黃志剛（上海資爾自動化科技有限公司，上海 201108）

盾尾間隙信息是盾構(gòu)掘進(jìn)和管片拼裝糾偏決策的重要依據(jù)之一。目前隧道施工主要采用人工測量盾尾間隙。

盾尾間隙自動檢測裝置現(xiàn)有技術(shù)的缺陷是尚未解決盾構(gòu)施工惡劣工況環(huán)境的適應(yīng)性難題。上海市北橫通道盾構(gòu)采用引進(jìn) 15.56 m 泥水氣壓平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)選用超聲波原理的盾尾間隙自動檢測裝置，在施工過程中由于傳感器發(fā)射端與接收端之間受盾尾油脂和注漿漿液污染逐步失效。

“純機(jī)器視覺盾尾間隙自動檢測裝置研制和應(yīng)用”課題是以上海北橫通道為示范的應(yīng)用工程。本文重點(diǎn)分析在示范應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)和解決所研制裝置的環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵技術(shù)。

1 盾尾間隙檢測裝置工程應(yīng)用技術(shù)方案

選用定焦網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)并將其安裝在盾構(gòu)千斤頂根部圓環(huán)結(jié)構(gòu)上，鏡頭視場為千斤頂之間管片的中部，網(wǎng)線連接攝像機(jī)與工控機(jī)。采用成熟視覺軟件的控件辨識管片特征點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)圖數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.1 純視覺盾尾間隙檢測裝置的技術(shù)特點(diǎn)

（1）用定焦鏡頭檢測垂直于鏡頭運(yùn)動的管片邊界特征點(diǎn)，運(yùn)動范圍距離鏡頭 600～2 700 mm。由視覺軟件工具實(shí)現(xiàn)對圖像上管片邊界特征點(diǎn)的顯著性檢測。

（2）專利《機(jī)器視覺無參照物的盾尾間隙自動檢測方法》建立以攝像機(jī) CCD（電荷耦合元件，此處特指圖片）為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系，至少可由一個管片邊界特征點(diǎn)在坐標(biāo)系上的位置計算所測位置的盾尾間隙的數(shù)值。

（3）專利《機(jī)器視覺盾尾間隙檢測圖像網(wǎng)格特征點(diǎn)可靠性過濾方法》構(gòu)建管片邊界特征點(diǎn)網(wǎng)格矩陣，可規(guī)避各類光學(xué)影像干涉因素篩選有效特征點(diǎn)。

（4）專利《機(jī)器視覺盾尾間隙檢測自動跟蹤管片有效邊界特征點(diǎn)方法》建立視覺自動跟蹤管片邊界特征點(diǎn)模型，以適應(yīng)攝像機(jī)視場角安裝的偏差。

1.2 現(xiàn)場工程應(yīng)用解決的技術(shù)難點(diǎn)

（1）用定焦鏡頭采集大范圍物距變化的管片圖像具有經(jīng)濟(jì)性，便于推廣。但在一環(huán)推進(jìn)前和推進(jìn)結(jié)束后關(guān)鍵位置的管片特征邊界圖像易虛化，增加了圖數(shù)分析的難度。

（2）盾尾間隙自動檢測裝置應(yīng)用現(xiàn)場的工況環(huán)境比較惡劣，機(jī)器視覺原圖上管片水跡、背光、陰影、光斑等因素嚴(yán)重影響后續(xù)圖像處理的正確性。

（3）現(xiàn)場攝像機(jī)安裝調(diào)試的平面角、高程角、旋轉(zhuǎn)角的誤差直接影響大范圍物距變化圖像檢測的正確性。

（4）依據(jù)以 CCD 坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的視覺檢測方案，若攝像機(jī)視角位置發(fā)生偏移，則必須重新標(biāo)定。

1.3 現(xiàn)場工程應(yīng)用針對性技術(shù)措施

（1）優(yōu)化視覺圖像質(zhì)量，包括采取提高圖像分辨率和圖像對比度的具體技術(shù)措施。

（2）優(yōu)化現(xiàn)場標(biāo)定方法。

（3）開發(fā)現(xiàn)場標(biāo)定軟件工具程序，簡化標(biāo)定大量數(shù)據(jù)計算工作量。

（4）制訂現(xiàn)場標(biāo)定工藝，規(guī)范標(biāo)定操作流程，便于現(xiàn)場標(biāo)定操作。

2 優(yōu)化視覺圖像質(zhì)量

2.1 優(yōu)化圖像分辨率

機(jī)器視覺檢測盾尾間隙裝置選用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)發(fā)送畫面命令，計算機(jī)獲得當(dāng)前視頻幀流的圖片，保存在本地存儲器中。由于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)輸出圖片默認(rèn)為 JPEG 格式，在分辨率1 280×720 模式下的位深僅有 8 位，因此圖像分辨率受到制約。

采取網(wǎng)絡(luò)相機(jī)輸出為 BMP 格式的優(yōu)化技術(shù)措施，使圖片的位深達(dá)到 24 位，提高了圖像的分辨率，改善了后續(xù)圖數(shù)處理的靈敏度和質(zhì)量。

2.2 優(yōu)化圖像對比度

通常采用線性變換或者直方圖均衡化調(diào)整對比度，但圖像全部高對比度未必有助于后續(xù)的視覺處理算法。根據(jù)機(jī)器視覺盾尾間隙檢測具體圖像的實(shí)際情況，采用局部倍增自適應(yīng)對比度的調(diào)節(jié)方法。

設(shè)x(a,b) 是圖像中某點(diǎn)的灰度值，局部區(qū)域的定義為：以 (a,b) 為中心，窗口大小為 (2n+1)2的區(qū)域，n為整數(shù)。局部的平均值mx(a,b) 按式（1）計算，局部標(biāo)準(zhǔn)方差(a,b)按式（2）計算。

式中：k—片的水平像素點(diǎn)；

l—圖片的垂直像素點(diǎn)。

定義f(a,b) 表示x(a,b) 對應(yīng)的增強(qiáng)的像素值，計算表示為式（3）。

式中：G(a,b)—像素增益函數(shù)。

在保持整張圖片總體結(jié)構(gòu)不變的情況下，在特征區(qū)域增強(qiáng)對比度，而在非特征區(qū)域弱化對比度，達(dá)到倍增對比度的調(diào)整效果，有效避免圖像的干擾因素。

通過對機(jī)器視覺盾尾間隙檢測圖像進(jìn)行對比度局部增強(qiáng)，明顯改善了原圖的質(zhì)量，如圖 1～8 所示。可見增強(qiáng)了管片圖像邊界位置的顯著性檢測判別效果。

圖1 管片水跡

圖2 背光場景

圖3 陰影

圖4 光斑

圖5 過濾水漬

圖6 過濾背光

圖7 弱化陰影

圖8 過濾光斑

3 優(yōu)化現(xiàn)場標(biāo)定參數(shù)

3.1 標(biāo)定參數(shù)的數(shù)組形式

采用數(shù)組形式為管片視圖中的每個邊界特征點(diǎn)各設(shè)置一套專用標(biāo)定參數(shù)，可有效降低攝像機(jī)安裝位置的視場角誤差和鏡頭曲面畸變等因數(shù)的檢測誤差。

上海北橫通道盾構(gòu)安裝了 7 套純機(jī)器視覺盾尾間隙自動檢測裝置。定義三維數(shù)組下標(biāo)變量：i為攝像機(jī)號，j為邊界特征點(diǎn)號，k為特征點(diǎn)的高層號。攝像機(jī)號i=1～7；邊界特征點(diǎn)號j=1～3，j=1 為管片左邊界、j=2 為防水膠條的右可視邊、j=3 為管片右邊界；高層號k=1～7，在視圖管片由上到下排序，用于標(biāo)定時在管片視圖中添加輔助直線。

3.2 垂直運(yùn)動管片特征點(diǎn)像素與距離雙曲線系數(shù)

（1）人工標(biāo)定同層二特征點(diǎn)之間的像素值。對于任意i號攝像機(jī)，在人工標(biāo)定時確認(rèn)視圖同一高層特征點(diǎn)之間的像素和，用公式表示為式（4）～式（7）。

4 開發(fā)現(xiàn)場標(biāo)定軟件工具程序

純機(jī)器視覺盾尾間隙檢測裝置是以攝像機(jī)的 CCD 坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的。盾構(gòu)機(jī)內(nèi)狹小空間較難確保人工安裝調(diào)試攝像機(jī)位置和視場角的準(zhǔn)確性。通過開發(fā)現(xiàn)場標(biāo)定軟件自動補(bǔ)償位置偏差可以簡化人工標(biāo)定工作量，尤其是攝像機(jī)受機(jī)械擾動影響視場角偏置后可重新快速標(biāo)定。

工程示范應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)化成果是開發(fā)現(xiàn)場標(biāo)定軟件工具程序的基礎(chǔ)。攝像機(jī)標(biāo)定的動態(tài)零點(diǎn)系數(shù)、攝像機(jī)傾角系數(shù)、雙曲線位置系數(shù)模塊功能關(guān)系如圖 9 所示。

圖9 現(xiàn)場標(biāo)定功能模塊

現(xiàn)場標(biāo)定數(shù)據(jù)輸入操作界面主要分上、左、下 3 個區(qū)域。上部選項(xiàng)功能定義：基本數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)距離和近距離標(biāo)定時相關(guān)數(shù)據(jù)，Cognex 相關(guān)的選項(xiàng)可對標(biāo)尺高度和寬度、灰度值、對比度增益等做設(shè)置。左側(cè)數(shù)據(jù)區(qū)行的定義：管片左、右、膠條 3 條邊的上、中、下共 9 個信息。數(shù)據(jù)區(qū)列的定義：攝像機(jī)號。下部操作功能定義: 讀取 Excel 文件、錄入數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)。為方便錄入，相關(guān)數(shù)據(jù)在 Excel 表格中，輸入完成后導(dǎo)入進(jìn)程序。

5 制訂現(xiàn)場標(biāo)定工藝

舉例說明制訂的純機(jī)器視覺盾尾間隙檢測裝置現(xiàn)場標(biāo)定工藝。

2019 年 5 月 30 日在北橫通道東線 1326 環(huán)對所研制的盾尾間隙檢測裝置實(shí)施參數(shù)標(biāo)定。

（1）在管片上噴涂標(biāo)記。以頂部 1 號攝像機(jī)為例，在管片的圖像視場中部噴涂標(biāo)記，以便人工辨識近距離和遠(yuǎn)距離的圖像上被標(biāo)記的像素位置，用于計算所需的標(biāo)定參數(shù)。

（2）人工標(biāo)定精測。根據(jù)北橫通道盾構(gòu)施工實(shí)際工況，人工標(biāo)定近點(diǎn)管片物距為 854～945 mm，遠(yuǎn)點(diǎn)管片物距為2 565～2 703 mm。計算機(jī)自動記錄標(biāo)定時的千斤頂距離和視場圖像。BOSCH GLM-40 手持式激光測距儀綁扎在直角尺上。直角尺卡在管片內(nèi)徑使檢測儀器對準(zhǔn)盾構(gòu)內(nèi)徑。精測工藝要求：激光與盾構(gòu)內(nèi)徑垂直，每個測點(diǎn)測 5 次取平均值，作為標(biāo)定實(shí)測盾尾間隙的參考基準(zhǔn)。

（3）標(biāo)定圖像人工預(yù)處理。近距離和遠(yuǎn)距離標(biāo)定圖像人工預(yù)處理。在標(biāo)定位置的管片中部噴涂標(biāo)記。

（4）記錄人工預(yù)處理信息。在管片上噴涂的標(biāo)記為基準(zhǔn)添加輔助線至特征邊，以獲得特征點(diǎn)像素位置Py[i,j,k]0、Px[i,j,k]0。j=1 為管片左邊、j=2 為膠條邊、j=3 為右邊的序列；k為 1～7 高程序列。

以 2 號攝像機(jī)在1326環(huán)標(biāo)定為例，人工在圖像上讀取特征點(diǎn)在 CCD 坐標(biāo)系上像素的位置值為 （Py[i,j,k]、Px[i,j,k]）。近距離數(shù)據(jù)記錄如表 1 所示，遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)記錄如表 2 所示。

表1 近距離標(biāo)定特征點(diǎn)像素位置

表2 遠(yuǎn)距離標(biāo)定特征點(diǎn)像素位置

（5）自動計算導(dǎo)入的數(shù)據(jù)。將人工分析記錄的數(shù)據(jù)輸入到現(xiàn)場標(biāo)定輸入操作界面。按“保存數(shù)據(jù)”鍵，標(biāo)定程序自動獲得標(biāo)定參數(shù)結(jié)果。

6 工程應(yīng)用效果

2017 年 4 月在上海北橫通道工程中盾構(gòu)完成基于視覺技術(shù)的盾尾間隙檢測裝置的安裝調(diào)試工作，并利用現(xiàn)場工況環(huán)境實(shí)際情況不斷開展工程應(yīng)用技術(shù)攻關(guān)，使所研發(fā)的盾尾間隙檢測裝置逐步符合實(shí)際工況環(huán)境。

6.1 盾構(gòu)間隙自動檢測裝置的穩(wěn)定性

在北橫通道東線隧道穿越地鐵 7 號線停機(jī)階段進(jìn)行盾構(gòu)間隙自動檢測裝置的穩(wěn)定性分析。數(shù)據(jù)取自盾尾間隙自動檢測裝置自 2019 年 6 月 13 日～17 日（盾構(gòu)連續(xù)停機(jī) 96 h以上工況狀態(tài)）的輸出數(shù)據(jù)。取 1 號、2 號、5 號、6 號、7 號攝像機(jī)盾尾間隙檢測值，20 min 采集一次，共 250 組數(shù)據(jù)。對每個攝像機(jī)盾尾間隙輸出進(jìn)行最大值、最小值、極值、平均值、均方值計算，分析結(jié)果如表 3 所示。

表3 檢測裝置的穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)分析

機(jī)器采樣數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，盾尾間隙自動檢測裝置性能穩(wěn)定。

6.2 盾構(gòu)間隙自動檢測裝置數(shù)據(jù)的正確性

在東線 1 398～2 000 環(huán)之間抽取 6 環(huán)進(jìn)行人工精測，人工精測結(jié)果與機(jī)器實(shí)測記錄數(shù)據(jù)對比。樣本數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表 4～7 所示。

表4 盾構(gòu)左上側(cè)檢測裝置數(shù)據(jù)分析 mm

表5 盾構(gòu)右上側(cè)檢測裝置數(shù)據(jù)分析 mm

表6 盾構(gòu)左下側(cè)檢測裝置數(shù)據(jù)分析 mm

表7 盾構(gòu)右下側(cè)檢測裝置數(shù)據(jù)分析 mm

統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，盾尾間隙自動檢測裝置樣本數(shù)據(jù)的檢測精度優(yōu)于項(xiàng)目考核要求的 4.00 mm 技術(shù)指標(biāo)，符合工程實(shí)際應(yīng)用需求。

7 結(jié) 語

本項(xiàng)目工程應(yīng)用實(shí)施技術(shù)優(yōu)化的成果有以下幾個方面。

（1）優(yōu)化視覺圖像質(zhì)量的效果。改善了圖像分辨率、增強(qiáng)了圖像特征信息對比度，提高了機(jī)器視覺原圖的抗干擾性，為機(jī)器視覺盾尾間隙裝置的環(huán)境適應(yīng)性提供了原圖質(zhì)量保證。

（2）優(yōu)化現(xiàn)場標(biāo)定方法的特點(diǎn)。通過軟件修正參數(shù)以簡化人工標(biāo)定工作量，尤其是攝像機(jī)受環(huán)境影響后可快速實(shí)施參數(shù)標(biāo)定。

（3）開發(fā)現(xiàn)場標(biāo)定功能程序的效果。提高了現(xiàn)場標(biāo)定繁瑣計算的工作效率。

（4）制定現(xiàn)場標(biāo)定工藝的作用。規(guī)范了盾尾間隙裝置現(xiàn)場標(biāo)定的工序工藝。

本文總結(jié)的快速標(biāo)定方法，為定期標(biāo)定純機(jī)器視覺盾尾間隙檢測裝置的精度提供了一種技術(shù)保障措施。期望在擴(kuò)大應(yīng)用過程中進(jìn)一步完善該裝置環(huán)境適應(yīng)性的技術(shù)性能。