智慧檢測系統原理及其在智慧工廠中的應用

白麗輝 寧英杰 黃祎涵 陳旭光 楊偉家

摘 要：本文通過介紹移相法結構光技術、三角測量技術等來闡述所提出智慧檢測系統的原理，對比傳統的檢測手段，結合智慧工廠的建設來闡述智慧檢測系統的應用場景。證實智慧檢測系統不僅能扭轉傳統質量檢測中檢測效率低、檢測誤差大、檢測資料失真等不良現狀，而且結合智慧工廠能實現真正的高效率、低成本的生產管理模式。

關鍵詞：智慧檢測;相移法;智慧工廠

中圖分類號：TU394 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2022）02-0080-03

0引言

在國內綠色建筑政策的驅動下，裝配式行業迎來高速發展。結合信息物理交互系統打造智慧工廠，有助于加強裝配式構件精細化生產提升產品合格率。在預制構件的生產制造中，國內普遍仍采用“半人工半機械”的傳統手段，尤其對于大型構件，因工序復雜，勞動強度大，產品質量無法保證，因此智能檢測設備的研發及應用則顯得至關重要。現有的智能檢測設備往往需要檢測技術（數據采集）和算法優化（數據處理）。檢測技術大多應用于農業、工業、醫學，如計算機視覺技術，利用圖像來實現對環境信息的識別與認知[1];機器攝影測量技術，通過拍攝圖片自動生成可遠近視角且位置精度高的實景三維模型已應用于水電工程及工程地質考察[2-3];激光掃描技術，可利用三維掃描建模已用于實體建模[4];探地雷達技術，可模擬暗挖隧道的鋼筋間距并得以檢測[5]。照片3D建模技術，利用Autodesk 123D Catch對拍攝的照片進行整合生成人體器官的三維模型[6]。而算法層面上，K.Singh[7]提出一種基于遞歸方法和深度學習的圖像處理算法可以從圖像中識別出不同粒的大小，并根據粒的像素大小來估計粒的大小，同時精確地測量幾個米粒的大小和質量，促進水稻產量的量化，促進更快的稻米質量評估。王慧藝[8]利用HALCON做圖像處理識別，通過識別鐵絲圈，建立數值模型計算距離，解決了工人操作的問題。李篪[9]針對打捆鋼筋的計數問題，通過編寫新算法對圖像處理，解決了非均勻光照和噪聲的干擾，突出了圖像內部的細節，有利于后續鋼筋的識別和計數。陳至坤[10]等人利用神經網絡，通過深度學習和圖像處理技術，通過前期的樣本訓練，提高在應用中的鋼筋計數效率和準確性。Warsewa A[11]等人在結構智能控制方面，為解決圖像處理的延遲問題，數值模型和實際系統實時數據不統一的問題上，編寫一種隨觀測器動態調整的算法，優化傳感器布置，提出了一種主動承重單元的自適應建筑狀態估計方法。在建筑工程中，智能檢測設備的應用則為數不多。況中華[12]等人利用攝影測量技術識別圈梁尺寸;唐立國[13]采用脈沖渦流檢測系統測定鋼筋位置和保護層厚度;徐瑩[14]結合探地雷達和超聲波法檢測混凝土密實空間。從上述研究現狀發現，智能檢測技術在預制裝配式構件中應用甚少，特別是針對鋼筋間距和彎起件，定位板尺寸等測量問題。因此本文將結合3D成像技術，通過圖像識別，數據處理，實現構件檢測智能化，并應用于智慧工廠的建設當中。

本文針對鋼筋骨架、定位板、折彎件等預制構件的檢測效率、準確率以及檢測數據智能化記錄分析問題，首先采用3D照相機獲取三維點云數據，隨即通過圖像識別技術實現對鋼筋間距、排布情況、定位板孔洞及其偏差的自動檢測，并生成相應的檢測圖像和數據報表。

1智慧檢測系統原理及特點

智慧檢測系統最主要的原理是通過移相法結構光技術對待檢測物體投射一系列具有一定結構特征的光線，再由3D相機采集反射的結構光圖案，對所得到的光柵圖像進行位置信息編碼，最后根據三角測量原理進行長度、深度等信息的計算。

1.1結構光

結構光（Structured Light），通常是指采用特定波長的不可見的紅外激光作為光源，發射出來的光經過一定的編碼投影在物體上，通過一定算法來計算返回的編碼圖案的畸變來得到物體的位置和深度信息。不同時期的攝影測量技術發展如圖1所示。

不同于以往的點激光技術，結構光技術的基本原理是向被測物體投射一系列含有特定空間相位的光線，編碼2D圖案的同時對被測物拍攝，然后對得到的照片進行解碼，再將解碼信息根據標定數據進行計算，重構成為3D數據。線激光技術和結構光技術都是基于三角測量原理，因此二者的精度相近，但是結構光技術投射的光是覆蓋整個物體表面，因此它能直接產生相應的3D數據。

1.2 相移法

相移法（Phase-modulation Method）是在獲得物體3D數據之后進行三維重建中最常用的方法，相移是通過投影一系列相移光柵圖像編碼，從而得到物體表面一點在投影儀圖片上的相對位置或者絕對位置。常用的三步相移法公式如下：

1.3 三角測量

三角測量（Triangulation）的基本思想是利用結構光照明中的幾何信息幫助提供景物中的幾何信息，根據3D相機、結構光、物體之間的幾何關系來確定物體的三維信息。其原理如圖2所示。

根據圖2中光敏單元（3D相機）及激光器（結構光）之間的距離AB、激光器的仰角∠OAB和光敏單元的仰角∠OBA信息，通過三角形關系即可測得O點的坐標位置信息。

1.4 智慧檢測系統特點（見表1）

2智慧檢測系統檢測流程（見圖3）

3智慧檢測系統應用場景

以紹興市城投建筑工業化制造有限公司在預制構件生產過程中的鋼筋骨架檢測為例，通過智慧檢測系統，對主筋間距、箍筋間距等信息進行測量。其主要過程如下。

鋼筋骨架檢測前，工人先對檢測現場進行清場，避免不必要的人為因素影響檢測過程。緊接著鋼筋骨架進場，固定在滑軌預設點位處，如圖4所示。

3D相機模組安裝在軌道上，從控制房中移出，沿著滑軌，依次到達指定的檢測位P1-Pn進行檢測，如圖5所示。

通過圖像識別技術，對3D相機采集到的信息進行編碼及三維重建。編碼重建前后的信息圖像如圖6a、6b所示。

整合所有檢測位的主筋間距、箍筋間距等鋼筋骨架信息數據，上傳至智慧工廠云端服務器。云端服務器對所上傳的數據信息與本地標準化數據庫信息進行對比，對不合格的點位進行標注，生成最終檢測結果報表，再由工人進場校對檢測結果，如圖7所示。

4結論

結合移相法結構光技術、三角測量原理的智慧檢測系統不僅可為預制混凝土構件提供全生命周期的數據追蹤服務，避免構件加工過程中人為檢測的缺陷，且可極大提高構件的成品質量和施工效率，大幅降低人員投入成本。此外，智慧檢測系統在智慧工廠建設的推進過程中發揮著重要的作用，智慧檢測的結果信息可通過信息化管理網絡端口實時共享至信息化管理平臺，從而實現智能化和信息化的高效結合。

參考文獻

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The Principle of Smart Inspection System and Its Application in Smart Factory

BAI Lihui1， NING Yingjie1， HUANG Yihan1， CHEN Xuguang1， YANG Weijia2

（1.Zhejiang Communications Construction Group Co.， Ltd.， Hangzhou? Zhejiang? 310000;

2.School of Civil Engineering， Shaoxing University， Shaoxing? Zhejiang? 312000）

Abstract： This paper illustrates the principle of the proposed smart inspection system by introducing the structured light technology of phase shift method and triangulation technology， and further demonstrates the advantages of the smart inspection system by comparing the traditional inspection means， and finally illustrates the application scenarios of the smart inspection system by combining with the construction of the smart factory. It is confirmed that the smart inspection system can not only reverse the undesirable status quo of low inspection efficiency， large inspection errors and distortion of inspection data in traditional quality inspection， but also realize a real high-efficiency and low-cost production management mode in combination with the smart factory.

Keywords： smart inspection; phase shift method; smart factory

收稿日期：2021-12-18

作者簡介：白麗輝（1974—），女，滿族，遼寧岫巖人，本科，高級工程師，從事建筑工程管理工作。