一種動態無控制隧道斷面檢測裝置、分析系統及方法與流程
2023-05-08 07:31:01
本發明涉及隧道檢測技術領域，特別是涉及一種動態無控制隧道斷面檢測裝置、分析系統及方法。
背景技術：
隨著經濟建設的快速發展，鐵路、城市軌道交通基礎設施的建成量也以空前的速度增加，隧線比高的高速鐵路大量湧現，地鐵佔城市軌道交通比例也高達80％，未來將會面臨著大量隧道需要進行檢測和維護的狀況。
目前鐵路與地鐵隧道檢測方法主要有接觸式測量、預埋傳感器測量、全站儀測量、三維雷射掃描儀測量以及車載測量等方法。傳統的人工接觸測量法在不同的線路情況下，需要人工調整工具的位移，當發生超限時，需要反覆多次測量。人工檢測效率低下、耗時、耗力，難以保證檢測的精度、周期性和及時性；另外高速鐵路和城市軌道交通天窗時間有限，人工檢測難以在有限的時間裡完成檢測工作，且不能用於電氣化區段，因此這種接觸式測量已經很少使用了。傳感器預先埋設法也是傳統上較早採用的方法。傳感器的安裝一般在施工中預先考慮，因此常用於地質條件複雜的長大隧道的實時監測。但其有限的測點難以反映目標系統的整體情況。車載測量方式主要針對長距離隧道檢測，車載式測量設備的檢測速度快，但測量過程中必須能夠抵抗列車運動中的振動或者加以補償，因此對數據處理能力要求較高。車載隧道斷面檢測方案主要採用了雷射技術和計算機圖像處理技術，普遍應用於國內外先進的大型檢測車上。車載隧道測量方法由於成本和技術上的難題，在工程上推廣使用還有一定難度。
目前實際工程中，隧道結構測量多採用全站儀或雷射掃描儀站式測量的方式。採用全站儀測量時，需要安置隧道斷面標誌點，通過斷面上若干個點進行斷面結構分析，效率較低，斷面間隔過大，對隧道的分析不夠細緻。採用站式雷射掃描儀對隧道進行掃描測量，能夠獲取更詳細和全面的隧道點雲信息，在隧道變形檢測工程應用和理論研究中使用比較廣泛。雷射掃描儀採用站式方式測量時，由於隧道變形測量精度較高，雷射掃描儀作用距離較近，自身無法提供絕對位置信息，在隧道中測量面臨著站間靶球拼接的問題，每一站可用距離較短，也使得測量效率較低，在高鐵或地鐵有限的天窗時間內檢測時間壓力較大。由於雷射掃描儀獲取的是三維點雲數據，數據處理時要進行斷面截取，工作量也較大。國內外也有一些公司或生產單位進行了動態隧道掃描設備的研製，動態隧道檢測方法同樣要解決與控制點聯測的問題，並且獲取數據仍是三維點雲數據，需要基於隧道設計線型進行隧道斷面截取，從而進行隧道斷面變形分析，數據處理工作量較大、分析的準確度差。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種動態無控制隧道斷面檢測裝置，可提高獲取隧道斷面信息的效率。
為實現上述目的，本發明提供了如下方案：
一種動態無控制隧道斷面檢測裝置，所述檢測裝置包括：
車載框架；
掃描儀，設置在所述車載框架上，用於在斷面掃描模式下對隧道斷面進行掃描，獲得隧道斷面點雲數據集；
兩個驅動輪和兩個從動輪，各所述驅動輪和從動輪分別設置在所述車載框架的下方，在各所述驅動輪的帶動下，使所述車載框架在隧道的軌道上移動；
差速電機，設置在兩個所述驅動輪之間，在所述差速電機的動力作用下，通過所述車載框架，兩個驅動輪帶動兩個從動輪運動；
剎車器，設置在兩個所述驅動輪之間；
控制器，分別與所述差速電機和剎車器連接，用於根據控制指令控制所述驅動輪的走、停及前進速度。
可選的，所述檢測裝置還包括：
供電單元，所述供電單元的電能輸出端分別與所述掃描儀及差速電機連接，用於為所述掃描儀及差速電機提供工作電壓。
可選的，所述檢測裝置還包括：
供電開關，設置在所述供電單元的電能輸出端上，與所述控制器連接，用於在所述控制器的控制下，控制所述供電單元的通斷。
可選的，所述檢測裝置還包括：
遙控器，與所述控制器連接，用於將控制指令傳輸至所述遙控器。
可選的，車載框架包括兩根平行的長框及分別與兩根長框的中心處固定連接的一根短框；其中一根所述長框的兩端分別設置有一個所述驅動輪；另一根所述長框的兩端分別設置有一個所述從動輪；所述掃描儀設置在所述短框的中心位置處。
根據本發明提供的具體實施例，本發明公開了以下技術效果：
本發明動態無控制隧道斷面檢測裝置通過移動式測量方式，檢測時無需使用靶球進行站間拼接，就能得到連續的隧道斷面點雲數據，可提高鐵路和在地鐵隧道天窗時間檢測效率。
本發明的另一目的是提供一種動態無控制隧道斷面分析系統，可提高獲取隧道斷面信息的效率及對隧道變形分析的準確度。
一種動態無控制隧道斷面分析系統，所述分析系統包括：
上述動態無控制隧道斷面檢測裝置；
迭代單元，所述檢測裝置的掃描儀連接，用於根據掃描儀獲得的隧道斷面點雲數據集，採用ransac算法、迭代處理，濾除所述隧道斷面點雲數據集的噪聲；
擬合單元，用於根據濾除噪聲後的隧道斷面點雲數據集進行橢圓擬合，得到擬合結果，所述擬合結果包括隧道的長短半徑、橢圓度及扁率。
可選的，所述分析系統還包括：
計算單元，用於根據隧道相對裡程信息及所述擬合結果確定隧道斷面的環號。
根據本發明提供的具體實施例，本發明公開了以下技術效果：
本發明動態無控制隧道斷面分析系統通過移動式測量方式，檢測時無需使用靶球進行站間拼接，就能得到連續的隧道斷面點雲數據，可提高鐵路和在地鐵隧道天窗時間檢測效率；同時通過去燥處理，獲得準確的隧道斷面點雲數據，為隧道形變分析供準確的數據，提高分析的準確度。
本發明的另一目的是提供一種動態無控制隧道斷面分析方法，可提高獲取隧道斷面信息的效率及對隧道變形分析的準確度。
一種動態無控制隧道斷面分析方法，所述分析方法包括：
根據上述動態無控制隧道斷面檢測裝置的掃描儀獲得的隧道斷面點雲數據集，採用ransac算法、迭代處理，濾除所述隧道斷面點雲數據集的噪聲；
根據濾除噪聲後的隧道斷面點雲數據集進行橢圓擬合，得到擬合結果，所述擬合結果包括隧道的長短半徑、橢圓度及扁率。
可選的，所述分析方法還包括：
根據隧道相對裡程信息及所述擬合結果確定隧道斷面的環號。
可選的，所述採用ransac算法、迭代處理，濾除所述隧道斷面點雲數據集的噪聲，具體包括：
採用ransac算法對第k次迭代時的隧道斷面點雲數據集進行計算，確定對應的橢圓參數；
根據斷面點到橢圓中心的連線與橢圓的交點計算所有斷面點到橢圓的最短距離dn，組成距離點集dk＝{d1,d2,...,dn},其中，n表示第k次迭代時的隧道斷面點雲數據集中數據的數量，n＝1,2,...,n，每一個隧道斷面點雲數據表徵一個斷面點；
根據以下公式，計算點集dk的均值dmaen和標準差σ：
判斷|dn-dmean|是否大於2σ，如果是，則dn對應的斷面點為噪聲，刪除第k次迭代時全部的噪聲對應的隧道斷面點雲數據，更新隧道斷面點雲數據集，進行下一次迭代；
否則，輸出當前的隧道斷面點雲數據集。
根據本發明提供的具體實施例，本發明公開了以下技術效果：
本發明動態無控制隧道斷面分析方法通過移動式測量方式，檢測時無需使用靶球進行站間拼接，就能得到連續的隧道斷面點雲數據，可提高鐵路和在地鐵隧道天窗時間檢測效率；同時通過去燥處理，獲得準確的隧道斷面點雲數據，為隧道形變分析供準確的數據，提高分析的準確度。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例動態無控制隧道斷面檢測裝置的立體結構示意圖；
圖2為本發明實施例動態無控制隧道斷面檢測裝置的模塊結構示意圖；
圖3為本發明實施例動態無控制隧道斷面分析系統的模塊結構示意圖；
圖4為本發明實施例動態無控制隧道斷面分析方法的流程圖；
圖5為去燥擬合圖。
符號說明：
車載框架—1，掃描儀—2，驅動輪—3，從動輪—4，差速電機—5，剎車器—6，控制器—7，供電單元—8，供電開關—9，遙控器—10，迭代單元—11，擬合單元—12，計算單元—13。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明的目的是提供一種動態無控制隧道斷面檢測裝置，通過移動式測量方式，檢測時無需使用靶球進行站間拼接，就能得到連續的隧道斷面點雲數據，可提高鐵路和在地鐵隧道天窗時間檢測效率。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
如圖1和圖2所示，本發明動態無控制隧道斷面檢測裝置包括車載框架1、掃描儀2、兩個驅動輪3、兩個從動輪4、差速電機5、剎車器6及控制器7；其中，所述掃描儀2設置在所述車載框架1上，用於在斷面掃描模式下對隧道斷面進行掃描，獲得隧道斷面點雲數據集；各所述驅動輪3和從動輪4分別設置在所述車載框架的下方，在各所述驅動輪3的帶動下，使所述車載框架1在隧道的軌道上移動；所述差速電機5設置在兩個所述驅動輪3之間，在所述差速電機5的動力作用下，通過所述車載框架1，兩個驅動輪3帶動兩個從動輪4運動；所述剎車器6設置在兩個所述驅動輪3之間；所述控制器7分別與所述差速電機5和剎車器6連接，用於根據控制指令控制所述驅動輪3的走、停及前進速度。
如圖2所示，本發明動態無控制隧道斷面檢測裝置還包括供電單元8，所述供電單元8的電能輸出端分別與所述掃描儀2及差速電機5連接，用於為所述掃描儀2及差速電機5提供工作電壓。優選的，所述供電單元8為蓄電池組。
此外，本發明動態無控制隧道斷面檢測裝置還包括供電開關9，所述供電單元8設置在所述供電單元8的電能輸出端上，與所述控制器7連接，用於在所述控制器7的控制下，控制所述供電單元8的通斷。
進一步地，本發明動態無控制隧道斷面檢測裝置還包括遙控器10，遙控器10與所述控制器7連接，用於將控制指令傳輸至所述遙控器。用戶的控制指令通過遙控器傳輸至所述控制器，以控制驅動輪的走停，或則指定速度勻速行駛等。
其中，所述掃描儀2可為雷射掃描儀。例如，採用法如focus3d系列掃描儀或其他斷面掃描儀，採用三維雷射掃描儀工作前需開啟斷面掃描模式。系統安置到軌道上後，啟動掃描儀掃描工作模式後，使用遙控器10控制驅動輪勻速運行在軌道上，速度可參考人的行走速度(如4-5km/h)，不宜過快，要保證設備在工作人員視野範圍內，並且能夠保證點雲密度。系統工作時，點雲數據存儲在掃描儀存儲卡中。系統準備停止工作時，先停止系統運動，再停止掃描儀掃描。
如圖1所示，所述車載框架1包括兩根平行的長框及分別與兩根長框的中心處固定連接的一根短框；即，所述車載框架1成「工」字型。其中一根所述長框的兩端分別設置有一個所述驅動輪3；另一根所述長框的兩端分別設置有一個所述從動輪4。優選的所述掃描儀2設置在所述短框的中心位置處，使得掃描儀2在工作狀態時不僅能掃到隧道，還能對軌道進行掃描。
本發明動態無控制隧道斷面檢測裝置還能夠直接進行隧道限界測量。限界測量時直接參考本發明裝置掃描到的軌道點雲，建立軌道斷面坐標系，並將設計車輛限界或設備限界坐標直接與隧道斷面坐標計算最近點即可判斷隧道是否存在侵界現象。其中，限界解算參考實測軌頂面，更加真實可靠。
本發明動態無控制隧道斷面檢測裝置依賴雷射掃描儀採用斷面測量模式對隧道進行動態斷面掃描獲取隧道斷面點，方便迅速。通過搭載車載框架能夠通過遙控器控制驅動輪帶動車載框架自動在軌道上運行，從而保證了系統能夠勻速運行，既省去了人工推行的麻煩，也能夠保證雷射掃描點雲的均勻，利用點雲能生成具有均勻解析度的影像，便於病害信息提取。
具體的，本動態無控制隧道斷面檢測裝置具有以下優點：
(1)採用無控制斷面掃描模式進行數據採集，設備掃描時自動獲取隧道斷面，省去點雲數據處理上繁瑣的工作量。
(2)與全站儀測量方法相比較，具有更高的測量速度和更豐富的隧道數據，便於對隧道進行細緻的分析。
(3)相對於站式雷射掃描測量方式，移動式測量方式檢測時無需使用靶球進行站間拼接，就能得到連續的隧道點雲數據，既減少由於站間拼接帶來的誤差影像，也提高了鐵路和地鐵隧道天窗時間檢測效率。
(5)相對於其他移動雷射掃描系統，本方法僅利用雷射掃描儀一個傳感器，省去了多傳感器集成的繁瑣步驟。本發明採用斷面掃描模式，直接獲取隧道斷面點雲，省去三維點雲基於設計軸線進行斷面截取的繁瑣，減少參考設計數據可能帶來的誤差。具有自動控制系統，能夠保證採集過程中獲取均勻的斷面點雲，便於操作，保證勻速，保證後期隧道影像生成的解析度一致性。
此外，本發明還提供最一種動態無控制隧道斷面分析系統，可提高獲取隧道斷面信息的效率及對隧道變形分析的準確度。如圖3所示，本發明動態無控制隧道斷面分析系統包括上述動態無控制隧道斷面檢測裝置、迭代單元11、擬合單元12及計算單元13。
其中，所述迭代單元11與所述檢測裝置的掃描儀2連接，用於根據掃描儀獲得的隧道斷面點雲數據集，採用ransac(randomsampleconsensus，隨機樣本一致性)算法、迭代處理，濾除所述隧道斷面點雲數據集的噪聲；所述擬合單元12，用於根據濾除噪聲後的隧道斷面點雲數據集進行橢圓擬合，得到擬合結果，所述擬合結果包括隧道的長短半徑、橢圓度及扁率；所述計算單元13用於根據隧道相對裡程信息及所述擬合結果確定隧道斷面的環號。
隧道相對裡程信息依賴於管片點雲拼接縫的提取。根據標準管片長度和數量對裡程進行計算，並以環數作為裡程提供給用戶，省去用戶進行裡程換算，可直接根據環號進行檢修。
由於採用動態方式獲取數據，斷面的間隔也更密集，可以進行任意斷面變形分析。系統工作時主要採用無控制測量模式，即不進行與絕對位置坐標的聯測，僅進行隧道斷面獲取，數據後處理時直接對掃描斷面進行擬合偏差分析，不依賴於隧道設計數據。
其中，所述迭代單元11採用ransac算法、迭代處理，濾除所述隧道斷面點雲數據集的噪聲，具體包括：
採用ransac算法對第k次迭代時的隧道斷面點雲數據集進行計算，確定對應的橢圓參數；
根據斷面點到橢圓中心的連線與橢圓的交點計算所有斷面點到橢圓的最短距離dn，組成距離點集dk＝{d1,d2,...,dn},其中，n表示第k次迭代時的隧道斷面點雲數據集中數據的數量，n＝1,2,...,n，每一個隧道斷面點雲數據表徵一個斷面點；
根據公式(1)和公式(2)，計算點集dk的均值dmaen和標準差σ：
判斷|dn-dmean|是否大於2σ，如果是，則dn對應的斷面點為噪聲，刪除第k次迭代時全部的噪聲對應的隧道斷面點雲數據，更新隧道斷面點雲數據集，進行下一次迭代；
否則，輸出當前的隧道斷面點雲數據集。
本發明動態無控制隧道斷面分析無需與設計數據聯測或對比計算，可直接確定隧道斷面相對變形情況，準確高、計算量小。
本發明還提供一種動態無控制隧道斷面分析方法，可提高獲取隧道斷面信息的效率及對隧道變形分析的準確度。如圖4所示，本發明動態無控制隧道斷面分析方法包括：
步驟100：根據上述動態無控制隧道斷面檢測裝置的掃描儀獲得的隧道斷面點雲數據集，採用ransac算法、迭代處理，濾除所述隧道斷面點雲數據集的噪聲。
步驟200：根據濾除噪聲後的隧道斷面點雲數據集進行橢圓擬合，得到擬合結果，所述擬合結果包括隧道的長短半徑、橢圓度及扁率。
步驟300：根據隧道相對裡程信息及所述擬合結果確定隧道斷面的環號。
其中，在步驟100中，所述採用ransac算法、迭代處理，濾除所述隧道斷面點雲數據集的噪聲，具體包括：
步驟101：採用ransac算法對第k次迭代時的隧道斷面點雲數據集進行計算，確定對應的橢圓參數。其中，所述橢圓參數包括橢圓方程的係數、圓心坐標、長短半軸的長度。
步驟102：根據斷面點到橢圓中心的連線與橢圓的交點計算所有斷面點到橢圓的最短距離dn，組成距離點集dk＝{d1,d2,...,dn},其中，n表示第k次迭代時的隧道斷面點雲數據集中數據的數量，n＝1,2,...,n，每一個隧道斷面點雲數據表徵一個斷面點；
根據公式(1)和公式(2)，計算點集dk的均值dmaen和標準差σ：
步驟103：判斷|dn-dmean|是否大於2σ，如果是，則dn對應的斷面點為噪聲，刪除第k次迭代時全部的噪聲對應的隧道斷面點雲數據，更新隧道斷面點雲數據集，進行下一次迭代；
否則，輸出當前的隧道斷面點雲數據集。
如圖5所示為本發明動態無控制隧道斷面分析方法根據濾除噪聲後的隧道斷面點雲數據集進行橢圓擬合後的斷面線，根據所述斷面線可以得到隧道長短半徑及橢圓度、扁率等信息。
相對於現有技術，本發明動態無控制隧道斷面分析方法與上述動態無控制隧道斷面分析系統的有益效果相同，在此不再贅述。
本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。