杨宏燕（上海隧道工程有限公司，上海 200233）

盾构法隧道施工过程中，盾构千斤顶支撑成环管片端面，成环管片的外圆与盾壳内圆之间的距离称为盾尾间隙。是否及时正确掌握盾尾间隙数据是盾构纠偏和管片定位操作决策的重要依据之一。目前隧道施工主要采用人工测量的方法获得盾尾间隙数据。人工测量盾尾间隙的基本测点一般位于成环管片平面的正交轴线上。每推完一环和拼完管片各测量一次。人工测量数据的正确性与盾尾间隙测点的光线、视角、视距相关，且与测量者设置直尺的垂直度相关。因此，人工测量盾尾间隙数据的正确性具有一定离散型。

近年来，某些盾构制造商在盾构测控系统中配置了定制的盾尾间隙检测装置，但均未有效解决恶劣检测环境适应性的技术难题。研制纯机器视觉盾尾间隙检测装置的目的是期望解决盾尾间隙检测装置现有技术的共性难题，对促进盾尾间隙检测装置环境适应性的研究具有积极意义。

1 盾尾间隙自动检测技术发展状况

盾尾间隙自动检测装置按检测原理可划分为机械传动原理、激光原理、机械激光原理、超声波原理、线激光视觉原理与纯视觉原理等。

（1）机械传动原理检测装置。日本三菱公司、IHI 公司早期开发机械原理盾尾间隙自动检测装置，传动结构夹持电子检测装置伸入盾壳与管片之间测出盾尾间隙数值。现场应用常会发生盾尾油脂污染或同步注浆浆液固化检测装置传动结构的故障。

（2）激光原理检测装置。英国 VMT 公司早期开发 SLuM激光盾尾间隙检测装置，缺陷是受管片拼装机工作方式限制，无法安装在盘式拼装机的盾构上。

（3）机械激光原理检测装置。上海盾构设计实验研究中心有限公司开发的激光机械式盾尾间隙自动检测装置安装在推进千斤顶根部，带激光测距仪的旋转编码器搜索管片边缘，根据测距和转角信息计算盾尾间隙。该装置限于非掘进状态检测。

（4）超声波原理检测装置。德国海瑞克公司在上海市北横通道盾构的盾尾内圆结构表面配置超声波传感器。当发射端和接收端之间受盾尾油脂或浆液污染后存在可靠性问题。

（5）线激光视觉原理检测装置。日本 ENZAN KOUBOU公司开发的线激光视觉原理盾尾间隙自动检测装置安装在推进千斤顶根部，计算机根据千斤顶行程跟踪线激光位置，由视觉软件判定激光线条的位置变化。但未见实际应用现场环境适应性的相关文献。

（6）纯视觉原理检测装置。早期 STEC 公司开发的纯视觉原理盾尾间隙自动检测装置安装在千斤顶头部的极楦上，掘进过程中图像的管片位置始终恒定，但盾尾内侧相对管片无可靠位置信息。

机械传动原理、激光原理、机械激光原理、超声波原理与线激光视觉原理这 5 种检测原理的装置在施工现场理想工况条件下均能成功应用，但在恶劣环境或特殊工况条件下未必能成熟应用。早期开发的纯视觉原理检测装置未解决纯视觉原理盾尾间隙检测装置的关键技术难题。

2 研制纯机器视觉盾尾间隙检测装置的关键技术

2.1 总体技术方案

采用 0.5 英寸 CCD 网络摄像机作为机器视觉传感器。定焦镜头焦距为 6.2 mm，视场角（H/O/V）57°/47°/37°，调焦景深范围 600～2 800 mm。摄像机保护等级 IP 65。摄像机安装在 2 个千斤顶根部之间的盾构本体钢结构上，可避免盾尾油脂和注浆浆液污染。在盾壳无可靠参照物工况下，以摄像机 CCD 坐标系为基准，辨识和判断管片特征边在 CCD坐标系上的位置变化，由此计算出盾尾间隙。

2.2 关键技术

针对无可靠参照物的运动管片在图像上近大远小、现场各种光污染对机器视觉检测干扰等难题，构建纯机器视觉盾尾间隙检测装置主要功能模块，具体如图 1 所示。机器视觉管片边界提取方法旨在克服环境变化光干涉，以提高管片特征边界图数转换的有效性。纯机器视觉盾尾间隙检测方法以CCD 坐标系为基准，在垂直运动物距条件下解析平面移动管片对应的盾尾间隙数值。自动跟踪视觉目标区域方法是抑制摄像机安装位置及视图失真引起的盾尾间隙检测误差。管片图像特征边界点网格过滤方法是规避视图中的各种视觉干扰因素。本文重点分析中间 3 个功能模块的关键技术。

图1 纯机器视觉盾尾间隙检测装置主要功能模块

3 纯机器视觉盾尾间隙检测方法

由于视觉图像中的盾构内壳无可靠参考位置信息，因此利用摄像机安装位置与盾尾内壳相对静止特点，建立基于CCD 坐标系的盾尾间隙解算方法。

3.1 建立 CCD 坐标系

建立以 CCD 图素中心为基准的直角坐标系。图像中管片二边像素和是管片左边和右边像素的绝对值之和，其计算公式如式（1）所示。

式中：Y—图像中管片二边像素之和；

L—CCD 纵轴中心到管片左边界的像素值绝对值；

R—CCD 纵轴中心到管片右边界的像素值。

3.2 管片物距与管片二边像素和的关系

管片物距与图像中管片二边像素之和的定量关系如式（2）所示。

式中：Y—图像中管片二边像素之和；

b—像素系数；

x—千斤顶的实际长度，mm；

a—摄像机安装的位置系数。

在千斤顶近距离 (x0) 时，人工获得管片二边像素和(Y0)；在千斤顶远距离 (x1) 时，人工获得管片二边像素和(Y1)，分别将 (x0，Y0)、(x1，Y1) 代入式（2），解联立方程得a、b，如式（3）、（4）所示。

3.3 求解盾尾间隙的值

可利用式（2）求得有效物距范围视图中管片二边的像素和 (Y)，则式（5）或式（6）只需一条管片边的像素值，就能得到所测管片间隙的结果。式（5）适用仅有管片左边像素值 (L)、式（6）适用仅有管片右边像素值 (R)。

式中：d—盾尾间隙计算结果;

dz—动态零点（由人工初始化标定确定）；

h—管片厚度，mm。

3.4 标定动态零点

盾尾间隙零点随掘进距离动态变化。盾尾间隙零点标定时，分别将近距离 (x0) 人工测量盾尾间隙 (dm0) 值和远距离(x1) 人工测量盾尾间隙 (dm1) 值分别代入式（5）的d，得公式（7）～（10）。

4 自动跟踪视觉目标区域方法

针对摄像机定位产生的管片特征边界信息点的水平、高程、旋转方向偏差的技术难题，建立视觉工具自动跟踪目标区域方法，使视觉软件控件工具在视图中直接进入管片边界特征点区域搜索。最终可自动适应视场方向、视角旋转等安装误差因素，提高图数辨识的效率。

4.1 特征边界目标区域跟踪定位

同理，由人工确认近距离 (x0) 管片边界特征点的高程分量像素值 (ζ0)，远距离 (x1) 确认该管片边界特征点的高程分量新的位置像素值 (ζ1)。可求管片边界特征点的高程分量跟踪定位值，如式（13）、（14）所示。

4.2 定义工具尺寸

在初始化参数集中，定义近距离工具宽度tw0（像素值），远距离工具宽度tw1（像素值），宽高比tk，计算公式如式（15）～（17）所示。

4.3 特征边界点跟踪方式

5 管片网格边界特征点过滤方法

建立管片网格边界特征点过滤方法，其意义在于可过滤现场若干杂光等图形干扰信息，提高盾尾检测可靠性。

5.1 网格边界特征点定义

（1）利用有效可视边界。除了管片内外径在图像上的左右两条边外，图像上的管片防水胶条边界可以利用。仅利用胶条边界求盾尾间隙的方法，如式（18）所示。

hr—胶条右边界到管片右边界的距离。

（2）网格边界特征点数组。设j为有效检测边(j=1～3)，j=1 为管片左边界L、j=2 为贴在管片上的橡胶条右边Lr，j=3 为管片右边界R。设k为每条边测点高度的层次，k=1 为上 1 F、k=2 为上 2 F、k=3 为上 3 F、k=4为中层、k=5 为下 1 F、k=6 为下 2 F、k=7 为下 3 F。由此，管片网格边界任一有效特征点的检测信息可由下标 [j,k]的二维数组定义。

5.2 网格边界特征点初始参数

由于摄像机平面、高程和旋转视角安装误差会引起视图失真，因此对管片网格中每个边界特征点分别进行标定，记录标定千斤顶近距离 (x0) 信息。标定确认或求出下列标定数组参数如表 1 所示。

表1 标定数组变量定义

5.3 仅用 1 个网格边界特征点求解盾尾间隙

用表 1 标定数组变量代入式（2）、（1 0）、（5）～（7）、（1 8）的相应变量，求得管片网格边界特征点的盾尾间隙集群输出，计算公式为式（19）～（21）。

式（19）～（21）中的数组变量定义参考式（6）、（7）、（18）的相应变量解释。

5.4 网格化盾尾间隙检测集群数据的筛选

可采用重心法筛选网格化盾尾间隙 21 个节点的检测数据，得出视觉图像当前周期盾尾间隙检测结果。

6 工程应用情况

掘进 6 环的 5 个受检测点的统计数据反映盾尾间隙自动检测装置的精度 ＜ 4 mm，符合工程实际应用需求。

7 结 语

（1）研制成果具有较高的技术创新质量。示范工程应用数据结果反映所研制的纯机器视觉盾尾间隙自动检测装置的技术创新点具有明显的工程应用实际效果。① 建立的“前后运动管片图像的盾尾间隙检测方法”最少由管片1个有效边界特征点信息就可解算出盾尾间隙，避免了变化物距产生的计算误差，提高了检测结果的正确性。② 建立的“图像特征点网络过滤方法”具有规避管片上潮湿痕迹、管片上文字痕迹、防水条不规则状态、施工环境局部炫光、强逆光等干扰因素，提高了环境适应性。③ 建立的“图像特征点自动跟踪方法”抑制了安装位置“倾斜” “旋转”因素产生的视图位置失真引起的检测误差，提高了现场调试维护的效率。

（2）可进一步优化的技术措施。① 可适当提高摄像机的CCD 像素值。② 现场照明可采取格栅防炫光辅助措施。

纯机器视觉盾尾间隙自动检测装置应用软件的核心算法，在上海市北横通道东线施工应用过程中结合现场工况不断深化、细化和优化。由第三方专业单位在北横通道东线 1 398 环～2 000 环之间取 6 环进行人工精测，结果与机器实测记录数据对比。共测试 5 个盾尾间隙检测装置（1号～2 号，5 号～7 号）。安装在盾构上部 7 号盾尾间隙检测位置的检测数据分析结果如表 2 所示。

表2 7 号摄像机盾尾间隙检测数据正确性分析表 mm