薛春明

（山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

隧道智能檢測(cè)系統(tǒng)采集速度快、精度高、穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度高且能耗低，可在正常行車速度下，實(shí)現(xiàn)公路隧道裂縫、滲水、剝落、襯砌變形、蓋板破損及缺失等襯砌表觀病害的快速檢測(cè)，可滿足各種等級(jí)公路隧道的日常、定期、專項(xiàng)檢測(cè)[1-2]。隧道智能檢測(cè)系統(tǒng)在正常速度下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，速度可達(dá)80 km∕h，每秒數(shù)據(jù)量可達(dá)300 Mb。為了提高檢測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)智能化圖像采集，保障圖像采集質(zhì)量，提高圖像處理速度和病害識(shí)別精度，本文針對(duì)隧道智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套集數(shù)據(jù)采集、處理和管理的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隧道襯砌圖像的高效、高質(zhì)量采集以及圖像數(shù)據(jù)的高效處理[3-4]。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由圖像采集軟件、數(shù)據(jù)采集軟件和圖像轉(zhuǎn)換軟件組成。圖像采集軟件用于采集隧道圖片信息；數(shù)據(jù)采集軟件由編碼器采集軟件、激光三維掃描儀采集軟件及微型陀螺儀數(shù)據(jù)采集軟件3 個(gè)模塊系統(tǒng)組成，分別采集車輛里程數(shù)據(jù)、隧道襯砌輪廓尺寸數(shù)據(jù)和車輛三自由度運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息；圖像轉(zhuǎn)化軟件主要對(duì)采集圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。

1.1 圖像采集軟件

圖像采集軟件主界面如圖1所示，由功能區(qū)、顯示區(qū)和狀態(tài)區(qū)組成，用于實(shí)現(xiàn)相機(jī)參數(shù)設(shè)置、圖像采集、圖像查看、圖像存儲(chǔ)設(shè)置以及圖像顯示等功能。同時(shí)，該軟件內(nèi)置了相機(jī)管理和配置功能，用于實(shí)現(xiàn)相機(jī)服務(wù)器和設(shè)備號(hào)的匹配以及相機(jī)參數(shù)的導(dǎo)入，如圖2所示，是實(shí)現(xiàn)相機(jī)識(shí)別、相機(jī)管理和圖像準(zhǔn)確采集的重要保證，是確保圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。另外，圖像的連續(xù)和動(dòng)態(tài)顯示是展現(xiàn)軟件好壞和反映圖像質(zhì)量的直接窗口，為了便于用戶對(duì)圖像全局和局部的觀察，開(kāi)發(fā)了圖像顯示比例可調(diào)控件，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)用戶的自由調(diào)控。

圖1 單相機(jī)采集軟件

圖3 圖像顯示比例可調(diào)控件

隧道智能檢測(cè)系統(tǒng)采用半幅畫(huà)面采集方式，即在高速公路隧道行車道和超車道各行駛一次，在一次半幅采集過(guò)程中，單個(gè)相機(jī)無(wú)法滿足視場(chǎng)及精度要求，需要設(shè)置3 套工業(yè)相機(jī)及配套光源對(duì)隧道襯砌進(jìn)行圖像采集。該系統(tǒng)采用多線程并行技術(shù)，將單相機(jī)采集軟件系統(tǒng)升級(jí)為多相機(jī)采集軟件，該軟件能夠自動(dòng)識(shí)別相機(jī)數(shù)量，在擁有單相機(jī)采集軟件所有功能的基礎(chǔ)上，能夠同時(shí)預(yù)覽到所有相機(jī)的采集畫(huà)面[5]。多相機(jī)采集軟件如圖4所示。

圖4 多相機(jī)采集軟件

1.2 數(shù)據(jù)采集軟件

數(shù)據(jù)采集軟件主要由編碼器、激光三維掃描儀和微型陀螺儀子系統(tǒng)組成，軟件界面如圖5所示。編碼器子系統(tǒng)主要包括串口設(shè)置、編碼器設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、功能鍵等功能，用于顯示角度值、脈沖數(shù)量、車速和里程，設(shè)置編碼器發(fā)送的脈沖數(shù)量；激光三維掃描儀子系統(tǒng)是采用激光技術(shù)掃描隧道輪廓，以極坐標(biāo)形式測(cè)繪隧道輪廓，可實(shí)時(shí)顯示測(cè)量物體與掃描儀之間的距離和相對(duì)角度，用于定測(cè)隧道智能檢測(cè)車的位置；微型陀螺儀子系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)標(biāo)定、系統(tǒng)權(quán)重、溫度顯示、姿態(tài)角、角速度、加速度等功能，該軟件實(shí)現(xiàn)了俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、方向角的實(shí)時(shí)采集和顯示，方便后期圖像處理時(shí)圖像矯正、裂縫識(shí)別等。

圖5 數(shù)據(jù)采集軟件

1.3 圖像轉(zhuǎn)化軟件

隧道智能檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集作業(yè)速度為80 km∕h，數(shù)據(jù)量為300 Mb∕s。采集過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)瞬間完整存儲(chǔ)，系統(tǒng)對(duì)原始數(shù)據(jù)不經(jīng)過(guò)任何加工和處理，采用RAW 格式保存。采集完成后，需將非可視化原始數(shù)據(jù)通過(guò)增加表頭信息轉(zhuǎn)化為可視化圖片，同時(shí)，對(duì)巨大數(shù)據(jù)量進(jìn)行無(wú)損壓縮。為了方便轉(zhuǎn)換過(guò)程，加快轉(zhuǎn)換速度，完成批量轉(zhuǎn)換和去除無(wú)效圖片，開(kāi)發(fā)了一款圖像轉(zhuǎn)換軟件，如圖6所示。

圖6 圖像轉(zhuǎn)化軟件

2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由圖像預(yù)處理軟件、圖像拼接軟件和圖像病害識(shí)別軟件組成。圖像預(yù)處理軟件對(duì)采集的隧道圖像進(jìn)行預(yù)處理，使其滿足復(fù)雜隧道環(huán)境下裂縫識(shí)別；圖像拼接軟件對(duì)圖像進(jìn)行拼接，形成全幅展布圖；圖像病害識(shí)別軟件實(shí)現(xiàn)隧道海量圖片數(shù)據(jù)的分析、處理和識(shí)別。

2.1 圖像預(yù)處理軟件

隧道圖像預(yù)處理軟件主要包括圖像增強(qiáng)、圖像二值化、直方圖均衡、旋轉(zhuǎn)、亮度減弱增加等功能，用以滿足復(fù)雜隧道環(huán)境下低對(duì)比度的裂縫識(shí)別與檢測(cè)，系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 圖像預(yù)處理軟件

2.2 圖像拼接軟件

該系統(tǒng)采集到的每張圖片代表實(shí)際里程1 m，為了形成隧道整體展布圖，需要將兩個(gè)半幅的6 套相機(jī)采集的圖片拼接在一起。拼接方式主要有位置和特征點(diǎn)拼接兩種，由于隧道等級(jí)不同，每套相機(jī)視場(chǎng)的重復(fù)率也會(huì)隨之不同，位置拼接方式需要根據(jù)隧道等級(jí)設(shè)置不同裁剪參數(shù)。特征點(diǎn)拼接方式原理是在圖片重復(fù)區(qū)域依據(jù)梯度和灰度方向計(jì)算得到面特征點(diǎn)，基于所有的特征點(diǎn)將相鄰圖片自動(dòng)拼接，該拼接方式能夠得到很好的拼接效果[6-7]，因此，該系統(tǒng)采用特征點(diǎn)拼接方式。圖像拼接軟件子系統(tǒng)如圖8所示，隧道全幅拼接效果如圖9所示。

圖8 圖像拼接軟件

圖9 全幅圖拼接

2.3 圖像病害識(shí)別軟件

隧道病害識(shí)別軟件，如圖10所示，集成圖像分割和深度學(xué)習(xí)的算法，可實(shí)現(xiàn)圖像處理、數(shù)據(jù)報(bào)表，以及存儲(chǔ)管理，滿足隧道海量圖片數(shù)據(jù)的分析、處理和識(shí)別。同時(shí)，該軟件依托病害數(shù)據(jù)中心對(duì)采集的病害進(jìn)行信息數(shù)據(jù)化管理，可與隧道歷史數(shù)據(jù)比對(duì)和預(yù)測(cè)，得到病害擴(kuò)展趨勢(shì)和速率等信息，為隧道養(yǎng)護(hù)決策提供全方面數(shù)據(jù)支撐[8-9]。

圖10 圖像病害識(shí)別軟件

3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

隧道病害數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，如圖11所示，可對(duì)裂縫、剝落、滲水、機(jī)電設(shè)施和蓋板的破損及丟失等病害類型進(jìn)行統(tǒng)一管理，具備數(shù)據(jù)報(bào)表、病害統(tǒng)計(jì)、隧道襯砌表觀圖出具及數(shù)據(jù)中心管理等功能。系統(tǒng)用戶可查閱每條隧道的病害信息，相應(yīng)的圖片顯示在瀏覽窗口中，還可以按照病害種類、裂縫長(zhǎng)度和寬度、里程信息、病害位置等進(jìn)行搜索和分析。系統(tǒng)用戶可選擇多種輸出選項(xiàng)，包括檢測(cè)日志、隧道襯砌表觀圖、病害統(tǒng)計(jì)表、隧道病害提取圖像等。

圖11 隧道病害數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

3.1 病害統(tǒng)計(jì)報(bào)表

病害統(tǒng)計(jì)報(bào)表中包括病害里程樁號(hào)、位置、病害類型、病害幾何參數(shù)特性等，總表中按照病害類型、位置、病害幾何參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。隧道襯砌病害記錄表如表1所示。

表1 隧道襯砌病害記錄表

3.2 隧道襯砌表觀圖

隧道襯砌表觀圖為隧道全幅圖，全部病害信息展現(xiàn)在襯砌表觀圖上，每張圖呈現(xiàn)一定里程襯砌圖像，表觀圖中每種裂縫顏色表示0.2 mm 跨度的寬度，更加醒目地表示裂縫寬度。該種呈現(xiàn)方式更加直觀地將病害信息展現(xiàn)在襯砌表觀圖中，具有更強(qiáng)的閱讀性，如圖12所示。

圖12 隧道襯砌表觀圖

3.3 隧道病害數(shù)據(jù)中心

隧道病害數(shù)據(jù)中心如圖13所示，可對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，使用了自主研發(fā)的海量數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮技術(shù)，存儲(chǔ)外業(yè)采集獲得的數(shù)據(jù)；同時(shí)，配置高性能GUP服務(wù)器，可進(jìn)行隧道圖像拼接和病害智能識(shí)別，形成可視化檢測(cè)報(bào)告；另外，可對(duì)隧道病害特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析、管理，可對(duì)病害信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，展示隧道病害發(fā)展過(guò)程，為業(yè)主制定維護(hù)方案提供依據(jù)。

圖13 隧道病害數(shù)據(jù)中心

4 結(jié)論與展望

隧道智能檢測(cè)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)通過(guò)圖像快速轉(zhuǎn)化、無(wú)損壓縮、預(yù)處理及圖像拼接，形成了全幅展布圖，通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的分析、處理與識(shí)別；建立了數(shù)據(jù)管理中心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)報(bào)表、病害統(tǒng)計(jì)、隧道襯砌表觀圖出具及數(shù)據(jù)中心管理等功能。

隧道智能檢測(cè)軟件系統(tǒng)的成功應(yīng)用，保障了圖像采集質(zhì)量，提高了圖像處理速度和病害識(shí)別精度，保障數(shù)據(jù)處理的順利進(jìn)行，大幅降低檢測(cè)時(shí)間和檢測(cè)成本，便于對(duì)公路隧道進(jìn)行定期檢測(cè)和數(shù)據(jù)管理，便于統(tǒng)計(jì)和分析病害的發(fā)展趨勢(shì)，從而在保障公路隧道安全運(yùn)營(yíng)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)公路隧道初期病害、降低維護(hù)費(fèi)用等多方面發(fā)揮不可替代的作用，具有較好的應(yīng)用前景。