多功能隧道快速檢測系統設計

唐建平++樊曉楠++溫興水++宋京++涂市委

摘 要為了提高隧道病害的檢測速度，通過設計以車載式的檢測裝置代替人工檢測來提高檢測速度。通過CAD和Solidworks建立隧道檢測車模型，并對檢測裝置結構尺寸進行進一步設計。進行隧道檢測車的制造，進一步搭建檢測設備，安裝相應的工業CCD攝像機，照明設備，發電裝置。試驗結果表明：通過三維建模并進行實體制造出來的檢測車能實現相應的快速檢測功能，滿足隧道檢測的要求。

【關鍵詞】隧道檢測車 快速檢測 三維建模 實體搭建

1 隧道檢測車整體方案設計

檢測車是經由輕卡奧鈴TX改裝設計而成，車廂體設計成前半部分可縱向滑動，箱體后部焊接于底板上，前部箱體縱向滑動到最大，箱體內部檢測設備可進行工作，檢測隧道病害。車體內部隧道襯砌裂縫檢測系統分為圖像采集和圖像處理兩大部分。圖像采集部分是對隧道襯砌裂縫進行采集的過程，圖像采集部分主要包括檢測車、24臺CCD 相機、照明設備等。圖像處理部分是核心部分，主要包括對隧道內裂縫進行圖像的預處理、圖像的增強、圖像的分割、圖像的特征識別與提取過程。

2 隧道檢測車系統功能設計

2.1 圖像采集系統安裝架結構方案設計

檢測車核心設備，由24臺工業CCD相機構造而成，相機安裝于弧形轉盤上，底部安裝有180°電動轉盤，可使得弧形轉盤轉動180°，在檢測車不調轉方向的情況下，進一步檢測對側隧道病變情況：

實體組裝圖如圖1。

2.2 圖像采集系統部件的選型

圖像采集部分主要包括24臺工業以太網相機、4個千兆6口網卡、兩臺高性能工業計算機、24個頻閃燈、旋轉編碼器及發電機、穩壓電源等。軟件系統主要由圖像采集軟件和圖像拼接處理軟件組成。硬件系統和軟件系統兩部分集成在貨車車廂里，形成一套可快速集成的隧道檢測車，實現隧道表面的快速檢測。檢測系統啟動時，首先要對各個模塊進行初始化操作，當然包括對圖像采集卡和 CCD 相機等參數的設置，并打開照明系統。

進行圖像采集的過程中需要滿足的要求如下：

（1）采集圖像精度：本方案設計出要檢測1mm 寬的裂縫，因此測量到的裂縫參數數值必須精確到1mm ，故選擇相機參數為 500 萬像素（2500*2000）。

（2）由于線陣 CCD 相機對光強的要求比較高，因此采用面陣 CCD 相機對隧道襯砌圖像進行采集。

（3）本設計采用4個千兆6口圖像采集卡，以保證在較快的速度內完成對隧道襯砌圖像的采集工作。于裂縫圖像的顏色紋理比較單一，且黑白圖像傳輸速度快，因此黑白 CCD 攝像機就能滿足系統的要求。

（4）為了實現在有限的時間內對隧道襯砌的檢測，必須限定載體車的行駛速度，初步要求載體車以 10km/h 以上速度行駛。

（5）為了保證對隧道的安全評估，需要對隧道襯砌進行全面檢測，要求在圖像采集的過程中全面檢測，沒有遺漏。在實際采集的過程中，為了保證隧道襯砌圖像的完整性，要求相鄰相機拍攝的區域存在重疊區域。該面陣相機單個像素的大小為2um 2um，假設所選檢測車高2.5m，照相機固定的位置與所拍斷面距離為2m，那么

，，進而計算出f≈19.8mm。該照相機像素為2500*2000，每個像素對應的實際寬度為0.2mm，因此所拍圖像的實際大小就是50cm*40cm。又因為該隧道周長為19.49m，隧道中有兩個車道，一次只需要拍攝半個隧道斷面，再加上左右兩幅圖像之間有大概12.5cm的重疊區域，因此弧形支架上所安裝的照相機臺數最少為24臺。由于所選照相機的最短曝光時間是50us，所以此檢測車行駛的最高速度為4m/s，即14.4km/h。要保證所拍攝到的隧道襯砌表面圖像是清晰可見的，檢測車的行車速度必須控制在14.4km/h以內，照相機的采集速率為每秒10幀。工控機選擇主板：AIMB-784；CPU：I7-4790k；運存：2*4G；硬盤：1T機械硬盤。

3 圖像處理系統

圖像處理部分是利用數字圖像處理技術對存儲到工控機中的圖像進行處理和分析，最終得到裂縫特征信息的過程。

3.1 隧道內壁的縫隙圖像的增強技術

圖像增強技術主要是利用相應的算法將工業CCD相機拍到的隧道內壁裂縫進行凸顯處理，對一些沒有價值的信息點弱化，使得其圖像裂縫提取和計算方便；

3.2 裂縫圖像閾值分割

圖像的進一步處理是對工業CCD相機拍攝到的圖像進行分割步驟，這樣可以將圖像最主要的部分（裂縫）進行提取，是進一步圖像分類、參數計算的基礎，這一步也是至關重要的；

3.3 隧道內壁縫隙的分類與相關參數計算

為了進行隧道內壁的養護工作，需要將圖像裂縫進行分類并且提取裂縫的特征值，如裂縫面積、長度和寬度。根據計算得到的裂縫參數值與相關標準進行對比，得到隧道的安全程度。

4 基于Guided濾波的Retinex圖像增強算法

（1）獲得所需要處理的圖像信息。

（2）得到所需要的圖像后進一步用將裂縫信息分解為n層，同時獲得裂縫信息在最大和最小的指數信息。

（3）進一步對分解后的指數信息進行下一步處理。

（4）最后一步，對裂縫信息再次重構，輸出相應的圖像。

5 圖像分割技術

進一步的對圖像增強處理后的圖像分割動態閾值方法：

步驟1：將整幅圖像分解成一系列相互之間有50%重疊的子圖像。

步驟2：檢測各子圖像的直方圖是否具有雙峰性質。如果是，則采用最優閾值法確定該子圖像的閾值，否則不進行處理。

步驟3：根據已得到的部分子圖像的閾值，插值得到其他不具備雙峰性質的子圖像的閾值。

步驟4：根據各子圖像的閾值插值得到所有像素的閾值。

6 試驗結果分析

圖2是該隧道檢測車在實體隧道內運用圖像采集系統所拍攝的隧道裂縫病害，圖像清晰穩定，可進一步進行圖像的處理分析，證明了本方案的可行性。

參考文獻

[1]王華夏.高速鐵路隧道襯砌裂縫圖像快速采集系統研究[D].成都：西南交通大學，2013.

作者單位

1.杭州市交通運輸發展服務中心 浙江省杭州市 310004

2.長安大學 陜西省西安市 710064