基于自研巡檢裝置的大壩裂縫骨架檢測(cè)系統(tǒng)

郝更新 馬嘉文 張西克 谷文涌 田翔 楊林生

摘要：現(xiàn)有的大壩巡檢方式較為落后，檢查人員需要帶安全繩下到坡底檢查，由于壩體濕滑很容易出現(xiàn)意外。人工檢測(cè)在夜晚無(wú)法檢測(cè)，同時(shí)大壩存在裂縫和周?chē)h(huán)境對(duì)比度低，光照不均勻，表面噪聲污染嚴(yán)重等問(wèn)題，難于識(shí)別?，F(xiàn)有的大壩人工檢測(cè)手段難以滿(mǎn)足安全，準(zhǔn)確的要求。針對(duì)現(xiàn)有大壩巡檢方式的問(wèn)題，自研了一套大壩裂縫巡檢骨架提取系統(tǒng)。系統(tǒng)中的巡檢裝置采用分層設(shè)計(jì)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)用了圖像增強(qiáng)以及圖像分割算法對(duì)采集到的大壩裂縫圖像進(jìn)行骨架提取，極大地提高了巡檢的準(zhǔn)確率。

關(guān)鍵詞：人工巡檢;大壩裂縫;自研;巡檢裝置;裂縫骨架;圖像增強(qiáng);圖像分割

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2019）02-0226-03

電站設(shè)備和管理都相對(duì)陳舊[1]。1954至2005年，中國(guó)平均每年有68座大壩毀壩。中國(guó)大壩的年均潰壩率是世界平均潰壩率的4倍多。大壩裂縫，作為大壩最常見(jiàn)的一種病害，是大壩垮壩的最大安全隱患。裂縫[2]不僅僅存在大壩表面，大壩的裂縫同時(shí)還會(huì)不斷地像大壩結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部延伸發(fā)展，可能會(huì)造成大壩更大的損害。現(xiàn)有的大壩面板巡檢工作方法較為落后，檢查人員需帶安全繩下到坡底檢查的辦法。加之壩體濕滑，檢查人員無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持一個(gè)正確的姿態(tài)，完成細(xì)致的檢查工作，并且工作人員存在摔傷溺水的安全隱患。

國(guó)外研究報(bào)道中，對(duì)水庫(kù)面板的自動(dòng)巡檢的直接研究較少，但是類(lèi)似自動(dòng)巡檢裝置的研究較多。圣保羅大學(xué)的Pinto，J.K.C等設(shè)計(jì)出一種變電站巡檢系統(tǒng)中巡檢裝置對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。日本東京工業(yè)大學(xué)研制了一款電力巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)由巡檢端和控制端組成。巡檢端可利用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)越障功能，完成對(duì)輸電線路的檢測(cè)。加拿大魁北克水電站研制了一種變電站巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)變電站區(qū)域的巡檢。該系統(tǒng)搭載了可見(jiàn)光圖像采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控。國(guó)內(nèi)也較多展開(kāi)自動(dòng)巡檢裝置的研究。王長(zhǎng)生[3]等研發(fā)出了基于物聯(lián)網(wǎng)的大壩自動(dòng)巡檢系統(tǒng)，通過(guò)引入智能化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決大壩巡檢的相關(guān)問(wèn)題。張行[4]等設(shè)計(jì)了一種新型的礦用帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于無(wú)極繩牽引原理使巡檢設(shè)備往復(fù)運(yùn)行。水庫(kù)面板自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的研究尚屬于一個(gè)空白，因此具有重要的研究?jī)r(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

本文是提供一種基于自研巡檢裝置的大壩裂縫骨架檢測(cè)系統(tǒng)，降低檢測(cè)人員的工作風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)高效率的完成大壩裂縫巡檢工作。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為機(jī)械層，電氣層，圖像采集層，控制計(jì)算層。

機(jī)械層承載電氣層、圖像采集層和控制計(jì)算層的軟硬件設(shè)備。電氣層提供大壩巡檢自動(dòng)行走以及壩體面板移動(dòng)小車(chē)的動(dòng)力，并且為機(jī)構(gòu)提供供電。電氣層通過(guò)串行通信接口與控制計(jì)算層進(jìn)行通信，將傳感器采集的信號(hào)傳送給控制計(jì)算層，并且接收控制計(jì)算層給出控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)大壩巡檢自動(dòng)行走裝置沿壩體和垂直壩體兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)控制。數(shù)據(jù)采集層實(shí)現(xiàn)壩體圖像數(shù)據(jù)的采集，包括工業(yè)相機(jī)、極光照明、云臺(tái)等部分組成。此部分通過(guò)工業(yè)千兆以太網(wǎng)與控制計(jì)算層相連，一方面接收控制計(jì)算層控制參數(shù)包括圖像采集、云臺(tái)控制、照明控制，另一方將采集的通向數(shù)據(jù)傳送給控制機(jī)算層，進(jìn)行圖像拼接及裂縫異常檢測(cè)。控制計(jì)算層由DSP硬件及安裝在其中的電氣驅(qū)動(dòng)程序、圖像采集程序及圖像處理程序組成， 接收電氣層位置傳感器信號(hào)和障礙物信息，實(shí)現(xiàn)大壩巡檢自動(dòng)行走裝置的運(yùn)動(dòng)控制;控制圖像采集層實(shí)現(xiàn)云臺(tái)控制、照明控制和圖像采集（與運(yùn)動(dòng)控制相配合），并且接收所采集的圖像信息。通過(guò)接收到的圖像實(shí)現(xiàn)大壩面板的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并且通過(guò)裂痕異常檢測(cè)算法尋找大壩面板的破損或是疑似破損的部位，輔助測(cè)試人員完成大壩巡檢。

2各層次設(shè)計(jì)

機(jī)械層由桁架結(jié)構(gòu)水平載人移動(dòng)機(jī)構(gòu)，坡壩下沿斜面移動(dòng)的載人小車(chē)，及圖像采集系統(tǒng)組成。承載電氣層、圖像采集層和控制計(jì)算層的軟硬件設(shè)備，在不破壞壩體承重的前提下，承重部分保證整體結(jié)構(gòu)的剛性并且保證承載受力均布，非承重部分采用鋁合金結(jié)構(gòu)，輕便美觀，降低整體重量，減少對(duì)壩體的影響。保證其余三層軟硬件的安裝需求，并且可靠安裝;機(jī)械層的桁架結(jié)構(gòu)水平載人移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理念為除防浪墻頂部極限位置必要的限位裝置外，不在壩體內(nèi)、外任何部位進(jìn)行破壞性施工，以防浪墻，混凝土構(gòu)件為導(dǎo)軌。水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)共設(shè)置了兩個(gè)為一組驅(qū)動(dòng)輪。為了保證其運(yùn)動(dòng)軌跡不偏離，誤差小于20毫米，采用了四組從動(dòng)輪，分別位于驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)側(cè)一組，防浪墻頂部一組，壩內(nèi)兩組。為合理的保護(hù)防浪墻，全部輪組（包括驅(qū)動(dòng)輪）均為彈性更好的膠輪。確保對(duì)壩體沒(méi)有影響;機(jī)械層的坡壩下移動(dòng)的小車(chē)，其驅(qū)動(dòng)采用絞車(chē)帶雙鋼絲繩放下和提升，斷電制動(dòng)確保載人的安全性。且吊車(chē)完全框架折疊結(jié)構(gòu)，大大減少風(fēng)阻。

電氣層由直流電機(jī)、絞車(chē)、傳感器和電池構(gòu)成電氣系統(tǒng)，電氣層不但提供大壩巡檢自動(dòng)行走以及壩體面板移動(dòng)小車(chē)的動(dòng)力，并且為整理機(jī)構(gòu)提供供電。通過(guò)串行通信接口與控制計(jì)算層進(jìn)行通信，將傳感器采集的信號(hào)傳送給控制計(jì)算層，并且接收控制計(jì)算層給出控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)大壩巡檢自動(dòng)行走裝置沿壩體和垂直壩體兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)控制;電氣層采用多輪AGV方案設(shè)計(jì)裝置行走部分，其驅(qū)動(dòng)部分采用直流電機(jī)和傳動(dòng)箱組合，反對(duì)稱(chēng)安裝方式;意大利CFR驅(qū)動(dòng)輪協(xié)助AGV控制系統(tǒng)的完成?？刂葡到y(tǒng)包括：地面控制系統(tǒng)及車(chē)載控制系統(tǒng)，其中，地面控制系統(tǒng)指AGV系統(tǒng)的固定設(shè)備，主要負(fù)責(zé)任務(wù)分配，車(chē)輛調(diào)度，路徑（線）管理，交通管理，自動(dòng)充電等功能;車(chē)載控制系統(tǒng)在收到控制計(jì)算層的指令后，負(fù)責(zé)AGV的導(dǎo)航計(jì)算，導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)，車(chē)輛行走等功能;驅(qū)動(dòng)輪的型號(hào)為FH300-AC1.5，額定功率1.5KW，額定電壓48V，額定電流21.25，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速2427r/min，驅(qū)動(dòng)輪速比32，驅(qū)動(dòng)輪直徑300mm。驅(qū)動(dòng)輪速度71.48m/min，驅(qū)動(dòng)輪扭矩160.54Nm。單只驅(qū)動(dòng)輪載重1500kg。制動(dòng)扭矩8Nm。電氣層實(shí)現(xiàn)壩體面板移動(dòng)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)小車(chē)與桁架間通過(guò)雙鋼絲鎖實(shí)現(xiàn)收放，及有線控制。采用THREN公司的載人型氣動(dòng)絞車(chē)來(lái)實(shí)現(xiàn)壩體面板移動(dòng)小車(chē)的驅(qū)動(dòng)，此氣動(dòng)絞車(chē)采用活塞式氣動(dòng)馬達(dá)，具有穩(wěn)定穩(wěn)定的功率輸出和超長(zhǎng)的使用壽命;并且可以通過(guò)精確的控制閥依靠平穩(wěn)的變速控制設(shè)計(jì)，使得它能夠精確的定位和遠(yuǎn)距離拉升。盤(pán)式自動(dòng)制動(dòng)器采用彈簧設(shè)計(jì)，氣壓釋放和油冷卻，使得該系統(tǒng)能夠循環(huán)使用并延長(zhǎng)使用壽命。通過(guò)重型功能和長(zhǎng)柄鋼帶制動(dòng)設(shè)計(jì)用較小的力量和提供高達(dá)150%的剎車(chē)效能。緊湊型設(shè)計(jì)和高效率的傳動(dòng)裝置降低功耗和發(fā)熱量，同時(shí)提高使用壽命。油壓傳動(dòng)裝置，雙油壓密封圈防止油料泄露。絞車(chē)具有雙筒結(jié)構(gòu)，兩根鋼絲繩共同拖拽小車(chē)，每根鋼絲繩額定垂直起吊為1000kg，僅單根鋼絲繩的安全系數(shù)就是實(shí)際重量的3倍，雙鋼絲繩的安全系數(shù)是6倍。絞車(chē)采用48V直流無(wú)刷電機(jī)，可無(wú)級(jí)變速。總傳動(dòng)比60.57，絲筒轉(zhuǎn)速23.77r/min。電氣層電池組設(shè)計(jì)采共用選擇48V/210Ah動(dòng)力鎳氫電池組，采用D7500寬溫動(dòng)力鎳氫電池。

數(shù)據(jù)采集層實(shí)現(xiàn)壩體圖像數(shù)據(jù)的采集，包括工業(yè)相機(jī)、極光照明、云臺(tái)等部分組成。工業(yè)相機(jī)支持最大2592×1944@30fps高清畫(huà)面輸出，并且支持H.265高效壓縮算法，可較大節(jié)省存儲(chǔ)空間。可在超低照度的條件下進(jìn)行工作，支持0.02Lux/F1.6（彩色），0.002Lux/F1.6（黑白） ，特別適合在可視條件差的情況下采集大壩面板圖像。攝像頭支持23倍光學(xué)變倍，16倍數(shù)字變倍，可以實(shí)現(xiàn)多角度的聚焦。照明系統(tǒng)采用高效紅外陣列，低功耗，照射距離達(dá)200m，支持三碼流技術(shù)，每路碼流可獨(dú)立配置分辨率及幀率，支持3D數(shù)字降噪、寬動(dòng)態(tài)、透霧、強(qiáng)光抑制、電子防抖等功能。云臺(tái)系統(tǒng)支持360°水平旋轉(zhuǎn)，垂直方向-20°-90°，可以全方位的采集大壩面板圖像。工業(yè)相機(jī)還具備防雷、防浪涌、防突波，IP66防護(hù)等級(jí)。

控制計(jì)算層可以分為兩部分，圖像采集控制板以及運(yùn)動(dòng)控制板。圖像采集控制板完成圖像采集和存儲(chǔ)、圖像識(shí)別和存儲(chǔ)功能。運(yùn)動(dòng)控制板完成上水庫(kù)面板巡檢載人自動(dòng)行走裝置的自動(dòng)行走控制。圖像采集部分主控選用TI公司的多核DSP TMS320C6678，外接512MB DDR3和128MB FLASH實(shí)現(xiàn)外圍擴(kuò)展。通過(guò)千兆以太網(wǎng)連接工業(yè)相機(jī)完成圖像采集，可通過(guò)DSP完成圖像處理，自動(dòng)檢測(cè)大壩坡面的異?；驌p壞。運(yùn)動(dòng)控制部分采用Xilinx公司的FPGA實(shí)現(xiàn)主控功能，通過(guò)位置傳感器獲取水庫(kù)面板巡檢載人自動(dòng)行走裝置的實(shí)時(shí)位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走控制。自動(dòng)巡檢裝置上搭載DSP、FPGA、工業(yè)相機(jī)、位置傳感器等芯片和設(shè)備。正常情況下，自動(dòng)巡檢裝置在水庫(kù)面板上的軌道上運(yùn)動(dòng)，位置傳感器用來(lái)檢測(cè)自動(dòng)巡檢裝置車(chē)輪的角位移，來(lái)確定自動(dòng)巡檢裝置的位置。相機(jī)在拍攝完一組照片后需要運(yùn)動(dòng)到拍攝下一組照片的位置，可以在自動(dòng)巡檢裝置的車(chē)輪上連接位置傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)輪的角位移，車(chē)輪旋轉(zhuǎn)到設(shè)定角度后開(kāi)始拍攝下一組照片。水庫(kù)面板兩端有限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)自動(dòng)巡檢裝置運(yùn)動(dòng)到水庫(kù)面板兩端時(shí)，位置傳感器的緩存數(shù)據(jù)會(huì)清零。為了控制自動(dòng)行走裝置的走停，需要完成對(duì)自動(dòng)行走裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。位置傳感器會(huì)將計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)FPGA傳遞給DSP中PID控制器，然后DSP將PWM脈沖發(fā)送到FPGA，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到自動(dòng)巡檢裝置的運(yùn)動(dòng)控制。

電機(jī)轉(zhuǎn)速控制一般采用PID控制算法。使用千兆以太網(wǎng)根據(jù)TCP/IP協(xié)議控制數(shù)據(jù)采集層完成相機(jī)云臺(tái)控制，DSP芯片具有以太網(wǎng)相關(guān)協(xié)議棧。

使用千兆以太網(wǎng)根據(jù)TCP/IP協(xié)議控制數(shù)據(jù)采集層完成相機(jī)云臺(tái)控制，DSP芯片具有以太網(wǎng)相關(guān)協(xié)議棧。

選用TI公司的TMS320C6678多核DSP芯片。相應(yīng)的評(píng)估板TMDSEVM6678L。參數(shù)特征：?jiǎn)蝹€(gè)C6678多核處理器，512MB DDR3，128MB NAND 閃存，1MB本地啟動(dòng)的I2C EEPROM（可能為遠(yuǎn)程啟動(dòng)）板載10/100/1000以太網(wǎng)端口（第二個(gè)端口位于AMC連接器上）RS232 UART。用戶(hù)可編程LED和DIP開(kāi)關(guān)。多核軟件開(kāi)發(fā)套件（MCSDK）與TMDSEVMPCI適配卡兼容。

DSP的裂縫檢測(cè)算法分為兩大塊，為圖像增強(qiáng)算法和圖像分割算法。

由于大壩裂縫圖像存在對(duì)比度低，噪聲干擾嚴(yán)重，霧氣干擾，光照不均等情況。直接進(jìn)行裂縫的圖像分割骨架提取結(jié)果很難令人滿(mǎn)意。因此有必要先進(jìn)行圖像增強(qiáng)算法。圖像增強(qiáng)算法主要是對(duì)圖像進(jìn)行去霧處理。圖像分割算法主要是通過(guò)圖像分割操作提取裂縫骨架。

3 系統(tǒng)涉及算法

3.1圖像處理算法

圖像增強(qiáng)算法采用暗通道去霧的算法[5]進(jìn)行去霧化操作。暗通道去霧算法[6]的思想是通過(guò)從成像的角度進(jìn)行考慮，對(duì)霧化圖像形成的原因進(jìn)行分析。圖像霧化[7]的原因在于空氣折射散射時(shí)造成的圖像信息丟失。所以通過(guò)建立霧天圖像成像[8]退化模型，然后通過(guò)退化模型[9]即可反求原圖像。整個(gè)圖像增強(qiáng)算法的關(guān)鍵在于如何快速準(zhǔn)確的求取退化模型中的各個(gè)參數(shù)值，即大氣光值和透射率[10]。

圖像增強(qiáng)算法流程圖圖1所示。

圖像分割算法為基于遺傳算法確定最佳閾值的大津閾值分割算法。算法的思想在于通過(guò)遺傳算法迭代推演出最佳的分割閾值，然后通過(guò)大津閾值分割算法進(jìn)行圖像分割提取出圖像骨架。

圖像分割算法的流程圖如圖2所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是基于自研巡檢裝置大壩裂縫骨架提取系統(tǒng)。

圖3為采集到的裂縫圖片。

對(duì)圖3進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理后，得到增強(qiáng)后的裂縫，如圖4所示。

對(duì)增強(qiáng)后裂縫a進(jìn)行骨架提取，得到的骨架圖像如圖5所示。

由裂縫圖像增強(qiáng)結(jié)果來(lái)看，本文提出的圖像增強(qiáng)算法已經(jīng)可以極大地提升圖像的對(duì)比度以及清晰度。在經(jīng)過(guò)圖像分割圖像后原始尺寸的大圖有很好的骨架提取效果。而如果采取人工方法檢測(cè)，會(huì)存在各種風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，裂縫本身圖片對(duì)比度清晰度比較低，識(shí)別清晰度很差。本系統(tǒng)處理后識(shí)別效率很高。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的大壩水庫(kù)面板巡檢需要人工操作，在壩體濕滑和其他惡劣天氣情況下不僅巡檢困難效率低下還容易出現(xiàn)安全問(wèn)題。本文提出的系統(tǒng)不需要破壞壩體的強(qiáng)度。通過(guò)以防浪墻本身做導(dǎo)軌，使平臺(tái)可沿防浪墻前后移動(dòng)，同時(shí)檢修小車(chē)沿坡壩上下移動(dòng)，來(lái)完成檢修人員的安全輸送。在超低溫，零下30度可正常充電正常工作。同時(shí)，運(yùn)用了圖像增強(qiáng)算法和圖像分割算法，對(duì)對(duì)比度低噪聲污染嚴(yán)重的大壩圖像進(jìn)行了圖像處理。使得處理結(jié)果更加高效?？梢暂p易地識(shí)別出大壩裂縫的骨架。本系統(tǒng)最終可以清晰地提取大壩裂縫的骨架。如何對(duì)提取的裂縫骨架進(jìn)行準(zhǔn)確有效分類(lèi)，是可以繼續(xù)研究改進(jìn)的細(xì)節(jié)問(wèn)題。

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