船閘橫拉閘門門頭運行軌跡檢測系統組成與工作原理

何保渠

（揚州市港航事業發展中心，江蘇 揚州 225200）

船閘橫拉閘門運轉件較多，由于橫拉閘門結構的特殊性，導致底臺車等構件的運行工況差，易磨損，一旦其運轉件磨損程度過大將嚴重影響橫拉閘門的運行穩定性，因此需要設法做好橫拉閘門的觀測。

1 概述

芒稻船閘位于江蘇省揚州市江都區，尺度為180×23×4（m）（閘室長×口門寬×檻上水深），船閘承受雙向水頭作用，最大正向設計水頭為 8.50m，最大反向設計水頭-1.31m。工作閘門采用橫拉門型式，閘門啟閉機采用齒輪齒條式機械傳動。上閘首閘門尺寸為 23.65×3.854×8.6m（門長×門厚×面板高度），結構件重137.8t，下閘首閘門尺寸為23.65×3.854×13.7m，結構件重213.9t。芒稻船閘橫拉閘門，在運行過程中主要暴露出了閘門底臺車運轉件易磨損導致閘門運行狀態不穩定等橫拉閘門通病。在船閘養護中，人字門、三角門依據《水運工程質量檢驗標準》可以通過測量門頭跳動量來了解門體結構變形情況，而橫拉閘門的“頂桁架四角高差”和“每對支承塊中心線相對偏移”項目不滿足日常養護工作中經常性的檢測要求，導致橫拉閘門運行狀態的好壞基本憑借養護工作人員的經驗判斷，做不到量化。

2 系統研制目的

基于上述情況設計了這套“橫拉閘門門頭運行軌跡檢測系統”，該系統能獲得橫拉閘門在運動全行程的門頭運動軌跡，分析門頭的上下跳動、左右偏移等數據，用于研判閘門底平車和軌道的工作狀態，有利于發現閘門遇到的水下突發情況，并將閘門底平車的磨損情況通過數據的形式反映出來，供技術與管理人員分析閘門磨損隨時間的變化規律、及時采取措施排除安全隱患等。

3 系統總體方案

3.1 系統組成

該系統主要包括三部分：⑴測控部分，包括運動檢測裝置、工控機、控制箱等；⑵激光成像部分，包括點激光器、投影標靶、工業相機；⑶軟件部分，包括圖像處理和分析、數據庫及人機交互等功能。

3.2 系統布置

工控機安裝于閘首機房內。閘門運動檢測裝置安裝于門庫內，靶標與工業相機之間固連，激光器與固連的靶標和工業相機之間相對運動，布置方式如圖1 所示：

圖1 系統布置示意圖

本系統采用兩只綠色點激光器固定安裝在門庫內，兩只靶標和工業相機安裝于門頭的布置方式。當門頭上下、左右運動時，靶標上的光斑也產生相應的位移，通過相機獲取靶標上的光斑圖像。

3.3 閘門運動檢測方法

通過在門庫內閘門開啟與關閉位置分別安裝常開限位開關，通過開關量采集模塊的返回值可以得到限位開關的工作狀態，從而進行判斷閘門的啟停，達到對整個檢測系統自動控制的目的。其原理是：在初始狀態下兩個限位開關的返回值一個為0，一個為1。開啟位置的限位開關的返回值為1 時，說明閘門此時正處在開啟位置；若關閉位置的限位開關的返回值為1 時，說明閘門此時正處在關閉位置。當返回1 的限位開關的返回值變為0 時，即此時兩個限位開關的返回值都為0 時，說明閘門開始運動。當兩側的限位開關有一個的返回值由0 變為1 時，即兩個限位開關的返回值由都為0 變為一個為0 一個為1，說明閘門停止運動。

3.4 系統工作流程

系統的工作流程如圖2 所示：

圖2 系統工作流程圖

（1）閘門運動狀態檢測。初始狀態下，點激光器處于斷電狀態，通過運動檢測裝置及數據分析算法實時監控閘門的狀態。

（2）系統啟動。當閘門啟動時，工控機控制點激光器電源和相機電源的接通，在靶標上形成光斑，相機開始采集光斑圖像。

（3）光斑圖像分析。工控機對光斑圖像進行預處理、光斑分割、中心坐標提取和計算偏移量等操作，計算得到門頭上下跳動、左右偏移，將該數據存儲于數據庫中。

（4）系統暫停。當運動傳感器檢測到閘門停止運動時，工控機控制點激光器電源的切斷。

（5）判斷信號輸出。根據對數據的分析，給出閘門的運動狀況數據，如上下、左右偏移量等，與設定值比較，給出相應的判斷信號。

4 光斑中心坐標提取方法

光斑中心坐標提取是系統的最重要的部分，點激光器投射的光斑圖像中心坐標提取的準確性是保證系統檢測結果的準確性的關鍵點。保證中心坐標提取精準，才可以準確分析門頭的運動軌跡。光斑中心坐標提取步驟，如圖3 所示。

圖3 光斑中心坐標提取流程

4.1 相機標定

在系統開始工作、相機取圖之前，需要先對相機進行標定，獲得所用相機的內參、外參與畸變系數。其標定結果的精度及算法的穩定性直接影響相機工作產生結果的準確性，影響整個系統的測量結果。

本系統采用張正友相機標定法。借助一個標準的棋盤格，首先使用相機從各個角度拍攝這幅棋盤格對象，然后提取圖像中棋盤格的角點，通過圖像中角點的坐標以及世界坐標系下角點坐標的映射關系，從而計算出相機的內參、外參與畸變系數。最后將標定得到的結果通過畸變矯正函數對相機后續采集的圖像進行畸變矯正。

本系統選用8 行6 列的棋盤格進行相機標定，每個格子為10mm×10mm。用相機拍攝標定圖片如圖4（取兩張做例子），利用OPENCV 編程進行標定，可以得到相機的內參、畸變系數與圖像的對應外參。

圖4 相機標定取圖

本系統所用為單目相機標定，所以會用到相機的內參與畸變系數。將標定得到的結果用undistort()函數對相機之后采集的圖像進行矯正，可以得到無畸變的圖像。

4.2 圖像預處理

圖像預處理即對原始圖像去除噪聲并突出感興趣特征。主要目的是消除圖像中無關的信息，恢復有用的真實信息，增強有關信息的可檢測性、最大限度地簡化數據，從而改進特征提取、圖像分割、匹配和識別的可靠性。預處理常用的方法有濾波、圖像增強等。這里用矯正后的圖像為原始圖像。

對原始圖像進行濾波，去除圖像中的噪聲影響。本系統運用中值濾波和LOG 算子的方法對圖像進行預處理。中值濾波可以剔除對光斑圖像有干擾的噪聲點，實現圖像的平滑，濾波矩陣選取5×5 的模板矩陣。為了找到光斑圖像邊緣，突出光斑圖像邊緣特征信息，本系統利用LOG 算子對圖像進行濾波，增強圖像的邊沿與細節，使得圖像分割所得感興趣區域的邊界更加清晰，結果如圖5 所示。

圖5 (a)為平滑后結果，(b)為銳化后結果

4.3 圖像分割

圖像分割技術是指遵循一定的相似度準則，利用圖像中的某些特征信息，將圖像劃分為若干內部一致而彼此特征各異的同質連通區域，而不同區域各像素點間在這些特征上差異較大。其目的是通過對圖像進行區域劃分可有效簡化圖像的表達方式，減少冗余信息并提出感興趣目標，它是由圖像處理到圖像分析的關鍵步驟。

系統采用閾值分割的方法進行圖像分割并采用形態學閉運算對分割圖像進行二次處理。閾值分割方法是對目標與背景占據不同灰度級范圍的圖像進行圖像分割常用的方法。利用形態學閉運算可以用來填充物體內細小空洞、連接鄰近物體、平滑邊緣的同時并不明顯改變其面積。

本系統中點激光的光斑投射于固定背景靶標之上，固定靶標可以根據需求選取深色的亞光材料，故圖像的背景情況能夠保證。銳化后的圖像中光斑邊緣清晰、特征突出，且光斑處有過曝現象，邊緣與背景都沒有過曝現象，可以將銳化后圖像利用閾值分割的方法將光斑從背景中分割出來。分割后的圖像邊緣有較多孤立小區域且不平滑，通過形態學開運算與閉運算搭配使用可以解決這個問題。

圖6 (a)形態學運算后圖像、(b)分割后圖像

4.4 光斑邊緣亞像素檢測及光斑中心坐標提取

亞像素是將像素再進行細分，是比像素還小的單位，提高圖像分辨率。通常情況下，亞像素邊緣點存在于圖像中逐漸發生過度變化的區域，我們可以利用多項式擬合等多種方法獲得邊緣點的亞像素位置。本系統采用Canny 邊緣檢測與Zernike 矩提取光斑亞像素邊緣，再求質心得到光斑中心坐標。對經過二次處理的光斑圖像進行Canny 邊緣檢測可以得到像素級光斑邊緣，結果見圖7。

圖7 (a)Canny 邊緣檢測結果、(b) 邊緣檢測與原圖融合結果

為了得到更高精度的光斑邊緣，需要對Canny 檢測得到的像素級邊緣再進行亞像素邊緣檢測。具體為根據Zernike 矩的推導求出7 個模板系數，將Zernike 矩模板分別與像素級邊緣圖形進行卷積，得到7 個Zernike 矩，再分別乘以每個矩的校正系數。最后計算距離參數l 與灰度參數k，根據l 和k 判斷該點是否為邊緣點。由于亞像素邊緣點的坐標都是float 型數據而非整數，故不在圖像中顯示，只記錄下亞像素邊緣點集。

得到了亞像素邊緣點集，利用求質心操作，便可以得到亞像素級的光斑中心坐標。

5 運動數據的存儲、操作與分析

系統在工作過程中會產生大量的數據，為方便儲存與后續的查詢，系統通過建立數據庫的方式實現功能。建立數據庫的過程如下：

（1）根據所需要存儲的數據種類、數量等，確定所要創建的數據庫要包含的種類數。本系統需要儲存在數據庫中的數據種類包括：工業相機獲取光斑圖像的時間及其對應的閘門所在位置坐標；圖像處理后所得光斑中心實際的橫坐標與縱坐標；光斑中心實際橫、縱坐標與標準坐標的偏移量等。

（2）創建訪問數據庫驅動。本系統采用QT 平臺完成數據庫的建立與管理。QT 平臺自帶數據庫的相關庫，QSqlDatabase 代表一個數據庫連接，該類提供了訪問數據庫的接口，該類的實例代表著一個數據庫的連接，而這個連接通過支持的數據庫驅動程序進行訪問。

（3）數據庫驅動創建完成，需要將數據插入到數據庫中，并按照數據種類對應儲存在數據庫。這里可以用到QSqlQuery 庫。QSqlQuery 包括了所有的功能，像在一個QSqlDatabase 上執行SQL 查詢、創建、導航和索取數據等等。它可以執行DML（數據操作語言）語句，比如 SELECT,INSERT,UPDATE 和 DELETE,還可以執行DDL（數據定義語言）語句，比如：CREATE TABLE。不僅如此，它還可以用于執行特定數據庫而不是標準SQL 語句的指令。

（4）數據完成儲存后，為將所需數據顯示出來并完成對數據的操作，需要通過界面實現人機交互。通過QT 編寫需要的界面，界面上有對應功能的按鍵與輸入輸出窗口，實現想要的操作。并在數據庫操作界面將數據庫中的數據顯示在界面中，既能夠通過鼠標直接進行查看，也可以根據時間范圍查看數據。

（5）創建圖表顯示查詢結果。為更直觀表示出數據變化情況，通過QWT 圖表將所查詢范圍內的坐標分布、偏差變化等數據顯示在圖表中，便于使用者分析數據變化。

6 結語

該系統通過觀測激光照射光斑移動的方法計算出橫拉閘門門頭運行軌跡進而為判斷橫拉閘門的運行情況提供判斷，提供了一種量化觀測橫拉閘門運行狀態的途徑。