一种动态无控制隧道断面检测装置、分析系统及方法与流程

本发明涉及隧道检测技术领域，特别是涉及一种动态无控制隧道断面检测装置、分析系统及方法。

背景技术：

随着经济建设的快速发展，铁路、城市轨道交通基础设施的建成量也以空前的速度增加，隧线比高的高速铁路大量涌现，地铁占城市轨道交通比例也高达80％，未来将会面临着大量隧道需要进行检测和维护的状况。

目前铁路与地铁隧道检测方法主要有接触式测量、预埋传感器测量、全站仪测量、三维激光扫描仪测量以及车载测量等方法。传统的人工接触测量法在不同的线路情况下，需要人工调整工具的位移，当发生超限时，需要反复多次测量。人工检测效率低下、耗时、耗力，难以保证检测的精度、周期性和及时性；另外高速铁路和城市轨道交通天窗时间有限，人工检测难以在有限的时间里完成检测工作，且不能用于电气化区段，因此这种接触式测量已经很少使用了。传感器预先埋设法也是传统上较早采用的方法。传感器的安装一般在施工中预先考虑，因此常用于地质条件复杂的长大隧道的实时监测。但其有限的测点难以反映目标系统的整体情况。车载测量方式主要针对长距离隧道检测，车载式测量设备的检测速度快，但测量过程中必须能够抵抗列车运动中的振动或者加以补偿，因此对数据处理能力要求较高。车载隧道断面检测方案主要采用了激光技术和计算机图像处理技术，普遍应用于国内外先进的大型检测车上。车载隧道测量方法由于成本和技术上的难题，在工程上推广使用还有一定难度。

目前实际工程中，隧道结构测量多采用全站仪或激光扫描仪站式测量的方式。采用全站仪测量时，需要安置隧道断面标志点，通过断面上若干个点进行断面结构分析，效率较低，断面间隔过大，对隧道的分析不够细致。采用站式激光扫描仪对隧道进行扫描测量，能够获取更详细和全面的隧道点云信息，在隧道变形检测工程应用和理论研究中使用比较广泛。激光扫描仪采用站式方式测量时，由于隧道变形测量精度较高，激光扫描仪作用距离较近，自身无法提供绝对位置信息，在隧道中测量面临着站间靶球拼接的问题，每一站可用距离较短，也使得测量效率较低，在高铁或地铁有限的天窗时间内检测时间压力较大。由于激光扫描仪获取的是三维点云数据，数据处理时要进行断面截取，工作量也较大。国内外也有一些公司或生产单位进行了动态隧道扫描设备的研制，动态隧道检测方法同样要解决与控制点联测的问题，并且获取数据仍是三维点云数据，需要基于隧道设计线型进行隧道断面截取，从而进行隧道断面变形分析，数据处理工作量较大、分析的准确度差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种动态无控制隧道断面检测装置，可提高获取隧道断面信息的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种动态无控制隧道断面检测装置，所述检测装置包括：

车载框架；

扫描仪，设置在所述车载框架上，用于在断面扫描模式下对隧道断面进行扫描，获得隧道断面点云数据集；

两个驱动轮和两个从动轮，各所述驱动轮和从动轮分别设置在所述车载框架的下方，在各所述驱动轮的带动下，使所述车载框架在隧道的轨道上移动；

差速电机，设置在两个所述驱动轮之间，在所述差速电机的动力作用下，通过所述车载框架，两个驱动轮带动两个从动轮运动；

刹车器，设置在两个所述驱动轮之间；

控制器，分别与所述差速电机和刹车器连接，用于根据控制指令控制所述驱动轮的走、停及前进速度。

可选的，所述检测装置还包括：

供电单元，所述供电单元的电能输出端分别与所述扫描仪及差速电机连接，用于为所述扫描仪及差速电机提供工作电压。

可选的，所述检测装置还包括：

供电开关，设置在所述供电单元的电能输出端上，与所述控制器连接，用于在所述控制器的控制下，控制所述供电单元的通断。

可选的，所述检测装置还包括：

遥控器，与所述控制器连接，用于将控制指令传输至所述遥控器。

可选的，车载框架包括两根平行的长框及分别与两根长框的中心处固定连接的一根短框；其中一根所述长框的两端分别设置有一个所述驱动轮；另一根所述长框的两端分别设置有一个所述从动轮；所述扫描仪设置在所述短框的中心位置处。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明动态无控制隧道断面检测装置通过移动式测量方式，检测时无需使用靶球进行站间拼接，就能得到连续的隧道断面点云数据，可提高铁路和在地铁隧道天窗时间检测效率。

本发明的另一目的是提供一种动态无控制隧道断面分析系统，可提高获取隧道断面信息的效率及对隧道变形分析的准确度。

一种动态无控制隧道断面分析系统，所述分析系统包括：

上述动态无控制隧道断面检测装置；

迭代单元，所述检测装置的扫描仪连接，用于根据扫描仪获得的隧道断面点云数据集，采用ransac算法、迭代处理，滤除所述隧道断面点云数据集的噪声；

拟合单元，用于根据滤除噪声后的隧道断面点云数据集进行椭圆拟合，得到拟合结果，所述拟合结果包括隧道的长短半径、椭圆度及扁率。

可选的，所述分析系统还包括：

计算单元，用于根据隧道相对里程信息及所述拟合结果确定隧道断面的环号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明动态无控制隧道断面分析系统通过移动式测量方式，检测时无需使用靶球进行站间拼接，就能得到连续的隧道断面点云数据，可提高铁路和在地铁隧道天窗时间检测效率；同时通过去燥处理，获得准确的隧道断面点云数据，为隧道形变分析供准确的数据，提高分析的准确度。

本发明的另一目的是提供一种动态无控制隧道断面分析方法，可提高获取隧道断面信息的效率及对隧道变形分析的准确度。

一种动态无控制隧道断面分析方法，所述分析方法包括：

根据上述动态无控制隧道断面检测装置的扫描仪获得的隧道断面点云数据集，采用ransac算法、迭代处理，滤除所述隧道断面点云数据集的噪声；

根据滤除噪声后的隧道断面点云数据集进行椭圆拟合，得到拟合结果，所述拟合结果包括隧道的长短半径、椭圆度及扁率。

可选的，所述分析方法还包括：

根据隧道相对里程信息及所述拟合结果确定隧道断面的环号。

可选的，所述采用ransac算法、迭代处理，滤除所述隧道断面点云数据集的噪声，具体包括：

采用ransac算法对第k次迭代时的隧道断面点云数据集进行计算，确定对应的椭圆参数；

根据断面点到椭圆中心的连线与椭圆的交点计算所有断面点到椭圆的最短距离dn，组成距离点集dk＝{d1,d2,...,dn},其中，n表示第k次迭代时的隧道断面点云数据集中数据的数量，n＝1,2,...,n，每一个隧道断面点云数据表征一个断面点；

根据以下公式，计算点集dk的均值dmaen和标准差σ：

判断|dn-dmean|是否大于2σ，如果是，则dn对应的断面点为噪声，删除第k次迭代时全部的噪声对应的隧道断面点云数据，更新隧道断面点云数据集，进行下一次迭代；

否则，输出当前的隧道断面点云数据集。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明动态无控制隧道断面分析方法通过移动式测量方式，检测时无需使用靶球进行站间拼接，就能得到连续的隧道断面点云数据，可提高铁路和在地铁隧道天窗时间检测效率；同时通过去燥处理，获得准确的隧道断面点云数据，为隧道形变分析供准确的数据，提高分析的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例动态无控制隧道断面检测装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例动态无控制隧道断面检测装置的模块结构示意图；

图3为本发明实施例动态无控制隧道断面分析系统的模块结构示意图；

图4为本发明实施例动态无控制隧道断面分析方法的流程图；

图5为去燥拟合图。

符号说明：

车载框架—1，扫描仪—2，驱动轮—3，从动轮—4，差速电机—5，刹车器—6，控制器—7，供电单元—8，供电开关—9，遥控器—10，迭代单元—11，拟合单元—12，计算单元—13。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种动态无控制隧道断面检测装置，通过移动式测量方式，检测时无需使用靶球进行站间拼接，就能得到连续的隧道断面点云数据，可提高铁路和在地铁隧道天窗时间检测效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本发明动态无控制隧道断面检测装置包括车载框架1、扫描仪2、两个驱动轮3、两个从动轮4、差速电机5、刹车器6及控制器7；其中，所述扫描仪2设置在所述车载框架1上，用于在断面扫描模式下对隧道断面进行扫描，获得隧道断面点云数据集；各所述驱动轮3和从动轮4分别设置在所述车载框架的下方，在各所述驱动轮3的带动下，使所述车载框架1在隧道的轨道上移动；所述差速电机5设置在两个所述驱动轮3之间，在所述差速电机5的动力作用下，通过所述车载框架1，两个驱动轮3带动两个从动轮4运动；所述刹车器6设置在两个所述驱动轮3之间；所述控制器7分别与所述差速电机5和刹车器6连接，用于根据控制指令控制所述驱动轮3的走、停及前进速度。

如图2所示，本发明动态无控制隧道断面检测装置还包括供电单元8，所述供电单元8的电能输出端分别与所述扫描仪2及差速电机5连接，用于为所述扫描仪2及差速电机5提供工作电压。优选的，所述供电单元8为蓄电池组。

此外，本发明动态无控制隧道断面检测装置还包括供电开关9，所述供电单元8设置在所述供电单元8的电能输出端上，与所述控制器7连接，用于在所述控制器7的控制下，控制所述供电单元8的通断。

进一步地，本发明动态无控制隧道断面检测装置还包括遥控器10，遥控器10与所述控制器7连接，用于将控制指令传输至所述遥控器。用户的控制指令通过遥控器传输至所述控制器，以控制驱动轮的走停，或则指定速度匀速行驶等。

其中，所述扫描仪2可为激光扫描仪。例如，采用法如focus3d系列扫描仪或其他断面扫描仪，采用三维激光扫描仪工作前需开启断面扫描模式。系统安置到轨道上后，启动扫描仪扫描工作模式后，使用遥控器10控制驱动轮匀速运行在轨道上，速度可参考人的行走速度(如4-5km/h)，不宜过快，要保证设备在工作人员视野范围内，并且能够保证点云密度。系统工作时，点云数据存储在扫描仪存储卡中。系统准备停止工作时，先停止系统运动，再停止扫描仪扫描。

如图1所示，所述车载框架1包括两根平行的长框及分别与两根长框的中心处固定连接的一根短框；即，所述车载框架1成“工”字型。其中一根所述长框的两端分别设置有一个所述驱动轮3；另一根所述长框的两端分别设置有一个所述从动轮4。优选的所述扫描仪2设置在所述短框的中心位置处，使得扫描仪2在工作状态时不仅能扫到隧道，还能对轨道进行扫描。

本发明动态无控制隧道断面检测装置还能够直接进行隧道限界测量。限界测量时直接参考本发明装置扫描到的轨道点云，建立轨道断面坐标系，并将设计车辆限界或设备限界坐标直接与隧道断面坐标计算最近点即可判断隧道是否存在侵界现象。其中，限界解算参考实测轨顶面，更加真实可靠。

本发明动态无控制隧道断面检测装置依赖激光扫描仪采用断面测量模式对隧道进行动态断面扫描获取隧道断面点，方便迅速。通过搭载车载框架能够通过遥控器控制驱动轮带动车载框架自动在轨道上运行，从而保证了系统能够匀速运行，既省去了人工推行的麻烦，也能够保证激光扫描点云的均匀，利用点云能生成具有均匀分辨率的影像，便于病害信息提取。

具体的，本动态无控制隧道断面检测装置具有以下优点：

(1)采用无控制断面扫描模式进行数据采集，设备扫描时自动获取隧道断面，省去点云数据处理上繁琐的工作量。

(2)与全站仪测量方法相比较，具有更高的测量速度和更丰富的隧道数据，便于对隧道进行细致的分析。

(3)相对于站式激光扫描测量方式，移动式测量方式检测时无需使用靶球进行站间拼接，就能得到连续的隧道点云数据，既减少由于站间拼接带来的误差影像，也提高了铁路和地铁隧道天窗时间检测效率。

(5)相对于其他移动激光扫描系统，本方法仅利用激光扫描仪一个传感器，省去了多传感器集成的繁琐步骤。本发明采用断面扫描模式，直接获取隧道断面点云，省去三维点云基于设计轴线进行断面截取的繁琐，减少参考设计数据可能带来的误差。具有自动控制系统，能够保证采集过程中获取均匀的断面点云，便于操作，保证匀速，保证后期隧道影像生成的分辨率一致性。

此外，本发明还提供最一种动态无控制隧道断面分析系统，可提高获取隧道断面信息的效率及对隧道变形分析的准确度。如图3所示，本发明动态无控制隧道断面分析系统包括上述动态无控制隧道断面检测装置、迭代单元11、拟合单元12及计算单元13。

其中，所述迭代单元11与所述检测装置的扫描仪2连接，用于根据扫描仪获得的隧道断面点云数据集，采用ransac(randomsampleconsensus，随机样本一致性)算法、迭代处理，滤除所述隧道断面点云数据集的噪声；所述拟合单元12，用于根据滤除噪声后的隧道断面点云数据集进行椭圆拟合，得到拟合结果，所述拟合结果包括隧道的长短半径、椭圆度及扁率；所述计算单元13用于根据隧道相对里程信息及所述拟合结果确定隧道断面的环号。

隧道相对里程信息依赖于管片点云拼接缝的提取。根据标准管片长度和数量对里程进行计算，并以环数作为里程提供给用户，省去用户进行里程换算，可直接根据环号进行检修。

由于采用动态方式获取数据，断面的间隔也更密集，可以进行任意断面变形分析。系统工作时主要采用无控制测量模式，即不进行与绝对位置坐标的联测，仅进行隧道断面获取，数据后处理时直接对扫描断面进行拟合偏差分析，不依赖于隧道设计数据。

其中，所述迭代单元11采用ransac算法、迭代处理，滤除所述隧道断面点云数据集的噪声，具体包括：

采用ransac算法对第k次迭代时的隧道断面点云数据集进行计算，确定对应的椭圆参数；

根据断面点到椭圆中心的连线与椭圆的交点计算所有断面点到椭圆的最短距离dn，组成距离点集dk＝{d1,d2,...,dn},其中，n表示第k次迭代时的隧道断面点云数据集中数据的数量，n＝1,2,...,n，每一个隧道断面点云数据表征一个断面点；

根据公式(1)和公式(2)，计算点集dk的均值dmaen和标准差σ：

判断|dn-dmean|是否大于2σ，如果是，则dn对应的断面点为噪声，删除第k次迭代时全部的噪声对应的隧道断面点云数据，更新隧道断面点云数据集，进行下一次迭代；

否则，输出当前的隧道断面点云数据集。

本发明动态无控制隧道断面分析无需与设计数据联测或对比计算，可直接确定隧道断面相对变形情况，准确高、计算量小。

本发明还提供一种动态无控制隧道断面分析方法，可提高获取隧道断面信息的效率及对隧道变形分析的准确度。如图4所示，本发明动态无控制隧道断面分析方法包括：

步骤100：根据上述动态无控制隧道断面检测装置的扫描仪获得的隧道断面点云数据集，采用ransac算法、迭代处理，滤除所述隧道断面点云数据集的噪声。

步骤200：根据滤除噪声后的隧道断面点云数据集进行椭圆拟合，得到拟合结果，所述拟合结果包括隧道的长短半径、椭圆度及扁率。

步骤300：根据隧道相对里程信息及所述拟合结果确定隧道断面的环号。

其中，在步骤100中，所述采用ransac算法、迭代处理，滤除所述隧道断面点云数据集的噪声，具体包括：

步骤101：采用ransac算法对第k次迭代时的隧道断面点云数据集进行计算，确定对应的椭圆参数。其中，所述椭圆参数包括椭圆方程的系数、圆心坐标、长短半轴的长度。

步骤102：根据断面点到椭圆中心的连线与椭圆的交点计算所有断面点到椭圆的最短距离dn，组成距离点集dk＝{d1,d2,...,dn},其中，n表示第k次迭代时的隧道断面点云数据集中数据的数量，n＝1,2,...,n，每一个隧道断面点云数据表征一个断面点；

根据公式(1)和公式(2)，计算点集dk的均值dmaen和标准差σ：

步骤103：判断|dn-dmean|是否大于2σ，如果是，则dn对应的断面点为噪声，删除第k次迭代时全部的噪声对应的隧道断面点云数据，更新隧道断面点云数据集，进行下一次迭代；

否则，输出当前的隧道断面点云数据集。

如图5所示为本发明动态无控制隧道断面分析方法根据滤除噪声后的隧道断面点云数据集进行椭圆拟合后的断面线，根据所述断面线可以得到隧道长短半径及椭圆度、扁率等信息。

相对于现有技术，本发明动态无控制隧道断面分析方法与上述动态无控制隧道断面分析系统的有益效果相同，在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。