吳俊垚

（貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學院， 貴州 凱里 556000）

0 前言

在隧道施工時，由于巖石本身的裂縫及地質(zhì)脆弱部分的影響，容易造成落石的掉落， 2016 年到2018 年的中鐵某局的職業(yè)安全與健康調(diào)查資料中因落石共造成47 名傷者，其中有6%的人死亡，42%以上的人員需要修養(yǎng)一個月以上。雖然采取在工作面上設置落石保護臺，確保工人不用完全暴露的措施，但工人施工時需要有監(jiān)視人員在其后觀察巖石異常并及時報警，費工費時。因此本文根據(jù)這種情況提出通過高速攝影機結(jié)合視覺識別算法，對即將松脫的巖石進行趨勢預判，在0.1 秒內(nèi)通過光和聲音的落石進行報警，將落石的預警效率進行提升，以保障現(xiàn)場施工人員的安全。

1 落石監(jiān)測報警裝置組成

落石監(jiān)測報警系統(tǒng)由落石檢測裝置和報警裝置組成。操作過程中，將照明攝像機安裝在不干擾掘進設備附近（5～10 米）工作的位置。主要檢測和報警下降的物體，如碎石脫落。該裝置主要通過對大的巖石及1cm 程度的小巖石的落石進行監(jiān)測，采用高速攝影機（秒幾十次至50 次）拍攝的圖像，視覺識別通過對連續(xù)的兩個幀之間的差分圖像進行識別，通過圖像檢測垂直向下移動體作為落石的方法。該裝置的圖像處理和圖像識別技術(shù)將在第三節(jié)進行詳細介紹。

照明裝置使用采用LED 照明，及激光進行校差同時使用近紅外光照射，減少LED 照度不足情況下進行的圖像識別不清的問題。另外該裝置包括高性能的PC 用于存儲檢測落石所需的拍攝條件信息和檢測目標信息。

正常使用時，當?shù)袈湮矬w（落石或噴涂混凝土的剝落等）時，裝置立即進行識別，警示燈閃爍并包報有警笛聲，提醒現(xiàn)場工人注意。

2 基于視覺識別落石檢測的算法

2.1 視覺識別落石原理

在落石檢測中，首先用相機拍攝的圖像作為數(shù)據(jù)進入圖像采集單元。于此圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行落石檢測。首先，在落石檢測區(qū)域計算中，根據(jù)過去N 幀（實際上約為N=3 到10）幀之間的差分圖像確定落石檢測排除范圍，在兩個落石檢測單元（單個落石和群落石）中，僅對檢測區(qū)域?qū)β涫M行檢測。如果檢測到落石，則數(shù)據(jù)將發(fā)送，以便通過落石檢測單元觀察落石并發(fā)出警報。

2.2 落石區(qū)域內(nèi)移動體識別算法

落石檢測的圖像識別算法識別除落石以外的移動物體，如工人和掘進機附近的重型設備，以及"落石檢測區(qū)域計算"，該區(qū)域除該范圍外，還檢測落石檢測區(qū)域所反射的物體為巖石。落石檢測區(qū)域計算單元，通過處理時間序列中連續(xù)幀之間的差分圖像，從過去N 幀中每個差分圖像中提取移動區(qū)域，執(zhí)行每個移動區(qū)域的集合范圍以外的區(qū)域作為落石檢測區(qū)域的過程。對于過去N 幀的圖像，生成時間序列中連續(xù)兩個幀的差異部分圖像，通過按閾值執(zhí)行值化過程，從每個差分圖像中提取移動體的區(qū)域。最后，落石檢測區(qū)域計算單元確定合成移動區(qū)域，并賦予相同的數(shù)字以作為一個組像素定義為落石檢測禁止區(qū)域，除落石檢測禁區(qū)外，其余空白區(qū)域為落石檢測區(qū)域。此外，在這里視覺識別僅對擴大每個移動體區(qū)域的收集并插值，由于移動體的間隙和過去幀中沒有移動，因此未檢測到移動識別。

其中算法將落石識別的島狀區(qū)域成為檢測區(qū)域，但島狀區(qū)域為工人穿戴的反光背心，因此需要對圖像中明亮區(qū)域進行處理，以避免錯誤的落石識別情況發(fā)生。

2.3 落石區(qū)域內(nèi)落石識別算法

落石檢測單元，在落石檢測區(qū)域拍攝的特定轉(zhuǎn)移物作為落石候選物，通過跟蹤落石候選于多個幀，具有單個落石檢測單元，用于確定落石候選物是否為真正的落石。上一個落石對應于移動前的落石，而下面的落石對應于移動后的落石。單個落石檢測單元如果檢測到一組兩個落石，則分別從兩個落石候選的重心位置確定重心。當向上和向下的落石候選物被視為二維圖像時，這種重心是數(shù)學重心，可根據(jù)落石候選形狀和面積等計算。自然落體區(qū)域設置為前一個落石候選的重心下方。如果落石候選位置連續(xù)位于多個幀上，則確定落石候選位置為真正的落石。此外，落石檢測單元對于單個落石，所有移動體出現(xiàn)在落石檢測區(qū)域作為落石候選，通過跟蹤所有落石候選的重心在多個幀上，落石候選者包括一個群落石檢測，以確定它是否是真正的落石。因此，即使同時發(fā)生大量落石，也可以檢測真正的落石，從而防止落石的遺漏。

2.4 基于視覺識別隧道落石算法驗證

在驗證過程中使用了大約50 小時的視頻記錄，曾成功捕獲落石瞬間的圖像記錄。

3 總結(jié)與展望

作為隧道落石的檢測，第一次在國內(nèi)使用視覺識別技術(shù)，已于2018 年7 月完成樣機，并在現(xiàn)場進行實驗，并設計了新的圖像識別算法，申報中國發(fā)明專利，通過視覺識別對隧道掘進過程中危險巖石地帶提前進行預測和分析。今后需要進一步根據(jù)多個隧洞現(xiàn)場實際條件調(diào)整參數(shù)，做到設備具有相當?shù)淖赃m應。最終實現(xiàn)隧道落石檢測的實時、便捷更有效的保護現(xiàn)場施工人員。