多功能隧道快速检测系统设计

唐建平++樊晓楠++温兴水++宋京++涂市委

摘 要为了提高隧道病害的检测速度，通过设计以车载式的檢测装置代替人工检测来提高检测速度。通过CAD和Solidworks建立隧道检测车模型，并对检测装置结构尺寸进行进一步设计。进行隧道检测车的制造，进一步搭建检测设备，安装相应的工业CCD摄像机，照明设备，发电装置。试验结果表明：通过三维建模并进行实体制造出来的检测车能实现相应的快速检测功能，满足隧道检测的要求。

【关键词】隧道检测车 快速检测 三维建模 实体搭建

1 隧道检测车整体方案设计

检测车是经由轻卡奥铃TX改装设计而成，车厢体设计成前半部分可纵向滑动，箱体后部焊接于底板上，前部箱体纵向滑动到最大，箱体内部检测设备可进行工作，检测隧道病害。车体内部隧道衬砌裂缝检测系统分为图像采集和图像处理两大部分。图像采集部分是对隧道衬砌裂缝进行采集的过程，图像采集部分主要包括检测车、24台CCD 相机、照明设备等。图像处理部分是核心部分，主要包括对隧道内裂缝进行图像的预处理、图像的增强、图像的分割、图像的特征识别与提取过程。

2 隧道检测车系统功能设计

2.1 图像采集系统安装架结构方案设计

检测车核心设备，由24台工业CCD相机构造而成，相机安装于弧形转盘上，底部安装有180°电动转盘，可使得弧形转盘转动180°，在检测车不调转方向的情况下，进一步检测对侧隧道病变情况：

实体组装图如图1。

2.2 图像采集系统部件的选型

图像采集部分主要包括24台工业以太网相机、4个千兆6口网卡、两台高性能工业计算机、24个频闪灯、旋转编码器及发电机、稳压电源等。软件系统主要由图像采集软件和图像拼接处理软件组成。硬件系统和软件系统两部分集成在货车车厢里，形成一套可快速集成的隧道检测车，实现隧道表面的快速检测。检测系统启动时，首先要对各个模块进行初始化操作，当然包括对图像采集卡和 CCD 相机等参数的设置，并打开照明系统。

进行图像采集的过程中需要满足的要求如下：

（1）采集图像精度：本方案设计出要检测1mm 宽的裂缝，因此测量到的裂缝参数数值必须精确到1mm ，故选择相机参数为 500 万像素（2500*2000）。

（2）由于线阵 CCD 相机对光强的要求比较高，因此采用面阵 CCD 相机对隧道衬砌图像进行采集。

（3）本设计采用4个千兆6口图像采集卡，以保证在较快的速度内完成对隧道衬砌图像的采集工作。于裂缝图像的颜色纹理比较单一，且黑白图像传输速度快，因此黑白 CCD 摄像机就能满足系统的要求。

（4）为了实现在有限的时间内对隧道衬砌的检测，必须限定载体车的行驶速度，初步要求载体车以 10km/h 以上速度行驶。

（5）为了保证对隧道的安全评估，需要对隧道衬砌进行全面检测，要求在图像采集的过程中全面检测，没有遗漏。在实际采集的过程中，为了保证隧道衬砌图像的完整性，要求相邻相机拍摄的区域存在重叠区域。该面阵相机单个像素的大小为2um 2um，假设所选检测车高2.5m，照相机固定的位置与所拍断面距离为2m，那么

，，进而计算出f≈19.8mm。该照相机像素为2500*2000，每个像素对应的实际宽度为0.2mm，因此所拍图像的实际大小就是50cm*40cm。又因为该隧道周长为19.49m，隧道中有两个车道，一次只需要拍摄半个隧道断面，再加上左右两幅图像之间有大概12.5cm的重叠区域，因此弧形支架上所安装的照相机台数最少为24台。由于所选照相机的最短曝光时间是50us，所以此检测车行驶的最高速度为4m/s，即14.4km/h。要保证所拍摄到的隧道衬砌表面图像是清晰可见的，检测车的行车速度必须控制在14.4km/h以内，照相机的采集速率为每秒10帧。工控机选择主板：AIMB-784；CPU：I7-4790k；运存：2*4G；硬盘：1T机械硬盘。

3 图像处理系统

图像处理部分是利用数字图像处理技术对存储到工控机中的图像进行处理和分析，最终得到裂缝特征信息的过程。

3.1 隧道内壁的缝隙图像的增强技术

图像增强技术主要是利用相应的算法将工业CCD相机拍到的隧道内壁裂缝进行凸显处理，对一些没有价值的信息点弱化，使得其图像裂缝提取和计算方便；

3.2 裂缝图像阈值分割

图像的进一步处理是对工业CCD相机拍摄到的图像进行分割步骤，这样可以将图像最主要的部分（裂缝）进行提取，是进一步图像分类、参数计算的基础，这一步也是至关重要的；

3.3 隧道内壁缝隙的分类与相关参数计算

为了进行隧道内壁的养护工作，需要将图像裂缝进行分类并且提取裂缝的特征值，如裂缝面积、长度和宽度。根据计算得到的裂缝参数值与相关标准进行对比，得到隧道的安全程度。

4 基于Guided滤波的Retinex图像增强算法

（1）获得所需要处理的图像信息。

（2）得到所需要的图像后进一步用将裂缝信息分解为n层，同时获得裂缝信息在最大和最小的指数信息。

（3）进一步对分解后的指数信息进行下一步处理。

（4）最后一步，对裂缝信息再次重构，输出相应的图像。

5 图像分割技术

进一步的对图像增强处理后的图像分割动态阈值方法：

步骤1：将整幅图像分解成一系列相互之间有50%重叠的子图像。

步骤2：检测各子图像的直方图是否具有双峰性质。如果是，则采用最优阈值法确定该子图像的阈值，否则不进行处理。

步骤3：根据已得到的部分子图像的阈值，插值得到其他不具备双峰性质的子图像的阈值。

步骤4：根据各子图像的阈值插值得到所有像素的阈值。

6 试验结果分析

图2是该隧道检测车在实体隧道内运用图像采集系统所拍摄的隧道裂缝病害，图像清晰稳定，可进一步进行图像的处理分析，证明了本方案的可行性。

参考文献

[1]王华夏.高速铁路隧道衬砌裂缝图像快速采集系统研究[D].成都：西南交通大学，2013.

作者单位

1.杭州市交通运输发展服务中心 浙江省杭州市 310004

2.长安大学 陕西省西安市 710064