機(jī)器視覺測量技術(shù)在既有公路隧道拱頂沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

■陳必港

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

隧道拱頂沉降監(jiān)測通常采用人工監(jiān)測的方法，如全站儀法、水準(zhǔn)儀法。 但對于已開放運(yùn)營的既有隧道，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方法已經(jīng)不能滿足實(shí)際監(jiān)測的任務(wù)要求。 一是因?yàn)楸O(jiān)測作業(yè)過程中需要道路布控，極大地增加了監(jiān)測成本，且現(xiàn)實(shí)條件不允許如此頻繁的占道作業(yè)；二是隧道中車流量大、車速快，給作業(yè)人員人身安全造成了重大隱患；三是每次需要作業(yè)人員親臨現(xiàn)場架設(shè)儀器、測量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；四是受天氣影響、人為等因素，監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)常會(huì)存在不連續(xù)的現(xiàn)象。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生替代了人工監(jiān)測。 目前主要有近景攝像測量系統(tǒng)、光纖監(jiān)測系統(tǒng)、多通道無線遙測系統(tǒng)、全站儀自動(dòng)測量系統(tǒng)、靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)、巴塞特結(jié)構(gòu)收斂系統(tǒng)等[1]。 本文主要探討近景攝像測量系統(tǒng)類別中的機(jī)器視覺測量技術(shù)。

機(jī)器視覺測量技術(shù)，其原理主要是通過機(jī)器視覺產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，并經(jīng)圖像處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字化信號(hào)，用以判別被攝取目標(biāo)體特征。 肖和華等[2]提出一種基于光筆式機(jī)器視覺測量系統(tǒng)的非接觸式沉降監(jiān)測方法，并引入到路基沉降測量中。 張劼等[3]基于機(jī)器視覺理論，對橋梁形變在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了研究與探討，并運(yùn)用相應(yīng)的測試系統(tǒng)，對拱肋與橋塔偏位、橋梁斜拉索振動(dòng)位移監(jiān)測等橋梁較為關(guān)鍵的部位的位移情況進(jìn)行了測量。 盧泉[4]基于機(jī)器視覺設(shè)計(jì)了一套高性能的特殊管道靜態(tài)參數(shù)測量系統(tǒng)，研究了特殊管道測量環(huán)境下視覺測量分系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、靶標(biāo)圖像的預(yù)處理、基于圖像測量的高精度定位和靜態(tài)參數(shù)測量的實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)，并提出了相應(yīng)的解決方案。 向啟安[5]闡述了基于機(jī)器視覺的工程安全監(jiān)測解決方案，并結(jié)合貴州六盤水某地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、浙江申嘉湖邊坡監(jiān)測項(xiàng)目分析該方案在邊坡和滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中的實(shí)際應(yīng)用。 綜上所述，現(xiàn)有研究成果鮮有機(jī)器視覺測量技術(shù)在既有公路隧道拱頂沉降監(jiān)測中的應(yīng)用。 因此，本文在闡述機(jī)器視覺測量技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，探討了該技術(shù)在既有公路隧道拱頂沉降監(jiān)測中的應(yīng)用。

1 機(jī)器視覺測量原理

工業(yè)相機(jī)作為機(jī)器視覺的關(guān)鍵組件[4]，機(jī)器視覺的基本模型就是用工業(yè)相機(jī)通過小孔成像原理得出的[2]，即測量時(shí)將空間的某一點(diǎn)坐標(biāo)成像在相機(jī)圖像坐標(biāo)系中，再用圖像坐標(biāo)系中已知坐標(biāo)的像點(diǎn)來反推空間的該點(diǎn)坐標(biāo)，具體過程如下：假設(shè)空間一點(diǎn)A 的坐標(biāo)為（X,Y,Z），其在相機(jī)圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（x,y,z），那么從空間坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系，有：

式中，R 是3×3 三階旋轉(zhuǎn)矩陣，T 是三階的平移向量，兩者皆為相機(jī)參數(shù)，決定了空間絕對坐標(biāo)系到相機(jī)圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換關(guān)系，具有唯一性。

由小孔成像模型可知，若不計(jì)誤差，則有：

式中f 為相機(jī)焦距。

同時(shí)，圖像平面坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系具有如下關(guān)系：

式中，u0、v0代表像點(diǎn)中線坐標(biāo)；Nx、Ny代表單位距離內(nèi)像素點(diǎn)的數(shù)量。 將式（2～5）代入式（1），則圖像坐標(biāo)與空間坐標(biāo)的關(guān)系式可以表示為：

式中的Z 為物像距離， 在測量系中是已知的，因此通過式（6）即可測得空間點(diǎn)A 的坐標(biāo)。

那么在T0、T+1 時(shí)刻，A 點(diǎn)的位移變化量為：

式中ΔX、ΔY、ΔZ分別為A 點(diǎn)由T0時(shí)刻至T+1時(shí)刻在X、Y、Z 方向的位移量。

在上述理論的基礎(chǔ)上，采集的信號(hào)通過光與電荷信號(hào)的轉(zhuǎn)換以及模數(shù)的轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸呈現(xiàn)給用戶，測量原理詳見圖1。

圖1 機(jī)器視覺測量原理

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某新建高鐵在DK237+524～+574 里程處上跨既有公路隧道，高鐵路肩頂部距離隧道拱部襯砌外緣最小凈距約2 m， 公路隧道原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未考慮上跨鐵路荷載和影響，鐵路施工及運(yùn)營期間鐵路及公路安全均不能保證， 因此需對交叉影響段公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)采取“置換加固”方案處理，即拆除公路隧道交叉影響段并對公路隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建加強(qiáng)。 為保證隧道結(jié)構(gòu)安全，置換加固過程中及置換加固后一段時(shí)間都需要進(jìn)行拱頂沉降監(jiān)測。 本文研究的是機(jī)器視覺技術(shù)在置換加固后的監(jiān)測過程。

2.2 監(jiān)測方案

采用TH-ISM-ST 型機(jī)器視覺測量儀， 配合TH-DQG-BM01 數(shù)據(jù)箱和90×90 標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)，在新建高鐵與既有公路隧道交叉影響段左洞拱頂處共布設(shè)3 個(gè)測點(diǎn)， 各測點(diǎn)所在位置分別為：1# 監(jiān)測點(diǎn)為ZK19+275；2# 監(jiān)測點(diǎn)為ZK19+290；3# 監(jiān)測點(diǎn)為ZK19+300。 測點(diǎn)布設(shè)如圖2 所示。

所有監(jiān)測設(shè)備每1 h 采集1 次數(shù)據(jù)，每天24 h不間斷采集。 為減少過往車輛振動(dòng)對測點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響及減小外界溫度的影響，在進(jìn)行分析時(shí)取每日0 點(diǎn)左右的數(shù)據(jù)為當(dāng)日的分析數(shù)據(jù)，其余時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)為突發(fā)情況時(shí)的參考數(shù)據(jù)。 監(jiān)測方案具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 拱頂沉降監(jiān)測方案

儀器安裝調(diào)試完畢，后期工作均通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，該平臺(tái)具有數(shù)據(jù)查看、存儲(chǔ)與分析、結(jié)構(gòu)物狀態(tài)預(yù)警、報(bào)警、報(bào)表自動(dòng)化生成、人員與設(shè)備管理等功能，其工作界面如圖3 所示。

圖3 云平臺(tái)工作界面

2.3 監(jiān)測結(jié)果精度分析

監(jiān)測時(shí)間段為2021 年5 月20 日-6 月28 日。監(jiān)測期間內(nèi)，對每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)每日0:00-23:59 的測量值分別計(jì)算中誤差后再計(jì)算其算數(shù)平均值。

經(jīng)計(jì)算，各測點(diǎn)儀器觀測值中誤差均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。 由表2 中可知，各測點(diǎn)中誤差均值均小于±0.30 mm， 能夠滿足實(shí)際測量精度要求，也進(jìn)一步證明機(jī)器視覺測量技術(shù)在既有公路隧道拱頂沉降監(jiān)測中應(yīng)用的可行性。

表2 各測點(diǎn)中誤差均值統(tǒng)計(jì)

2.4 監(jiān)測結(jié)果應(yīng)用分析

從圖4 可以看出，3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)波動(dòng)值最大為5.60 mm， 最小為3.20 mm，3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)總體變化趨勢平穩(wěn)，無明顯波動(dòng)跡象，且后續(xù)有回落的跡象，說明隧道結(jié)構(gòu)無明顯變形。

圖4 各測點(diǎn)拱頂沉降累計(jì)值變化曲線

同時(shí)，云平臺(tái)自帶預(yù)警、報(bào)警功能，當(dāng)監(jiān)測值達(dá)到或超過預(yù)警、報(bào)警閾值時(shí)，云平臺(tái)會(huì)自動(dòng)向用戶發(fā)送警示信息。本次以拱頂沉降日變化量1 mm/d 作為報(bào)警閾值，以0.8 倍的日變化量為預(yù)警閾值。 監(jiān)測期間，未收到警示信息，進(jìn)一步說明監(jiān)測結(jié)果正常。

3 機(jī)器視覺在既有公路隧道中的應(yīng)用較之于其他工程的難點(diǎn)問題

（1）通視不佳。 一是隧道為近封閉空間，在里面作業(yè)通視本身不如路基、橋梁等工程良好。 二是隧道經(jīng)常會(huì)存在變曲線的情況，這就導(dǎo)致每臺(tái)儀器覆蓋的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)有限，也給儀器安裝調(diào)試帶來了很大的困難。

（2）儀器受外界干擾因素多。 既有公路隧道內(nèi)，車流量大、尾氣多、熱氣重，這些因素都有可能會(huì)影響儀器的測量精度。

（3）儀器維護(hù)、管理難度大。 在儀器使用過程中，隨時(shí)可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)中斷、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的情況，需要監(jiān)測人員進(jìn)入隧道內(nèi)檢查。 為保障人員人身安全，需要協(xié)調(diào)各方對道路進(jìn)行布控，從而增加了維護(hù)、管理難度。

4 結(jié)語

基于機(jī)器視覺測量技術(shù)及移動(dòng)通訊傳輸技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測。 本文將機(jī)器視覺測量技術(shù)應(yīng)用于既有公路隧道拱頂沉降監(jiān)測中，取得了良好的應(yīng)用效果。 但其中仍存在一定的不足之處，在今后的工作中需進(jìn)一步完善：（1）監(jiān)測工作是在隧道置換加固后開展的，隧道已恢復(fù)交通，無法進(jìn)行人工監(jiān)測，導(dǎo)致機(jī)器視覺測量結(jié)果未能與人工監(jiān)測結(jié)果相比較，監(jiān)測結(jié)果無法保證；（2）本次監(jiān)測僅在新建高鐵與既有公路隧道交叉影響段（變形區(qū)）布設(shè)測點(diǎn)，未考慮在遠(yuǎn)離交叉影響段（非變形區(qū)）布設(shè)測點(diǎn)，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果無對比性；（3）機(jī)器視覺測量技術(shù)利用了光在空氣中的傳播。 隧道內(nèi)車流量大、尾氣多、熱氣重，會(huì)導(dǎo)致大氣的非均勻性分布。 當(dāng)光在這樣的環(huán)境中傳播時(shí)，其傳播方向會(huì)偏離直線傳播，本研究未能從技術(shù)層面深層次地分析這方面對測量精度的影響。