地鐵隧道整體形變檢測系統的製作方法

2023-08-08 01:31:21 1

專利名稱：地鐵隧道整體形變檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種隧道工程監測技術領域的系統，具體是一種地鐵隧道整體形變檢 測系統。
背景技術：
我國隧道管理與養護技術滯後，養護技術規範還需要完善，在長大隧道方面更需 要研究。國內雖在多座隧道中引進了成套隧道營運監控系統的技術，但效果不甚理想，主要 原因在於控制模式不切合實際，且在長大隧道方面還應用的較少。因此研究地鐵隧道運營、 養護技術與智能管理系統顯得極為重要、迫切。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種地鐵隧道整體形變檢測系統， 首次利用採用網絡傳感器技術和圖像識別技術對運營地鐵隧道形變進行在線式實時監測， 根據隧道變形數據分析隧道變形狀況，及時預報隧道變形狀況不良引起的災害。本發明是通過以下技術方案實現的，該系統整體包括在隧道內壁上分布的多個測 站以及在隧道車站上設有的站級監測系統，各測站內的圖像採集終端通過RS485總線連接 成網絡並與站級監測系統中的監控電腦連接，實現將圖像採集終端採集處理獲得的相鄰測 站坐標位移信息發至站級監測系統並由監控電腦統一匯總分析兩車站間隧道變形狀況；所述每個測站包括兩個圓形光源作為標的物、兩個攝像頭、圖像採集終端、穩壓電 源，所述攝像頭包括相互連接的可變焦長焦鏡頭和圖像傳感器，所述兩個標的物設於箱體 兩邊側面用以給相鄰測站的攝像頭提供圓形光源，所述兩個攝像頭也分別設於箱體兩邊側 面用以拍攝相鄰前後測站的標的物，攝像頭的圖像傳感器與所述圖像採集終端連接用於將 感光後採集的信號存儲於圖像採集終端上，所述穩壓電源分別與標的物、圖像採集終端連 接為其提供電源，所述圖像採集終端將採集的信號處理，通過擬合圓形光源確定圓心作為 相鄰測站與攝像頭之間的相對坐標；所述測站內兩個標的物的水平中心線重合，兩個拍攝鏡頭的水平中心線也重合， 測站內各裝置均固定於箱體上；所述圖像採集終端主要包括處理器、外部硬碟和內存、時鐘/電源模塊、兩路圖像 傳感器接口、IXD接口、RS232模塊、RS485模塊，所述處理器上設有存儲控制器、時鐘/電 源控制器、攝像頭camera控制器、IXD控制器、通信串口 UART，其中所述camera控制器通 過兩路圖像傳感器接口與兩個圖像傳感器連接，用以採集目標物圖像信息；所述通信串口 UART通過RS485模塊與S485總線連接，用以將各個測站形成傳感器網絡，並將圖像採集終 端處理完成的目標物坐標變動信息傳至站級控制系統；所述處理器作為圖像採集終端的主 晶片，完成數據處理以及為系統提供基本的運行環境，實現對採集圓形光源的擬合，確定圓 心與攝像頭之間的相對坐標。同一側站上裝有兩組鏡頭，鏡頭的中心線重合，該兩個鏡頭進行前向和後向的測
3量，這樣每個測站的位置均由兩個鏡頭給出，由此消除鏡頭空間轉角的影響。採用誤差消減 技術手段，可以減少測量誤差，提高隧道軸向整體形變監測系統精度。如果不消除鏡頭的 姿態誤差，不僅降低了每個測站的位置精度，而且通過誤差傳播，將大大提高整體的測量誤 差。本發明可以有效檢測隧道的整體形變量，據此分析得到隧道的沉降情況，及時提供預警 信號，保持隧道營運安全。


圖1為本發明整體架構示意2為每個測站內各設備的位置關係示意3為每個測站內各模塊功能模塊框4為相鄰測站檢測位移變動的原理示意5為圓形光源示意6為相鄰測站採集目標物示意7為圓形光源中心坐標比較示意8為建立的模型9為YZ平面局部模型放大10為XY平面局部模型放大11為測站內布置圖標記說明1_圖像傳感器 2-可變焦鏡頭 3-圖像採集終端 4-標的物 5-穩壓電源，6-箱體，61-箱體邊側面
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進一步說明。如圖1所示，本發明整體包括在隧道內壁上分布的多個測站以及在隧道車站上設 有的站級監測系統，各測站內的圖像採集終端通過RS485總線連接成網絡並與站級監測系 統中的監控電腦連接，實現將圖像採集終端採集處理獲得的相鄰測站坐標位移變化信息發 至站級監測系統並由監控電腦統一匯總分析兩車站間隧道變形狀況。每個測站如圖2所示包括兩個圓形光源作為標的物4、兩個攝像頭、圖像採集終 端3、穩壓電源5，所述攝像頭包括相互連接的可變焦長焦鏡頭2和作為感光器件CCD的圖 像傳感器1，所述兩個標的物4設於箱體6兩邊側面61用以給相鄰測站的攝像頭提供圓形 光源，所述兩個攝像頭也分別設於箱體6兩邊側面61用以拍攝相鄰前後測站的標的物，攝 像頭的圖像傳感器1與所述圖像採集終端3連接用於將感光後採集的信號存儲於圖像採集 終端3上，所述穩壓電源5分別與標的物4、圖像採集終端3連接為其提供電源，所述圖像採 集終端3將採集的信號處理，通過擬合圓形光源確定圓心作為相鄰測站的與攝像頭之間的 相對坐標。各測站相對於攝像頭的相對坐標統一匯總至所述站級監測系統的監控電腦，由 監控電腦通過對坐標變換及相應的誤差補償得到每個測站對應圓心的絕對坐標，再比較前 後兩次圓心絕對坐標的變化得到對應測站位移變化。各測站沿隧道的軸線方向安裝在隧道內壁上，原初安裝時各測站處於同一水平面 上，每個測站設於一個箱體內，整個箱體通過膨脹螺絲固定在隧道側壁上。測站內兩個標的
4物的水平中心線儘量重合，兩個拍攝鏡頭的水平中心線也應該儘量重合，測站內各裝置均 固定於箱體上，如圖2所示。如圖3所示，所述圖像採集終端3主要包括處理器、外部硬碟和內存、時鐘/電源 模塊、兩路圖像傳感器接口(即攝像頭接口)、IXD接口、RS232模塊、RS485模塊，所述處 理器上設有存儲控制器、時鐘/電源控制器、攝像頭camera控制器、LCD控制器、通信串口 UART，其中所述camera控制器通過兩路圖像傳感器接口與兩個圖像傳感器1連接，用以採 集目標物圖像信息；所述通信串口 UART通過RS485模塊與RS485總線連接，用以將各個測 站形成傳感器網絡，並將圖像採集終端處理的目標物坐標變動信息傳至站級控制系統；所 述處理器作為圖像採集終端的主晶片，完成數據處理以及為系統提供基本的運行環境，實 現對採集圓形光源的擬合，確定圓心，比較先後次圓心坐標的變動。電源/時鐘模塊為圖像 採集終端提供基本的運行環境。以下硬體皆為現有技術標的物圓形光源LED光源兩路圖像傳感器分別用來獲得箱體前後的圓形光源圖像，選用OmniVison公司的 0v9650，共兩片；可變焦鏡頭採用福州啟光電子技術有限公司生產的FS-LV05100型變焦鏡 頭，焦距範圍是5-100mm。ARM處理器選用SAMSUNG公司的S3c2440。Nand Flash 為外部硬碟快閃記憶體SAMSUNG 公司的 K9S1208V0C，64M 大小；NOR FLASH 為外部硬碟快閃記憶體AMD 公司的 AM29LV160DB-90IE，2M 大小；內存SDRAM型號Hynix公司的HY57V561620，採用兩片32M的晶片，共64M。Rs232模塊採用SIPEX公司的SP3232EEN晶片，提供調試接口，用作前期的程序調 試開發。Rs485模塊採用MAXIM公司的max3485晶片實現，RS485模塊用來組建多節點通信 網絡。IXD接口通過外接IXD顯示屏，實現觸摸式的人機界面。所述IXD顯示屏選用深圳 市弗森電子有限公司的三洋7寸顯示屏。LCD上的人機界面用來完成調試的前期工作，提供 視頻顯示、圖像存儲以及設置節點地址等功能，通過觀察視頻，調節鏡頭使圓形光源在觀測 區域內，並適當的調節焦距以及光圈大小得到最佳的圓形光源圖像質量。整個發明的工作原理為利用可變焦長焦鏡頭和圖像傳感器拍攝相鄰測站的標的 物，通過圖像採集終端對採集圖像進行處理，通過檢測標的物的移動來得到隧道的沉降情 況。具體為各個測站中的圖像採集終端作為主控模塊沿隧道的軸線方向分布用以檢測前 後相鄰測站中的光源中心位置作為所在測站的相對坐標(即圓形光源相對於攝像頭的相 對坐標)。例如圖4所示的例子，通過IXD上的人機界面，適當地調節圖像採集終端「2」的 鏡頭使圖像採集終端「1」和圖像採集終端「3」的光源圖像處於其前後兩鏡頭的視野中心 處。圖像採集終端「2」所在測站中的兩個圖像傳感器交替獲取圖像採集終端「1」和圖像採 集終端「3」的發出的光源圖像，該圖像信息由圖像採集終端「2」處理器擬合出目標光源的 圓心位置。每隔一定時間進行拍攝，分別計算出圖像採集終端「 1，，和圖像採集終端「3」所 在測站的光源圓心相對上次的偏移量。由於各測站與隧道內壁是剛性連接的，因此可以從 光源的圓心位置變動推斷出隧道內壁發生的形變。
工程安裝過程中，間隔一定的距離將測站固定在隧道內壁上。距離一般為20m左 右，實際距離可以根據實際情況做調節。例如在彎道處隧道出現變形量較大，可以將測站布 置密一點，如10-12米。在筆直的隧道上測站之間的距離可以相對較遠，如25-30米。各測 站的安裝位置大體位於同一水平面上。每個測站均安裝有兩組標的物、兩組長焦鏡頭及圖 像傳感器和圖像採集終端，如圖2所示。每個測站均拍攝與之相鄰的兩個測站的標的物。每 一個測站所檢測的目標是相鄰測站相對邊側的圓形光源，如圖5所示，圖6所示該光源由相 鄰測站中的LED發出，與圖像傳感器1連接的鏡頭2都對準約30 50m處測站上的目標光 源4，並使其成像於鏡頭2的中部，每隔一定時間進行拍攝，得到相鄰測站目標光源的圖像 數據。從圖6中可以看到，圖像經過鏡頭2成像到圖像傳感器1的光敏面上，圖像採集終端 完成圖像數據的採集、存儲、計算比較獲得目標光源的圓心位置變化，然後將該信息傳輸至 站監測系統。從圖7中可以看出，目標光源的擬合中心位置在X、Y方向發生了位移，由於圖 像傳感器與隧道內壁是剛性連接的，因此可以從檢測目標的圓心位置變動推斷出隧道內壁 發生了形變。車站內所有測站將相鄰測站位移信息通過RS485總線形成網絡並同時匯總到 車站內的監測系統，據此分析得到隧道的沉降情況。同一側站上裝有兩組鏡頭，鏡頭的中心線重合，該兩個鏡頭進行前向和後向的測 量，這樣每個測站的位置均由兩個鏡頭給出，由此消除鏡頭空間轉角的影響。採用本發明誤 差消減技術手段，可以減少測量誤差，提高隧道軸向整體形變監測系統精度。如果不消除鏡 頭的姿態誤差，不僅降低了每個測站的位置精度，而且通過誤差傳播，將大大提高整體的測
量誤差。由於測站自身存在漂移誤差，對每一個測站而言，自身存在一個中誤；另外，CCD 鏡頭在安裝過程中存在微小的空間轉角，客觀上並不能保證所有的鏡頭在同一直線上。隧 道變形監測採用分布式網絡智能圖像傳感器進行相鄰位移檢測，通過定位基準的傳遞，獲 得每個測站的絕對位移量。通過車站監測系統對各測站位移大小及變化趨勢的分析，進行 隧道變形狀態的預警。隧道變形監測總體架構如圖1。誤差傳播分析主要關注於隧道縱軸線沿橫斷面的形變。其工作原理為在相鄰兩 個車站之間分別設有兩個基準站。其間的每個測站上設有圓形光源、拍攝鏡頭以及圖像採 集終端。通過監測光源圓心坐標的變化來確定隧道的形變。增加傳感器網絡數量可以擬合 出隧道縱軸線沿橫斷面的位移。就每一個測站而言，其上布有一圖像採集終端、一 LED光源以及圖像採集的CCD鏡 頭。為了儘量消除拍攝鏡頭姿態對採集數據的影響，每一個測站上布有兩個鏡頭，一個鏡頭 用於拍攝後一測站的光源，另一個鏡頭拍攝前一測站的光源。其布局圖如圖11所示。消除 誤差的方法將在下文中做詳細的闡述。由於除了兩個基準點(設在相鄰兩個車站間)以外，中間測點的坐標均為相對坐 標，在轉化為絕對坐標的時候存在誤差傳播問題，當某一點絕對坐標的中誤差超過隧道的 形變量的時候，後面點的測量數據將失去意義。這就凸顯出進行誤差傳播分析的重要性，通 過對誤差傳播的分析，可以為鏡頭的選型，算法的改進等提供理論依據。誤差分析模型的建立由於測站自身存在漂移誤差以及圖像在提取過程中存在算法誤差，對每一個測站 而言，自身存在一個中誤差，設為m。考慮到CCD鏡頭在安裝過程中存在微小的空間轉角，並不能所有的鏡頭在同一直線上。但可以保證同一測站上兩個鏡頭在同一直線上。利用同一 測站上的兩個鏡頭進行前向和後向的重複測量，可以消除空間轉角的影響。將空間轉角投 影到豎直方向YZ平面和水平方向XY平面，可建立如下數學模型。假設各個測點之間的距 離相等，不考慮沿隧道軸線的縱向Y的偏移。(因為鏡頭在隧道軸線方向上的微小變化對鏡 頭的數據採集影響很小)根據幾何常識，空間角投影到YZ平面和XY平面的計算思路是相同的，下面以YZ 平面為例進行建模，XY平面內的計算可以參照此模型進行計算。根據系統的實際情況，建 立模型圖如圖8 (取前五個點，後面的點由相應的遞推公式得到)。根據假設，有I1 = I2 =...... = In= Io Zm表示該點的絕對坐標，Zij中i表示
鏡頭所在點位，j表示測量點位。計算如下Z1 = Z01 (1)「
tan6>, = ZI+Z|" (2)
M -Zn
tan=^i- (3)
Ol
y2 = I2-Yi (4)
ζ 『 2 = -y2 X tan θ χ = - (I2-Y1) tan θ
_ /
Zo Z ι
-97 10z12_z2_Ζ( +Ζ10_Ζ+2Ζι一 Z21 + ζ:
(5)
(6)
J12
，丄，3(7)
=I3 tan θ = -(ζ21+ζ2-ζ01)ζ' 3 = I3 tan θ 2 = -(ζ21+ζ2_ζ01)(8)Z3 = Ζ21+Ζ23-Ζ1+2Ζ2(9)以此類推。。。。。。ζη = ζη1,η+ζη_1,η_2-ζη_2+2ζη_1(10)由以上的遞推公式可以得到Zn的計算公式zn = [zn_ljn+zn_ljn_2+2zn_2jn_3+2zn_2jn_4(11)+......+ (n-1) Z10+ (n-1) z12] - (n_l) Z^nZl採用一個測點前後採集數據並考慮安裝等外部影響會產生誤差傳播和累積，由誤 差傳播定律計算可得第η個點的中誤差為m，=±Jm_ 2+m,2+...+(n-1)2m7 2+{n-\fm 2+η2τη 2 (12)對於每一個測點的相對中誤差，可以採用多次測量確定。方法為將光源固定，並
用一相機重複測量多組數據。如X1，X2，X3，...........Xn0計算其中誤差m，並進行粗差判
別(採用2σ準則)和剔除，得到最終中誤差。將πιΦ作為本測量系統的誤差。在系統相對穩定的情況下，以上方法測得的中誤差的數值近似相等，為了研究方 便，我們都取為mYZ，於是上式變為mz+ ... + {n-\)2]mYZ2 +H2Myz2 (13)
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mz 嚴 (14)對於XY平面來說，其模型與YZ平面大體一致，如圖9、圖IOXY平面局部模型放大 圖· 根據YZ平面的模型分析，在各個測點中誤差相同的情況下(實際情況測點的鏡頭 型號一樣，中誤差是基本相等的)，設為mXY，XY平面誤差傳播公式為mx = ^/2[12 +... + (n -1)2Jm^y2 +n'm^2 (15)mx" =(16)最終考慮鏡頭姿態情況下總的中誤差為mA=j^^^mXY2+myz2 (17)當mXY = mYZ的情況下(實際情況測點的鏡頭型號一樣，兩個平面中誤差是基本相 等的)，設為m，則式(17)變為m& =^J4"3+2nm (18)採用此方法，可以消除由於拍攝鏡頭安裝時姿態產生的測量誤差。由此減少測量 誤差，提高隧道整體形變監測系統的精度。隧道整體形變監測系統可以有效檢測隧道的整 體形變量，據此分析得到隧道的沉降情況，及時提供預警信號，保持隧道營運安全。
權利要求
一種地鐵隧道整體形變檢測系統，其特徵在於，該系統整體包括在隧道內壁上分布的多個測站以及在隧道車站上設有的站級監測系統，各測站內的圖像採集終端通過RS485總線連接成網絡並與站級監測系統中的監控電腦連接，實現將圖像採集終端採集處理獲得的相鄰測站坐標位移信息發至站級監測系統並由監控電腦統一匯總分析兩車站間隧道變形狀況；所述每個測站包括兩個圓形光源作為標的物、兩個攝像頭、圖像採集終端、穩壓電源，所述攝像頭包括相互連接的可變焦長焦鏡頭和圖像傳感器，所述兩個標的物設於箱體兩邊側面用以給相鄰測站的攝像頭提供圓形光源，所述兩個攝像頭也分別設於箱體兩邊側面用以拍攝相鄰前後測站的標的物，攝像頭的圖像傳感器與所述圖像採集終端連接用於將感光後採集的圖像存儲於圖像採集終端上，所述穩壓電源分別與標的物、圖像採集終端連接為其提供電源，所述圖像採集終端將採集的信號處理，通過擬合圓形光源確定圓心作為相鄰測站與攝像頭之間的相對坐標；所述測站內兩個標的物的水平中心線重合，兩個拍攝鏡頭的水平中心線也重合，測站內各裝置均固定於箱體上；所述圖像採集終端主要包括處理器、外部硬碟和內存、時鐘/電源模塊、兩路圖像傳感器接口、LCD接口、RS232模塊、RS485模塊，所述處理器上設有存儲控制器、時鐘/電源控制器、攝像頭camera控制器、LCD控制器、通信串口UART，其中所述camera控制器通過兩路圖像傳感器接口與兩個圖像傳感器連接，用以採集目標物圖像信息；所述通信串口UART通過RS485模塊與S485總線連接，用以將各個測站形成傳感器網絡，並將圖像採集終端處理完成的目標物坐標變動信息傳至站級控制系統；所述處理器作為圖像採集終端的主晶片，完成數據處理以及為系統提供基本的運行環境，實現對採集圓形光源的擬合，確定圓心與攝像頭之間的相對坐標。
全文摘要
一種地鐵隧道整體形變檢測系統，隧道工程監測技術領域。該系統整體包括在隧道內壁上分布的多個測站以及在隧道車站上設有的站級監測系統，各測站內的圖像採集終端通過RS485總線連接成網絡並與站級監測系統中的監控電腦連接，實現將圖像採集終端採集處理獲得的相鄰測站坐標位移變化信息發至站級監測系統並由監控電腦統一匯總分析兩車站間隧道變形狀況。本發明首次利用採用網絡傳感器技術和圖像識別技術對運營地鐵隧道形變進行在線式實時監測，根據隧道變形數據分析隧道變形狀況，及時預報隧道變形狀況不良引起的災害。
文檔編號G01B11/16GK101936714SQ20101025398
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月16日 優先權日2010年8月16日
發明者呂強, 張恆, 楊偉清, 畢湘利, 王權 申請人:上海地鐵盾構設備工程有限公司;上海申通軌道交通研究諮詢有限公司