智慧檢測系統(tǒng)原理及其在智慧工廠中的應(yīng)用

白麗輝 寧英杰 黃祎涵 陳旭光 楊偉家

摘 要：本文通過介紹移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)、三角測量技術(shù)等來闡述所提出智慧檢測系統(tǒng)的原理，對(duì)比傳統(tǒng)的檢測手段，結(jié)合智慧工廠的建設(shè)來闡述智慧檢測系統(tǒng)的應(yīng)用場景。證實(shí)智慧檢測系統(tǒng)不僅能扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)質(zhì)量檢測中檢測效率低、檢測誤差大、檢測資料失真等不良現(xiàn)狀，而且結(jié)合智慧工廠能實(shí)現(xiàn)真正的高效率、低成本的生產(chǎn)管理模式。

關(guān)鍵詞：智慧檢測;相移法;智慧工廠

中圖分類號(hào)：TU394 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-6903（2022）02-0080-03

0引言

在國內(nèi)綠色建筑政策的驅(qū)動(dòng)下，裝配式行業(yè)迎來高速發(fā)展。結(jié)合信息物理交互系統(tǒng)打造智慧工廠，有助于加強(qiáng)裝配式構(gòu)件精細(xì)化生產(chǎn)提升產(chǎn)品合格率。在預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)制造中，國內(nèi)普遍仍采用“半人工半機(jī)械”的傳統(tǒng)手段，尤其對(duì)于大型構(gòu)件，因工序復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)品質(zhì)量無法保證，因此智能檢測設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用則顯得至關(guān)重要。現(xiàn)有的智能檢測設(shè)備往往需要檢測技術(shù)（數(shù)據(jù)采集）和算法優(yōu)化（數(shù)據(jù)處理）。檢測技術(shù)大多應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)，如計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，利用圖像來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的識(shí)別與認(rèn)知[1];機(jī)器攝影測量技術(shù)，通過拍攝圖片自動(dòng)生成可遠(yuǎn)近視角且位置精度高的實(shí)景三維模型已應(yīng)用于水電工程及工程地質(zhì)考察[2-3];激光掃描技術(shù)，可利用三維掃描建模已用于實(shí)體建模[4];探地雷達(dá)技術(shù)，可模擬暗挖隧道的鋼筋間距并得以檢測[5]。照片3D建模技術(shù)，利用Autodesk 123D Catch對(duì)拍攝的照片進(jìn)行整合生成人體器官的三維模型[6]。而算法層面上，K.Singh[7]提出一種基于遞歸方法和深度學(xué)習(xí)的圖像處理算法可以從圖像中識(shí)別出不同粒的大小，并根據(jù)粒的像素大小來估計(jì)粒的大小，同時(shí)精確地測量幾個(gè)米粒的大小和質(zhì)量，促進(jìn)水稻產(chǎn)量的量化，促進(jìn)更快的稻米質(zhì)量評(píng)估。王慧藝[8]利用HALCON做圖像處理識(shí)別，通過識(shí)別鐵絲圈，建立數(shù)值模型計(jì)算距離，解決了工人操作的問題。李篪[9]針對(duì)打捆鋼筋的計(jì)數(shù)問題，通過編寫新算法對(duì)圖像處理，解決了非均勻光照和噪聲的干擾，突出了圖像內(nèi)部的細(xì)節(jié)，有利于后續(xù)鋼筋的識(shí)別和計(jì)數(shù)。陳至坤[10]等人利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過深度學(xué)習(xí)和圖像處理技術(shù)，通過前期的樣本訓(xùn)練，提高在應(yīng)用中的鋼筋計(jì)數(shù)效率和準(zhǔn)確性。Warsewa A[11]等人在結(jié)構(gòu)智能控制方面，為解決圖像處理的延遲問題，數(shù)值模型和實(shí)際系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的問題上，編寫一種隨觀測器動(dòng)態(tài)調(diào)整的算法，優(yōu)化傳感器布置，提出了一種主動(dòng)承重單元的自適應(yīng)建筑狀態(tài)估計(jì)方法。在建筑工程中，智能檢測設(shè)備的應(yīng)用則為數(shù)不多。況中華[12]等人利用攝影測量技術(shù)識(shí)別圈梁尺寸;唐立國[13]采用脈沖渦流檢測系統(tǒng)測定鋼筋位置和保護(hù)層厚度;徐瑩[14]結(jié)合探地雷達(dá)和超聲波法檢測混凝土密實(shí)空間。從上述研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，智能檢測技術(shù)在預(yù)制裝配式構(gòu)件中應(yīng)用甚少，特別是針對(duì)鋼筋間距和彎起件，定位板尺寸等測量問題。因此本文將結(jié)合3D成像技術(shù)，通過圖像識(shí)別，數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件檢測智能化，并應(yīng)用于智慧工廠的建設(shè)當(dāng)中。

本文針對(duì)鋼筋骨架、定位板、折彎件等預(yù)制構(gòu)件的檢測效率、準(zhǔn)確率以及檢測數(shù)據(jù)智能化記錄分析問題，首先采用3D照相機(jī)獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，隨即通過圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋間距、排布情況、定位板孔洞及其偏差的自動(dòng)檢測，并生成相應(yīng)的檢測圖像和數(shù)據(jù)報(bào)表。

1智慧檢測系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

智慧檢測系統(tǒng)最主要的原理是通過移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)對(duì)待檢測物體投射一系列具有一定結(jié)構(gòu)特征的光線，再由3D相機(jī)采集反射的結(jié)構(gòu)光圖案，對(duì)所得到的光柵圖像進(jìn)行位置信息編碼，最后根據(jù)三角測量原理進(jìn)行長度、深度等信息的計(jì)算。

1.1結(jié)構(gòu)光

結(jié)構(gòu)光（Structured Light），通常是指采用特定波長的不可見的紅外激光作為光源，發(fā)射出來的光經(jīng)過一定的編碼投影在物體上，通過一定算法來計(jì)算返回的編碼圖案的畸變來得到物體的位置和深度信息。不同時(shí)期的攝影測量技術(shù)發(fā)展如圖1所示。

不同于以往的點(diǎn)激光技術(shù)，結(jié)構(gòu)光技術(shù)的基本原理是向被測物體投射一系列含有特定空間相位的光線，編碼2D圖案的同時(shí)對(duì)被測物拍攝，然后對(duì)得到的照片進(jìn)行解碼，再將解碼信息根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，重構(gòu)成為3D數(shù)據(jù)。線激光技術(shù)和結(jié)構(gòu)光技術(shù)都是基于三角測量原理，因此二者的精度相近，但是結(jié)構(gòu)光技術(shù)投射的光是覆蓋整個(gè)物體表面，因此它能直接產(chǎn)生相應(yīng)的3D數(shù)據(jù)。

1.2 相移法

相移法（Phase-modulation Method）是在獲得物體3D數(shù)據(jù)之后進(jìn)行三維重建中最常用的方法，相移是通過投影一系列相移光柵圖像編碼，從而得到物體表面一點(diǎn)在投影儀圖片上的相對(duì)位置或者絕對(duì)位置。常用的三步相移法公式如下：

1.3 三角測量

三角測量（Triangulation）的基本思想是利用結(jié)構(gòu)光照明中的幾何信息幫助提供景物中的幾何信息，根據(jù)3D相機(jī)、結(jié)構(gòu)光、物體之間的幾何關(guān)系來確定物體的三維信息。其原理如圖2所示。

根據(jù)圖2中光敏單元（3D相機(jī)）及激光器（結(jié)構(gòu)光）之間的距離AB、激光器的仰角∠OAB和光敏單元的仰角∠OBA信息，通過三角形關(guān)系即可測得O點(diǎn)的坐標(biāo)位置信息。

1.4 智慧檢測系統(tǒng)特點(diǎn)（見表1）

2智慧檢測系統(tǒng)檢測流程（見圖3）

3智慧檢測系統(tǒng)應(yīng)用場景

以紹興市城投建筑工業(yè)化制造有限公司在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過程中的鋼筋骨架檢測為例，通過智慧檢測系統(tǒng)，對(duì)主筋間距、箍筋間距等信息進(jìn)行測量。其主要過程如下。

鋼筋骨架檢測前，工人先對(duì)檢測現(xiàn)場進(jìn)行清場，避免不必要的人為因素影響檢測過程。緊接著鋼筋骨架進(jìn)場，固定在滑軌預(yù)設(shè)點(diǎn)位處，如圖4所示。

3D相機(jī)模組安裝在軌道上，從控制房中移出，沿著滑軌，依次到達(dá)指定的檢測位P1-Pn進(jìn)行檢測，如圖5所示。

通過圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)3D相機(jī)采集到的信息進(jìn)行編碼及三維重建。編碼重建前后的信息圖像如圖6a、6b所示。

整合所有檢測位的主筋間距、箍筋間距等鋼筋骨架信息數(shù)據(jù)，上傳至智慧工廠云端服務(wù)器。云端服務(wù)器對(duì)所上傳的數(shù)據(jù)信息與本地標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行對(duì)比，對(duì)不合格的點(diǎn)位進(jìn)行標(biāo)注，生成最終檢測結(jié)果報(bào)表，再由工人進(jìn)場校對(duì)檢測結(jié)果，如圖7所示。

4結(jié)論

結(jié)合移相法結(jié)構(gòu)光技術(shù)、三角測量原理的智慧檢測系統(tǒng)不僅可為預(yù)制混凝土構(gòu)件提供全生命周期的數(shù)據(jù)追蹤服務(wù)，避免構(gòu)件加工過程中人為檢測的缺陷，且可極大提高構(gòu)件的成品質(zhì)量和施工效率，大幅降低人員投入成本。此外，智慧檢測系統(tǒng)在智慧工廠建設(shè)的推進(jìn)過程中發(fā)揮著重要的作用，智慧檢測的結(jié)果信息可通過信息化管理網(wǎng)絡(luò)端口實(shí)時(shí)共享至信息化管理平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)智能化和信息化的高效結(jié)合。

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The Principle of Smart Inspection System and Its Application in Smart Factory

BAI Lihui1， NING Yingjie1， HUANG Yihan1， CHEN Xuguang1， YANG Weijia2

（1.Zhejiang Communications Construction Group Co.， Ltd.， Hangzhou? Zhejiang? 310000;

2.School of Civil Engineering， Shaoxing University， Shaoxing? Zhejiang? 312000）

Abstract： This paper illustrates the principle of the proposed smart inspection system by introducing the structured light technology of phase shift method and triangulation technology， and further demonstrates the advantages of the smart inspection system by comparing the traditional inspection means， and finally illustrates the application scenarios of the smart inspection system by combining with the construction of the smart factory. It is confirmed that the smart inspection system can not only reverse the undesirable status quo of low inspection efficiency， large inspection errors and distortion of inspection data in traditional quality inspection， but also realize a real high-efficiency and low-cost production management mode in combination with the smart factory.

Keywords： smart inspection; phase shift method; smart factory

收稿日期：2021-12-18

作者簡介：白麗輝（1974—），女，滿族，遼寧岫巖人，本科，高級(jí)工程師，從事建筑工程管理工作。