隧道裂縫快速檢測裝置硬件系統研究

李洋劉曉孫貝

（山西省交通科學研究院，山西 太原 03300000066）

近些年隨著我國經濟快速發展，基礎設施建設也提升到了更高的水平，大量公路投入運營，未來很長時間內，大量的公路隧道需要定期檢測和維護。截至2014年年底，全國公路隧道共有12 404處、總里程1075.67萬米，其中特長隧道662處、總里程276.62萬米，長隧道2 623處、總里程447.54萬米，近年隧道里程數如圖1所示。

圖1 我國近年公路隧道里程數

襯砌裂縫作為隧道病害中最為危險的病害之一，嚴重影響著隧道壽命和行車安全，即使是很細微的裂縫在外載荷作用下由于疲勞效應使之不斷擴展也可能會引起結構的進一步變形破壞、引起結構漏水、掉塊等一系列重大病害［1］。因此，定時檢測和發現襯砌表面裂縫并跟蹤裂縫擴展趨勢，對高速公路隧道安全運營、延長使用壽命、降低維護費用等方面有著不可替代的作用，也是高速公路信息管理系統的需要。

目前國內公路隧道裂縫的檢測方法主要以人工肉眼和人工儀器為主。前者主要在日常巡檢中檢測人員沿著隧道走，用肉眼觀察裂縫大小、形狀和位置，并做好相應記錄。定期檢測中主要通過人工儀器檢測，借助路燈車或升降平臺將檢測人員送至拱頂附近，這種方法不僅工作效率低，檢測速度約為0.02km/h，同時個人主觀程度大、花費高、危險性大，且需要交通管制，更重要的是不能夠對病害信息進行數據化管理，無法得到裂縫等病害擴展趨勢和速率［2］。面對公路隧道檢測過程中的上述問題，2015年修訂的《公路隧道養護技術規范》中規定隧道經常檢查宜采用人工與信息化手段相結合的方式，就是考慮了現有檢測手段的缺點和快速智能檢測方式的優點，鼓勵智能檢測設備投入應用［3］。圖像檢測技術作為快速檢測手段最主要的方式之一，近年來得到廣泛應用［4］，本文提出的快速檢測裝置即基于圖像處理技術。

1 隧道裂縫快速檢測裝置整體設計方案

智能檢測系統分為圖像采集、圖像處理和數據管理三個環節，涉及的硬件主要在圖像采集系統中，該子系統采用機器視覺技術將采集系統（數字相機、鏡頭、圖像采集卡、數據存儲器等）、定位系統（慣性導航裝置、距離傳感器、速度編碼器等）、照明系統（高強度光源等）、供電系統（蓄電池等）、多軸穩定平臺集成于移動設備上，形成一套載體式集成檢測系統，各部件的工作關系如圖2所示。

圖2 隧道裂縫快速檢測裝置硬件系統構成

快速檢測裝置在隧道中行駛，光源發射器將恒定功率的輔助光照射至襯砌表面。工業相機和光源保持相對固定關系，時刻接收襯砌表面圖像，將光信號轉換成電信號，再通過數據傳輸線將信號存儲在計算機上。在公路隧道行駛中路面隨機顛簸和系統自身震動會對圖像接收過程產生影響，進而降低圖像采集質量，不利于后期圖像分析，所以需要一套運動補償系統來抵消系統的震動。由于檢測裝置在行駛過程中不能保持恒定速度，相機觸發頻率需要與行駛速度保持恒定關系，通過速度編碼器來實現這個功能。

圖3 相機方位示意圖

通常公路隧道為兩車道，檢測裝置在行駛過程中對靠近的半幅隧道輪廓進行畫面采集。這種相機分布方式需要對同一個隧道進行兩次畫面采集，但是能夠有效避免全幅畫面采集過程中被旁邊車道超車時阻擋另一側隧道表面的問題，相機方位示意圖如圖3。

2 工業相機選型

工業相機作為整個硬件系統的核心部件，直接關系著圖像采集質量和精度，工業相機按照不同感光芯片分為有CCD和CMOS兩種［5］。CCD稱為電荷耦合器件，里面排列整齊的光電二極管能夠感應光線，把光信號轉變成電信號。CMOS稱為互補金屬氧化物半導體，將晶體管集成在電路板上來接收光信號。CCD圖像傳感器的像素集成度高、體積小、成像質量好，但是相比于CMOS圖像傳感器價格昂貴，在擁有高分辨率的時候行頻較低，拍攝速度會受到一定限制。

相機從感光單元的排列方式可以分為線陣和面陣兩種，線陣相機通常只有一行感光單元，相對面陣相機制作簡單、成本較低，具有兩行感光單元的可以對物體同一個部位拍攝兩次，通過相機內部算法求平均值后輸出該部位的拍攝效果，這樣有效提高了拍攝的穩定性。面陣相機可以獲得一幅完整的圖像，得到的數據量很大，不是很適合進行高清畫面采集，同樣不適用于隧道細微裂縫的拍攝。

公路隧道裂縫智能檢測設備最主要的優勢在于檢測過程不需要交通管制，檢測速度需要達到高速公路車輛正常行駛速度，目前我國規定隧道最高限速為80km/h即22.2m/s，對于檢測精度為1mm裂縫的目標相機拍攝行頻需要達到22.2×103mm/1mm=22.2k。對于設計時速為120km/h的高速公路，隧道凈寬11m，側墻建筑限界高度為2.5m，起拱線通常取1.6～1.7m，最小起拱半徑為

設計中起拱半徑可以超過最小值約30cm，則最大起拱半徑為5.9m，拍攝半幅畫面的總視場為

設定裂縫檢測精度為1mm，檢測過程中為了避免其他車輛從旁邊超過時阻擋畫面拍攝，所以每次只對靠近檢測車占用的行車道一側的半幅隧道斷面進行拍攝，每拍攝一次需要的像素為

單個線陣相機分辨率通常為2k、4k、8k，考慮到工控機主板PCI插槽最多為4個，相機個數不宜超過4個，在此我們選擇3個分辨率為4k的線陣相機。滿足分辨率和行頻為4k和22.2k的相機有：DALSA公司生產的p2-4x-04K40-7和p2-4x-04K40-10兩款CCD相機，后者較前者有更大的像元尺寸和感光性，具體參數見表2。

表1 p2-4x-04K40-10性能參數表

3 結語

分析了我國公路隧道建設狀況和現有隧道檢測技術之后，提出了一套基于機器視覺技術的隧道裂縫快速檢測方案，闡述了檢測裝置的整體設計思路和工作原理，詳細介紹了硬件系統中各個構成部件的作用。相機作為整個系統的核心部件，選型工作起著至關重要的作用，對比了線陣和面陣相機的適用場合，結合公路隧道結構斷面、檢測速度和檢測精度計算了線陣相機的分辨率和行頻，選定了DALSA公司生產的p2-4x-04K40-10型號。智能化和快速化檢測養護手段為我國高速公路隧道檢測提供了一種全新而高效的方式，將會得到更加廣泛的應用。

［1］王建秀，朱合華，唐益群，等.雙連拱公路隧道裂縫成因及防護措施［J］.巖土力學與工程學報，2005，24（2）:195-202.

［2］鐘悅鵬.某公路隧道襯砌結構檢測及評價［D］.廣州:華南理工大學，2012.

［3］JTG H12-201.公路隧道養護技術規范［S］.

［4］張娟，沙愛民，孫朝云.數字圖像處理在道路無損檢測中的應用［J］.山西交通科技，2002（6）:10-12.

［5］周林.基于圖像處理的路面裂縫檢測系統設計與研究［D］.太原:太原理工大學，2013.