薛春明

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隧道在運(yùn)營(yíng)期間，襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)不合理、施工不當(dāng)、地質(zhì)災(zāi)害、運(yùn)營(yíng)年限、氣候條件等原因產(chǎn)生各種病害，嚴(yán)重影響著隧道運(yùn)營(yíng)安全，因此，公路隧道需要定期進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)初期病害，并跟蹤病害發(fā)展趨勢(shì)。高速公路具有行車(chē)速度快、車(chē)流量大、允許檢測(cè)時(shí)間短等特點(diǎn)，而傳統(tǒng)隧道襯砌裂縫、滲水、剝落的檢測(cè)手段和設(shè)備還相對(duì)落后，主要以人工手段為主，結(jié)果依賴(lài)于檢測(cè)人員水平，無(wú)法滿足快速檢測(cè)和數(shù)字化管理需求，難以統(tǒng)計(jì)和分析病害發(fā)展趨勢(shì)[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)開(kāi)始了隧道快速檢測(cè)裝備研究工作，主要有以德國(guó)SPACETEC 公司為代表的隧道激光掃描系統(tǒng)和以山西交科、日本株式會(huì)社、上海同巖、武大卓越和武漢長(zhǎng)盛為代表的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。激光掃描技術(shù)主要是通過(guò)激光掃描儀實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道輪廓及斷面收斂自動(dòng)檢測(cè)，但激光掃描儀轉(zhuǎn)速和頻率限制，檢測(cè)速度較慢；機(jī)器視覺(jué)技術(shù)主要是通過(guò)相機(jī)搭載光源獲取隧道襯砌表觀圖像，通過(guò)軟件系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理、病害識(shí)別和數(shù)據(jù)管理，生成襯砌表觀圖和病害統(tǒng)計(jì)報(bào)表。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)由于采集速度快、識(shí)別精度高，是目前最受關(guān)注的隧道快速檢測(cè)方法[2]。

1 隧道智能檢測(cè)技術(shù)發(fā)展概況

近年來(lái)，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始將機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于公路隧道快速檢測(cè)中，按照相機(jī)類(lèi)型的不同，可分為商業(yè)相機(jī)和工業(yè)相機(jī)。商業(yè)相機(jī)以長(zhǎng)盛檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司為代表，工業(yè)相機(jī)按照CCD 相機(jī)類(lèi)型，分為以上海同巖和武大卓越為代表的攝像面掃描系統(tǒng)，以山西交科和日本株式會(huì)社（北京雷德華澳）為代表的攝像線掃描系統(tǒng)[3-4]。

1.1 日本倉(cāng)敷紡績(jī)株式會(huì)社

圖1 智能隧道檢測(cè)系統(tǒng)

日本倉(cāng)敷紡績(jī)株式會(huì)社探索性地將該視覺(jué)檢測(cè)引入公路隧道檢測(cè)領(lǐng)域，研發(fā)了首臺(tái)智能隧道檢測(cè)系統(tǒng)，北京雷德華澳公司于2014 年將該產(chǎn)品引入國(guó)內(nèi)，該智能檢測(cè)系統(tǒng)由3 臺(tái)線掃描相機(jī)、高強(qiáng)度光纖光源及慣性導(dǎo)航等設(shè)備組成，可在80 km/h 行駛速度下實(shí)現(xiàn)裂縫、滲水、剝落、襯砌變形的隧道病害的檢測(cè)。隧道智能檢測(cè)系統(tǒng)如圖1 所示。

1.2 上海同巖

上海同巖的公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)基于面掃描技術(shù)，系統(tǒng)搭載工業(yè)面陣相機(jī)和紅外補(bǔ)光燈實(shí)現(xiàn)隧道襯砌表觀連續(xù)拍攝。該公路隧道快速檢測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理和分析系統(tǒng)以及病害展示系統(tǒng)，可在80 km/h 行駛速度下實(shí)現(xiàn)裂縫、剝落、滲漏水、露筋的檢測(cè)。公路隧道快速檢測(cè)車(chē)如圖2 所示。

圖2 公路隧道快速檢測(cè)車(chē)

1.3 武大卓越科技

武大卓越科技于2015 年下線的隧道快速測(cè)量系統(tǒng)，基于面掃描技術(shù)，該系統(tǒng)將16 臺(tái)工業(yè)面陣CCD 相機(jī)、LED 照明光源等元器件集成于車(chē)輛上，可在80 km/h 行駛速度下實(shí)現(xiàn)裂縫、滲漏水、起層、剝落的檢測(cè)。隧道快速測(cè)量系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 隧道快速測(cè)量系統(tǒng)

1.4 武漢長(zhǎng)盛檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司

武漢長(zhǎng)盛檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司于2016 年下線的隧道裂縫全景快速檢測(cè)系統(tǒng)如圖4 所示，該系統(tǒng)采用4 臺(tái)商業(yè)單反相機(jī)和多個(gè)頻閃補(bǔ)光燈構(gòu)成，可在30 km/h 行駛速度下實(shí)現(xiàn)隧道裂縫、剝落、滲水、襯砌變形檢測(cè)。

圖4 隧道裂縫全景快速檢測(cè)系統(tǒng)

1.5 山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司

山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的隧道智能檢測(cè)系統(tǒng)如圖5 所示，該系統(tǒng)基于線掃描技術(shù)，搭載激光光源，可在80 km/h 行駛速度下實(shí)現(xiàn)裂縫、滲水、剝落、襯砌變形等隧道病害的全自動(dòng)識(shí)別。

圖5 隧道智能檢測(cè)系統(tǒng)

2 分析比較

基于機(jī)器視覺(jué)的隧道智能檢測(cè)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 基于機(jī)器視覺(jué)的隧道智能檢測(cè)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

日本株式會(huì)社研發(fā)了世界首臺(tái)隧道快速檢測(cè)車(chē)，填補(bǔ)隧道快速檢測(cè)空白，但為保證圖片采集質(zhì)量，采用12 臺(tái)高強(qiáng)度光纖光源，致使車(chē)載系統(tǒng)能耗高，成本昂貴，由于國(guó)外技術(shù)壟斷，系統(tǒng)造價(jià)較高；且無(wú)法實(shí)現(xiàn)圖像自動(dòng)化處理與特征識(shí)別，需要計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別和人工修正相結(jié)合，人工修正的工作量大。

武大卓越科技隧道快速測(cè)量系統(tǒng)和上海同巖隧道快速檢測(cè)車(chē)采用面掃描技術(shù)，雖然對(duì)拍攝距離、外界振動(dòng)敏感性較低，但對(duì)光照強(qiáng)度和均勻性要求高；受光源頻率限制，系統(tǒng)檢測(cè)速度較慢，而且必須是恒速運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，隧道襯砌是一個(gè)圓弧斷面，為了保證圖像不失真，需要使用多臺(tái)相機(jī)拍攝，導(dǎo)致照明強(qiáng)度不均勻、系統(tǒng)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大、造價(jià)高等問(wèn)題；更重要的是隧道圖像由多臺(tái)面陣相機(jī)同步拍攝而成，使得圖像全自動(dòng)拼接效果較差，嚴(yán)重影響病害精準(zhǔn)測(cè)量和自動(dòng)識(shí)別。

武漢長(zhǎng)盛檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司隧道裂縫全景快速檢測(cè)系統(tǒng)采用商業(yè)單反相機(jī)，與工業(yè)相機(jī)相比，曝光時(shí)間、同步觸發(fā)時(shí)間等參數(shù)非常小，因此該產(chǎn)品檢測(cè)速度比較慢；同時(shí)商業(yè)單反相機(jī)遠(yuǎn)距離拍攝物體時(shí)分辨率下降明顯，且單反相機(jī)采用隔行壓縮技術(shù)，圖片無(wú)法還原到初始容量，導(dǎo)致后期處理時(shí)圖片失真，病害識(shí)別效果較差。

山西交科集團(tuán)自主研發(fā)的隧道智能檢測(cè)系統(tǒng)采用工業(yè)線陣相機(jī)搭配激光光源實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道襯砌表面連續(xù)拍攝，光源亮度均勻，功耗??；同時(shí)，通過(guò)上位機(jī)軟件，可調(diào)整相機(jī)的重要參數(shù)及光源亮度，使拍攝效果達(dá)到最優(yōu)；另外，系統(tǒng)配置了激光掃描儀、陀螺儀等高精度傳感器，可在采集圖像的同時(shí)獲取隧道環(huán)境信息與車(chē)輛行駛信息，利用這些數(shù)據(jù)矯正隧道輪廓、車(chē)輛行駛路徑等因素對(duì)拍攝圖像的影響，從而提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性 。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)公路隧道質(zhì)量檢測(cè)以人工檢查為主，結(jié)果依賴(lài)于檢測(cè)人員水平，遠(yuǎn)不能滿足需求。機(jī)器視覺(jué)隧道智能檢測(cè)技術(shù)由于采集速度快、識(shí)別精度高，是目前最受關(guān)注的隧道快速檢測(cè)方法，可通過(guò)相機(jī)搭載光源實(shí)現(xiàn)隧道病害的快速采集，通過(guò)軟件系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理，病害識(shí)別和管理，并生成襯砌表觀圖和病害統(tǒng)計(jì)表。雖然，目前隧道檢測(cè)車(chē)圖像采集技術(shù)已較為成熟，能夠在不封閉道路情況下，以較快速度完成隧道襯砌表觀圖像采集，但是，在隧道病害處理過(guò)程中，只能實(shí)現(xiàn)對(duì)部分病害的自動(dòng)識(shí)別，存在識(shí)別準(zhǔn)確率低、誤報(bào)率高等問(wèn)題，下一步需要重點(diǎn)針對(duì)隧道病害自動(dòng)識(shí)別開(kāi)展研究工作。