CN105423940B - 一种地铁隧道结构断面变形快速检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地铁隧道结构断面变形快速检测装置，包括：轨道行走机构(1)，设置于地铁轨道上，采集中心(2)，设置于轨道行走机构(1)上；所述轨道行走机构(1)为T字型行走平台，包括横轴(11)、纵轴(12)和立柱(13)，所述横轴(11)与纵轴(12)连接形成T字型平台，该T字型平台底部设有踏面车轮(16)，所述立柱(13)一端横轴(11)垂直连接，另一端上用于设置采集中心(2)的操作平台(14)，所述采集中心(2)包括点阵激光结构光源(21)、工业定焦相机(22)和电脑，所述电脑与工业定焦相机(22)连接。与现有技术相比，本发明能够有效克服断面变形检测结果数据之间彼此参照、因为运动造成检测数据不稳定的问题。

Description

一种地铁隧道结构断面变形快速检测装置

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种用于地铁隧道结构断面变形快速检测的装置，尤其涉及采用点阵激光作为辅助结构光源的一种地铁隧道结构断面变形快速检测装置。

背景技术

为了缓解城市交通，国内许多城市都在进行地铁建设，尤其是在北京，上海、广州和深圳这样的人口稠密、经济发达的大型城市中。据统计，到2020年，国内城市轨道交通总里程预计将达到约6100公里。

地铁隧道在使用过程中，断面变形是无法避免的病害现象，而且随着病害的长期发展对隧道的安全性造成不可逆转的负面影响。尤其是在软土地质环境中的地铁工程。因此，在地铁运营中对隧道结构的维护视为保障隧道长期运营安全性的必要手段。而隧道病害的检测则是隧道维护决策和技术手段开展的基础。

传统的隧道结构断面变形的检测通常是采用全站仪的方法。实际操作中，有人工安装全站仪，经过调平而后量测，完成一个隧道结构断面变形检测工作需要大约25分钟时间。因此，地铁隧道中，通常是每5个断面才进行1次检测。在每天只有2个小时的地铁运营间隔时间内，工作开展成效极为有限。在小规模里程检测需求下，该方法尚能满足需求，在应对大量工程检测之时就显得力不从心。即使在大量人员和设备参与的情况下，整个地铁网络完成1个检测循环需要半年以上的时间。这样的方法根本无法满足未来地铁网络运营安全保障的需求。

近年来，国内外对隧道结构维护日渐重视起来，相继研发基于不同原理的隧道检测设备。瑞士AMBERG公司开发了GRR5000和TunnelMap系列隧道检测系统，该系统采用车载式激光扫描仪对隧道进行检测，能够得到隧道断面变形的图像，结果文件极大容量，不能够给出断面变形的几何参数，需要人工判读；德国SPACETEC公司开发了SPACETEC TS3隧道快速扫描检测系统，据该公司宣传资料称该系统可安装在任何检测车上，用来检测隧道衬砌渗水病害；瑞典Berg Bygg Konsult(BBK)AB公司的研究人员利用三维地面激光扫描系统对隧道渗漏水病害进行探测；法国HGH红外系统公司研制了ATLAS 70多传感器隧道无损检测系统，也可进行隧道渗水病害检测。同济大学研发的一种用于运营地铁隧道结构病害综合快速检测装置(201410495172.0，ZL201420554338.7)能够检测包括渗漏水病害和断面变形的，其中断面变形检测采用环向单线激光作为结构光源与摄像机配合完成检测工作。但是，采用该装置获取的每环断面变形的几何参数之间是单一的、独立的和相对的，没有形成关联坐标系。从该装置整个工作过程来看，运动状态对于结果还是有影响的。

总的来说，国外的设备首先是价格极其昂贵，而且功能都不够全面，性价比较低。国内的检测设备在检测项目、检测精度，总体工效以及技术成熟度上，都尚有的欠缺，因此目前尚未见到市场上完善成型国产设备推出。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种地铁隧道结构断面变形快速检测装置，有效克服断面变形检测结果数据之间彼此参照、因为运动造成检测数据不稳定的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种地铁隧道结构断面变形快速检测装置，包括：

轨道行走机构，设置于地铁轨道上，

采集中心，设置于轨道行走机构上；

所述轨道行走机构为T字型行走平台，包括横轴、纵轴和立柱，所述横轴与纵轴连接形成T字型平台，该T字型平台底部设有踏面车轮，所述立柱一端与横轴垂直连接，另一端上用于设置采集中心的操作平台，

所述采集中心包括点阵激光结构光源、工业定焦相机和电脑，所述电脑与工业定焦相机连接；

所述轨道行走机构沿地铁轨道前进时，工业定焦相机采集地铁轨道在点阵激光结构光源下的成像数据传输给电脑，电脑接收并处理成像数据获得地铁隧道结构断面的变形。

所述横轴与纵轴通过滑槽相连接形成T字型平台，且横轴与纵轴的上表面位于同一平面上。

所述T字型平台的三个端部上表面分别设有用于建立关联坐标平面的关联坐标标记。

所述点阵激光结构光源为点阵激光器。

处理成像数据获得地铁隧道结构断面的变形时，通过以下方式实现坐标转换：

根据点阵激光结构光源和工业定焦相机构建地铁隧道结构断面变形的局部三维坐标系，同时根据轨道行走机构及其上的关联坐标标记构建关联坐标系，通过关联坐标系将局部三维坐标系中的点转换至全局三维坐标系，在全局三维坐标系下实现地铁隧道结构断面的变形检测。

所述采集中心还包括环形支撑架、控制卡、电源、数据交接机和编码器，所述环形支撑架设于操作平台上，所述点阵激光结构光源、工业定焦相机和控制卡固定于环形支撑架上，所述电源和编码器设于横轴中，所述电源分别连接编码器、工业定焦相机、控制卡和数据交接机，所述控制卡分别连接编码器和工业定焦相机，所述工业定焦相机通过数据交接机与电脑连接；

控制卡根据编码器的电子脉冲激活工业定焦相机，工业定焦相机采集地铁轨道在点阵激光结构光源下的成像数据，数据交接机将所采集的成像数据传输给电脑。

所述工业定焦相机设有多个，沿环形支撑架的环形边缘依次排列设置，所述工业定焦相机的固定位置与工业定焦相机拍摄的隧道内图像信息的环向角度相对应。

所述横轴上设有用于放置电源和编码器的凹槽，所述电源的电源线及编码器的信号线隐蔽布置于凹槽内和立柱内。

所述立柱采用插槽方式与横轴连接，所述环形支撑架采用插槽方式与操作平台连接。

所述横轴上设有推行手柄。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过车载平台的运动激活检测装置完成对断面变形检测指标的拍摄，配以针对本装置开发的专有的处理软件进行断面变形的计算和分析。每次拍摄、计算和分析的循环过程可获取以三维坐标表示的单断面变形信息，此单断面变形信息是以工业定焦相机和点阵激光结构光源构成的局部三维坐标系表示的。单断面变形信息通过T字型轨道行走平台上的坐标关联标识构成的关联坐标平面转换到全局坐标系(通常是大地坐标系)。以工业定焦相机和点阵激光结构光源构成的局部三维坐标系与坐标关联标识构成关联坐标平面以及全局坐标系(通常是大地坐标系)之间的转换关系则可通过标定获取。该装置能够极大的加快运营地铁隧道结构断面变形的检测速度和数据处理速度，不但能够解决了人工价差效率低和信息反馈周期长的问题，同时还能够克服断面相对变形不可比较的问题，为地铁隧道结构病害的检测提供新的检测技术，更加有效的保障了地铁运维的决策速度和地铁结构的安全。

(2)本发明通过采用工业定焦相机和点阵激光结构光源构建地铁隧道结构断面变形的局部三维坐标系，采用T字型轨道行走平台以及设置于其表面上的关联坐标标识建立关联坐标平面，克服断面变形检测结果数据之间彼此参照的问题，并通过关联坐标平面转换到全局坐标系(通常是大地坐标系)，同时，断面变形在三维坐标体系下可使检测数据脱离运动状态，克服因为运动造成检测数据不稳定的问题。

(3)本发明采用T字型轨道行走平台，有三个踏面车轮，也可以认为是三个点接触轨道，这样在行走平台运行的时候，三个点都不会脱离轨道；“T”字型可以保证接触轨道的三个点一定会在同一平面上，因为，在几何上，三点确定一个平面，是该装置坐标系转换能够实现的最佳方法。而现有的“工”字型轨道行走平台也四个个接触点，在行走平台运行的时候，有可能会有一个轮不接触轨道的，而且，在几何上，四个点未必在同一平面内，不易实现坐标系的转换。

(4)本发明采用点阵激光器作为结构光源，能更好地获取地铁隧道内的成像数据，以提高变形检测的精确度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明工业定焦相机的设置示意图；

图3为本发明点阵激光器的设置示意图；

图4为本发明坐标转换示意图。

图中标号：1、轨道行走机构，2、采集中心，11、横轴，12、纵轴，13、立柱，14、操作平台，15、关联坐标标记，16、踏面车轮，17、推行手柄，18、凹槽，21、点阵激光结构光源，22、工业定焦相机，23、环形支撑架，24、控制卡，25、电源，26、数据交接机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种地铁隧道结构断面变形快速检测装置，包括轨道行走机构1和采集中心2。轨道行走机构1设置于地铁轨道上，轨道行走机构1为T字型行走平台，包括横轴11、纵轴12和立柱13，横轴11与纵轴12通过滑槽相连接形成T字型平台，且横轴11与纵轴12的上表面位于同一平面上，该T字型平台底部设有三个踏面车轮16，立柱13一端通过插槽与横轴11垂直连接，另一端上用于设置采集中心2的操作平台14，T字型平台的三个端部上表面分别设有用于建立关联坐标平面的关联坐标标记15。横轴11上设有推行手柄17。

采集中心2包括点阵激光结构光源21、工业定焦相机22、电脑、环形支撑架23、控制卡24、电源25、数据交接机26和编码器，环形支撑架23设于操作平台14上，点阵激光结构光源21、工业定焦相机22和控制卡24固定于环形支撑架23上，电源25和编码器设于横轴11中，电源25分别连接编码器、工业定焦相机22、控制卡24和数据交接机26，实现供电，控制卡24分别连接编码器和工业定焦相机22，工业定焦相机22通过数据交接机26与电脑连接。

环形支撑架23在采集中心起固定各个部件的功能；工业定焦相机22主要是拍摄点阵激光器照射在隧道结构上的图像信息；编码器的功能是通过转动生成电子脉冲，并把电子脉冲传递给控制卡24；控制卡24内部写入有控制程序，收集编码器发出的电子脉冲并判断，如果达到了控制程序设定的判定标准，那么控制卡将向工业定焦相机发送触发脉冲信号，提供工业定焦相机22的触发信号；数据交换机26收集和传输来自工业定焦相机22采集的图像信息；电源25提供控制卡24和编码器工作电源，存储数据交换机26传递的工业定焦相机22采集的隧道图像信息。

如图2所示，本实施例中，工业定焦相机22设有4个，沿环形支撑架23的环形边缘依次排列设置。工业定焦相机22在环形支撑架23的环向分布必须是固定，工业定焦相机22的固定位置是为了能够准确定位工业定焦相机22拍摄的隧道内图像信息的环向角度。点阵激光结构光源21为点阵激光器，设有1个。

横轴11上设有用于放置电源25和编码器的凹槽18，电源25的电源线及编码器的信号线布置于凹槽18内和立柱13内，编码器是放置在横轴11的端部，同时与横轴11上的踏面车轮16是无差动连接，随横轴11的踏面车轮16转动。

立柱13采用插槽方式与横轴11连接，环形支撑架23采用插槽方式与操作平台14平台连接。横轴11插槽内设置有插头，立柱13两端设置有插头，环形支撑架23底部设置有插头。立柱13内部设置有导线连接两端插头，横轴11、立柱13和环形支撑架23插头均含有连接电源25的电源线插孔和连接编码器5的信号线插孔。横轴11与立柱13通过插槽连接时连通电源25和编码器。操作平台14与环形支撑架23通过插槽连接时连通电源25和编码器。

本实施例中，上述装置中各部件的尺寸如下：横轴长度1460mm，断面形状为宽146×高150mm，一端安装带轴踏面车轮；纵轴长度600mm，断面形状为宽146×高150mm，两端安装带轴踏面车轮，轮中心距为450mm；立柱高度立柱高815mm，断面形状为140×140mm正方形，立柱两端分别设置有插头滑槽长度为50mm，而且在相对面滑槽分别为单双分布；环形支撑架外径400mm。

本装置的工作原理是：轨道行走机构1沿地铁轨道前进时，控制卡24根据编码器的电子脉冲激活工业定焦相机22，工业定焦相机22采集地铁轨道在点阵激光结构光源21下的成像数据，数据交接机26将所采集的成像数据传输给电脑，电脑获取并处理成像数据获得地铁隧道结构断面的变形。

处理成像数据获得地铁隧道结构断面的变形时，通过以下方式实现坐标转换：根据点阵激光结构光源21和工业定焦相机22构建地铁隧道结构断面变形的局部三维坐标系，同时根据轨道行走机构1及其上的关联坐标标记15构建关联坐标系，通过关联坐标系将局部三维坐标系中的点转换至全局三维坐标系，在全局三维坐标系下实现地铁隧道结构断面的变形检测。具体坐标转换的逻辑关系如图4所示：

O为地铁隧道中全局坐标系(通常是大地坐标系)的点，G1为固定于横轴11踏面轮端的坐标关联标识，G2、G3为固定于纵轴12踏面轮两端的坐标关联标识，O1为以工业定焦相机22和点阵激光结构光源构成的局部三维坐标系的虚拟原点。O为已知的坐标点。G1G2、G2G3和G1G32之间的长度关系和空间关系在装置制作完成为即为已知，而且通过G1、G2、G3构成的三条线在同一平面。通过量测OG1、OG2、OG3之间的长度和夹角关系即可确定G1、G2和G3的空间坐标。从全局坐标点O到G1、G2和G3的空间坐标之间的换算关系仅与OG1、OG2、OG3之间的长度和夹角有关，可形成固定的换算关系。O1为局部三维坐标系的虚拟原点，通过标定O1、G1、G2和G3的之间关系，就能够得出固定的坐标转换关系。因此，在每次采用该装置进行隧道结构断面变形量测前，选取地铁隧道中已知全局坐标系(通常是大地坐标系)的点O，量取OG1、OG2、OG3之间的长度和夹角关系即可知道G1、G2和G3的空间坐标，从而可得知O1以及以O1为局部坐标原点的隧道结构的全局空间坐标。

本发明目前针对的是解决地铁隧道结构断面变形的快速检测问题。通过发明人对该装置及其工作原理的系统研究，不但能够实现快速检测的功能，同时还解决了连续检测时不同断面数据关联，以及向全局坐标系(通常是大地坐标系)坐标转换的问题。实际上，本发明装置及其背后的基本思路也可用于其他领域的检测工作及其装置研发中。

因此，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对该装置做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的说明例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地铁隧道结构断面变形快速检测装置，包括：

轨道行走机构(1)，设置于地铁轨道上，

采集中心(2)，设置于轨道行走机构(1)上；

其特征在于，

所述轨道行走机构(1)为T字型行走平台，包括横轴(11)、纵轴(12)和立柱(13)，所述横轴(11)与纵轴(12)连接形成T字型平台，该T字型平台底部设有踏面车轮(16)，所述立柱(13)一端与横轴(11)垂直连接，另一端上用于设置采集中心(2)的操作平台(14)，通过T字型行走平台以保证接触轨道的三个点一定在同一平面上；

所述采集中心(2)包括点阵激光结构光源(21)、工业定焦相机(22)和电脑，所述电脑与工业定焦相机(22)连接；

所述轨道行走机构(1)沿地铁轨道前进时，工业定焦相机(22)采集地铁轨道在点阵激光结构光源(21)下的成像数据传输给电脑，电脑接收并处理成像数据获得地铁隧道结构断面的变形；

所述点阵激光结构光源(21)为点阵激光器；

处理成像数据获得地铁隧道结构断面的变形时，通过以下方式实现坐标转换：

根据点阵激光结构光源(21)和工业定焦相机(22)构建地铁隧道结构断面变形的局部三维坐标系，同时根据轨道行走机构(1)及其上的关联坐标标记(15)构建关联坐标系，通过关联坐标系将局部三维坐标系中的点转换至全局三维坐标系，在全局三维坐标系下实现地铁隧道结构断面的变形检测。

2.根据权利要求1所述的地铁隧道结构断面变形快速检测装置，其特征在于，所述横轴(11)与纵轴(12)通过滑槽相连接形成T字型平台，且横轴(11)与纵轴(12)的上表面位于同一平面上。

3.根据权利要求1所述的地铁隧道结构断面变形快速检测装置，其特征在于，所述T字型平台的三个端部上表面分别设有用于建立关联坐标平面的关联坐标标记(15)。

4.根据权利要求1所述的地铁隧道结构断面变形快速检测装置，其特征在于，所述采集中心(2)还包括环形支撑架(23)、控制卡(24)、电源(25)、数据交接机(26)和编码器，所述环形支撑架(23)设于操作平台(14)上，所述点阵激光结构光源(21)、工业定焦相机(22)和控制卡(24)固定于环形支撑架(23)上，所述电源(25)和编码器设于横轴(11)中，所述电源(25)分别连接编码器、工业定焦相机(22)、控制卡(24)和数据交接机(26)，所述控制卡(24)分别连接编码器和工业定焦相机(22)，所述工业定焦相机(22)通过数据交接机(26)与电脑连接；

控制卡(24)根据编码器的电子脉冲激活工业定焦相机(22)，工业定焦相机(22)采集地铁轨道在点阵激光结构光源(21)下的成像数据，数据交接机(26)将所采集的成像数据传输给电脑。

5.根据权利要求4所述的地铁隧道结构断面变形快速检测装置，其特征在于，所述工业定焦相机(22)设有多个，沿环形支撑架(23)的环形边缘依次排列设置，所述工业定焦相机(22)的固定位置与工业定焦相机(22)拍摄的隧道内图像信息的环向角度相对应。

6.根据权利要求4所述的地铁隧道结构断面变形快速检测装置，其特征在于，所述横轴(11)上设有用于放置电源(25)和编码器的凹槽(18)，所述电源(25)的电源线及编码器的信号线隐蔽布置于凹槽(18)内和立柱(13)内。

7.根据权利要求4所述的地铁隧道结构断面变形快速检测装置，其特征在于，所述立柱(13)采用插槽方式与横轴(11)连接，所述环形支撑架(23)采用插槽方式与操作平台(14)连接。

8.根据权利要求1所述的地铁隧道结构断面变形快速检测装置，其特征在于，所述横轴(11)上设有推行手柄(17)。