文/杨莹

1 前言

截止2015年底，全国公路隧道为14006处、1268.39 万米，其中，特长隧道744 处、329.98 万米。公路隧道在运营阶段由于各种因素会出现衬砌裂缝，裂缝会降低混凝土的承载力、防水性和耐久性，甚至会导致混凝土发生掉块，影响行车安全。《公路隧道养护技术规范》JTG_H12-2015 相比2003年版本明确提出了“预防为主、防治结合”的工作原则，要求加强预防性养护。其中，在隧道结构检查工作中从检查内容和频率出发，将日常检查调整为经常检查，一级、二级、三级养护等级公路检查频率分别为1 次/月、1 次/2月、1 次/3月。单纯依靠人工检查无法完成规范要求，研发基于机器视觉的公路隧道图像快速采集系统尤为必要。

日本在2012年推出一款隧道检测车，该检测车以五十铃中型卡车为载车平台，检测时速最高可达50 km/h，可以对0.2 mm 的裂缝进行检测。德国研制的多功能隧道检测设备TS3，最高检测时速可以达到12 km/h，能够检测衬砌裂缝、变形、脱空等指标，一次扫描可以生成一张隧道表面影像、一张热影成像图片和一张三维测量调查图片，可应用于公路隧道与铁路隧道。我国在隧道自动化检测技术发展方面，相对于国外的先进水平较为落后，目前采用的隧道裂缝检测车多为引进国外技术进行国内组装，自主研发产品较少。

本文旨在提出一套基于机器视觉的公路隧道图像快速采集系统，集机器视觉、惯性导航、激光测量等多种先进技术于一体，完成对隧道表面状态细节的高清图像采集，匹配智能化的计算机识别软件，满足各种等级公路隧道的日常、定期、专项检测要求。

2 采集系统工作原理

公路隧道图像快速采集系统分为四个子系统，包括：图像采集系统、惯性导航系统、数据存储与处理系统、供电系统，其工作原理如图1所示。

图像采集系统包括三套激光器光源和工业线阵相机，将双激光器和工业相机封装于防护等级为IP65 名为LQ 的模块中，如图2所示。激光器选用功率15W，波长808nm，扩展角为75°的光源，光线亮度均匀、功率稳定、指向稳定性高。工业线阵相机选用行频最快采集速度可以达到90km/h。

惯性导航系统包括编码器、激光三维扫描仪、陀螺仪。编码器安装在汽车轮毂上，在汽车行进过程中与轮毂同轴转动，根据不同车速提供与之适配的脉冲频率，通过编码脉冲分配器同时触发三组线阵相机进行拍照。激光三维扫描仪用于在车辆行驶过程中测量得到隧道内壁的轮廓，利用隧道的轮廓信息进行修正裂缝宽度。陀螺仪固定在车上，实时测量三轴方向上的线加速度和姿态角，实时测量汽车行进姿态，以便于后期图像处理对由于汽车行进姿态引起的图片变形进行调整。同时结合方向角与激光扫描仪测得的隧道断面轮廓数据，可将隧道的实际三维轮廓描绘出来，使检测数据以更直观的形式展现。

供电系统由柴油发电机与开关电源组成。其中柴油发电机为整个系统供电，开关电源通过将220V 交流电转化为直流电为部分惯性导航设备供电。供电系统具有过载保护、短路保护、防雷保护等功能，保证了车载使用过程中的安全性。

数据存储与处理系统由工控机、数据采集卡、千兆网卡等组成。工控机配备了高达32TB 的磁盘阵列，采用RAID0 结构，硬盘读写速度可达1GB/s。同时配置了高性能的CPU与主板，保证了系统在大量数据传输过程中的稳定性。通过数据采集卡将编码器计数、激光扫描仪、陀螺仪数据采集到计算机上，进行数据记录，保证图像数据以及传感器数据与隧道内实际位置一一对应，方便后续的数据处理工作。利用千兆网卡实现相机数据的同步存储，降低了系统的冗余。

图1

图2

3 软件系统设计

公路隧道图像快速采集系统由视觉采集软件和智能检测软件两部分构成，视觉采集软件满足图像采集及隧道全景展现需求，智能检测软件实现对惯性导航设备（陀螺仪、编码器、激光三维扫描仪）的数据实时采集及所有设备的状态监测。通过实时采集隧道图像和断面点云、车辆行驶速度和惯导数据，提供了隧道检测产品中领先的工作流程，实现数据可视化和信息融合。为了配合隧道智能检测系统总体开发要求，基于C#及.Net 技术开发的多维隧道智能检测系统软件，具备以下功能：

（1）软件可同时控制三台相机、陀螺仪、编码器、激光三维扫描仪的协调工作，实现了隧道全景的拍摄；

（2）软件可实现图像采集、图像显示、图像存储以及常用的图像处理功能，并提供数据库支持；

（3）软件可将采集图片保存为多种格式，同时支持图像灰度调整、平滑处理以及边缘锐化等处理；

（4）软件能够实时显示每台线阵相机已存图像的数量、未上传的图像数量以及每张图像的像素。如图3、图4所示。

表1

图3

图4

图5

图6

4 现场测试

研发的该系统已部署在隧道智能快速检测车上，自2017年6月投入使用以来，已完成国内多条高速公路的隧道检测任务，累计检测隧道180 座、单洞累计360 公里，合同额约238 万元。以阳泉至娘子关一级公路水峪至娘子关段苇泽关隧道为例，利用该检测系统形成的报告如表1所示，隧道断面图如图6所示，与人工检测的吻合度为99%。

5 结语

本文自主研发的基于机器视觉的公路隧道图像快速采集系统，集机器视觉、惯性导航、激光测量等多种先进技术于一体，可完成对隧道表面状态细节的高清图像采集，匹配智能化的计算机识别软件，满足各种等级公路隧道的日常、定期、专项检测要求。该系统检测速度快，不影响隧道内的正常交通行驶，大幅提高了检测效率、摆脱了传统检测方式因交通封闭所造成的各种不利影响，有很好的应用前景。