基于方向线阵技术的车载隧道检测方法及装置与流程

本发明涉及一种隧道安全检测领域，是一种基于方向线阵技术的车载隧道检测方法及装置。

背景技术：

隧道在铁路和地铁行业是重要基础设施，我国隧道建设公里数无论是铁路与地铁，已经在全球占据第一位。铁路隧道病害直接关系到铁路运输安全。据不完全统计，截至2009年底，我国建成的铁路隧道总长超过7000km，规划在2020年前规划建设总长超过9000km。运营隧道围岩在长期线路荷载振动、地质、水文等共同作用下，会出现隧道病害，病害影响运营的约占隧道总数的30％。城市地铁隧道病害则由于城市建设影响发生频度较高，裂缝、渗漏、壳体变形与隧道沉降困扰着运营维护部门并耗费了大量人力、物力。

隧道检测工作主要是人工加便携仪器、车载检测组成，检测方法有：超声波检测法、冲击波检测法、光纤传感检测法及图像检测法。车载图像检测方法作为新兴技术越来越多被研究与使用：一，激光扫描技术：采用激光扫描仪扫描隧道轮廓；通过位移传感监测车体测量系坐标；激光轮盘测速。二，面阵相机扫描技术：采用多面阵相机组成圆周轮廓测量；图像合成拼接技术；激光位移补偿车体坐标系。三，采用激光测距与面阵相机测表面裂纹的隧道混合测量方法等。

目前隧道车载检测问题：

1.准确性-裂缝识别率低且几何形状变形测不准。

2.适用性-只满足20公里/h以下检测速度；地铁隧道遮挡干扰会无法测量。

3.动态性-激光扫描与面阵相机稀疏采样检测间隔大导致漏检漏测。

4.全面性-隧道沉降测量仍大量采用人工检查测量。

既有技术方法的简单描述：

激光测距法：成熟激光测距技术；算法简单；检测系统造价低；与人工激光测距仪使用方法类同易于理解。但检测精度低；结构复杂；隧道裂缝、表面小形状无法测量；未解决隧道沉降测量。激光测距法主要是传感器工艺限制：激光扫描式传感器采样是点对点测量方式；通过旋转式机械结构最高约200～300hz扫描；距离、速度、激光器输出光斑、隧道截面反射系数等均会影响测量精度；局部小面积变形因工艺结构原因偏差大而无法测量；隧道测量范围最大分辨误差约5mm。

图像采样合成法：结构简单、集成化程度高；中长波变形测量；构架安装简单；图像分析技术原理简单易被接受。但测量方法、采样行频限制了精度；小区域范围容易漏判误判；低速测量；相机采样同步性差导致拼接困难；未解决隧道沉降检查测量。多面阵相机组合式方法理论上测量精度很高；采样同步性ms级差异影响会产生拼接问题；图像定位不确定性导致计算误差大；由于同步性、定位不确定性导致校正方法复杂；只能低速情况下测量；传感器稀疏采样30～50帧/s不能测量细小局部变形。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种准确性高、适用性强、动态性好、全面性广的基于方向线阵技术的车载隧道检测方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

发明内容之一：构造24相圆周方向线阵空间测量坐标系

构造稳定的列车车尾中部检测安装构架；安装正矩形线阵与45°矩形线阵并在构架的运动方向距离200mm；线阵测量方向与道床水平面垂直；如此构造的运动三维坐标系测量隧道圆周方向共24相并具有运动方向标尺；安装构架设计自动旋转机构使检测模块工作于圆周垂直向上0°和180°两种检测模式。

发明内容之二：构建运动方向标尺及多目图像动态校正方法

列车运动时隧道内任意的特征被双矩形线阵相机捕获并通过标尺计算此时的准确速度与运动方向的像素当量；设定的标尺成为任意小局部200mm*200mm的隧道曲面测量工具，因为小曲面每点到相机距离相等；即双矩形线阵的交叉重叠(单截面同步测量和双截面准同步测量的重叠部分)图像采样部分实现了隧道圆周截面方向的动态实时计算与校正。

发明内容之三：测量误差控制与像素当量补偿

线阵器件选型与密集连续保证了系统测量精度；采样列车速度被准确测量以跟踪线阵采样行频；跟踪误差和延迟会被运动方向标尺标定并换算为像素当量补偿；x向标尺在成像中旋转90°得到弧线(小局部呈直线)的像素当量并简单换算为物距；该种方法实现了不失真采样、像素当量维度转换和大空间测量。

发明内容之四：检测构架相对轨道水平面三维运动坐标校正

轨道轨距、轨向、高低测量-由布置向下线阵组成的三目图像测量分析系统完成；构架高度测量与轨道中部高程标记测量-构架高度测量也是由向下线阵组成三目图像完成；车站高程标记、隧道区间高程标记均为引入的高程、方位参考；

发明内容之五：涵盖隧道沉降、截面、裂纹、渗漏等病害测量

由于发明内容四引入的高程、方位参考测量解决了隧道纵向沉降测量难题；由于以上四项发明内容全面实现了涵盖隧道沉降、截面、裂纹、渗漏等病害测量。

发明内容之六：涵盖隧道限界、轨道测量、接触网和线路里程测量

由发明内容之一～四项实现了隧道限界即行车安全的设备、站台、建筑限界测量、轨道几何测量、隧道内外的接触网测量和线路里程等辅助测量。

本发明的有益效果是：

1)满足144公里/h及以上速度测量；2)适应各种不同隧道病害测量尤其是小局部隧道病害测量；3)传感器的自动校准保证了测量长期稳定性；4)实时病害分类管理和现场图片可视化监测；5)准确定位便于现场确认；6)准确测量道床水平中心线与隧道中心线的空间移动；7)方法先进、设备简约、高效和准确、可靠。

附图说明

图1为构造方向线阵技术车载检测系统坐标系示意图；

图2为24相测量区域的双圆周分布原理示意图；

图3为基于方向线阵技术的车载隧道检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

在以下实施例中，图1的坐标系定义采用右手坐标系，且各参数定义如下：

x轴指向页里面为正，表示车体的行进方向；x轴顺时针旋转90°；定义为y轴正方向；y轴顺时针旋转90°；定义为z轴正方向；角φ表示航向偏角，正值由x轴方向转向y轴方向，即向右偏转；角θ表示滚动偏角，正值由y轴方向转向z轴方向，即左轨抬高；角ψ表示倾斜偏差，正值由x轴方向转向z轴方向，即坡度角。

一种基于方向线阵技术的车载隧道检测方法，包括以下步骤：

具体实施步骤之一：构造24相圆周方向线阵空间测量坐标系

如图2所示，检测系统组成-构造双矩形线阵实现双圆周的测量坐标系：

1.检测构架-构造稳定的检测安装构架：抗振、防水并安装于列车车尾中部，安装构架设计自动旋转机构使检测模块工作于圆周垂直向上0°和180°两种检测模式；如此可以实现动态的上下、左右传感器一致性校准；

2.正矩形线阵-安装于检测构架外部中心位置；线阵测量方向与道床水平面垂直；与45°矩形线阵构造三维坐标系测量隧道x、y、z向变形；测量隧道直径、隧道表面状态；测量轨道几何参数修正量；测量车站、隧道区间高程标志和精密测速、计算里程位置；

3.45°矩形线阵-安装于检测构架内部中心位置距离正矩形线阵200mm(x向)；线阵测量方向与矩形线阵相差45°；构造三维坐标系测量隧道x、y、z向变形；测量隧道直径、隧道表面状态；测量轨道几何参数修正量；测量车站、隧道区间高程标志和精密测速、计算里程位置；

4.光纤陀螺-与双矩形线阵三维坐标系相互校准并测量大空间的方位角。

如图2所示，采样方案设计-采用高速高分的8k线阵相机兼顾大空间与小区域测量：

1.矩形线阵采用8k*4高速高分线阵相机；测量隧道直径4.5m～7.5m；采样最高频率40khz和圆周截面中位分辨力为0.8mm/pix；每个线阵物象涵盖隧道圆周截面120°，线阵间重叠部分为30°圆周截面；矩形线阵分别为a、b、c、d线阵中心分别正对圆周截面顺时针0°、90°、180°、270°；按线阵测量域左、中、右定义为1、2、3；

2.45°矩形线阵采用8k*4高速高分线阵相机；测量隧道直径4.5m～7.5m；采样最高频率40khz和中位分辨力为0.8mm/pix；每个线阵物象涵盖隧道圆周截面120°，线阵间重叠部分为30°圆周截面；矩形线阵分别为e、f、g、h线阵中心分别正对圆周截面顺时针45°、135°、225°、315°；按线阵测量域左、中、右定义为1、2、3；

3.以上线阵构造隧道圆周截面0°～360°的24等分每等分15°；构造x向圆周标尺200mm三维检测域，检测域e1a2h3、f1b2e3、g1c2f3、h1d2g3和b1e2a3、c1f2b3、d1g2c3、a1h2d3组成16个15°三目立体图像检测域；其余8个15°区域为双目检测域；

4.光纤陀螺采用0.002°/h的三轴精密陀螺；安装位于检测构架中部。检测樑-构造稳定的检测安装构架：抗振、防水并安装于转向架横梁。

具体实施步骤之二：构建运动方向标尺及多目图像动态校正方法

1.运动方向200mm圆周标尺-利用大型线阵的高线性度建立运动空间动态圆周标尺；将图像y、z两维线同步测量变为x、y、z三维面准同步测量；大大削弱列车运动对实时测量的影响；使mm级的裂缝、渗漏得以分辨其方向与量值并由于多目图像检测原因实现了特征目标双重测量；

2.多目图像动态校正-由步骤一的采样设计保证涵盖隧道圆周方向双目图像测距方法；设定的标尺成为任意小局部200mm*200mm的隧道曲面测量工具，因为小曲面每点到相机距离相等；即双矩形线阵的交叉重叠图像采样部分，在本实施例中，该双矩形线阵的交叉重叠即指单截面同步测量和双截面准同步测量的重叠部分；由检测构架至轨道距离、轨道宽度的大数据溯源至所有的线阵实现了自校准。

具体实施步骤之三测量误差控制与像素当量补偿

1.线阵相机-具有连续测量和高分高同步采样特性；可组成车载空间矢量精确测量坐标系；双矩形线阵特殊设计双圆周截面x向标准尺；将隧道截面圆周分解为24相空间每相15°的x、y、z变形测量；其中16相检测域实现三目图像测量和8相双目图像分析；

2.精密速度匹配-控制采样至144公里/h即x向恒为设计的1mm/pix；此外垂向隧道面距离测量采用15级像素标准当量匹配图覆盖半径为4.5m/2～7.5m/2共1.5m范围每级100mm；x向标尺在成像中旋转90°得到弧线的像素当量并简单换算为物距，该弧线的像素的小局部会呈直线；以上x向与弧线方向的连续统计解析得出当前测量精密的圆周弧长段并通过若干弧长段拟合所代表垂向距离；

3.方向线阵法-线阵像元精度0.005um；直径中位分辨达0.8mm/pix；x向性能优异可以在144公里时速下匹配值恒为1mm/pix达1000帧/m量级；动态标定：矩形线阵自校、两矩形线阵互校；陀螺与线阵互校；三维标尺、特制标准轮廓绝对校准；正反向通过左右一致性校准；溯源于轨道轨距即安装维护隐含的标准量具信息大数据样本校准；

4.圆周角度误差：δ＝0.8mm(中位分辨)/3000(中位测量半径)＝0.0153°，统计分辨优于0.002°；

5.x向测量误差：标尺误差fx0＝1/200(x向标尺及行频自动控制)＝0.005mm；测量小尺度误差fx＝1mm，统计分辨优于0.1mm；圆周弧线误差：由以上第1、2项并且8k线阵指标为8192*2，即每次扫描2行，其工艺决定了圆弧测量像素当量与x向同步测量的2行之间的像素当量相同即不受速度方向影响；如此x向的像素当量可以解调速度变量200mm标尺后引入圆弧线段测量，引入误差小于0.2mm因为可以连续的面积当量比例计算，解决了图像隧道测量技术最难点。

具体实施步骤之四：检测构架相对轨道水平面三维运动坐标校正

1.轨道轨距测量-轨道测量由布置向下的线阵c、f、g组成的三目图像测量分析系统完成；轨距量值由于是连续测量其统计样本量大使轨距测量具有0.1mm计算分辨力；

2.轨道轨向、高低、水平测量-轨道水平测量分辨同轨距测量；这是限界计算的最重要依据；轨向、高低测量可通过三目图像连续测量增加其准确性；

3.构架高度测量与轨道中部高程标记测量-构架高度测量也是由c、f、g组成三目图像完成；车站高程标记、隧道区间高程标记均为引入的高程、方位参考；车站测点溯源精度高但测点少而区间测点溯源精度稍低但测点数量多；如此构成的大数据测量方法使量值传递与构架高度测量具有优于0.1mm的计算分辨力；

4.轨道几何与高程测量修正构架坐标系-轨道的几何测量与高程测量大数据样本决定了方向线阵的坐标系精度；几何测量与高程测量均是动态过程的连续坐标修正；隧检系统长期稳定性得到了保证。

具体实施步骤之五：涵盖隧道沉降、截面、裂纹、渗漏等病害测量

1.隧道沉降测量-据资料统计的隧道沉降病害车载测量较少；人工、地面监测大约每30m一个测点每个测点几十的截面测量密度和每年测量几次的频度；规定了隧道沉降限制标准10mm/年的定量性指标；显然这是个十分重要也是巨大的维护保养工作量；方向线阵隧道沉降测量方法：

a)构架坐标系-构架坐标系动态校准包括像素当量、距离和x向圆周标尺、24相15°区间、轨距空间参量等校准；含两个矩形线阵自校准、左右一致性校准、光纤陀螺与线阵坐标一致性校准；

b)车站高程、方位坐标图像精密读取并引入坐标系作为修正参考之一；

c)站隧连接高程、方位坐标图像精密读取并引入作为修正参考之二；

d)隧道区间高程、方位图像精密读取并取得大数据样本作为修正参考之三；

e)分解动态沉降与静态沉降量值；

f)对2、3、4、5试算不同修正权重计算时系统的测量大数据输出值最优并确认现阶段的各修正权重因子；

g)计算轨道水平面、隧道中心线沉降。

隧道沉降分类

1.方向线阵关于车载隧道两类变形的分类-第一类是短波长即运动空间方向图像传感器坐标系能独立完成测量而不依赖于光纤陀螺和原有或加装的地面标识；依赖于光纤陀螺和地面高程、方位标识则可归类于沿隧道纵向的沉降变形。隧道形变的动静态差异研究：将人工静态标定如高程测点作为参考；求得隧道在区间或某段过车沉降的平均值并保留与静态标定有一个小量合理差值；该区间或某段的每小段与均值的离散作为动态沉降局部差异性测量；动态变形实质是隧道几何变形与弹性变形的合成；动态变形及其变化趋势更能表现隧道在速度、载荷作用下的承载能力尤其是站隧连接、过江隧道连接等结构薄弱处所。

2.隧道截面变形测量-车载隧道截面变形测量建立于轨道水平或道床水平面的连续测量修正坐标系，同时也通过隧道大数据反推轨道道床的偏移。短波长的截面变形在方向线阵构造x向圆周标尺后具有明显优势，这是与原有扫描技术最大差异，原有技术是依赖于运动测量而新方法则加入了同步测量x方向200mm区域，大大增强了准确性和抗隧道表面干扰、抗管线、桥架的遮挡能力。

3.裂缝测量-裂缝作为隧道病害的一种，影响了地铁隧道的安全运营，因此对隧道裂缝的有效检测至关重要。隧道裂缝图像普遍存在着低对比度、光照不均匀、噪声污染严重等问题。方向线阵在光源配合下连续不间断完成隧道曲面测量；局部均值和标准差算法识别裂缝，结合前面提到的x向标尺和截面方向的像素当量，可以简单换算无论是截面方向还是运动方向裂缝的尺寸大小，双线阵测量具有裂缝识别、测量和计算方法优势。

4.渗漏、掉块测量-渗漏、掉块测量由双矩形线阵测量；渗漏、掉块的面积计算同；x向尺寸由200mm标准像素换算；圆周方向高度、深度尺寸由前面论述的计算像素当量换算。

具体实施步骤之六：涵盖隧道限界、轨道测量、接触网和线路里程测量

1.隧道限界-由双矩形全部线阵完成测量计算隧道轨道水平面、隧道中心线的绝对沉降并计算隧道设备、站台个建筑安全限界；隧道变形测量与遮挡物侵入测量方法截然不同是因为前者把遮挡去掉而后者是测量遮挡物空间位置。

2.轨道测量-由方向线阵c、f、g测量轨道轨向、高低、水平几何参数。

3.隧道内接触网-由方向线阵a、e、h测量隧道内接触网汇流排导高、拉出值、悬挂、紧固和接触线的平顺情况。

4.线路里程测量-线路里程由方向线阵b、d、f、g组成或逻辑关系图像可靠读出；图像识别抗干扰能力极强因为可以间断得到里程标记即可。方向线阵经过隧道区间图像读取的信号；自身的像素级精密测速与时间积分累计里程；两者互为验证防止误读取使隧道病害定位失准。

在以上具体一～六项实施步骤基础上，如图3所示，一种基于方向线阵技术的车载隧道检测装置，还包括有安装于检测车上的检测构架1，及安装于检测构架1上的第一线阵相机2和第二线阵相机3，及安装于第二线阵相机3后方的相机分度圆盘4，所述第一线阵相机2与第二线阵相机3之间夹设有光源组托盘5，所述光源组托盘5上设有激光光源6，所述第一线阵相机2与第二线阵相机3之间设有夹角，所述相机分度圆盘4上安装有限位锁孔7，所述限位锁孔7与检测构架1相连通，所述第一线阵相机2为正矩形线阵相机，所述第二线阵相机3为45°矩形线阵相机，所述第一线阵相机2前部装有数字水平仪8，所述数字水平仪8与检测构架1之间采用双轴承连接，所述数字水平仪8前部装有锁扣螺母9。

其中，相机分度圆盘4可0°、180°旋转设计，第一线阵相机2和第二线阵相机3之间距离为200mm，限位锁孔7用于防止相机分度圆盘4旋转，数字水平仪8用于保持相机的水平，第一线阵相机2和第二线阵相机3皆为8k高速高分线阵相机，共有八个，且第一线阵相机2和第二线阵相机3各四个，锁扣螺母9用于相机分度圆盘4的前后移位。

数据采集储存与图像处理

1.数据采集

数据采集采用同步密集采样方式；正常隧道段即没有病害采用稀疏曲线输出，可设定间隔；异常隧道段自动采用高密度输出并保留图片。

2.数据储存

数据储存分为两类即正常隧道和病害隧道段；病害路段采用高密度数据和高分图片储存。

3.图像处理

检测车速度在144公里/h及以下时，自动控制行频采样使x向像素分辨恒为1mm/pix，当速度超过144公里/h后线阵固定最高行频40khz，需用特殊图像软件拉伸处理还原x向不失真病害图像；图像三维度描述建立在清晰图片上并以特征轮廓线为参考依据。

本发明的有益效果是：

1)满足144公里/h及以上速度测量；2)适应各种不同隧道病害测量尤其是小局部隧道病害测量；3)传感器的自动校准保证了测量长期稳定性；4)实时病害分类管理和现场图片可视化监测；5)准确定位便于现场确认；6)准确测量道床水平中心线与隧道中心线的空间移动；7)方法先进、设备简约、高效和准确、可靠。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。