基于三維激光掃描技術在地鐵隧道形變監測的應用研究

徐 濤

（新疆鐵道勘察設計院有限公司，烏魯木齊830011）

隨著鐵路的高速發展，對鐵路隧道形變的測量是必不可少的，測量的隧道形變數據對于地鐵運行狀態的安全是十分重要的，傳統的形變測量方法也有許多，這些方法雖然有較高的精度，但測點數量較少，無法全面反映隧道的形變。

針對上述傳統測量方法存在的不足，相關文獻也有相應的研究，文獻[1]基于巴塞特收斂系統的地鐵隧道性變監測，該方法能夠精準的測量隧道的變形數據，并且能夠定位變形坐標，但該方法對測量的點數較少，不能夠全面的對隧道進行整體測量，不能全面反映隧道的變形；文獻[2]提出了一種移動激光掃描儀進行對地鐵隧道形變監測，該方法能夠全面的測量隧道形變，并且測量的準確度較高，但該方法對于測量的速度較慢，每測量一段區域，就需要進行移動。

基于上述文獻中存在的問題，本文提出了基于三維激光掃描技術的隧道形變監測，設計了三維振鏡式激光掃描系統[3]，完成了地鐵隧道變形的監測。

1 三維激光掃描系統的設計

本文設計了一個三維振鏡式激光掃描系統，包括控制系統、激光器、光學系統和振鏡掃描系統[4]，三維振鏡式激光掃描系統結構如圖1所示。

圖1 三維振鏡式激光掃描系統結構圖Fig.1 Structure diagram of a three-dimensional galvanometer laser scanning system

控制系統是整個三維激光掃描系統的核心部分，掃描控制卡與上位機系統相連接，實現上位機到掃描控制卡的數據傳輸，控制系統與上位機系統之間的通信方式采用的是PCI 總線，該總線具有高速、兼容性強、即插即用以及支持設備主控的特點，實現二者之間穩定且高速的傳輸數據。控制系統中還采用了PCI9052 和FPGA 芯片，PCI9052 芯片是一款160 針的低功耗CMOS 芯片，采用了PQFP 封裝的目標模式的接口芯片[5]，PCI9052 芯片的引腳功能如表1所示。

表1 PCI9052 芯片引腳功能描述Tab.1 PCI9052 chip pin function description

PCI9052 可以實現異步操作，PCI9052 本地總線與PCI 總線采用不同的時鐘頻率和電平標準，使得軟件設計更加靈活，支持發送和接收操作。FPGA 芯片具有強大的邏輯控制功能，能夠實現復雜的時序邏輯，并可在內部調用雙端口的RAM 緩沖數據，極大的減少了中斷響應頻率，確保數據的穩定傳輸[6]。

三維振鏡式激光掃描系統首先需要獲取三維零件截面的信息，通過上位機將三維零件的截面信息發送給控制系統。控制系統收到上位機發送的信息，將進行圖形識別、掃描路徑優化、圖形插補、激光開關控制、聚焦模塊聚焦信號計算等過程，得到數據信號控制激光器的激光輸出、動態聚焦模塊和兩軸掃描儀的掃描角度，可以將激光束精確聚焦在整個掃描面上的焦點上，并按照所需的路徑進行激光燒結。

振鏡掃描系統采用X 振鏡和Y 振鏡，使激光產生快速而精準的指向，實現單層界面的加工。光學系統確保光束在傳輸過程中的光束質量，保證隧道測量的精確度[7]。

2 關鍵技術

2.1 地鐵隧道形變監測數據通信系統

本文研究的三維激光掃描技術在地鐵隧道形變監測，對于監測到的形變數據傳輸給工作人員是十分重要的，因此該章節進行對地鐵隧道形變監測數據通信系統的研究。地鐵隧道形變監測數據通信系統如圖2所示。

圖2 地鐵隧道形變監測數據通信系統結構圖Fig.2 Structure diagram of subway tunnel deformation monitoring data communication system

本系統采用的是主從的通信方式，站級三維激光掃描形變監測系統將采集到的數據通過無線信號收發器，傳輸給監測數據庫。該通信方采用RS485總線將所有的三維激光掃描形變監測系統都連接起來，為了方便與上位機進行數據通信，數據的接收和發送采用無線信號，三維激光掃描隧道形變監測系統采集到的數據線儲存在PLC 中，通過無線方式將數據發送到上位主機[8]。該系統采用RS232 和RS485 轉換器，RS232 是一種串行通訊接口，該接口電路采取不平衡傳輸方式，具有聯絡控制信號的特點；RS485 在數據傳輸過程中，采用增加中斷的方法進行對信號放大，增加光纖傳播介質，實現了數據遠距離的通信。

在上位機與PLC的數據傳輸通訊協議中，忽略了對PLC 狀況的監測。事實上僅使用了數據請求幀的發送和數據幀的接受。在數據傳輸的過程中，數據長度與下一個發送的數據位數相等，由于每次發送的數據位數較多，除CRC 校驗外，增加了一個校驗數據對錯的方法，要將采集數據進行多次發送，為了讓上位機能將截斷的數據進行很好的整合。使用規定的通信協議可以使通信過程規范簡潔，保證接收數據的準確性，為數據融合和檢測信息的發布奠定基礎[9]。

2.2 基于點云隧道三維建模算法的地鐵隧道形變監測

本文研究了一種基于點云隧道三維建模算法的地鐵隧道形變監測，用于獲取地鐵隧道的相對變形信息，點云隧道三維建模算法的流程如圖3所示。

圖3 點云隧道三維建模算法流程Fig.3 Flow chart of point cloud tunnel 3D modeling algorithm

完成地鐵隧道變形的監測需要4 個步驟：

步驟1地鐵隧道的軸線提取方法

首先對隧道的原始點進行預處理，將隧道的原始點云數據轉化為txt 格式，為了使Matlab 程序進行進一步處理，將采集到的點云導入處理軟件中[10]。

地鐵隧道的軸線提取方法是對分割后的隧道點云進行圓柱面擬合，把圓柱面的軸線作為該段隧道的軸線。最小二乘法用于求解未確定的幾何參數，根據空間幾何理論，圓柱面有5 個獨立的未定參數[11]，即y0，z0，λ，?，R，其中y0表示軸線上固定點的y軸上的點；z0表示軸線上固定點的z軸上的點；λ 表示軸線與x軸正半軸的夾角；? 表示軸線與x軸負半軸的夾角；R表示圓柱底面半徑。點云中任一測點到圓柱面軸線的最短距離的計算表達式為

式中：pi=（xi，yi，zi）表示起初點云中隨意一個測點的坐標；c=（x0，y0，z0）表示圓柱面軸線上的一個固定點；表示圓柱面的軸向單位向量[12]。因為地鐵隧道形變非常小，因此設圓柱面的半徑為隧道的內半徑R，則獨立的待定參數為4 個，即y0，z0，λ，?。圓柱面擬合即求最優解：

式（2）中描述的最優化問題用Matlab 的Fmincon函數進行求解，本文提出了一種改進圓柱面擬合算法，使用少量點云進行圓柱面擬合，將擬合結果作為初始值對大量點云進行柱面擬合，從而節省了大量的計算時間。稀釋圓柱擬合點云，從而減少計算時間并保持一定的計算準確度[13]。刪除殘差較大的點后，再次進行圓柱面擬合，以提高計算準確度。

輸入隧道點云，形成三維坐標矩陣為

將點云減少到100 個點，形成三維坐標矩陣為

步驟2地鐵隧道的坐標變換即投影

為了進行三維建模，需要對點云進行坐標變換，為了計算方便，使坐標軸與隧道軸線方向一致，坐標原點位于隧道軸上。坐標變換后把點云投影到yoz平面，以便于進行降噪。

通過步驟2 對地鐵隧道點云進行坐標變換和投影。

步驟3地鐵隧道的降噪及平差

本文提出了一種基于誤差分布統計規律的降噪方法，根據測量學的誤差分布規律，由于測量的偶然誤差，同一角度的半徑坐標將呈正態分布，即當I=時，有：

為了避免I=?，可令Δθ 較小時式（13）成立。

結合式（13）可進行降噪處理，將點云分成360組，即令θ0=｛0°，1°，2°，…，359°｝，Δθ=0.5°，計算半徑與點云數量的關系。

降噪后，相同角度的半徑坐標仍然不相等。為了提高橢圓柱的擬合準確度，需要進行調整，將相同角度半徑坐標的測量值調整為平均值。調整后重新形成三維坐標矩陣，用柱坐標系表示。

步驟4地鐵隧道三維建模及形變分析

通過建立橢圓柱面三維模型，使隧道變形可視化，首先，導入用柱坐標系表示的三維點云坐標矩陣，采用橢圓擬合算法EFA，將二維的隧道輪廓線點云擬合成橢圓：

把橢圓柱面各個點的徑向位移ρe-R作為變形量，生成三維的徑向位移云圖，將坐標進行逆行變換，得到，即三維建模的變形分析。

3 實驗結果與分析

為了測試三維激光掃描技術在地鐵隧道形變監測中的精度和可靠性，并對此做了相關的實驗，首先進行模型的搭建，本實驗選用Proteus 進行實驗模型的搭建，試驗環境參數如表2所示。

表2 實驗環境參數Tab.2 Experimental environment parameters

本實驗采用的是遠程監測，監測的數據傳輸至辦公區，該實驗的實驗架構如圖4所示。

圖4 實驗架構圖Fig.4 Experimental architecture diagram

本實驗采用的數據是某地鐵隧道的一段隧道管節進行變形測量，該隧道的相關數據為，隧道內徑4 m，管節寬度2 m，橢圓長軸為4005 mm，橢圓短軸為4000 mm，采用三維振鏡式激光掃描技術、文獻[1]技術和文獻[2]技術分別對該隧道形變進行檢測，獻策結果進行對比。首先對測量的精準度進行對比，實驗中記錄的數據如表3所示。

表3 實驗結果數據Tab.3 Experimental result data

測量精準度實驗結果對比如圖5所示。

圖5 測量精準度實驗結果對比Fig.5 Comparison of experimental results of measurement accuracy

由圖5 可知，本文研究的基于三維激光掃描技術的地鐵隧道形變監測與實際隧道的數據相比，橢圓長軸差值為0 mm，橢圓短軸的差值為1 mm；文獻[1]與實際隧道的數據相比，橢圓長軸差值為4 mm，橢圓短軸的差值為8 mm；文獻[2]與實際隧道的數據相比，橢圓長軸差值為1 mm，橢圓短軸差值為2 mm。由此可見本文研究的基于三維激光掃描技術的地鐵隧道形變監測所測得的準確率最高。

在上述實驗的基礎上，對實驗的性能進行測試，本次測試是進行對多段隧道形變測量時，所消耗的時間的對比，測量消耗時間實驗結果對比如圖6所示。

圖6 測量消耗時間實驗結果對比Fig.6 Comparison of experimental results of measurer consumption time

由圖6 可知，本文研究的基于三維激光掃描技術的地鐵隧道形變監測系統在對10 段隧道進行形變監測時，消耗了20 s；文獻[1]在對10 段隧道進行形變監測時消耗了28 s；文獻[2]在對10 段隧道進行監測時消耗了32 s。由此可見，本文研究的系統進行隧道形變監測所消耗的時間最好，所以對隧道的形變監測最快，因此性能最高。

4 結語

由于傳統的隧道監測系統測點數量較少，無法全面反映隧道的形變，設計了三維振鏡式激光掃描系統，包括控制系統、激光器、光學系統和振鏡掃描系統，采用PCI 總線，實現數據高速、穩定的傳輸，采用PCI9052 接口芯片，來實現PCI 總線和底層控制芯片FPGA 的數據傳輸。采用X 振鏡、Y 振鏡以及光學系統確保光束的質量，實現三維激光掃描技術。本文研究的系統還存在著一定的不足，在對隧道形變監測時，在復雜的環境下，可能對隧道的形變監測出現精準度下降的問題，因此還需進一步研究，來應對復雜的環境。