丁道祥
(中國鐵路沈陽局集團有限公司科學(xué)技術(shù)研究所,遼寧 沈陽 110013)
隧道是重要的鐵路設(shè)施,其狀態(tài)好壞直接影響鐵路行車安全及運輸效能。我國鐵路隧道總數(shù)量及總里程均處較大規(guī)模,這些隧道建設(shè)年代不同,材料各異,結(jié)構(gòu)多樣。大量早期建設(shè)的隧道,存在不同程度的損壞,且呈逐年惡化趨勢?!惰F路橋隧建筑物修理規(guī)則》中規(guī)定隧道要定期進行檢測,及早發(fā)現(xiàn)損壞及時維修,避免事故發(fā)生,但以往因隧道襯砌表面狀態(tài)檢測技術(shù)相對落后,主要采用目視檢查、人工記錄、釘錘敲擊等方法,費工費時。
目前隧道襯砌表面狀態(tài)檢測技術(shù)手段主要有人工目測、人工儀器檢測、地質(zhì)雷達探測、多光譜分析法等。人工檢測費工費時、效率低,主要依靠工作人員的經(jīng)驗來對裂縫進行判斷,有一定的主觀性,很難保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性,而且檢測的過程中必須要暫時停止過往車輛運行,通常還要借助升降車等起落設(shè)備,檢測人員具有一定的危險性;人工儀器檢測需要工作人員操作儀器近距離進行對焦、讀取數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù),這種檢測手段同樣不僅效率低、勞動力大,而且人工讀取的數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)誤差;地質(zhì)雷達檢測雖然可以準(zhǔn)確地探測出裂縫,但是不具有圖像采集系統(tǒng)的多功能性;多光譜分析法雖然可以檢測到微小的裂縫,但是檢測效率低,不適合應(yīng)用到隧道襯砌表面狀態(tài)檢測中。
為了能更加準(zhǔn)確、快捷、安全的檢測隧道襯砌表面狀態(tài),本文提出一種基于機器視覺技術(shù)的鐵路隧道襯砌表面狀態(tài)檢測方法,利用線陣圖像采集技術(shù),實現(xiàn)在高速狀態(tài)下,對隧道襯砌表面狀態(tài)進行非接觸式檢測,形成完整、高清晰度的隧道襯砌表面圖像,并通過智能圖像處理技術(shù)自動識別出問題點圖像及定位信息。
系統(tǒng)可分為圖像采集和圖像處理兩個子系統(tǒng):圖像采集系統(tǒng)主要包含檢測車、工業(yè)線掃相機、圖像采集卡、照明設(shè)備、定位系統(tǒng)、工控機;圖像分析處理系統(tǒng)主要包括圖像增強、圖像分割、圖像特征識別與提取。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
1.1.1 圖像采集系統(tǒng)
圖像采集系統(tǒng)主要包括檢測車、工業(yè)線掃相機、照明設(shè)備、定位系統(tǒng)、圖像采集卡、工控機等幾個部分。系統(tǒng)設(shè)計為車載式,安裝在現(xiàn)有的隧道限界檢測車上,充分利用隧道限界檢測車車體結(jié)構(gòu)和試驗環(huán)境進行設(shè)備布局、安裝。
線掃相機按檢測角度覆蓋區(qū)域分布在隧檢車機械間檢測窗內(nèi),照明系統(tǒng)光源與線掃相機一一匹配安裝,如圖2所示。
圖像采集系統(tǒng)各個組成部分主要功能如下。
(1)檢測車:設(shè)備的載體。
(2)線掃相機:襯砌表面圖像采集。
(3)照明設(shè)備:補償隧道內(nèi)光照亮度,滿足線掃相機對光照的較高要求。
圖2 系統(tǒng)布局示意圖
(4)定位系統(tǒng):采集實時車速,將相機的采集速率和檢測車的速度相匹配。
(5)圖像采集卡:將采集到的圖像信號轉(zhuǎn)換成工控機能夠識別、處理的數(shù)字信號,壓縮處理后存入工控機硬盤中。
(6)工控機:整個檢測系統(tǒng)的'大腦',在檢測過程中,工控機作為圖像采集軟件的硬件平臺負責(zé)圖像采集過程的控制,同時采集并存儲檢測車的速度和位置信息;在圖像處理系統(tǒng)中,工控機作為圖像處理軟件的硬件平臺負責(zé)圖像信息處理和提取。因此工控機性能的好壞直接影響到檢測質(zhì)量。
在整套檢測系統(tǒng)中,還需配備供電子系統(tǒng)、定位子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)才能保證檢測工作正常進行,設(shè)計方案如下。
(1)供電子系統(tǒng)
檢測系統(tǒng)需要連續(xù)長時間工作,且系統(tǒng)中的各部分設(shè)備都離不開電源供電,為了確保檢測過程中設(shè)備供電不發(fā)生異常,必須具備穩(wěn)定的供電系統(tǒng)為檢測系統(tǒng)進行不間斷供電。因此,檢測車安裝柴油發(fā)電機組,為車內(nèi)設(shè)備和生活設(shè)施提供電源,不依賴外部供電。同時,用電設(shè)備前端安裝有不間斷穩(wěn)壓電源,給用電設(shè)備提供一個穩(wěn)定的用電環(huán)境,免受電壓波動帶來的干擾,保證檢測過程中即使發(fā)電機組故障斷電檢測系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作一定時間。
(2)定位子系統(tǒng)
車速定位子系統(tǒng)在整個檢測過程中是非常關(guān)鍵的,一是定位車輛當(dāng)前行進總里程,二是定位車輛在隧道內(nèi)實際位置,并與掃描圖像一一對應(yīng)起來。定位算法是根據(jù)車速傳感器數(shù)值計算出來的。在檢測過程中需要實時采集檢測車的速度,車速傳感器的理論計算公式為:
其中,D代表車輪輪徑,f代表車速傳感器的輸出脈沖頻率Hz,N代表車輪旋轉(zhuǎn)一圈車速傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)。
(3)照明子系統(tǒng)
目前,大部分隧道內(nèi)燈光的光照強度較弱,再加上建造隧道用的混凝土顏色較深,因此可能影響到采集的圖像質(zhì)量,給裂縫圖像的識別和特征提取增加難度。因此,為了得到高質(zhì)量的圖像,同時便于后期圖像處理、特征識別以及提取,必須要為采集系統(tǒng)提供照明系統(tǒng)。由于相機距離隧道襯砌表面較遠,普通LED光源無法達到良好效果,所以應(yīng)該選擇激光光源作為照明設(shè)備。
1.1.2 圖像處理系統(tǒng)
圖像處理是綜合數(shù)字圖像處理技術(shù)對采集到的隧道表面圖像進行處理、分析、提取裂縫特征信息的過程。圖像處理的核心過程如圖3所示。
圖3 圖像處理過程示意圖
(1)裂縫圖像增強
圖像預(yù)處理就是將采集到的隧道襯砌表面圖像進行增強,以達到提高圖像質(zhì)量的目的。圖像增強的結(jié)果是凸顯圖像中的重要部分,去除或者減弱不重要的部分,便于后期的圖像特征提取和參數(shù)計算。
(2)裂縫圖像分割
圖像分析是對采集到的隧道襯砌表面圖像進行分割,提取出圖像特征部分,包括圖像的邊緣、區(qū)域等,是進行圖像分類、參數(shù)計算的前提,是實現(xiàn)圖像分析首先要完成的操作。
(3)裂縫圖像分類與參數(shù)計算
為了給隧道襯砌維護提供技術(shù)支持,需要將采集到的隧道襯砌表面圖像進行裂縫識別、提取特征值(如裂縫面積、長度和寬度),然后依據(jù)特征值將圖像裂縫進行分類。最后將得到的裂縫數(shù)值與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行比對,評估出隧道的危險等級。
當(dāng)檢測車進入隧道后,線掃相機開始以一定的行頻掃描隧道表面狀態(tài),行頻根據(jù)實時車速自動調(diào)節(jié),保證圖像不出現(xiàn)拉伸或者壓縮現(xiàn)象;然后圖像采集卡將采集到的圖像信號進行轉(zhuǎn)化和壓縮,存儲在工控機中;最后應(yīng)用圖像處理分析系統(tǒng)對采集到的圖像進行處理,處理的結(jié)果是把裂縫目標(biāo)從背景區(qū)域中分離出來,對裂縫圖像進行參數(shù)值計算和分類,最后將裂縫參數(shù)與裂縫評價標(biāo)準(zhǔn)進行比對,得出裂縫破損等級,為工務(wù)部門制定維修方案提供決策依據(jù),保證隧道的安全運營。系統(tǒng)工作原理如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)工作原理圖
2016年初,沈陽局集團公司科研所課題組針對隧道襯砌表面狀態(tài)檢測進行了大量調(diào)研,對國內(nèi)外前沿的圖像采集設(shè)備及圖像處理技術(shù)進行了深入研究,最終確定了圖像采集系統(tǒng)采用工業(yè)線掃相機結(jié)合激光光源采集圖像,圖像處理分析系統(tǒng)采用圖像增強、圖像分割、圖像自動分類、裂縫參數(shù)計算(面積、寬度、長度)、裂縫病害程度分級等處理分析技術(shù)。
2016年3月,課題組委派技術(shù)人員,在隧道限界檢測車WX998264檢測沈陽局集團公司隧道限界期間,進行了隧道襯砌表面狀態(tài)圖像采集實驗,在列車運行狀態(tài)下,用一臺工業(yè)CCD線陣一體機拍攝隧道襯砌,檢測效果基本達到預(yù)期目標(biāo),為下一步工作打下了基礎(chǔ)。圖5為當(dāng)時在隧檢車內(nèi)安裝檢測設(shè)備的情況。
圖5 前期試驗工作設(shè)備情況
圖6、7為實際檢測圖像??梢钥闯?,圖像成像較為理想,襯砌表面裂紋清晰可見,精度約為3mm左右,若再對圖像進行后期分析處理,檢測精度可進一步提升。
圖6 前期試驗測試圖像1
圖7 前期試驗測試圖像2
本文介紹了一種基于機器視覺技術(shù)的鐵路隧道襯砌表面狀態(tài)檢測方法,論證了充分利用現(xiàn)代工業(yè)圖像檢測、處理技術(shù),可實現(xiàn)隧道襯砌表面狀態(tài)的高速檢測及病害分析,從根本上解決傳統(tǒng)檢測手段帶來的弊病,從而有效保障鐵路隧道運營安全,具有良好的應(yīng)用前景。