劉 曉

1 引言

裂縫、剝落、滲水等病害對高速公路運營安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，現(xiàn)有檢測方法普遍借助人工或人工儀器在封閉或半封閉道路的前提下完成任務(wù)，檢測1km的隧道往往要耗時（1～20）天。這種方法工作效率低、個人主觀程度大、花費高、危險性大，無法滿足快速性、準(zhǔn)確性等檢測要求，更重要的是人工檢測結(jié)果無法對病害信息進(jìn)行管理，無法建立病害數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)[1-2]，難以統(tǒng)計和分析病害的長期發(fā)展趨勢，這也限制了高速公路隧道運營管理向數(shù)據(jù)化和信息化的跨越。隨著交通設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理對快速檢測設(shè)備需求的不斷提高，基于機(jī)器視覺的檢測方法具有形象直觀、速度快、精度高、數(shù)據(jù)易于保存等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于公路路面、鐵路隧道等結(jié)構(gòu)物無損檢測中[3-5]。但是，與公路路面、鐵路隧道相比，公路隧道斷面形狀復(fù)雜、內(nèi)部光照條件多樣化、病害類型眾多，檢測過程受車流量、路況、行車軌跡及外界多維振動影響較大[6]，這也增加了機(jī)器視覺在公路隧道智能化檢測中的研究難度。

國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)相繼開展了基于機(jī)器視覺的公路隧道智能檢測技術(shù)研究，填補(bǔ)了公路隧道快速檢測手段的空白[7]。但由于公路隧道的特殊性，該技術(shù)還存在諸如應(yīng)用范圍小、自動化程度低、能耗/造價高等諸多難題亟待解決，致使圖像采集質(zhì)量差、檢測速度慢，無法滿足隧道快速檢測的要求。在充分分析公路隧道檢測條件和要求的基礎(chǔ)上，開展基于多傳感融合的隧道智能檢測系統(tǒng)設(shè)計方案研究，制定隧道智能檢測車設(shè)計原則，對視覺傳感器、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及機(jī)械裝置進(jìn)行了選型與設(shè)計，在此基礎(chǔ)上研制了車載試驗系統(tǒng)，并在高速公路隧道開展了現(xiàn)場試驗。

2 隧道智能檢測系統(tǒng)設(shè)計原則

（1）檢測速度：高速公路具有行車速度快、車流量大等特點，為了不影響交通，檢測系統(tǒng)設(shè)計時速應(yīng)在在（60～80）km/h之間。（2）檢測精度：隧道襯砌病害主要有裂縫、剝落、滲水等，其中裂縫幾何尺寸較小，因此只研究裂縫的檢測精度。《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》及工程檢測中通常關(guān)注寬度為0.2mm以上的裂縫[8]，因此系統(tǒng)采集精度為0.2mm。（3）視覺系統(tǒng)景深：依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》，設(shè)計時速為60km/h和120km/h的高速公路隧道起拱線高度分別為6.74m、7.72m[9]，對應(yīng)的拱部圓弧半徑分別為5.14m、6.12m，檢測系統(tǒng)在同一位置處拍攝距離相差1m左右。同時，受駕駛員主觀意識、周圍車流量影響，車輛行駛過程中沿車道橫向偏移量為±0.5m。因此，為了保證視覺系統(tǒng)處于最佳工作位置，相機(jī)景深最小為1m。

3 視覺系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計

在《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中高速公路和一級公路設(shè)計速度分別有 60km/h、80km/h、100km/h 和 120km/h 四種級別[9]，對應(yīng)不同的建筑限界橫斷面。設(shè)定起拱線高度為1.7m，起拱線半徑為5.8m，則拍攝半幅隧道畫面的總視場為：S=π×d×+h=10.8m（1）式中：h—起拱線高度；d—起拱線半徑。

考慮到硬件檢測精度為0.2mm時，需要非常復(fù)雜的視覺檢測系統(tǒng)，在設(shè)定裂縫的硬件檢測精度為0.5mm，后期利用亞像素將裂縫識別精度可提高至0.2mm。設(shè)定裂縫的硬件檢測精度為0.5mm，則拍攝一次需要的像素為

線掃描系統(tǒng)分辨率一般為2k、4k、8k，考慮到單個工控機(jī)主板PCI插槽最多為4個，為了保證多臺線掃描系統(tǒng)同步采集，因此擬采用的線掃描相機(jī)個數(shù)不易超過4個。假設(shè)車載平臺高度為1.3m、車寬2.8m，隧道寬度為11m、高度為7m，裝載相機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)高1.7m，右側(cè)相機(jī)與檢測車邊緣平齊。依據(jù)雙車道隧道的起拱線的高度和圓弧的半徑，當(dāng)視覺系統(tǒng)采集半幅隧道時，相機(jī)需要覆蓋的直線距離為10.392m，因此當(dāng)采集精度為0.5mm時，三組8k線陣相機(jī)即可滿足需求，視覺采集系統(tǒng)示意圖，如圖1所示。

圖1 視覺采集系統(tǒng)示意圖Fig.1 The Sketch of Visual Acquisition System

假定隧道智能檢測系統(tǒng)行駛速度為80km/h（22.2m/s），當(dāng)采集精度為0.5mm時，數(shù)字相機(jī)每秒鐘拍攝的次數(shù)為：

滿足分辨率和行頻為8k和44.4k的相機(jī)有：DALSA公司生產(chǎn)的PC4-CM-08K050和PC4-CM-08K070，后者像素尺寸7.04μm較前者的5μm大，有更好的感光性，因此選用PC4-CM-08K070相機(jī)為隧道智能檢測系統(tǒng)的視覺傳感器。

4 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

4.1 車載編碼器

車載編碼器安裝于車輛輪轂上，在車輛行進(jìn)過程中時刻與輪轂同軸轉(zhuǎn)動，根據(jù)不同車速提供與之適配的脈沖頻率觸發(fā)線陣相機(jī)進(jìn)行拍照。在車輛行進(jìn)方向上，圖像分辨率與編碼器分辨率正相關(guān)、同時與輪胎直徑負(fù)相關(guān)。為了保證拍攝圖像的比例符合實際，車載編碼器的分辨率能夠與輪胎直徑實時對應(yīng)，因此選擇可編程的增量型編碼器作為系統(tǒng)車速測量裝置，通過調(diào)整編碼器分辨率，適配不同圖像分辨率的需求。

4.2 激光三維掃描儀

激光三維掃描儀用于車輛行駛過程中測量隧道斷面尺寸，為后續(xù)病害特征幾何測量提供依據(jù)。由于隧道為曲面，而拍攝圖片為平面，這就導(dǎo)致圖片中的特征（裂縫等）較實際偏小，這就需要利用隧道的輪廓信息進(jìn)行修正。同時也可利用隧道輪廓掃描數(shù)據(jù)使檢測結(jié)果以更直觀的形式顯示出來。選定掃描頻率50Hz、掃描范圍270°、角度分辨率0.25°、單點距離測量誤差不大于15mm，數(shù)據(jù)接口為以太網(wǎng)。

4.3 陀螺儀

陀螺儀可以實時測量三軸方向上的線加速度和姿態(tài)角，實時測量車輛行駛過程中六維位姿信息，用于圖像處理過程中對由于汽車行進(jìn)姿態(tài)引起的圖片變形進(jìn)行調(diào)整。同時結(jié)合方向角與激光掃描儀測得的隧道斷面輪廓數(shù)據(jù)，可將隧道的實際三維輪廓描繪出來。

5 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

5.1 視覺傳感器安裝支架

車載試驗系統(tǒng)采用豐田漢蘭達(dá)越野車進(jìn)行搭建，由于車身承載能力有限，且空間較為緊張。因此，要求機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕巧、安裝方便。視覺傳感器安裝支架整體采用航空材料，最大程度上減輕了設(shè)備主體的質(zhì)量，可方便搭載在車頂行李架上；采用框架式結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高，抗震性能好等優(yōu)點，避免車身振動影響圖像采集質(zhì)量；利用L型結(jié)構(gòu)方便相機(jī)光源組件的安裝。在此同時，在視覺傳感器安裝支架底端布置有回轉(zhuǎn)驅(qū)動，可實現(xiàn)（0～360）°任意角度旋轉(zhuǎn)，從而方便的采集隧道左、右半幅圖像，安裝支架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 視覺傳感器安裝支架Fig.2 The Mounting Bracket of Visual Sensor

5.2 編碼器固定裝置

圖3 編碼器安裝支架Fig.3 The Mounting Bracket of Encoder

編碼器是精密儀器，外殼直接連接在車體上，由于路面顛簸等原因使得車載編碼器振動，造成測量偏差大，甚至引起設(shè)備損壞。針對上述問題，在設(shè)計中加入了導(dǎo)向桿、直線軸承等結(jié)構(gòu)，可以有效消除車身振動對編碼器的影響，如圖3所示。該系統(tǒng)解決了車輛振動導(dǎo)致編碼器測量誤差大的問題，同時可以避免編碼器可能受到的機(jī)械沖擊，更好的保護(hù)編碼器。

6 車載試驗樣機(jī)搭建與現(xiàn)場試驗

6.1 車載試驗樣機(jī)搭建

根據(jù)這里研究內(nèi)容，購置線掃描相機(jī)、激光光源、編碼器、陀螺儀、激光三維掃描儀等傳感器，測量其實際三維尺寸，根據(jù)隧道檢測要求及豐田漢蘭達(dá)車身結(jié)構(gòu)，搭建車載試驗系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，如圖4所示。視覺傳感器、陀螺儀、三維掃描儀、發(fā)電機(jī)以及視覺傳感器安裝支架通過行李架固定于車頂上，編碼器及安裝支架固定于左后輪外側(cè)，車載工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡以及電氣控制系統(tǒng)放置于車輛后備箱內(nèi)，車載試驗樣機(jī)，如圖5所示。對于同一條隧道需要分左、右半幅兩次進(jìn)行采集，車輛分別行駛在左、右車道內(nèi)，車輛行駛過程中編碼器實時采集行駛速度，以此觸發(fā)視覺傳感器、陀螺儀、激光三維掃描儀工作，通過采集軟件將上述傳感器數(shù)據(jù)存儲于車載工控機(jī)中，為后續(xù)圖像處理奠定基礎(chǔ)。

圖4 虛擬樣機(jī)模型Fig.4 The Virtual Prototype Model

圖5 車載試驗樣機(jī)Fig.5 The Vehicle-Mounted Prototype

6.2 現(xiàn)場試驗

車載試驗樣機(jī)在山西省太古高速公路西山隧道開展現(xiàn)場試驗，西山隧道采用雙向四車道、設(shè)計時速120km/h、全長13.6km，是一條具有代表意義的特長隧道。現(xiàn)場測試主要檢驗圖像采集軟件采集效果、圖片存儲質(zhì)量；驗證相機(jī)外觸發(fā)功能的穩(wěn)定性、編碼器里程計數(shù)的準(zhǔn)確性；檢驗服務(wù)器在外觸發(fā)條件下采集和保存圖片的能力；調(diào)整相機(jī)參數(shù)，使圖片效果達(dá)到最佳。

圖6 隧道襯砌表觀圖Fig.6 The Surface of Tunnel Lining

試驗結(jié)果表明，試驗樣機(jī)以80km/h的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，采集樣機(jī)能夠穩(wěn)定的連續(xù)獲取到隧道表面信息，所有相機(jī)參數(shù)在各自量程的2/3內(nèi)能夠滿足最惡劣工況下的圖像采集，圖片丟失率為（0.1～0.3）‰；編碼器里程計數(shù)誤差約為0.2%；三套視覺傳感器視場重合部分約50cm，能夠滿足圖像拼接的需要。根據(jù)車載試驗樣機(jī)工作原理，一組隧道襯砌表觀圖像需要六組視覺傳感器圖像拼接而成，長度為50m的隧道的襯砌表觀圖，如圖6所示。

7 結(jié)論

提出了一種基于多傳感數(shù)據(jù)融合的隧道智能檢測系統(tǒng)解決方案，搭建了車載試驗樣機(jī)，在此基礎(chǔ)上在某省太古高速公路西山隧道開展了現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果如下：檢測車行駛速度為80km/h，圖片丟失率保持在（0.1～0.3）‰；編碼器里程計數(shù)誤差為0.5‰；三套視覺傳感器視場重合部分約50cm；系統(tǒng)對隧道表觀圖像拍攝質(zhì)量較好，可清晰分辨0.5mm的標(biāo)志物。搭建的車載試驗樣機(jī)系統(tǒng)可快速、高質(zhì)量的采集隧道襯砌圖像，研究成果為下一步研制隧道智能檢測車以及開展圖像處理與病害智能識別奠定了基礎(chǔ)。