[发明专利]基于主动式全景视觉的隧道全断面高速动态健康检测装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及全景激光光源、全方位视觉传感器、数字图像处理、三维重构技术以及计算机视觉技术在隧道的自动检测和三维建模方面的应用，尤其涉及一种基于主动式全景视觉的隧道全断面高速动态健康检测装置与方法，主要应用于地铁和高铁隧道运营期间的自动健康监测。

背景技术

地铁和高铁隧道的健康监测可分为两个阶段：施工阶段和运营阶段。在铁路隧道的运营过程中，隧道的安全问题主要受到以下几个方面的影响：一是列车运营过程中长期振动荷载引起的道床整体沉降；二是由于大多数长大隧道处于复杂的地质条件中，列车荷载引起的线路沿轴线方向的不均匀沉降；最后就是隧道周边建筑物的影响。而这些影响会造成隧道轮廓的开裂，变形，漏水甚至脱落等一系列安全问题。

目前，国内外针对隧道施工阶段的监测技术己比较成熟，但是对隧道运营期间的监测重视程度远远不够。事实上，运营阶段因时间跨度大、影响因素复杂、灾害社会影响大，对地铁和高铁隧道的健康监测更应该得到充分的重视。隧道轮廓的检测能方便的掌握隧道净空，监测隧道的变形，因此隧道结构检测在铁路运输过程中占有重要的地位。

在隧道的运维阶段，为了不影响线路运营，只能利用“开天窗”时间，而“开天窗”时间是一定的，这就需要快速地进行检测，传统的点站式测量断面变形的方式显然不能满足要求。根据高铁和城市地铁发展的需求，对隧道全断面进行高速动态健康监测，并要求监测过程能与列车运行同步，便于管理人员实时、连续、快速地掌握隧道变化，及时消除影响运输安全的隐患。在此过程中要求完成断面检测数据的采集、分析、处理、传输，并快速给出相应的断面轮廓及隧道的三维模型，乃至实时监测和分析出各种安全隐患。

隧道检测具有隧道变形的渐变性和长期性、测点多、线路长、动态数据量大、数据分析复杂等特点。非接触式车载隧道断面检测已成为主流检测技术。目前，非接触式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等。而且普遍应用于国内外先进的轨道检测车上，检测效率得到了很大的提升。比较典型的有：法国2005年投入使用的用以改善高速线路维护的基础设施高速检测列车MGV，运用摄影测量的方式能够在300km的速度下对接触网、轨道等进行检测；德国的GeoRail-Xpress综合检测车能对线路上的可见和不可见部分进行全数字化测量、采集和分析；其上搭载有由4维轨道环境照相机构成的线路和环境检测装置，由6个激光传感器和2架数码行扫描照相机构成的轨道检测装置，检测速度为100km/h；日本轨道综合检测车以2002年3月投入使用的East-I型最具代表性，该列车采用700系电动车组，6辆编组，可以实施88项检测项目，其中应用列车顶部的摄像装置采用图像处理技术测量道床及周边结构物的情况，最高运行速度275km/h；奥地利的Plasser公司时速为250km/h的EM250型高速轨检车，意大利“阿基米德”号综合检测车等都搭载有运用摄影测量技术或激光辅助图像处理技术的高速隧道检测设备。

综上所述，关于激光技术和计算机图像处理技术在车载隧道断面检测的主要优缺点是：激光扫描测量不受外界光线干扰，但由于受扫描光点发散效应的限制，测量复杂断面时的精度低，问题是扫描测距方式受机械旋转部件的制约在行进过程中扫描光点呈螺旋形前进，扫描频率不容易做得太高，而且高速行进过程中所测得的点位置不处于一个横截面内，这属于原理性误差，必须通过多次往复测量提高测量精度，不利于对长距离隧道的测量。同时由于多次往复动态测量对定位精度要求极高，实施也较为困难。因此，有些研究者提出了采用间隔30°安装9个激光扫描仪同时对隧道断面进行扫描，这也无疑提高了投入和运维成本，而且这样的扫描也仅仅限于几个点，无法实现全断面的实时扫描。

计算机图像三角形摄影测量虽然具有较高的动态测量精度，但测量时易受阳光、隧道内灯光等外界光线干扰而产生偏差，严重时甚至失效。因此必须采用复杂的图像处理算法进行一定程度的弥补，例如通过二维滤波和模式识别技术，滤除灯光影像，识别隧道洞壁上的激光光带位置等。而且通常的动态测量要求每秒几百甚至上千帧的采样速率，目前技术难以实现全部图像数据的实时存储，如果借助图像处理技术提取和存储激光光带位置，则图像处理步骤又会大大增加处理时间，制约系统采样速度，影响系统的实时性，不适合于高速行进过程中的安全监测。

因此，如何在高速动态测量条件下同时保证高测量精度、高采样速率及快速三维建模是地铁和高铁隧道自动监测重要课题。