劉逆凡 蔡旭陽 羅揚 李晨陽 劉悅文

摘要：在前不久發(fā)生的珠海石景山隧道“7.15”透水事故，導(dǎo)致14名的施工人員被困，3名遇難。具體原因是由于隧道內(nèi)部的支撐不當(dāng)引起的，因此，研制更為智能的隧道結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)進(jìn)行實時的檢測顯得尤為的重要。本系統(tǒng)結(jié)合光電技術(shù)，對隧道內(nèi)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時的視覺檢測和場地仿真，讓施工管理人員能夠更清晰的了解隧道內(nèi)施工的具體狀況，更有效的減少了災(zāi)害的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：光學(xué)分辨率?信號處理?圖像高級處理?光電技術(shù)

1.選題背景及意義

1.1.選題背景

區(qū)域經(jīng)濟(jì)要想發(fā)展，交通的基礎(chǔ)建設(shè)是必不可少的。鐵路，航空和公路都是基建的重要組成部分，新基建的提出給科研人員提供了新的研究方向。廣東省由于靠近沿海地區(qū)，也是海底隧道最多的省份。港珠澳大橋，世界總體跨度最長、鋼結(jié)構(gòu)橋體最長、海底沉管隧道最長跨海大橋;深中通道：是中國廣東省境內(nèi)連接深圳市和中山市的建設(shè)中大橋，全長24千米，其中有6.8千米長是沉管隧道。汕頭灣海底隧道：全長9781米，為單洞雙線隧道，是國內(nèi)首座設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為350公里時速、跨海大直徑盾構(gòu)的高鐵海底隧道。

1.2.理論意義

近年來，隨著工業(yè)智能化的發(fā)展，有許多智能施工機器人走向了建筑領(lǐng)域，但是這些機器人在建筑行業(yè)相關(guān)部件產(chǎn)線推進(jìn)過程中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的機器人應(yīng)用方法不能很好的滿足實際生產(chǎn)的需求。例如建筑行業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)部件，都是些大型且公差范圍比較大的部件，通過專用夾具等技術(shù)手段也很難達(dá)到國內(nèi)大部份企業(yè)的生產(chǎn)需求。為了解決這問題，應(yīng)研發(fā)出屬于自己的算法框架和運行環(huán)境，不受局限于國外的技術(shù)水平。視覺系統(tǒng)有幾部分重要的組成，高分辨率的光學(xué)鏡頭、圖像采集傳感器、圖像預(yù)處理系統(tǒng)、圖像分析系統(tǒng)。使得設(shè)備更加的精準(zhǔn)和高效率。

1.3.現(xiàn)實意義

習(xí)近平始終強調(diào)，把安全生產(chǎn)責(zé)任制落到實處，切實防范重特大安全生產(chǎn)事故的發(fā)生?？墒墙鼛啄陙?，海底隧道事故雖然不想核電事故屬于災(zāi)難性的。但是，頻發(fā)的隧道事故嚴(yán)重影響我國基建在國際上的影響力。光電視覺檢測技術(shù)在食品的缺陷中已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，可是在工程領(lǐng)域的利用還是相對比較少的。視覺檢測機系統(tǒng)通過光學(xué)圖像傳感器來對海底隧道襯砌圖像進(jìn)行采樣，然后通過深度學(xué)習(xí)模型對圖像訓(xùn)練，分類出常見的滲水，剝落，漏筋三種隧道襯砌表面災(zāi)害。

2.論文綜述

2.1?國內(nèi)研究現(xiàn)狀綜述

光電技術(shù)的研究離不開半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，目前我國的半導(dǎo)體技術(shù)與國際上的先進(jìn)技術(shù)差距相對較大，在視覺檢測領(lǐng)域，很多國內(nèi)公司依靠引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)來開發(fā)完整的體系，雖然注重自主研發(fā)，但是創(chuàng)新的精神和可以利用的資源有所限制。

2.2?國外研究現(xiàn)狀綜述

圖像和機器視覺技術(shù)在美、歐、日等發(fā)達(dá)國家的應(yīng)用已經(jīng)非常普及。一方面生產(chǎn)自動化程度高，人力成本占整個產(chǎn)品成本的比例較大，消費者對產(chǎn)品質(zhì)量和一致性的要求也很高。另一方面其設(shè)備制造業(yè)比較發(fā)達(dá)，高科技產(chǎn)品所占比例較大。

這些因素都是得視覺圖像檢測技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。在發(fā)達(dá)國家，視覺圖像檢測應(yīng)用主要集中在電子、半導(dǎo)體等先進(jìn)制造業(yè)，但在其他工業(yè)領(lǐng)域也得到較普遍的應(yīng)用，甚至像雞蛋、紐扣、漢堡包這樣的產(chǎn)品都要用到視覺圖像檢測設(shè)備。我國的的視覺圖像檢測起步較晚，是與上世紀(jì)九十年代初，最早主要還是集中在高校和研究所的一些研究項目上，后來逐步過渡到一些實際應(yīng)用。

3.設(shè)計方案

對于海底隧道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的實時獲取，首先需要傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的采集，此處運用兩種類型的傳感器，一種屬于定點采集圖像數(shù)據(jù)的傳感器，領(lǐng)域中屬于移動采集數(shù)據(jù)的傳感器。

定點采集：首先是對傳感器的研制工作，采用Altium?Designer對元器件進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計就是對設(shè)計的傳感器進(jìn)行相應(yīng)的打樣處理，形成固定的元器件。對元器件進(jìn)行相應(yīng)的拼裝之后形成傳感器。然后，將AlexNet圖像處理的模型算法寫入到定點采集的傳感器中，來完成對圖像的處理任務(wù)。

移動型隧道結(jié)構(gòu)圖像采集：傳感器的移動有兩種方案，一種是可以在空中飛行的飛行器搭載我們的傳感器進(jìn)行相應(yīng)的視覺檢測;另一種是給傳感器裝上輪子，在隧道中進(jìn)行移動的三維視覺掃描圖像信息系統(tǒng)。無論屬于哪一種系統(tǒng)，采集之后的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行信息處理，因此傳感器保留有相應(yīng)的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。在網(wǎng)絡(luò)條件允許的情況下可以，可以通過局域網(wǎng)對采集到的的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的傳輸。最終傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳到終端再進(jìn)行進(jìn)一步的檢測處理。

3.3?檢測效果

隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，計算機的算力越來越強大，尤其是在GPU并行計算能力的推動下，復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算也變得更加容易實施。另一方面，隨著許多學(xué)者在工程領(lǐng)域的深入研究，不僅提供了完善的數(shù)據(jù)集，并且創(chuàng)新的算法也具有研究的意義。計算力學(xué)和深度學(xué)習(xí)圖像處理技術(shù)的應(yīng)用將會是一次新的技術(shù)創(chuàng)新，對我國新基建的發(fā)展具有重要意義，實現(xiàn)施工場地的智能化，數(shù)據(jù)的實時傳輸，實時的分析，將事故的發(fā)生降到最低的程度。為工程的質(zhì)量報價護(hù)航。

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