何保渠

（揚(yáng)州市港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 揚(yáng)州 225200）

船閘橫拉閘門運(yùn)轉(zhuǎn)件較多，由于橫拉閘門結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致底臺車等構(gòu)件的運(yùn)行工況差，易磨損，一旦其運(yùn)轉(zhuǎn)件磨損程度過大將嚴(yán)重影響橫拉閘門的運(yùn)行穩(wěn)定性，因此需要設(shè)法做好橫拉閘門的觀測。

1 概述

芒稻船閘位于江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)，尺度為180×23×4（m）（閘室長×口門寬×檻上水深），船閘承受雙向水頭作用，最大正向設(shè)計(jì)水頭為 8.50m，最大反向設(shè)計(jì)水頭-1.31m。工作閘門采用橫拉門型式，閘門啟閉機(jī)采用齒輪齒條式機(jī)械傳動。上閘首閘門尺寸為 23.65×3.854×8.6m（門長×門厚×面板高度），結(jié)構(gòu)件重137.8t，下閘首閘門尺寸為23.65×3.854×13.7m，結(jié)構(gòu)件重213.9t。芒稻船閘橫拉閘門，在運(yùn)行過程中主要暴露出了閘門底臺車運(yùn)轉(zhuǎn)件易磨損導(dǎo)致閘門運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定等橫拉閘門通病。在船閘養(yǎng)護(hù)中，人字門、三角門依據(jù)《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》可以通過測量門頭跳動量來了解門體結(jié)構(gòu)變形情況，而橫拉閘門的“頂桁架四角高差”和“每對支承塊中心線相對偏移”項(xiàng)目不滿足日常養(yǎng)護(hù)工作中經(jīng)常性的檢測要求，導(dǎo)致橫拉閘門運(yùn)行狀態(tài)的好壞基本憑借養(yǎng)護(hù)工作人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，做不到量化。

2 系統(tǒng)研制目的

基于上述情況設(shè)計(jì)了這套“橫拉閘門門頭運(yùn)行軌跡檢測系統(tǒng)”，該系統(tǒng)能獲得橫拉閘門在運(yùn)動全行程的門頭運(yùn)動軌跡，分析門頭的上下跳動、左右偏移等數(shù)據(jù)，用于研判閘門底平車和軌道的工作狀態(tài)，有利于發(fā)現(xiàn)閘門遇到的水下突發(fā)情況，并將閘門底平車的磨損情況通過數(shù)據(jù)的形式反映出來，供技術(shù)與管理人員分析閘門磨損隨時(shí)間的變化規(guī)律、及時(shí)采取措施排除安全隱患等。

3 系統(tǒng)總體方案

3.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要包括三部分：⑴測控部分，包括運(yùn)動檢測裝置、工控機(jī)、控制箱等；⑵激光成像部分，包括點(diǎn)激光器、投影標(biāo)靶、工業(yè)相機(jī)；⑶軟件部分，包括圖像處理和分析、數(shù)據(jù)庫及人機(jī)交互等功能。

3.2 系統(tǒng)布置

工控機(jī)安裝于閘首機(jī)房內(nèi)。閘門運(yùn)動檢測裝置安裝于門庫內(nèi)，靶標(biāo)與工業(yè)相機(jī)之間固連，激光器與固連的靶標(biāo)和工業(yè)相機(jī)之間相對運(yùn)動，布置方式如圖1 所示：

圖1 系統(tǒng)布置示意圖

本系統(tǒng)采用兩只綠色點(diǎn)激光器固定安裝在門庫內(nèi)，兩只靶標(biāo)和工業(yè)相機(jī)安裝于門頭的布置方式。當(dāng)門頭上下、左右運(yùn)動時(shí)，靶標(biāo)上的光斑也產(chǎn)生相應(yīng)的位移，通過相機(jī)獲取靶標(biāo)上的光斑圖像。

3.3 閘門運(yùn)動檢測方法

通過在門庫內(nèi)閘門開啟與關(guān)閉位置分別安裝常開限位開關(guān)，通過開關(guān)量采集模塊的返回值可以得到限位開關(guān)的工作狀態(tài)，從而進(jìn)行判斷閘門的啟停，達(dá)到對整個(gè)檢測系統(tǒng)自動控制的目的。其原理是：在初始狀態(tài)下兩個(gè)限位開關(guān)的返回值一個(gè)為0，一個(gè)為1。開啟位置的限位開關(guān)的返回值為1 時(shí)，說明閘門此時(shí)正處在開啟位置；若關(guān)閉位置的限位開關(guān)的返回值為1 時(shí)，說明閘門此時(shí)正處在關(guān)閉位置。當(dāng)返回1 的限位開關(guān)的返回值變?yōu)? 時(shí)，即此時(shí)兩個(gè)限位開關(guān)的返回值都為0 時(shí)，說明閘門開始運(yùn)動。當(dāng)兩側(cè)的限位開關(guān)有一個(gè)的返回值由0 變?yōu)? 時(shí)，即兩個(gè)限位開關(guān)的返回值由都為0 變?yōu)橐粋€(gè)為0 一個(gè)為1，說明閘門停止運(yùn)動。

3.4 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程如圖2 所示：

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

（1）閘門運(yùn)動狀態(tài)檢測。初始狀態(tài)下，點(diǎn)激光器處于斷電狀態(tài)，通過運(yùn)動檢測裝置及數(shù)據(jù)分析算法實(shí)時(shí)監(jiān)控閘門的狀態(tài)。

（2）系統(tǒng)啟動。當(dāng)閘門啟動時(shí)，工控機(jī)控制點(diǎn)激光器電源和相機(jī)電源的接通，在靶標(biāo)上形成光斑，相機(jī)開始采集光斑圖像。

（3）光斑圖像分析。工控機(jī)對光斑圖像進(jìn)行預(yù)處理、光斑分割、中心坐標(biāo)提取和計(jì)算偏移量等操作，計(jì)算得到門頭上下跳動、左右偏移，將該數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中。

（4）系統(tǒng)暫停。當(dāng)運(yùn)動傳感器檢測到閘門停止運(yùn)動時(shí)，工控機(jī)控制點(diǎn)激光器電源的切斷。

（5）判斷信號輸出。根據(jù)對數(shù)據(jù)的分析，給出閘門的運(yùn)動狀況數(shù)據(jù)，如上下、左右偏移量等，與設(shè)定值比較，給出相應(yīng)的判斷信號。

4 光斑中心坐標(biāo)提取方法

光斑中心坐標(biāo)提取是系統(tǒng)的最重要的部分，點(diǎn)激光器投射的光斑圖像中心坐標(biāo)提取的準(zhǔn)確性是保證系統(tǒng)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性的關(guān)鍵點(diǎn)。保證中心坐標(biāo)提取精準(zhǔn)，才可以準(zhǔn)確分析門頭的運(yùn)動軌跡。光斑中心坐標(biāo)提取步驟，如圖3 所示。

圖3 光斑中心坐標(biāo)提取流程

4.1 相機(jī)標(biāo)定

在系統(tǒng)開始工作、相機(jī)取圖之前，需要先對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲得所用相機(jī)的內(nèi)參、外參與畸變系數(shù)。其標(biāo)定結(jié)果的精度及算法的穩(wěn)定性直接影響相機(jī)工作產(chǎn)生結(jié)果的準(zhǔn)確性，影響整個(gè)系統(tǒng)的測量結(jié)果。

本系統(tǒng)采用張正友相機(jī)標(biāo)定法。借助一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的棋盤格，首先使用相機(jī)從各個(gè)角度拍攝這幅棋盤格對象，然后提取圖像中棋盤格的角點(diǎn)，通過圖像中角點(diǎn)的坐標(biāo)以及世界坐標(biāo)系下角點(diǎn)坐標(biāo)的映射關(guān)系，從而計(jì)算出相機(jī)的內(nèi)參、外參與畸變系數(shù)。最后將標(biāo)定得到的結(jié)果通過畸變矯正函數(shù)對相機(jī)后續(xù)采集的圖像進(jìn)行畸變矯正。

本系統(tǒng)選用8 行6 列的棋盤格進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，每個(gè)格子為10mm×10mm。用相機(jī)拍攝標(biāo)定圖片如圖4（取兩張做例子），利用OPENCV 編程進(jìn)行標(biāo)定，可以得到相機(jī)的內(nèi)參、畸變系數(shù)與圖像的對應(yīng)外參。

圖4 相機(jī)標(biāo)定取圖

本系統(tǒng)所用為單目相機(jī)標(biāo)定，所以會用到相機(jī)的內(nèi)參與畸變系數(shù)。將標(biāo)定得到的結(jié)果用undistort()函數(shù)對相機(jī)之后采集的圖像進(jìn)行矯正，可以得到無畸變的圖像。

4.2 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理即對原始圖像去除噪聲并突出感興趣特征。主要目的是消除圖像中無關(guān)的信息，恢復(fù)有用的真實(shí)信息，增強(qiáng)有關(guān)信息的可檢測性、最大限度地簡化數(shù)據(jù)，從而改進(jìn)特征提取、圖像分割、匹配和識別的可靠性。預(yù)處理常用的方法有濾波、圖像增強(qiáng)等。這里用矯正后的圖像為原始圖像。

對原始圖像進(jìn)行濾波，去除圖像中的噪聲影響。本系統(tǒng)運(yùn)用中值濾波和LOG 算子的方法對圖像進(jìn)行預(yù)處理。中值濾波可以剔除對光斑圖像有干擾的噪聲點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)圖像的平滑，濾波矩陣選取5×5 的模板矩陣。為了找到光斑圖像邊緣，突出光斑圖像邊緣特征信息，本系統(tǒng)利用LOG 算子對圖像進(jìn)行濾波，增強(qiáng)圖像的邊沿與細(xì)節(jié)，使得圖像分割所得感興趣區(qū)域的邊界更加清晰，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 (a)為平滑后結(jié)果，(b)為銳化后結(jié)果

4.3 圖像分割

圖像分割技術(shù)是指遵循一定的相似度準(zhǔn)則，利用圖像中的某些特征信息，將圖像劃分為若干內(nèi)部一致而彼此特征各異的同質(zhì)連通區(qū)域，而不同區(qū)域各像素點(diǎn)間在這些特征上差異較大。其目的是通過對圖像進(jìn)行區(qū)域劃分可有效簡化圖像的表達(dá)方式，減少冗余信息并提出感興趣目標(biāo)，它是由圖像處理到圖像分析的關(guān)鍵步驟。

系統(tǒng)采用閾值分割的方法進(jìn)行圖像分割并采用形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算對分割圖像進(jìn)行二次處理。閾值分割方法是對目標(biāo)與背景占據(jù)不同灰度級范圍的圖像進(jìn)行圖像分割常用的方法。利用形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算可以用來填充物體內(nèi)細(xì)小空洞、連接鄰近物體、平滑邊緣的同時(shí)并不明顯改變其面積。

本系統(tǒng)中點(diǎn)激光的光斑投射于固定背景靶標(biāo)之上，固定靶標(biāo)可以根據(jù)需求選取深色的亞光材料，故圖像的背景情況能夠保證。銳化后的圖像中光斑邊緣清晰、特征突出，且光斑處有過曝現(xiàn)象，邊緣與背景都沒有過曝現(xiàn)象，可以將銳化后圖像利用閾值分割的方法將光斑從背景中分割出來。分割后的圖像邊緣有較多孤立小區(qū)域且不平滑，通過形態(tài)學(xué)開運(yùn)算與閉運(yùn)算搭配使用可以解決這個(gè)問題。

圖6 (a)形態(tài)學(xué)運(yùn)算后圖像、(b)分割后圖像

4.4 光斑邊緣亞像素檢測及光斑中心坐標(biāo)提取

亞像素是將像素再進(jìn)行細(xì)分，是比像素還小的單位，提高圖像分辨率。通常情況下，亞像素邊緣點(diǎn)存在于圖像中逐漸發(fā)生過度變化的區(qū)域，我們可以利用多項(xiàng)式擬合等多種方法獲得邊緣點(diǎn)的亞像素位置。本系統(tǒng)采用Canny 邊緣檢測與Zernike 矩提取光斑亞像素邊緣，再求質(zhì)心得到光斑中心坐標(biāo)。對經(jīng)過二次處理的光斑圖像進(jìn)行Canny 邊緣檢測可以得到像素級光斑邊緣，結(jié)果見圖7。

圖7 (a)Canny 邊緣檢測結(jié)果、(b) 邊緣檢測與原圖融合結(jié)果

為了得到更高精度的光斑邊緣，需要對Canny 檢測得到的像素級邊緣再進(jìn)行亞像素邊緣檢測。具體為根據(jù)Zernike 矩的推導(dǎo)求出7 個(gè)模板系數(shù)，將Zernike 矩模板分別與像素級邊緣圖形進(jìn)行卷積，得到7 個(gè)Zernike 矩，再分別乘以每個(gè)矩的校正系數(shù)。最后計(jì)算距離參數(shù)l 與灰度參數(shù)k，根據(jù)l 和k 判斷該點(diǎn)是否為邊緣點(diǎn)。由于亞像素邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)都是float 型數(shù)據(jù)而非整數(shù)，故不在圖像中顯示，只記錄下亞像素邊緣點(diǎn)集。

得到了亞像素邊緣點(diǎn)集，利用求質(zhì)心操作，便可以得到亞像素級的光斑中心坐標(biāo)。

5 運(yùn)動數(shù)據(jù)的存儲、操作與分析

系統(tǒng)在工作過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，為方便儲存與后續(xù)的查詢，系統(tǒng)通過建立數(shù)據(jù)庫的方式實(shí)現(xiàn)功能。建立數(shù)據(jù)庫的過程如下：

（1）根據(jù)所需要存儲的數(shù)據(jù)種類、數(shù)量等，確定所要創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫要包含的種類數(shù)。本系統(tǒng)需要儲存在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)種類包括：工業(yè)相機(jī)獲取光斑圖像的時(shí)間及其對應(yīng)的閘門所在位置坐標(biāo)；圖像處理后所得光斑中心實(shí)際的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)；光斑中心實(shí)際橫、縱坐標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)的偏移量等。

（2）創(chuàng)建訪問數(shù)據(jù)庫驅(qū)動。本系統(tǒng)采用QT 平臺完成數(shù)據(jù)庫的建立與管理。QT 平臺自帶數(shù)據(jù)庫的相關(guān)庫，QSqlDatabase 代表一個(gè)數(shù)據(jù)庫連接，該類提供了訪問數(shù)據(jù)庫的接口，該類的實(shí)例代表著一個(gè)數(shù)據(jù)庫的連接，而這個(gè)連接通過支持的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序進(jìn)行訪問。

（3）數(shù)據(jù)庫驅(qū)動創(chuàng)建完成，需要將數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)庫中，并按照數(shù)據(jù)種類對應(yīng)儲存在數(shù)據(jù)庫。這里可以用到QSqlQuery 庫。QSqlQuery 包括了所有的功能，像在一個(gè)QSqlDatabase 上執(zhí)行SQL 查詢、創(chuàng)建、導(dǎo)航和索取數(shù)據(jù)等等。它可以執(zhí)行DML（數(shù)據(jù)操作語言）語句，比如 SELECT,INSERT,UPDATE 和 DELETE,還可以執(zhí)行DDL（數(shù)據(jù)定義語言）語句，比如：CREATE TABLE。不僅如此，它還可以用于執(zhí)行特定數(shù)據(jù)庫而不是標(biāo)準(zhǔn)SQL 語句的指令。

（4）數(shù)據(jù)完成儲存后，為將所需數(shù)據(jù)顯示出來并完成對數(shù)據(jù)的操作，需要通過界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過QT 編寫需要的界面，界面上有對應(yīng)功能的按鍵與輸入輸出窗口，實(shí)現(xiàn)想要的操作。并在數(shù)據(jù)庫操作界面將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)顯示在界面中，既能夠通過鼠標(biāo)直接進(jìn)行查看，也可以根據(jù)時(shí)間范圍查看數(shù)據(jù)。

（5）創(chuàng)建圖表顯示查詢結(jié)果。為更直觀表示出數(shù)據(jù)變化情況，通過QWT 圖表將所查詢范圍內(nèi)的坐標(biāo)分布、偏差變化等數(shù)據(jù)顯示在圖表中，便于使用者分析數(shù)據(jù)變化。

6 結(jié)語

該系統(tǒng)通過觀測激光照射光斑移動的方法計(jì)算出橫拉閘門門頭運(yùn)行軌跡進(jìn)而為判斷橫拉閘門的運(yùn)行情況提供判斷，提供了一種量化觀測橫拉閘門運(yùn)行狀態(tài)的途徑。