一种隧道病害图片与文字巡检信息实时传输预警系统

本发明涉及隧道工程结构健康巡检与预警，特别是涉及一种隧道病害图片与文字巡检信息实时传输预警系统。

背景技术：

1、近年来，我国的城市轨道交通建设蓬勃发展，这些工程方便城市居民日常生活，同时也承担起了很大的交通运输压力，因此在我国规模以上城市中，城市轨道交通建设广泛开展，但在部分建设城市轨道交通中，由于结构劣化、服役时间长、周边环境恶劣等原因，存在着诸如裂缝、渗漏水、掉块等隧道病害，隧道病害是城市轨道交通运营期间内关注的一大重点。

2、隧道巡检是一种对于运营期隧道健康状况信息收集的重要手段，其中，最基础也最广泛采用的方法是人工巡检方法，通过相关人员步行观察隧道内表面与人工测量的方式对于隧道病害参照相关规范进行评价，其主要缺点是不仅耗费了较大的人力物力，而且采集的所需的时间周期较长，采集数据规模庞大，难以处理。对于传统隧道巡检方法的弊端，近年来隧道巡检车成为了隧道巡检领域一个替代人工步行巡检的常用手段，隧道巡检车通过沿铁轨自动匀速前行的方式，结合多种不同图像收集手段，获得高度标准化的隧道内表面病害图像，大大方便了隧道巡检的数据的获取工作。传统的病害识别所采用的大多是人工观察评估方法，一般而言是具有一定专业知识的相关人员对于所获得的病害图进行观察、评估和记录，全面评估某一段隧道内的安全状态，但是人工方法时间消耗极大。近来，人工智能技术快速发展，计算机视觉技术引入图像处理领域，表现出高效、标准化处理方法、主观性低等优点，计算机视觉深度学习算法引入隧道病害检测过程有利于降低人力资源投入同时得到更加客观的评估结果。

3、在信息处理及传输方面，在隧道病害巡检领域一般流程为人工或巡检车巡检结束后，手动通过内业进行数据导出和整理为病害数据库，实时性较弱，该方法对于病害严重的隧道而言，带来的巨大响应延时成为了隧道安全的一大隐患，甚至可能出现风险事件已经发生之后才收到反馈。在隧道病害巡检领域，文字信息难以全面详尽描述隧道内表面病害发展情况，尤其是遇到复杂外界作用情况下的多种病害耦合情况，专业人士亦需要基于现场图片进行具体评价判断。由于隧道应用场景下对于设备大小规模的限制、商业频段使用功率限制、接收端与发射端根据设计要求之间的距离等限制因素，目前广泛采用的结构健康监测无线传感网络架构下传输的内容仍然以文字为主，对于巡检扫描得到的精细图像，现有技术难以满足直接传输的要求。对于对结构病害敏感的隧道结构而言，精细病害图片经过图像特征提取得到的数据量较小的特征图包括但不限于灰度图、二值图等形式，能够提供专业人士有效信息，帮助判断结构健康状况，计算机视觉深度学习算法与现有无线传感网络框架融合能够满足小数据量特征图片传输的需求，帮助相关人员对隧道病害进行更直观的了解。

技术实现思路

1、为了解决隧道病害检测技术中存在的人力成本高、自动化程度低、实时性差和无法传输图像的问题，本发明提供了一种能够实时传输图像和文字信息的轨道交通隧道病害巡检信息实时传输预警系统，实现隧道巡检的标准化、自动化、多源化，达到实时传输的效果。

2、技术方案如下：

3、一种隧道病害图片与文字巡检信息实时传输预警系统，包括：设置于轨道交通隧道列车形式轨道上的巡检车，设置于隧道洞内的若干无线传感支点，设置于隧道洞内的无线网关，云端服务器；

4、所述巡检车用于以激光扫描的方式获取隧道衬砌内表面点云图像数据，通过内置服务器与机器学习算法对图像数据进行识别和特征化，通过通信模块将图片与文字信息传输至周边所述无线传感节点或无线网关；

5、所述无线传感支点用于采集隧道洞内信息以及收发周边无线传感支点传输数据；

6、所述无线网关用于接收隧道洞内由所述无线传感支点或所述巡检车发送的关键病害信息并传送至所述云端服务器；

7、所述云端服务器用于根据隧道洞内信息自动生成隧道关键病害图片以及特征信息，并实时的供技术人员调用查阅。

8、进一步地，所述巡检车还用于：初步判断表观病害严重程度，严重程度超过预设阈值后及时报警中断自动巡检工作。

9、进一步地，所述无线传感支点均包含物理量感知功能以及无线传输功能，包括但不限于广泛使用于隧道工程中使用的无线激光测距传感支点、无线渗漏水感知支点等，用于辅助判断隧道内部的健康情况；无线传感支点包括数据采集模块、无线收发模块；传感支点通过内置的无线收发模块将测量数据传输到无线网关。

10、进一步地，所述无线网关包括数据验证模块和无线网关无线收发模块，数据验证模块用于对无线传输系统传来数据包之后验证数据是否经过更改，若无更改则整合并上传至云端；无线网关无线收发模块用于将收到的数据传送至云端服务器，将云端服务器的指示信号通过无线网关传送各无线传感支点。

11、进一步地，当4g/5g信号断开时，所述无线网关无法将数据包传输至所述云端服务器，所述无线网关将暂时对数据包进行存储，直到4g/5g信号恢复正常时，将数据上传到所述云端服务器。

12、进一步地，所述无线传感支点与无线网关均安装在支点支架上，支点支架固定在轨道交通盾构隧道管片上。

13、无线传感支点设备在自组网的基础上，本身在常态具有采集支点功能；配合巡检车传输数据时，切换模式，组网传输数据。

14、进一步地，对于一般轨道交通盾构隧道管片，支点支架通过膨胀螺栓打入隧道初期支护内部固定；对于新型设计有c型设备安装槽的轨道交通盾构隧道管片，支点支架通过螺栓连接直接安装在设备安装槽中。

15、进一步地，无线传感支点布设以相关物理量监测任务为布置的第一原则，对于安装位置进行事先设计，一般沿隧道轴向布置，环内安装位置需考虑感知相关物理量的情况；无线传感支点布设以满足系统传输信号强度和无空白覆盖区域为第二原则，系统设计中必须在相距太远的两所述无线传感支点之间加入另一所述无线传感支点，防止信号质量太差带来的数据丢失等问题。

16、进一步地，所述巡检车和所述无线传感支点能够将隧道关键病害图片和隧道病害信息拆包、包装之后通过调制到对应频段的载波上，通过功放电路将带有信息的载波传送出去，邻近所述无线传感支点接收模块收到信息之后逆向调制后获得其中信息，巡检车和传感支点间，硬件上，使用rs485接口相连；软件上，通过特定的串口收发程序(含数据组包，解包功能)收发/解析数据传输过程中所述巡检车与建立无线传输连接的所述无线传感支点始终处于相对运动状态。

17、进一步地，该系统能够对轨道交通隧道病害巡检文字以及图像信息进行实时传输并预警，预警实施方法包括以下步骤：

18、s1，所述无线传感支点和所述无线网关安装工作提前在巡检隧道中进行，建立良好的数据传输体系；

19、所述数据传输体系包括无线网关发出信号，收到信号无线传感支点与网关建立无线数据传输，建立第一层无线数据传输体系；第一层无线数据传输体系发出信号，各事先未建立连接的无线传感支点在收到信号后，与信号强度最高的第一层网络层中无线传感支点建立连接，将数据传输给第一层网络层中无线传感支点，由其转发至网关，后续未建立连接无线传感支点通过同样的方式，形成“网状”无线数据传输体系；

20、s2，巡检前，工作人员完成所述巡检车设备情况排查，并且搬运所述巡检车至轨道交通隧道列车铁轨上；

21、s3，巡检过程中，所述巡检车根据工作人员指令依照设定速度和设定扫描频率匀速沿轨道前行并扫描获得隧道内表面点云数据，数据按预设算法进行重构得到隧道内表面二维平面展开图片；

22、s4，巡检过程中，所述巡检车对于二维平面展开图片调用计算服务器中计算资源，采用预先训练完成的计算机视觉深度学习方法对于图片进行处理，识别隧道内表面病害，并对病害图片进行特征提取、分类、评价等工作，最终得到隧道病害特征图像以及隧道病害特征信息；

23、所述计算机视觉深度学习方法包括但不限于目前市面上主流图像处理深度学习方法如cnn，yolo，r-cnn等深度学习方法，目的在于通过预先训练完成的计算机视觉深度学习方法实现对于大量隧道内表面图像的短时间特征提取、分类、评价；

24、s5，巡检过程中，所属巡检车中含有相关领域专业人士对于病害评级设置的阈值，对于病害图片评价超过该阈值的情况，所述巡检车包含的预警单元将启动预警功能，发出信号并中断巡检工作；

25、所述预警单元具体通过发出绿色、黄色、红色灯光表达正在处理病害风险等级，其中绿色表示正常，黄色表示存在病害，红色表示病害较为严重，巡检工作需中断或人工评价病害；

26、s6，巡检过程中，所述巡检车对的深度学习算法得到的隧道病害特征图像以及隧道病害特征信息进行无线传输，将数据根据无线传输要求拆分为若干个大小符合要求的数据包，通过无线信号的方式传输到邻近已建立连接的所述无线传感支点；

27、所述数据拆分传输前还包括：将本次需要发送的数据按照事先设定大小进行拆分和重装打包，在每一数据包之前，通过选择随机字符串作为认证标签，将当前簇的时间戳与认证标签进行移位混合，并采用公钥对移位混合信息加密，如果数据包在传输过程中发生了丢失、纂改等行为，该认证标签将无法成功校验；

28、s7，传输过程中，所述无线传感支点间采取数据分包传播的方式传输所接受的隧道病害特征图像以及隧道病害特征信息数据包，所属无线传感支点数据传输采用多跳传输机制，所述无线传感支点可以通过将数据传输到邻近另一所属传感支点的方式进行传输，通过多个所述无线传感支点的传输，完成数据包从巡检车到所述无线网关的传输过程；

29、s8，所述无线网关具有加密算法的相应私钥，能够检查认证标签是否发生变动以核实数据包完整性，并且将通过校验的数据包进行解包、组合并传输至所述云端服务器中；

30、s9，所述云端服务器将接受到数据包按拆分顺序重新整合，保存到云端数据库中，任何具有访问权限的用户均可随时调用其中隧道病害特征图像以及隧道病害特征信息；

31、以上步骤中巡检车均保持匀速前行以及匀速扫描工作，移动过程中巡检车通过计算机程序编写网络路由选择无线传感支点或无线网关建立传输联系，当移动过程中无线信号强度减弱至阈值以下时，将剩余数据包发送至邻近无线信号强度最高的无线传感支点或无线网关，后续在网关处再行整合。

32、与现有技术相比，本发明存在以下优点：

33、本发明能够通过巡检车采集隧道内表面图像数据信息，通过巡检车上配备的计算服务器、计算机视觉深度学习算法对图像数据进行特征提取、分类和评估，最终生成大小在10kb左右病害二值图以及病害特征文字信息，其中病害特征信息来源于相关深度学习算法输出，包括病害类型、面积大小、病害位置、病害危害等级等，基于有无线传感支点与无线网关组成的无线传感网络进行巡检车移动中图片与文字信息传输预警工作，并最终把处理后数据通过无线网关上传至云端服务器供专业人员调用使用。相比于目前广泛采用的人工巡检拍照记录、数据导出人工判别的隧道病害数据处理方法，本方法实现了巡检的自动化、数据的多源化、判别准则的标准化，另外，在隧道中，无线网关靠近数据收集侧，能够满足传输距离短、通信干扰小的特点，整套系统具有强大的鲁棒性，任何一个节点的失效都有其余无线传感支点补充覆盖该区域，可以满足轨道交通隧道病害的实时分析、记录、传输与实时更新，为城市轨道交通隧道运营期实时病害检测与健康状况分析提供安全可靠的服务保障。

34、此外，本发明中数据传输采用无线数据传输和独立电源的传感支点，解决测量装置间线缆供电或线缆通讯易损坏、难维护的问题，通过无线传输及数据储存处理单元的设置实现自动化监测与自动化数据发送，通过巡检车的阈值和对应计算模块实现了轨道交通病害巡检过程中的快速诊断与响应。