

將上述信息數據遵照DXF文件實體段中的多線段、填充、文本等圖元格式規則，寫入DXF文件中，便完成了隧道襯砌病害矢量化程序中的實體段部分。

2.5 應用實例

對某鐵路局管轄范圍內一隧道進行襯砌病害檢測，并將病害的圖像信息轉化為矢量圖，如圖8所示。

圖8（a）是高清相機拍攝的線條型病害裂縫的位圖，圖8（c）是對應的裂縫病害在矢量圖上的圖元，從圖8（c）可清晰地識別病害的種類是裂縫，病害的長度是5.1 m，寬度是0.5 mm，劣化等級是D（輕微）。

圖8（b）是高清相機拍攝的區域型病害施工縫破損的位圖，圖8（d）是對應的施工縫破損病害在矢量圖上的圖元，從圖8（d）可清晰地識別病害的種類是施工縫破損，尺寸是5 768 mm×909 mm，劣化等級是C（較輕）。

圖8 隧道襯砌病害位圖和CAD矢量圖

3 結語

隧道襯砌病害矢量圖的自動生成方法應用廣泛，適用于運營速度是350、250、200 km/h的單雙線隧道。通過在多條運營線路使用發現，基于DXF文件生成隧道病害AutoCAD圖，操作簡單，可實現人工零參與，彌補人工繪制隧道矢量圖的技術不足，實現隧道矢量圖的一鍵生成，顯著提升病害展示的效率和準確率，提高了隧道病害檢測工作的效率，減少了人工成本。