楊宏燕（上海隧道工程有限公司，上海 200233）

盾構(gòu)法隧道施工過(guò)程中，盾構(gòu)千斤頂支撐成環(huán)管片端面，成環(huán)管片的外圓與盾殼內(nèi)圓之間的距離稱為盾尾間隙。是否及時(shí)正確掌握盾尾間隙數(shù)據(jù)是盾構(gòu)糾偏和管片定位操作決策的重要依據(jù)之一。目前隧道施工主要采用人工測(cè)量的方法獲得盾尾間隙數(shù)據(jù)。人工測(cè)量盾尾間隙的基本測(cè)點(diǎn)一般位于成環(huán)管片平面的正交軸線上。每推完一環(huán)和拼完管片各測(cè)量一次。人工測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性與盾尾間隙測(cè)點(diǎn)的光線、視角、視距相關(guān)，且與測(cè)量者設(shè)置直尺的垂直度相關(guān)。因此，人工測(cè)量盾尾間隙數(shù)據(jù)的正確性具有一定離散型。

近年來(lái)，某些盾構(gòu)制造商在盾構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)中配置了定制的盾尾間隙檢測(cè)裝置，但均未有效解決惡劣檢測(cè)環(huán)境適應(yīng)性的技術(shù)難題。研制純機(jī)器視覺(jué)盾尾間隙檢測(cè)裝置的目的是期望解決盾尾間隙檢測(cè)裝置現(xiàn)有技術(shù)的共性難題，對(duì)促進(jìn)盾尾間隙檢測(cè)裝置環(huán)境適應(yīng)性的研究具有積極意義。

1 盾尾間隙自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

盾尾間隙自動(dòng)檢測(cè)裝置按檢測(cè)原理可劃分為機(jī)械傳動(dòng)原理、激光原理、機(jī)械激光原理、超聲波原理、線激光視覺(jué)原理與純視覺(jué)原理等。

（1）機(jī)械傳動(dòng)原理檢測(cè)裝置。日本三菱公司、IHI 公司早期開(kāi)發(fā)機(jī)械原理盾尾間隙自動(dòng)檢測(cè)裝置，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)夾持電子檢測(cè)裝置伸入盾殼與管片之間測(cè)出盾尾間隙數(shù)值?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用常會(huì)發(fā)生盾尾油脂污染或同步注漿漿液固化檢測(cè)裝置傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的故障。

（2）激光原理檢測(cè)裝置。英國(guó) VMT 公司早期開(kāi)發(fā) SLuM激光盾尾間隙檢測(cè)裝置，缺陷是受管片拼裝機(jī)工作方式限制，無(wú)法安裝在盤(pán)式拼裝機(jī)的盾構(gòu)上。

（3）機(jī)械激光原理檢測(cè)裝置。上海盾構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究中心有限公司開(kāi)發(fā)的激光機(jī)械式盾尾間隙自動(dòng)檢測(cè)裝置安裝在推進(jìn)千斤頂根部，帶激光測(cè)距儀的旋轉(zhuǎn)編碼器搜索管片邊緣，根據(jù)測(cè)距和轉(zhuǎn)角信息計(jì)算盾尾間隙。該裝置限于非掘進(jìn)狀態(tài)檢測(cè)。

（4）超聲波原理檢測(cè)裝置。德國(guó)海瑞克公司在上海市北橫通道盾構(gòu)的盾尾內(nèi)圓結(jié)構(gòu)表面配置超聲波傳感器。當(dāng)發(fā)射端和接收端之間受盾尾油脂或漿液污染后存在可靠性問(wèn)題。

（5）線激光視覺(jué)原理檢測(cè)裝置。日本 ENZAN KOUBOU公司開(kāi)發(fā)的線激光視覺(jué)原理盾尾間隙自動(dòng)檢測(cè)裝置安裝在推進(jìn)千斤頂根部，計(jì)算機(jī)根據(jù)千斤頂行程跟蹤線激光位置，由視覺(jué)軟件判定激光線條的位置變化。但未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性的相關(guān)文獻(xiàn)。

（6）純視覺(jué)原理檢測(cè)裝置。早期 STEC 公司開(kāi)發(fā)的純視覺(jué)原理盾尾間隙自動(dòng)檢測(cè)裝置安裝在千斤頂頭部的極楦上，掘進(jìn)過(guò)程中圖像的管片位置始終恒定，但盾尾內(nèi)側(cè)相對(duì)管片無(wú)可靠位置信息。

機(jī)械傳動(dòng)原理、激光原理、機(jī)械激光原理、超聲波原理與線激光視覺(jué)原理這 5 種檢測(cè)原理的裝置在施工現(xiàn)場(chǎng)理想工況條件下均能成功應(yīng)用，但在惡劣環(huán)境或特殊工況條件下未必能成熟應(yīng)用。早期開(kāi)發(fā)的純視覺(jué)原理檢測(cè)裝置未解決純視覺(jué)原理盾尾間隙檢測(cè)裝置的關(guān)鍵技術(shù)難題。

2 研制純機(jī)器視覺(jué)盾尾間隙檢測(cè)裝置的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體技術(shù)方案

采用 0.5 英寸 CCD 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)作為機(jī)器視覺(jué)傳感器。定焦鏡頭焦距為 6.2 mm，視場(chǎng)角（H/O/V）57°/47°/37°，調(diào)焦景深范圍 600～2 800 mm。攝像機(jī)保護(hù)等級(jí) IP 65。攝像機(jī)安裝在 2 個(gè)千斤頂根部之間的盾構(gòu)本體鋼結(jié)構(gòu)上，可避免盾尾油脂和注漿漿液污染。在盾殼無(wú)可靠參照物工況下，以攝像機(jī) CCD 坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，辨識(shí)和判斷管片特征邊在 CCD坐標(biāo)系上的位置變化，由此計(jì)算出盾尾間隙。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)無(wú)可靠參照物的運(yùn)動(dòng)管片在圖像上近大遠(yuǎn)小、現(xiàn)場(chǎng)各種光污染對(duì)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)干擾等難題，構(gòu)建純機(jī)器視覺(jué)盾尾間隙檢測(cè)裝置主要功能模塊，具體如圖 1 所示。機(jī)器視覺(jué)管片邊界提取方法旨在克服環(huán)境變化光干涉，以提高管片特征邊界圖數(shù)轉(zhuǎn)換的有效性。純機(jī)器視覺(jué)盾尾間隙檢測(cè)方法以CCD 坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，在垂直運(yùn)動(dòng)物距條件下解析平面移動(dòng)管片對(duì)應(yīng)的盾尾間隙數(shù)值。自動(dòng)跟蹤視覺(jué)目標(biāo)區(qū)域方法是抑制攝像機(jī)安裝位置及視圖失真引起的盾尾間隙檢測(cè)誤差。管片圖像特征邊界點(diǎn)網(wǎng)格過(guò)濾方法是規(guī)避視圖中的各種視覺(jué)干擾因素。本文重點(diǎn)分析中間 3 個(gè)功能模塊的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 純機(jī)器視覺(jué)盾尾間隙檢測(cè)裝置主要功能模塊

3 純機(jī)器視覺(jué)盾尾間隙檢測(cè)方法

由于視覺(jué)圖像中的盾構(gòu)內(nèi)殼無(wú)可靠參考位置信息，因此利用攝像機(jī)安裝位置與盾尾內(nèi)殼相對(duì)靜止特點(diǎn)，建立基于CCD 坐標(biāo)系的盾尾間隙解算方法。

3.1 建立 CCD 坐標(biāo)系

建立以 CCD 圖素中心為基準(zhǔn)的直角坐標(biāo)系。圖像中管片二邊像素和是管片左邊和右邊像素的絕對(duì)值之和，其計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：Y—圖像中管片二邊像素之和；

L—CCD 縱軸中心到管片左邊界的像素值絕對(duì)值；

R—CCD 縱軸中心到管片右邊界的像素值。

3.2 管片物距與管片二邊像素和的關(guān)系

管片物距與圖像中管片二邊像素之和的定量關(guān)系如式（2）所示。

式中：Y—圖像中管片二邊像素之和；

b—像素系數(shù)；

x—千斤頂?shù)膶?shí)際長(zhǎng)度，mm；

a—攝像機(jī)安裝的位置系數(shù)。

在千斤頂近距離 (x0) 時(shí)，人工獲得管片二邊像素和(Y0)；在千斤頂遠(yuǎn)距離 (x1) 時(shí)，人工獲得管片二邊像素和(Y1)，分別將 (x0，Y0)、(x1，Y1) 代入式（2），解聯(lián)立方程得a、b，如式（3）、（4）所示。

3.3 求解盾尾間隙的值

可利用式（2）求得有效物距范圍視圖中管片二邊的像素和 (Y)，則式（5）或式（6）只需一條管片邊的像素值，就能得到所測(cè)管片間隙的結(jié)果。式（5）適用僅有管片左邊像素值 (L)、式（6）適用僅有管片右邊像素值 (R)。

式中：d—盾尾間隙計(jì)算結(jié)果;

dz—?jiǎng)討B(tài)零點(diǎn)（由人工初始化標(biāo)定確定）；

h—管片厚度，mm。

3.4 標(biāo)定動(dòng)態(tài)零點(diǎn)

盾尾間隙零點(diǎn)隨掘進(jìn)距離動(dòng)態(tài)變化。盾尾間隙零點(diǎn)標(biāo)定時(shí)，分別將近距離 (x0) 人工測(cè)量盾尾間隙 (dm0) 值和遠(yuǎn)距離(x1) 人工測(cè)量盾尾間隙 (dm1) 值分別代入式（5）的d，得公式（7）～（10）。

4 自動(dòng)跟蹤視覺(jué)目標(biāo)區(qū)域方法

針對(duì)攝像機(jī)定位產(chǎn)生的管片特征邊界信息點(diǎn)的水平、高程、旋轉(zhuǎn)方向偏差的技術(shù)難題，建立視覺(jué)工具自動(dòng)跟蹤目標(biāo)區(qū)域方法，使視覺(jué)軟件控件工具在視圖中直接進(jìn)入管片邊界特征點(diǎn)區(qū)域搜索。最終可自動(dòng)適應(yīng)視場(chǎng)方向、視角旋轉(zhuǎn)等安裝誤差因素，提高圖數(shù)辨識(shí)的效率。

4.1 特征邊界目標(biāo)區(qū)域跟蹤定位

同理，由人工確認(rèn)近距離 (x0) 管片邊界特征點(diǎn)的高程分量像素值 (ζ0)，遠(yuǎn)距離 (x1) 確認(rèn)該管片邊界特征點(diǎn)的高程分量新的位置像素值 (ζ1)?？汕蠊芷吔缣卣鼽c(diǎn)的高程分量跟蹤定位值，如式（13）、（14）所示。

4.2 定義工具尺寸

在初始化參數(shù)集中，定義近距離工具寬度tw0（像素值），遠(yuǎn)距離工具寬度tw1（像素值），寬高比tk，計(jì)算公式如式（15）～（17）所示。

4.3 特征邊界點(diǎn)跟蹤方式

5 管片網(wǎng)格邊界特征點(diǎn)過(guò)濾方法

建立管片網(wǎng)格邊界特征點(diǎn)過(guò)濾方法，其意義在于可過(guò)濾現(xiàn)場(chǎng)若干雜光等圖形干擾信息，提高盾尾檢測(cè)可靠性。

5.1 網(wǎng)格邊界特征點(diǎn)定義

（1）利用有效可視邊界。除了管片內(nèi)外徑在圖像上的左右兩條邊外，圖像上的管片防水膠條邊界可以利用。僅利用膠條邊界求盾尾間隙的方法，如式（18）所示。

hr—膠條右邊界到管片右邊界的距離。

（2）網(wǎng)格邊界特征點(diǎn)數(shù)組。設(shè)j為有效檢測(cè)邊(j=1～3)，j=1 為管片左邊界L、j=2 為貼在管片上的橡膠條右邊Lr，j=3 為管片右邊界R。設(shè)k為每條邊測(cè)點(diǎn)高度的層次，k=1 為上 1 F、k=2 為上 2 F、k=3 為上 3 F、k=4為中層、k=5 為下 1 F、k=6 為下 2 F、k=7 為下 3 F。由此，管片網(wǎng)格邊界任一有效特征點(diǎn)的檢測(cè)信息可由下標(biāo) [j,k]的二維數(shù)組定義。

5.2 網(wǎng)格邊界特征點(diǎn)初始參數(shù)

由于攝像機(jī)平面、高程和旋轉(zhuǎn)視角安裝誤差會(huì)引起視圖失真，因此對(duì)管片網(wǎng)格中每個(gè)邊界特征點(diǎn)分別進(jìn)行標(biāo)定，記錄標(biāo)定千斤頂近距離 (x0) 信息。標(biāo)定確認(rèn)或求出下列標(biāo)定數(shù)組參數(shù)如表 1 所示。

表1 標(biāo)定數(shù)組變量定義

5.3 僅用 1 個(gè)網(wǎng)格邊界特征點(diǎn)求解盾尾間隙

用表 1 標(biāo)定數(shù)組變量代入式（2）、（1 0）、（5）～（7）、（1 8）的相應(yīng)變量，求得管片網(wǎng)格邊界特征點(diǎn)的盾尾間隙集群輸出，計(jì)算公式為式（19）～（21）。

式（19）～（21）中的數(shù)組變量定義參考式（6）、（7）、（18）的相應(yīng)變量解釋。

5.4 網(wǎng)格化盾尾間隙檢測(cè)集群數(shù)據(jù)的篩選

可采用重心法篩選網(wǎng)格化盾尾間隙 21 個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，得出視覺(jué)圖像當(dāng)前周期盾尾間隙檢測(cè)結(jié)果。

6 工程應(yīng)用情況

掘進(jìn) 6 環(huán)的 5 個(gè)受檢測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)反映盾尾間隙自動(dòng)檢測(cè)裝置的精度 ＜ 4 mm，符合工程實(shí)際應(yīng)用需求。

7 結(jié) 語(yǔ)

（1）研制成果具有較高的技術(shù)創(chuàng)新質(zhì)量。示范工程應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)果反映所研制的純機(jī)器視覺(jué)盾尾間隙自動(dòng)檢測(cè)裝置的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)具有明顯的工程應(yīng)用實(shí)際效果。① 建立的“前后運(yùn)動(dòng)管片圖像的盾尾間隙檢測(cè)方法”最少由管片1個(gè)有效邊界特征點(diǎn)信息就可解算出盾尾間隙，避免了變化物距產(chǎn)生的計(jì)算誤差，提高了檢測(cè)結(jié)果的正確性。② 建立的“圖像特征點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)過(guò)濾方法”具有規(guī)避管片上潮濕痕跡、管片上文字痕跡、防水條不規(guī)則狀態(tài)、施工環(huán)境局部炫光、強(qiáng)逆光等干擾因素，提高了環(huán)境適應(yīng)性。③ 建立的“圖像特征點(diǎn)自動(dòng)跟蹤方法”抑制了安裝位置“傾斜” “旋轉(zhuǎn)”因素產(chǎn)生的視圖位置失真引起的檢測(cè)誤差，提高了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試維護(hù)的效率。

（2）可進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)措施。① 可適當(dāng)提高攝像機(jī)的CCD 像素值。② 現(xiàn)場(chǎng)照明可采取格柵防炫光輔助措施。

純機(jī)器視覺(jué)盾尾間隙自動(dòng)檢測(cè)裝置應(yīng)用軟件的核心算法，在上海市北橫通道東線施工應(yīng)用過(guò)程中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況不斷深化、細(xì)化和優(yōu)化。由第三方專業(yè)單位在北橫通道東線 1 398 環(huán)～2 000 環(huán)之間取 6 環(huán)進(jìn)行人工精測(cè)，結(jié)果與機(jī)器實(shí)測(cè)記錄數(shù)據(jù)對(duì)比。共測(cè)試 5 個(gè)盾尾間隙檢測(cè)裝置（1號(hào)～2 號(hào)，5 號(hào)～7 號(hào)）。安裝在盾構(gòu)上部 7 號(hào)盾尾間隙檢測(cè)位置的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表 2 所示。

表2 7 號(hào)攝像機(jī)盾尾間隙檢測(cè)數(shù)據(jù)正確性分析表 mm