[发明专利]一种盾构机刀具磨损的可视化定量标定及分析方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

德国航空航天局研究中心已成功开发了ESPI(2000)、ARGUS(2004)、ATOS(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。

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。

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

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。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

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：

(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；

(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；

(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OpenSceneGraph(OSG)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。

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。

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。