一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种安全、便捷、经济、可靠的盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法。它包括三部份内容：盾构机精密三维模型的构造、检测影像数据的姿态解算、空间场景结构恢复；其中：精密三维模型构造包括构建盾构机模型的基础框架和三维模型精细化处理两个步骤，检测影像数据的姿态解算包括相机标定、图像采集和姿态解算三个步骤，空间场景结构恢复包括图像处理、定向操作和刀具磨损定量检测三个步骤。本发明的有益效果是：实现了刀具虚拟可视化集成显示和磨损情况的数字化评估，避免刀具损坏后未及时更换而造成大面积的损伤或不必要开舱检查及更换刀具，延长的刀具的使用寿命，从而降低工程安全风险，降低工程造价，缩短工程周期。
【专利说明】一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及盾构机刀具磨损检测相关【技术领域】，尤其是指一种用于隧道盾构施工 中盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法。
【背景技术】
[0002] 盾构法是暗挖施工中的一种全机械化施工方法。盾构机作为一种集机、电、液技术 为一体的大型设备，其刀具更换必须为带压作业，安全风险大、费用高昂、作业工期长。现有 的检测方法包括开舱检查、刀具磨损感应装置、异味添加剂、掘进参数分析等，其中开舱检 查的方法存在很高的风险，刀具磨损感应装置检测不全面，异味添加剂在泥水式盾构中效 果不佳，掘进参数分析方法不够精准。这些方法在一定程度上满足了生产控制需求，但还存 在诸多工程问题。如能安全、便捷、经济、可靠地分析刀盘磨损情况，为换刀提供科学指导， 无疑会带来明显的经济效益和社会效益。
[0003] 当今基于摄影测量的监控技术在社会生产和实践活动中已经获得了广泛的应用， 与其它测量和检测技术相比较，影像检测最能符合人们的直接视觉感受，使用上的便捷性 优势突出。
[0004] 数字摄影测量技术在工程领域的应用首次由Linkwitz (1963)，Rengers (1967)等 人在上世纪60年代提出，为工程应用研究提出一个崭新的思路。近年来基于电子技术的迅 猛发展，数字摄影测量技术在土木工程，特别是岩土工程和结构工程领域的应用也取得很 大进展。
[0005] 德国航空航天局研究中心已成功开发了 ESPI(2000)、ARGUS(2004)、AT0S(2008) 等诸多基于光学图像的检测分析系统。目前在结构物表面细微裂缝的超高精度识别，大尺 寸结构物的高精度数值化建模，以及振动分析中得到广泛应用。奥地利的3G Software & Measurement GmbH公司、德国的Gom公司、日本的北九州检测检查公司等，开发了诸多工程 领域的摄影测量技术。
[0006] 由于水对光的散射和与吸收、水压、能见度等因素，水下光电成像系统与陆地使用 的光学观测系统大为不同。经过几十年的发展，水下摄像技术已日趋成熟，日本Moritox公 司、法国ECA公司、美国洛克西德公司都研制成功了水下摄像系统。在国内，中国科学院西 安光机所也研制成功了水下电视系统。沈凌敏对水下摄像技术进行了较深入的研究，并从 水中成像的光学特性、辅助照明系统、水下目标图像提取技术等方面进行了阐述。
[0007] 结合泥水盾构机隧道施工的工程特点，克服密封舱内无光源、高水压、高侵蚀性、 泥水混合复杂介质等不利条件，将摄影测量技术应用于隧道盾构施工中刀具的可视化检 测，并实现定量分析是一项可行的具有重要意义的创新。
【发明内容】
[0008] 本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种安全、便捷、经济、可 靠的盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法。
[0009] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0010] 一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，通过摄像装置进行拍照成 像，然后对所得图像进行分析处理，再与刀具原始三维模型进行对比，得出刀具磨损情况， 以便对需要更换的刀具进行及时处理，具体操作步骤如下：
[0011] (4)盾构机精密三维模型的构造，其中：盾构机精密三维模型的构造依次包括构 建盾构机模型的基础框架和三维模型精细化处理两个步骤；
[0012] (5)检测影像数据的姿态解算，包括相机标定、图像采集和姿态解算三个步骤；其 中，对于检测系统的摄像装置，通过标定首先确定其内参数和畸变参数，再对采集的原始影 像进行畸变校正，恢复摄影时刻的光线约束关系，最后对摄像装置姿态和摄像装置在世界 坐标系中的位置进行解算；
[0013] (6)空间场景结构恢复，包括图像处理、定向操作和刀具磨损定量检测三个步骤， 是基于OpenSceneGrapWOSG)技术实现三维可视化平台开发，测量后的影像要素以0SG图 像对象的形式显示在三维平台中，并对磨损信息进行数值统计，生成并输出统计数据图表。
[0014] 本发明采用数字摄影测量技术，利用经过三维控制场标定的摄像装置采集盾构施 工中刀具的影像数据，通过与盾构机精密三维模型的定向操作，借助三维可视化平台和影 像分析对刀具的磨损情况进行定量检测，该方法实现了刀具虚拟可视化集成显示和磨损情 况的数字化评估，是隧道盾构施工中刀具磨损的安全、便捷、经济、可靠的检测方法，具有重 要的经济和社会效益及重大的工程意义。
[0015] 作为优选，在步骤（1)中，构建盾构机模型的基础框架是利用厂方提供的CAD工 程图纸，在3dmax三维模型制作平台下，完成基于工程图纸的初始三维模型的制作，模型制 作采用构造立体几何法（CSG)的模型构造方式，完成各个确定部件和盾构机刀盘骨架的搭 建，然后进行组装操作。
[0016] 作为优选，在步骤（1)中，三维模型精细化处理是，采用三维激光扫描仪，对完成 组装调试的盾构机进行全方位的扫描，点云扫描完成后，需要对不同站的点云进行滤波、拼 接、分割、特征提取等操作，使不同站采集的点云归一化到统一的坐标系下，并通过点云旋 转、平移，使其与模型坐标系得到统一，进而提取点云中的特征参数值，最后借助点云导入 插件，将点云数据导入到建模软件之中，对初始三维模型进行修改和构建，完成精密三维模 型的构建工作。
[0017] 作为优选，在步骤（2)中，相机标定是摄影测量工作全过程的重要组成部分，可以 通过对摄取的影像进行畸变校正，消除由相机镜头畸变产生的像点坐标误差；具体为，在四 个设站对室内高精度三维控制场进行摄影，使用直接线性算法（DLT)求解中心构想方程求 得内参数矩阵K，再以求得的参数为初始值，考虑畸变因素，采用最小二乘法求解畸变参数 kc。
[0018] 作为优选，在步骤（2)中，对于图像采集是，将摄像装置固定到推进装置的前端， 推进装置通过法兰与球阀对接，将摄像装置推送到盾构机气泡舱室前壁外，对施工中盾构 机刀具拍摄影像。
[0019] 作为优选，在步骤（2)中，对于姿态解算是，采用P4P算法和单像空间后方交 会（Resection)的联合定向解算方案，实现精密姿态解算；其中，P4P算法是基于任意 2D点的可视角度和对应3D点的角度一样，所实现的单像线性算法；单像空间后方交会 (Resection)，是以单张相片为基础，利用至少三个已知控制点坐标和三个影像坐标，根据 共线方程求解外方位元素的方法。
[0020] 作为优选，在步骤（3)中，图像处理的目标是从目标影像中提取出磨损后的边缘 信息，需要对图像依次进行锐化、直方图均衡、阈值分割和Canny边缘检测；其中，锐化处理 的目标是突出图像中的某些细节或者增强被模糊了的特征；直方图均衡对图像变换后，使 所有灰度层上的像素分布概率密度为1 ;阈值分割利用边缘存在的灰度等级的跃迁，来优 化边缘信息提取效果；Canny边缘检测利用二维高斯函数对图像进行平滑，再计算函数梯 度的幅值和方向，以非极大值抑制排除非边缘像素，最后根据滞后阈值确定刀具边缘。
[0021] 作为优选，在步骤（3)中，定向操作是，在模型和图像上提取明显的特征点或特征 线，用他们作为转化的基准数据，采用P4P定向算法来实现大角度的定向操作，以解决一般 算法的不收敛问题，在模型和图像上分别选取同名点，存入模型和图像坐标文件，然后一次 性读取这些文件，计算定向参数。
[0022] 作为优选，在步骤（3)中，刀具磨损定量检测是，在定向操作完成以后，获取了由 模型到图像的投影参数或矩阵，将模型上的刀盘的边缘投影到图像上，与图像上的刀盘边 缘进行对比，就可以获取磨损信息。
[0023] 本发明的有益效果是：以安全、便捷、经济、可靠的方法检测刀具的磨损程度，避免 刀具损坏后未及时更换而造成大面积的损伤或不必要开舱检查及更换刀具，延长的刀具的 使用寿命，从而降低工程安全风险，降低工程造价，缩短工程周期；实现了刀具虚拟可视化 集成显示和磨损情况的数字化评估，具有重要的经济和社会效益及重大的工程意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是本发明的工作流程图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步的描述。
[0026] 如图1所示，一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，具体包括三部 份内容：盾构机精密三维模型的构造、检测影像数据的姿态解算、空间场景结构恢复。其中： 精密三维模型构造包括构建盾构机模型的基础框架和三维模型精细化处理两个步骤，检测 影像数据的姿态解算包括相机标定、图像采集和姿态解算三个步骤，空间场景结构恢复包 括图像处理、定向操作和刀具磨损定量检测三个步骤。
[0027] 具体操作步骤如下：
[0028] 一、盾构机精密三维模型的构造
[0029] 1. 1构建盾构机模型的基础框架
[0030] 利用厂方提供的CAD工程图纸，在3dmax三维模型制作平台下，完成基于工程图纸 的初始三维模型的制作。模型制作采用构造立体几何法（CSG)的模型构造方式。独立制作 单刃滚刀、双刃滚刀、主刀、先行刀、仿形刀、中央刀具、推出滚刀、和盾构机的刀盘骨架，然 后将它们进行组装即可完成建模的初步效果。
[0031] 1. 2三维模型精细化处理
[0032] 由于CAD设计图纸并非完全准确而全面，而且制造过程中有些部分的切削、焊接 和铆接并没有严格规定，因此盾构机模型的基础框架与组装完成的盾构机实体之间还有较 大差异。所以必须对盾构机实体部件进行数据采集，用实体信息进行现有模型的调整和完 善。在盾构机组装完成后，需采用三维激光扫描仪，对完成组装调试的盾构机进行全方位的 扫描。
[0033] 点云扫描完成后，需要对不同站的点云进行滤波、拼接、分割、特征提取等操作，使 不同站采集的点云归一化到统一的坐标系下，并通过点云旋转、平移，使其与模型坐标系得 到统一，进而提取点云中的特征参数值。最后借助点云导入插件，将点云数据导入到建模软 件之中，对初始三维模型进行修改和构建，完成精密三维模型的构建工作。
[0034] 二、检测影像数据的姿态解算
[0035] 2. 1相机标定
[0036] 在四个设站对室内高精度三维控制场进行摄影，用结构已知、高精度加工的标定 尺作为空间参照物，使用直接线性算法（DLT)求解中心构想方程求得内参数矩阵K。以求得 的参数为初始值，考虑径向畸变和切向畸变，采用最小二乘法求解畸变参数k。。
[0037] 图像坐标系和世界坐标系之间的关系如下：
【权利要求】
1. 一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征是，通过摄像装置进行 拍照成像，然后对所得图像进行分析处理，再与刀具原始三维模型进行对比，得出刀具磨损 情况，以便对需要更换的刀具进行及时处理，具体操作步骤如下： (1) 盾构机精密三维模型的构造，其中：盾构机精密三维模型的构造依次包括构建盾 构机模型的基础框架和三维模型精细化处理两个步骤； (2) 检测影像数据的姿态解算，包括相机标定、图像采集和姿态解算三个步骤；其中， 对于检测系统的摄像装置，通过标定首先确定其内参数和畸变参数，再对采集的原始影像 进行畸变校正，恢复摄影时刻的光线约束关系，最后对摄像装置姿态和摄像装置在世界坐 标系中的位置进行解算； (3) 空间场景结构恢复，包括图像处理、定向操作和刀具磨损定量检测三个步骤，是基 于OpenSceneGraph^SG)技术实现三维可视化平台开发，测量后的影像要素以OSG图像对 象的形式显示在三维平台中，并对磨损信息进行数值统计，生成并输出统计数据图表。
2. 根据权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征 是，在步骤（1)中，构建盾构机模型的基础框架是利用厂方提供的CAD工程图纸，在3dmax 三维模型制作平台下，完成基于工程图纸的初始三维模型的制作，模型制作采用构造立体 几何法（CSG)的模型构造方式，完成各个确定部件和盾构机刀盘骨架的搭建，然后进行组 装操作。
3. 根据权利要求1或2所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其 特征是，在步骤（1)中，三维模型精细化处理是，采用三维激光扫描仪，对完成组装调试的 盾构机进行全方位的扫描，点云扫描完成后，需要对不同站的点云进行滤波、拼接、分割、特 征提取等操作，使不同站采集的点云归一化到统一的坐标系下，并通过点云旋转、平移，使 其与模型坐标系得到统一，进而提取点云中的特征参数值，最后借助点云导入插件，将点云 数据导入到建模软件之中，对初始三维模型进行修改和构建，完成精密三维模型的构建工 作。
4. 根据权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征 是，在步骤（2)中，相机标定是摄影测量工作全过程的重要组成部分，可以通过对摄取的影 像进行畸变校正，消除由相机镜头畸变产生的像点坐标误差；具体为，在四个设站对室内高 精度三维控制场进行摄影，使用直接线性算法（DLT)求解中心构想方程求得内参数矩阵K， 再以求得的参数为初始值，考虑畸变因素，采用最小二乘法求解畸变参数k。。
5. 根据权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征 是，在步骤（2)中，对于图像采集是，将摄像装置固定到推进装置的前端，推进装置通过法 兰与球阀对接，将摄像装置推送到盾构机气泡舱室前壁外，对施工中盾构机刀具拍摄影像。
6. 根据权利要求1或4或5所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分 析方法，其特征是，在步骤⑵中，对于姿态解算是，采用P4P算法和单像空间后方交 会（Resection)的联合定向解算方案，实现精密姿态解算；其中，P4P算法是基于任意 2D点的可视角度和对应3D点的角度一样，所实现的单像线性算法；单像空间后方交会 (Resection)，是以单张相片为基础，利用至少三个已知控制点坐标和三个影像坐标，根据 共线方程求解外方位元素的方法。
7. 根据权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征 是，在步骤（3)中，图像处理的目标是从目标影像中提取出磨损后的边缘信息，需要对图像 依次进行锐化、直方图均衡、阈值分割和Canny边缘检测；其中，锐化处理的目标是突出图 像中的某些细节或者增强被模糊了的特征；直方图均衡对图像变换后，使所有灰度层上的 像素分布概率密度为1 ;阈值分割利用边缘存在的灰度等级的跃迁，来优化边缘信息提取 效果；Canny边缘检测利用二维高斯函数对图像进行平滑，再计算函数梯度的幅值和方向， 以非极大值抑制排除非边缘像素，最后根据滞后阈值确定刀具边缘。
8. 根据权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征 是，在步骤（3)中，定向操作是，在模型和图像上提取明显的特征点或特征线，用他们作为 转化的基准数据，采用P4P定向算法来实现大角度的定向操作，以解决一般算法的不收敛 问题，在模型和图像上分别选取同名点，存入模型和图像坐标文件，然后一次性读取这些文 件，计算定向参数。
9. 根据权利要求8所述的一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法，其特征 是，在步骤（3)中，刀具磨损定量检测是，在定向操作完成以后，获取了由模型到图像的投 影参数或矩阵，将模型上的刀盘的边缘投影到图像上，与图像上的刀盘边缘进行对比，就可 以获取磨损信息。
【文档编号】G06F17/50GK104156536SQ201410408942
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月19日 优先权日:2014年8月19日
【发明者】石振明, 石新栋, 周骏, 张英明, 吴全立, 姚占虎, 赵小鹏, 张亚果, 王善高, 管圣功, 陈方伟, 俞松波 申请人:中交隧道工程局有限公司, 同济大学