一种盾构机盾尾间隙视觉测量方法与流程

本发明涉及图像处理领域，尤其是涉及一种盾构机盾尾间隙视觉测量方法。

背景技术：

近几年来，伴随着我国城市建设的高速发展，盾构机在城市地铁隧道建设中得到了广泛的应用。在盾构施工中，由于盾构机推进路线的曲率变化以及推进油缸的伸出长度不能时刻保持一致等原因，导致盾构机尾部盾壳内壁与管片外径之间的空间发生变化，这个空间就是盾尾间隙。盾尾间隙的结构示意图如图1所示，在推进油缸3推进过程中，管片2与盾构机1内壁之间的距离即为所述的盾尾间隙4。当盾尾间隙变化量超过设计允许的变化范围时，将会导致盾尾与管片之间发生过渡挤压而加速盾尾密封刷的磨损，破坏盾尾密封系统，甚至造成盾构机推进轴线发生偏离，给施工带来不便。

目前，盾构中普遍采用的盾尾间隙测量系统有：vmt公司的slum系统，石川岛公司的盾尾间隙测量系统和三菱公司的盾尾间隙测量系统。slum系统是vmt开发的光学测量系统，被广泛地安装在海瑞克盾构上。这套系统包括5个激光测量传感器，分别安装在拼装机的固定位置上，移动拼装机到管片中指定的位置对拼装好的管片的距离进行测量，随后拼装机再次移动，对盾尾的距离进行测量，求取两次测量的差值传输至sls-t导向系统中，本系统在海瑞克盾构上普遍使用，但是由于其工作方式的限制，无法安装在装备盘式拼装机的盾构上。三菱公司的盾尾间隙测量系统是安装在千斤顶底板附近位置，依靠气阀组和倾角传感器工作，可使用操作面板上的触摸屏或便携式操作箱进行控制。该系统主要用于三菱地铁盾构，如上海地铁公司的巧--18号6340mm土压平衡盾构和三菱6520mm双圆土压平衡盾构等。但它的防护性较差，加之现场的工况条件恶劣，设备常会由于沾染到泥浆或是水之后发生故障而无法正常工作。石川岛公司的盾尾间隙测量系统和三菱公司的系统在结构、安装位置、工作方式等方面基本相同，但是其测量装置外形较大，给安装和使用带来较大的困难，且由于外形尺寸的限制该系统不适宜用于地铁盾构。

2011年夏翼在中国盾构技术学术研讨会论文集中发表盾尾间隙测量系统的研究，文中提出一种盾构机盾尾间隙测量技术，创新型的运用视觉技术对盾尾间隙进行非接触式的测量。其系统集间隙的测量与控制于一身，可以进行实时数据传输与盾尾间隙智能分析。但是，此系统高度依赖in-sight5100视觉传感器集成的in-sightexplorer软件并且手工标定盾尾的方式进行盾尾间隙直接获取，致使系统精度高度依赖于间隙边缘提取的精度，由于需要经过比例尺换算，边缘检测结果细微的不同经过换算后都有可能会被放大，因此为系统引入了极大的误差。

沈斌2007年在第三届上海国际隧道工程研讨会论文集发表题为盾构法隧道盾尾同步注浆间隙测量与计算的文章，文中提出一种利用电子测距仪的进行盾尾间隙测量的方法，其原理如下：测距仪安装在盾构机园切面中心，预先测量盾构中心到盾构机内壁距离d，测距仪测量其所在中心位置到管片内壁距离d，在管片宽度一致的情况下h，利用公式x＝d-d-h求解间隙宽度。此种方法可行的条件式管片内壁是干净的平滑的，但是实际管片是有注浆孔等状况致使测量结果出现错误。

张立彬在2013年发表的基于数字图像处理技术的盾构机盾尾间隙测量系统的研究一文中提出的基于数字图像处理技术的盾构机盾尾间隙测量系统，系统借助视觉图像处理库opencv进行构建。其基本原理是：对于获取到的进行预处理，二值化后进行hough变换，然后利用边缘提取技术进行边缘提取统计计算获取激光点中心位置x，对二值化后的图像进行canny边缘检测，对于canny边缘检测后的图像进行边缘提取，然后指向定位获得管片上边缘l，计算x与直线l之间的距离，最后计算间隙实际间距。此系统适用于场景极度简单的施工场景，但是实际的施工场景是非常复杂的，canny边缘检测并不能提取到管片的上边缘，因此系统并无法投入到实际的应用。

此外还有孙连，陆晓华在2013年发表的基于多点扫描距离检测技术的盾尾间隙测量方法和装置一文中提出了一种盾尾间隙测量方法，文中指出检测装置固定于盾构的盾壳和主推千斤顶之上，该盾测量装置主要包括有控制计算机、电控旋转台、步进电机、步进电机驱动器和激光测距仪。

李睿在2014年发表硕士文章：盾构机盾尾间隙测量系统研究中提出了一种利用传感器进行盾尾间隙测量的方法。其测量原理为：通过安装在盾尾内壁的数个传感器对管片推出盾尾时装置转角进行测量，在连接装置长度己知的前提下，根据连杆长度及转角度数测出盾尾间隙值。

然而上述这些方法需要的硬件设备较多，耗费成本大，同时测量方法复杂，测量结果不够准确。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种盾构机盾尾间隙视觉测量方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种盾构机盾尾间隙视觉测量方法，该方法包括如下步骤：

(1)安装摄像机，摄像头距离盾构机底部盾壳高度为h；

(2)摄像机拍摄盾构机工作过程中原始图像，该原始图像中包含管片上边缘和管片下边缘，且管片下边缘为盾尾间隙的上边缘；

(3)以原始图像中心点所在水平轴为分割线将该原始图像划分为第一子图像和第二子图像，其中，第一子图像包括管片下边缘，第二子图像包括管片上边缘；

(4)从第二子图像中获取管片上边缘，计算得到管片上边缘在原始图像中距离原始图像中心点的距离d2；

(5)根据设定的比例尺将d2转换为实际高度h2；

(6)根据下式获得盾尾间隙d：d＝h+h2-d3，其中，d3为管片实际高度。

步骤(5)后还包括检测精度验证，具体为：

(a)从第一子图像中获取管片下边缘，计算得到管片下边缘在原始图像中距离原始图像中心点的距离d1；

(b)根据步骤(5)中的比例尺将d1转换为实际高度h1；

(c)对h1和h2求和得到h，求取h与d3的误差大小，若误差在设定范围内则执行步骤(6)，否则返回步骤(2)。

步骤(4)中获取管片上边缘具体通过下述方式获得：采用canny边缘检测算法获取第二子图像中包含的边缘信息并得到边缘图像，对边缘图像进行投影处理生成水平方向边缘像素统计数组，根据水平边缘像素统计数组获取管片上边缘。

所述的步骤(a)具体为：

(a1)对第一子图像进行预处理；

(a2)对预处理后的图像进行图像二值化，分割出盾尾间隙和管片密封条；

(a3)对二值化处理后的图像进行双峰结构补充，在补充后的投影图中寻找谷底坐标，根据谷底坐标去除管片密封条；

(a4)对步骤(a3)去除管片密封条后的图像进行模板匹配得到盾尾间隙附近图像；

(a5)采用分割算法提取盾尾间隙，获取管片下边缘。

步骤(a1)中预处理包括灰度化处理、图像增强处理以及通过对比度增强算法提高图像中间隙与图像其余部分对比度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明基于视觉方法获取间隙宽度，利用间接方法求取间隙宽度，解决了部分常规的接触式测量方法带来的器件磨损，进一步增加了非接触式测量方法的种类，利用间接间隙获取方式，规避了直接对间隙宽度的获取，转而求取摄像头中心到管片上边缘之间的距离，利用摄像头的高度和管片高度固定，以及他们相互之间的关系求解间隙宽度，尽可能扩大图像中的测量对象的尺寸，缩小转换误差，相比于接触式测量非接触式测量减小硬件损耗，相比于直接测量，间接测量克服了利用图像方法直接测量图像间隙宽度再利用比例尺转换到实际距离带来的误差扩大；

(2)本发明通过求取图像处理得到的管片高度与管片实际高度的误差进行检测精度验证，当检测精度较低时需要重新进行拍摄图像把进行盾尾间隙的测量，提高最终获取的盾尾间隙结果的精确性；

(3)本发明管片上边缘和管片下边缘的检测方法检测精度高；

(4)本发明每一个测量位置只需一台摄像机获取图像即可，无需其他硬件设备，耗费成本较低，易于实现，且测量结果准确可靠。

附图说明

图1为盾构机盾尾间隙结构示意图；

图2为本发明盾构机盾尾间隙视觉测量方法的流程框图；

图3为本发明视觉测量方法中摄像机安装结构示意图。

图中，1为盾构机，2为管片，3为推进油缸，4为盾尾间隙，5为摄像机，6为盾构机底部盾壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图2所示，一种盾构机盾尾间隙视觉测量方法，该方法包括如下步骤：

(1)安装摄像机5，摄像头距离盾构机底部盾壳6高度为h；

(2)摄像机5拍摄盾构机工作过程中原始图像，该原始图像中包含管片上边缘和管片下边缘，且管片下边缘为盾尾间隙的上边缘；

(3)以原始图像中心点所在水平轴为分割线将该原始图像划分为第一子图像和第二子图像，其中，第一子图像包括管片下边缘，第二子图像包括管片上边缘；

(4)从第二子图像中获取管片上边缘，计算得到管片上边缘在原始图像中距离原始图像中心点的距离d2；

(5)根据设定的比例尺将d2转换为实际高度h2；

(6)根据下式获得盾尾间隙d：d＝h+h2-d3，其中，d3为管片实际高度，如图3所示，摄像头距离盾构机底部盾壳6高度为h，从图3很容易得到上述计算盾尾间隙d的计算公式。

步骤(5)后还包括检测精度验证，具体为：

(a)从第一子图像中获取管片下边缘，计算得到管片下边缘在原始图像中距离原始图像中心点的距离d1；

(b)根据步骤(5)中的比例尺将d1转换为实际高度h1；

(c)对h1和h2求和得到h，求取h与d3的误差大小，若误差在设定范围内则执行步骤(6)，否则返回步骤(2)。

步骤(4)中获取管片上边缘具体通过下述方式获得：采用canny边缘检测算法获取第二子图像中包含的边缘信息并得到边缘图像，对边缘图像进行投影处理生成水平方向边缘像素统计数组，根据水平边缘像素统计数组获取管片上边缘。

所述的步骤(a)具体为：

(a1)对第一子图像进行预处理，具体地，预处理包括灰度化处理、图像增强处理以及通过对比度增强算法提高图像中间隙与图像其余部分对比度。对第一子图像进行灰度化处理以及图像增强(imageenhancement)处理，去除图像中包含的噪声，随后利用对比度增强算法(如histgramequalization)提高图像中间隙与图像其余部分对比度。

(a2)对预处理后的图像进行图像二值化，分割出盾尾间隙和管片密封条，具体地，通过对采集到的图像进行二值化处理，统计获得多幅图像二值化处理阈值的取值，确定出实际施工环境下二值化处理阈值取值范围。利用二值化之后图像的投影图应具有双峰特点，在已经确定的阈值范围内进行遍历，结合双峰特点寻找能将间隙和管片密封条成功分割(呈现一定双峰特点)的阈值。利用搜索获取的阈值进行图像二值化，分割出间隙和管片密封条。

(a3)对二值化处理后的图像进行双峰结构补充，在补充后的投影图中寻找谷底坐标，根据谷底坐标去除管片密封条，具体地，步骤(a2)获取的二值化图像，对投影效果不佳(即双峰结构不佳)的投影图像进行双峰结构补充，在结构补充后的投影图中寻找谷底坐标。根据谷底坐标去除管片密封条，缩小图像处理范围，防止密封条对于后续模板匹配结果的干扰。

(a4)对步骤(a3)去除管片密封条后的图像进行模板匹配得到盾尾间隙附近图像；

(a5)采用分割算法提取盾尾间隙，获取管片下边缘，分割算法如meanshift分割方法、测地线活动轮廓模型、jseg、超像素分割等。