一種盾構機盾尾間隙視覺測量方法與流程

本發明涉及圖像處理領域，尤其是涉及一種盾構機盾尾間隙視覺測量方法。

背景技術：

近幾年來，伴隨著我國城市建設的高速發展，盾構機在城市地鐵隧道建設中得到了廣泛的應用。在盾構施工中，由于盾構機推進路線的曲率變化以及推進油缸的伸出長度不能時刻保持一致等原因，導致盾構機尾部盾殼內壁與管片外徑之間的空間發生變化，這個空間就是盾尾間隙。盾尾間隙的結構示意圖如圖1所示，在推進油缸3推進過程中，管片2與盾構機1內壁之間的距離即為所述的盾尾間隙4。當盾尾間隙變化量超過設計允許的變化范圍時，將會導致盾尾與管片之間發生過渡擠壓而加速盾尾密封刷的磨損，破壞盾尾密封系統，甚至造成盾構機推進軸線發生偏離，給施工帶來不便。

目前，盾構中普遍采用的盾尾間隙測量系統有：vmt公司的slum系統，石川島公司的盾尾間隙測量系統和三菱公司的盾尾間隙測量系統。slum系統是vmt開發的光學測量系統，被廣泛地安裝在海瑞克盾構上。這套系統包括5個激光測量傳感器，分別安裝在拼裝機的固定位置上，移動拼裝機到管片中指定的位置對拼裝好的管片的距離進行測量，隨后拼裝機再次移動，對盾尾的距離進行測量，求取兩次測量的差值傳輸至sls-t導向系統中，本系統在海瑞克盾構上普遍使用，但是由于其工作方式的限制，無法安裝在裝備盤式拼裝機的盾構上。三菱公司的盾尾間隙測量系統是安裝在千斤頂底板附近位置，依靠氣閥組和傾角傳感器工作，可使用操作面板上的觸摸屏或便攜式操作箱進行控制。該系統主要用于三菱地鐵盾構，如上海地鐵公司的巧--18號6340mm土壓平衡盾構和三菱6520mm雙圓土壓平衡盾構等。但它的防護性較差，加之現場的工況條件惡劣，設備常會由于沾染到泥漿或是水之后發生故障而無法正常工作。石川島公司的盾尾間隙測量系統和三菱公司的系統在結構、安裝位置、工作方式等方面基本相同，但是其測量裝置外形較大，給安裝和使用帶來較大的困難，且由于外形尺寸的限制該系統不適宜用于地鐵盾構。

2011年夏翼在中國盾構技術學術研討會論文集中發表盾尾間隙測量系統的研究，文中提出一種盾構機盾尾間隙測量技術，創新型的運用視覺技術對盾尾間隙進行非接觸式的測量。其系統集間隙的測量與控制于一身，可以進行實時數據傳輸與盾尾間隙智能分析。但是，此系統高度依賴in-sight5100視覺傳感器集成的in-sightexplorer軟件并且手工標定盾尾的方式進行盾尾間隙直接獲取，致使系統精度高度依賴于間隙邊緣提取的精度，由于需要經過比例尺換算，邊緣檢測結果細微的不同經過換算后都有可能會被放大，因此為系統引入了極大的誤差。

沈斌2007年在第三屆上海國際隧道工程研討會論文集發表題為盾構法隧道盾尾同步注漿間隙測量與計算的文章，文中提出一種利用電子測距儀的進行盾尾間隙測量的方法，其原理如下：測距儀安裝在盾構機園切面中心，預先測量盾構中心到盾構機內壁距離d，測距儀測量其所在中心位置到管片內壁距離d，在管片寬度一致的情況下h，利用公式x＝d-d-h求解間隙寬度。此種方法可行的條件式管片內壁是干凈的平滑的，但是實際管片是有注漿孔等狀況致使測量結果出現錯誤。

張立彬在2013年發表的基于數字圖像處理技術的盾構機盾尾間隙測量系統的研究一文中提出的基于數字圖像處理技術的盾構機盾尾間隙測量系統，系統借助視覺圖像處理庫opencv進行構建。其基本原理是：對于獲取到的進行預處理，二值化后進行hough變換，然后利用邊緣提取技術進行邊緣提取統計計算獲取激光點中心位置x，對二值化后的圖像進行canny邊緣檢測，對于canny邊緣檢測后的圖像進行邊緣提取，然后指向定位獲得管片上邊緣l，計算x與直線l之間的距離，最后計算間隙實際間距。此系統適用于場景極度簡單的施工場景，但是實際的施工場景是非常復雜的，canny邊緣檢測并不能提取到管片的上邊緣，因此系統并無法投入到實際的應用。

此外還有孫連，陸曉華在2013年發表的基于多點掃描距離檢測技術的盾尾間隙測量方法和裝置一文中提出了一種盾尾間隙測量方法，文中指出檢測裝置固定于盾構的盾殼和主推千斤頂之上，該盾測量裝置主要包括有控制計算機、電控旋轉臺、步進電機、步進電機驅動器和激光測距儀。

李睿在2014年發表碩士文章：盾構機盾尾間隙測量系統研究中提出了一種利用傳感器進行盾尾間隙測量的方法。其測量原理為：通過安裝在盾尾內壁的數個傳感器對管片推出盾尾時裝置轉角進行測量，在連接裝置長度己知的前提下，根據連桿長度及轉角度數測出盾尾間隙值。

然而上述這些方法需要的硬件設備較多，耗費成本大，同時測量方法復雜，測量結果不夠準確。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種盾構機盾尾間隙視覺測量方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種盾構機盾尾間隙視覺測量方法，該方法包括如下步驟：

(1)安裝攝像機，攝像頭距離盾構機底部盾殼高度為h；

(2)攝像機拍攝盾構機工作過程中原始圖像，該原始圖像中包含管片上邊緣和管片下邊緣，且管片下邊緣為盾尾間隙的上邊緣；

(3)以原始圖像中心點所在水平軸為分割線將該原始圖像劃分為第一子圖像和第二子圖像，其中，第一子圖像包括管片下邊緣，第二子圖像包括管片上邊緣；

(4)從第二子圖像中獲取管片上邊緣，計算得到管片上邊緣在原始圖像中距離原始圖像中心點的距離d2；

(5)根據設定的比例尺將d2轉換為實際高度h2；

(6)根據下式獲得盾尾間隙d：d＝h+h2-d3，其中，d3為管片實際高度。

步驟(5)后還包括檢測精度驗證，具體為：

(a)從第一子圖像中獲取管片下邊緣，計算得到管片下邊緣在原始圖像中距離原始圖像中心點的距離d1；

(b)根據步驟(5)中的比例尺將d1轉換為實際高度h1；

(c)對h1和h2求和得到h，求取h與d3的誤差大小，若誤差在設定范圍內則執行步驟(6)，否則返回步驟(2)。

步驟(4)中獲取管片上邊緣具體通過下述方式獲得：采用canny邊緣檢測算法獲取第二子圖像中包含的邊緣信息并得到邊緣圖像，對邊緣圖像進行投影處理生成水平方向邊緣像素統計數組，根據水平邊緣像素統計數組獲取管片上邊緣。

所述的步驟(a)具體為：

(a1)對第一子圖像進行預處理；

(a2)對預處理后的圖像進行圖像二值化，分割出盾尾間隙和管片密封條；

(a3)對二值化處理后的圖像進行雙峰結構補充，在補充后的投影圖中尋找谷底坐標，根據谷底坐標去除管片密封條；

(a4)對步驟(a3)去除管片密封條后的圖像進行模板匹配得到盾尾間隙附近圖像；

(a5)采用分割算法提取盾尾間隙，獲取管片下邊緣。

步驟(a1)中預處理包括灰度化處理、圖像增強處理以及通過對比度增強算法提高圖像中間隙與圖像其余部分對比度。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

(1)本發明基于視覺方法獲取間隙寬度，利用間接方法求取間隙寬度，解決了部分常規的接觸式測量方法帶來的器件磨損，進一步增加了非接觸式測量方法的種類，利用間接間隙獲取方式，規避了直接對間隙寬度的獲取，轉而求取攝像頭中心到管片上邊緣之間的距離，利用攝像頭的高度和管片高度固定，以及他們相互之間的關系求解間隙寬度，盡可能擴大圖像中的測量對象的尺寸，縮小轉換誤差，相比于接觸式測量非接觸式測量減小硬件損耗，相比于直接測量，間接測量克服了利用圖像方法直接測量圖像間隙寬度再利用比例尺轉換到實際距離帶來的誤差擴大；

(2)本發明通過求取圖像處理得到的管片高度與管片實際高度的誤差進行檢測精度驗證，當檢測精度較低時需要重新進行拍攝圖像把進行盾尾間隙的測量，提高最終獲取的盾尾間隙結果的精確性；

(3)本發明管片上邊緣和管片下邊緣的檢測方法檢測精度高；

(4)本發明每一個測量位置只需一臺攝像機獲取圖像即可，無需其他硬件設備，耗費成本較低，易于實現，且測量結果準確可靠。

附圖說明

圖1為盾構機盾尾間隙結構示意圖；

圖2為本發明盾構機盾尾間隙視覺測量方法的流程框圖；

圖3為本發明視覺測量方法中攝像機安裝結構示意圖。

圖中，1為盾構機，2為管片，3為推進油缸，4為盾尾間隙，5為攝像機，6為盾構機底部盾殼。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例

如圖2所示，一種盾構機盾尾間隙視覺測量方法，該方法包括如下步驟：

(1)安裝攝像機5，攝像頭距離盾構機底部盾殼6高度為h；

(2)攝像機5拍攝盾構機工作過程中原始圖像，該原始圖像中包含管片上邊緣和管片下邊緣，且管片下邊緣為盾尾間隙的上邊緣；

(3)以原始圖像中心點所在水平軸為分割線將該原始圖像劃分為第一子圖像和第二子圖像，其中，第一子圖像包括管片下邊緣，第二子圖像包括管片上邊緣；

(4)從第二子圖像中獲取管片上邊緣，計算得到管片上邊緣在原始圖像中距離原始圖像中心點的距離d2；

(5)根據設定的比例尺將d2轉換為實際高度h2；

(6)根據下式獲得盾尾間隙d：d＝h+h2-d3，其中，d3為管片實際高度，如圖3所示，攝像頭距離盾構機底部盾殼6高度為h，從圖3很容易得到上述計算盾尾間隙d的計算公式。

步驟(5)后還包括檢測精度驗證，具體為：

(a)從第一子圖像中獲取管片下邊緣，計算得到管片下邊緣在原始圖像中距離原始圖像中心點的距離d1；

(b)根據步驟(5)中的比例尺將d1轉換為實際高度h1；

(c)對h1和h2求和得到h，求取h與d3的誤差大小，若誤差在設定范圍內則執行步驟(6)，否則返回步驟(2)。

步驟(4)中獲取管片上邊緣具體通過下述方式獲得：采用canny邊緣檢測算法獲取第二子圖像中包含的邊緣信息并得到邊緣圖像，對邊緣圖像進行投影處理生成水平方向邊緣像素統計數組，根據水平邊緣像素統計數組獲取管片上邊緣。

所述的步驟(a)具體為：

(a1)對第一子圖像進行預處理，具體地，預處理包括灰度化處理、圖像增強處理以及通過對比度增強算法提高圖像中間隙與圖像其余部分對比度。對第一子圖像進行灰度化處理以及圖像增強(imageenhancement)處理，去除圖像中包含的噪聲，隨后利用對比度增強算法(如histgramequalization)提高圖像中間隙與圖像其余部分對比度。

(a2)對預處理后的圖像進行圖像二值化，分割出盾尾間隙和管片密封條，具體地，通過對采集到的圖像進行二值化處理，統計獲得多幅圖像二值化處理閾值的取值，確定出實際施工環境下二值化處理閾值取值范圍。利用二值化之后圖像的投影圖應具有雙峰特點，在已經確定的閾值范圍內進行遍歷，結合雙峰特點尋找能將間隙和管片密封條成功分割(呈現一定雙峰特點)的閾值。利用搜索獲取的閾值進行圖像二值化，分割出間隙和管片密封條。

(a3)對二值化處理后的圖像進行雙峰結構補充，在補充后的投影圖中尋找谷底坐標，根據谷底坐標去除管片密封條，具體地，步驟(a2)獲取的二值化圖像，對投影效果不佳(即雙峰結構不佳)的投影圖像進行雙峰結構補充，在結構補充后的投影圖中尋找谷底坐標。根據谷底坐標去除管片密封條，縮小圖像處理范圍，防止密封條對于后續模板匹配結果的干擾。

(a4)對步驟(a3)去除管片密封條后的圖像進行模板匹配得到盾尾間隙附近圖像；

(a5)采用分割算法提取盾尾間隙，獲取管片下邊緣，分割算法如meanshift分割方法、測地線活動輪廓模型、jseg、超像素分割等。