CN109341573A - 一种隧道衬砌轮廓限界检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道衬砌轮廓限界检测系统，所述系统包括：限界检测采集设备，其配置为当自身在隧道内沿预设轨迹位移时获取隧道断面扫描结果，其中，所述预设轨迹与隧道走向一致；位移偏移采集设备，其配置为当所述限界检测采集设备在隧道内沿预设轨迹位移时，获取所述限界检测采集设备的实际位置相对于所述预设轨迹的位移偏移；融合处理设备，其配置为根据所述位移偏移对所述隧道断面扫描结果进行偏移补偿处理，获取隧道衬砌轮廓限界检测结果。相较于现有技术，本发明提出的系统不仅可以实现高精度的隧道衬砌轮廓限界检测，而且结构简单、硬件成本低，具有很高的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种隧道衬砌轮廓限界检测系统。
背景技术
在隧道工程领域，隧道内的设施状况直接影响到车辆运行安全。
由于铁路沿线工作环境恶劣，车辆的振动、建筑固件的松动、热胀冷缩都会导致隧道内建筑物变形或使得其他物体侵入隧道内部。而当有物体侵入隧道衬砌轮廓限界或隧道衬砌轮廓限界变形时，车辆将不能正常运行，严重时将造成运营事故。因此隧道衬砌轮廓限界必须进行经常性测试，以便发现安全隐患，及时整修。
目前，在铁路线路隧道限界检测中缺少高效的维护手段，由于限界变化具有突发性，传统的人工检测方式已经不能满足实际工作的需要。因此，研发一种实时、高速、高精度的隧道衬砌轮廓限界动态检测系统，将有助于节省人工、减少开支、提高效率，为轨道交通安全维护提供依据，提高铁路运行安全。
发明内容
针对上述问题，为了实时、高速地获取高精度的隧道衬砌轮廓限界，本发明提出了一种隧道衬砌轮廓限界检测系统，所述系统包括：
限界检测采集设备，其配置为当自身在隧道内沿预设轨迹位移时获取隧道断面扫描结果，其中，所述预设轨迹与隧道走向一致；
位移偏移采集设备，其配置为当所述限界检测采集设备在隧道内沿预设轨迹位移时，获取所述限界检测采集设备的实际位置相对于所述预设轨迹的位移偏移；
融合处理设备，其配置为根据所述位移偏移对所述隧道断面扫描结果进行偏移补偿处理，获取隧道衬砌轮廓限界检测结果。
在一实施例中：
所述限界检测采集设备配置为实时获取并输出当前位置对应的所述隧道断面扫描结果；
所述位移偏移采集设备配置为实时获取并输出当前位置对应的所述位移偏移；
所述融合处理设备配置为对所述隧道断面扫描结果以及所述位移偏移进行实时处理，实时获取当前位置的所述隧道衬砌轮廓限界检测结果。
在一实施例中：
所述限界检测采集设备配置为获取当前位置所在的隧道断面的隧道断面扫描结果；
所述位移偏移采集设备配置为获取所述限界检测采集设备当前位置所在的隧道断面上所述限界检测采集设备相对于所述预设位移轨迹的位移偏移。
在一实施例中，所述限界检测采集设备包含两个扫描方式为线扫描的激光扫描仪以及连接座，所述激光扫描仪配置为对隧道断面进行180°扫描，其中：
两个所述激光扫描仪的工作面朝外，其底面分别安装在所述连接座的两个侧面上；
所述连接座配置为保证两个所述激光扫描仪背对、工作面朝向不同的方向且扫描线在同一个平面上。
在一实施例中，所述连接座用于安装所述激光扫描仪的两个侧面倾斜且沿面向隧道顶部的方向不断靠近。
在一实施例中：
所述限界检测采集设备以及所述位移偏移采集设备配置为固定安装在可沿隧道内的轨道行驶的行驶机构上；
所述位移偏移采集设备配置为获取所述行驶机构在行驶过程中相对于轨道的左右偏移距离以及所述行驶机构所处平面相对于轨道面的偏移倾角。
在一实施例中，所述位移偏移采集设备包含：
位置关系测量装置，其配置为：
在所述行驶机构静止在所述轨道上时采集所述行驶机构与所述行驶机构所处的轨道部位间的初始位置关系；
在所述行驶机构行驶时采集所述行驶机构与所述行驶机构所处的轨道部位间的实时位置关系；
偏移计算装置，其配置为：
对比所述初始位置关系以及所述实时位置关系，获取所述行驶机构与轨面间的动态位置关系变化；
根据所述动态位置关系变化计算所述左右偏移距离以及所述偏移倾角。
在一实施例中，所述位置关系测量装置包括：
图像采集模块，其安装在所述行驶机构底部，配置为对所述行驶机构下方的轨道拍照；
计算模块，其配置为解析所述图像采集模块获取的图像，计算所述初始位置关系和所述实时位置关系。
在一实施例中，所述位置关系测量装置还包括照明模块，其中：
所述照明模块配置为照明所述轨道，在所述轨道上形成光条；
所述计算模块配置为从所述图像采集模块获取的图像中识别光条图像，获取光条对应的深度和位置，计算所述初始位置关系和所述实时位置关系。
在一实施例中，所述位移偏移采集设备包括分别针对左右导轨的两套位置关系测量装置。
相较于现有技术，本发明提出的系统不仅可以实现实时、高速、高精度的隧道衬砌轮廓限界检测，而且结构简单、硬件成本低，具有很高的实用价值。
本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明一实施例的系统结构简图；
图2根据本发明实施例的系统数据流示意图；
图3是根据本发明一实施例的限界检测采集设备部分结构剖面图；
图4是根据本发明一实施例的限界检测采集设备部分结构三维实体示意图；
图5是根据本发明一实施例的位移偏移采集设备部分结构剖面图；
图6是根据本发明一实施例的位移偏移采集设备部分结构三维实体示意图；
图7是根据本发明一实施例的位移偏移采集设备安装场景图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
针对现有技术中存在的问题，为了实时、高速、高精度的动态检测隧道衬砌轮廓限界，本发明提出了一种隧道衬砌轮廓限界检测系统。本发明的系统通过限界检测采集设备对隧道内衬砌轮廓进行扫描，获取隧道断面三维点云扫描结果，从而确认隧道衬砌轮廓限界。由于隧道具有一定的长度，在隧道内固定的一点上不可能对隧道内壁整体进行扫描，因此，在本发明提出的系统中，限界检测采集设备配置为沿隧道内预设轨迹移动，在移动过程中对隧道内壁整体实现扫描。
进一步的，在进行隧道衬砌轮廓限界检测时，为了确保检测精度以及检测结果的正确，需要构造基坐标系，也就是说在检测过程中，需要始终有一个具备明确的位置坐标的基准点，以该基准点为中心，确定隧道衬砌轮廓的位置坐标，从而了解隧道衬砌轮廓限界的状况，如果基准点的位置坐标发生定位偏差，那么获取的隧道衬砌轮廓限界的位置坐标也就必然不正确。
由于本发明的系统中，所有设备都安装在行驶机构上，因此可以方便的将行驶机构基坐标系原点作为基准点。限界检测采集设备和位移偏移采集设备在行驶机构上的安装位置已知，则各设备坐标系和行驶机构基坐标系的转换关系已知，限界检测采集设备和位移偏移采集设备获取的数据相对基准点的关系已知。
进一步的，考虑到在实际操作中，由于行驶机构行驶过程中发生振动，行驶机构相对轨道的位置将产生偏差，限界检测采集设备采集到的数据将含有误差。因此，在本发明的系统中，还构造了位移偏移采集设备，其配置为当限界检测采集设备在隧道内沿预设轨迹位移时，获取限界检测采集设备的实际位置相对于预设轨迹的位移偏移。
具体的，在一实施例中，如图1所示，隧道衬砌轮廓限界检测系统包括：
限界检测采集设备110，其配置为当自身在隧道内沿预设轨迹位移时获取隧道断面扫描结果，其中，预设轨迹与隧道走向一致；
位移偏移采集设备120，其配置为当限界检测采集设备在隧道内沿预设轨迹位移时，获取限界检测采集设备的实际位置相对于预设轨迹的位移偏移；
融合处理设备130，其配置为根据位移偏移对隧道断面扫描结果进行偏移补偿处理，获取隧道衬砌轮廓限界检测结果。
进一步的，在一实施例中，限界检测采集设备以及位移偏移采集设备固定安装在同一行驶机构上。这样，限界检测采集设备以及位移偏移采集设备相对行驶机构基坐标系的位置就固定绑定，位移偏移采集设备只需要获取自身或者行驶机构相对于预设轨迹的位移偏移就可以确定限界检测采集设备相对于预设轨迹的位移偏移。
进一步的，在一实施例中，限界检测采集设备以及位移偏移采集设备固定安装在可沿隧道内轨道行驶的行驶机构(例如隧道病害检测车)上。这样，就不需要特别的确定预设轨迹，只需要将轨道作为预设轨迹即可。位移偏移采集设备只需要获取行驶机构在轨道上行驶时相对于轨道的位移偏移(行驶时的振动偏移)即可。
具体的，在一实施例中，限界检测采集设备获取自身坐标系下的隧道断面扫描结果；再由限界检测采集设备在行驶机构上的安装位置，得到行驶机构基坐标系下的限界检测结果；通过GPS以及轨道布设位置定位行驶机构在大地坐标系下的位置，结合各坐标系的转换，得到大地坐标系下的限界检测结果；融合处理设备结合位移偏移采集设备获取的行驶机构的位移偏移进行补偿处理，就可以获取高精度的隧道衬砌轮廓限界检测结果。
进一步的，在一实施例中，限界检测采集设备配置为实时获取并输出当前位置对应的隧道断面扫描结果；位移偏移采集设备配置为实时获取并输出当前位置对应的位移偏移；融合处理设备配置为对隧道断面扫描结果以及位移偏移进行实时处理，实时获取当前位置的隧道衬砌轮廓限界检测结果。这样，不仅提高了隧道衬砌轮廓限界检测的实时性，而且，不需要在限界检测采集设备以及位移偏移采集设备上构造复杂的数据存储以及数据处理单元，大大提高了系统的稳定性，降低了系统的维修难度。
进一步的，在一实施例中，融合处理设备不安装在行驶机构上，限界检测采集设备以及位移偏移采集设备通过有线或无线方式向融合处理设备传输数据。
具体的，在一实施例中，融合处理设备至少包括通讯单元以及处理主机，利用现场或网络服务器构造处理主机，通讯单元安放在隧道内，其接收来自限界检测采集设备以及位移偏移采集设备的数据并把数据转发到处理主机。
进一步的，在一实施例中，如图2所示，限界检测采集设备210以及位移偏移采集设备220通过现场总线实时将数据传输到融合处理设备230。融合处理设备230的处理主机231接收限界检测采集设备210、位移偏移采集设备220获取的数据，进行数据处理分析，实现实时在线检测功能，并最终输出到打印设备232以及显示设备233进行显示以及打印报表等功能。
进一步的，隧道衬砌轮廓指的是隧道的整个内壁衬砌表面的轮廓，相比常用的一维点激光扫描，线扫描采集点云的速度更快，能够直接、方便、快捷地获取隧道衬砌轮廓高精度三维点云数据，提高了扫描的效率和准确性。因此，在一实施例中，将针对隧道内壁多个隧道断面的线扫描结果进行处理，快速获取隧道衬砌轮廓界限检测状况。
具体的，在一实施例中，限界检测采集设备配置为获取当前位置所在的隧道断面的隧道断面扫描结果。这样，在限界检测采集设备位置改变的同时持续获取不同的隧道断面的隧道断面扫描结果，组合后就相当于整个隧道内壁的扫描结果。对应的，位移偏移采集设备配置为获取限界检测采集设备当前位置所在的隧道断面上限界检测采集设备相对于预设位移轨迹的位移偏移(例如，只需要考虑上下以及左右位移偏移，不需要考虑前后位移偏移)。这样，就相当于把三维的空间数据简化为了二维的平面数据，大大降低了数据处理以及数据采集难度。
具体的，在一实施例中，限界检测采集设备采用扫描方式为线扫描的激光扫描设备。
进一步的，考虑到激光扫描设备一般存在扫描角度范围限制，因此，在一实施例中，采用多个激光扫描设备组合的方式以实现一次性的对一个隧道断面的全部隧道衬砌轮廓限界进行扫描。
具体的，在一实施例中，限界检测采集设备包含两个扫描方式为线扫描的激光扫描仪以及连接座，每个扫描仪都能对隧道断面进行180°扫描，从而实现对隧道全断面的检测。其中：
两个激光扫描仪的工作面朝外，其底面分别安装在连接座的两个侧面上；
连接座配置为保证两个激光扫描仪背对、工作面朝向不同的方向且扫描线在同一个平面(同一隧道断面)上。
进一步的，考虑到在实际环境中，隧道衬砌轮廓限界的扫描不需要对隧道底部进行扫描，为了保证两个激光扫描仪的扫描范围完全覆盖隧道顶部以及侧壁，尤其的，在隧道顶部，两个激光扫描仪的扫描范围的结合处不会出现遗漏部分，在一实施例中，连接座用于安装三维激光扫描仪的两个侧面倾斜且沿面向隧道顶部的方向不断靠近。
如图3所示，在一实施例中，图3为限界检测采集设备部分结构的剖面图，包含两个激光扫描仪(301以及302)以及连接座303。连接座303的剖面为上窄下宽的梯形，两个激光扫描仪301以及302安装在梯形的两个侧边上。
进一步的，在一应用实例中，包含两个激光扫描仪(401以及402)以及连接座403的限界检测采集设备部分结构的三维实体示意图如图4所示。
具体的，在一实施例中，采用两个激光扫描仪，激光光源照射隧道内壁，通过连续发射激光束的方式对被测物体或背景进行二维平面测量，得到扫描仪坐标系下的限界检测结果；再由包括扫描仪在内的限界检测采集设备在行驶机构上的安装位置，得到行驶机构坐标系下的限界检测结果；最后通过GPS定位以及轨道位置定位行驶机构在大地坐标系下的位置，结合各坐标系的转换，得到大地坐标系下的隧道衬砌轮廓限界。
进一步的，在一实施例中，限界检测采集设备以及位移偏移采集设备配置为固定安装在可沿所述隧道内的轨道行驶的行驶机构上。考虑到位移偏移采集设备配置为获取限界检测采集设备当前位置所在的隧道断面上限界检测采集设备相对于预设位移轨迹的位移偏移，而行驶在轨道上的行驶机构其位置偏移主要是由于振动导致的左右位置错位以及重心偏移，因此，在一实施例中，位移偏移采集设备配置为获取行驶机构在行驶过程中相对于轨道的左右偏移距离以及行驶机构所处平面相对于轨道面的偏移倾角。
具体的，在一实施例中，位移偏移采集设备包含：
位置关系测量装置，其配置为：
在行驶机构静止在轨道上时采集行驶机构与行驶机构所处的轨道部位间的初始位置关系；
在行驶机构行驶时采集行驶机构与行驶机构所处的轨道部位间的实时位置关系；
偏移计算装置，其配置为：
对比初始位置关系以及实时位置关系，获取行驶机构与轨面间的动态位置关系变化；
根据动态位置关系变化计算左右偏移距离以及偏移倾角。
进一步的，在一实施例中，为了提高位移偏移采集设备的测量精度，位移偏移采集设备包括分别针对左右导轨的两套位置关系测量装置。
进一步的，在一实施例中，通过图像分析确定拍照位置与轨道间的位置关系。具体的，在一实施例中，位置关系测量装置包括：
图像采集模块，其安装在行驶机构底部，配置为对行驶机构下方的轨道拍照；
计算模块，其配置为解析图像采集模块获取的图像，计算行驶机构与轨道间的初始位置关系和实时位置关系。
进一步的，在一实施例中，位置关系测量装置还包括照明模块，其中：
照明模块配置为照明所述轨道，在所述轨道上形成光条；
图像采集模块配置为拍摄所述轨道上的光条图像；
计算模块配置为从图像采集模块获取的图像中识别光条图像，获取光条对应的深度和位置，计算行驶机构与轨道间的初始位置关系和实时位置关系。
如图5所示，在一实施例中，图5为包含两个图像采集模块(501以及502)以及一个照明设备(503)的两套位置关系测量装置的剖面图。
进一步的，在一应用实例中，包含两个图像采集模块(601以及602)以及一个照明设备(603)的两套位置关系测量装置的三维概念示意图如图6所示。
进一步的，在一应用实例中，包含两个图像采集模块(701以及702)以及一个照明设备(703)的两套位置关系测量装置的实际场景图如图7所示。
相较于现有技术，本发明提出的系统不仅可以实现高精度的隧道衬砌轮廓限界检测，而且结构简单、硬件成本低，具有很高的实用价值。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种隧道衬砌轮廓限界检测系统，其特征在于，所述系统包括：
限界检测采集设备，其配置为当自身在隧道内沿预设轨迹位移时获取隧道断面扫描结果，其中，所述预设轨迹与隧道走向一致；
位移偏移采集设备，其配置为当所述限界检测采集设备在隧道内沿预设轨迹位移时，获取所述限界检测采集设备的实际位置相对于所述预设轨迹的位移偏移；
融合处理设备，其配置为根据所述位移偏移对所述隧道断面扫描结果进行偏移补偿处理，获取隧道衬砌轮廓限界检测结果。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述限界检测采集设备配置为实时获取并输出当前位置对应的所述隧道断面扫描结果；
所述位移偏移采集设备配置为实时获取并输出当前位置对应的所述位移偏移；
所述融合处理设备配置为对所述隧道断面扫描结果以及所述位移偏移进行实时处理，实时获取当前位置的所述隧道衬砌轮廓限界检测结果。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所述限界检测采集设备配置为获取当前位置所在的隧道断面的隧道断面扫描结果；
所述位移偏移采集设备配置为获取所述限界检测采集设备当前位置所在的隧道断面上所述限界检测采集设备相对于所述预设位移轨迹的位移偏移。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述限界检测采集设备包含两个扫描方式为线扫描的激光扫描仪以及连接座，所述激光扫描仪配置为对隧道断面进行180°扫描，其中：
两个所述激光扫描仪的工作面朝外，其底面分别安装在所述连接座的两个侧面上；
所述连接座配置为保证两个所述激光扫描仪背对、工作面朝向不同的方向且扫描线在同一个平面上。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述连接座用于安装所述激光扫描仪的两个侧面倾斜且沿面向隧道顶部的方向不断靠近。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的系统，其特征在于：
所述限界检测采集设备以及所述位移偏移采集设备配置为固定安装在可沿隧道内的轨道行驶的行驶机构上；
所述位移偏移采集设备配置为获取所述行驶机构在行驶过程中相对于轨道的左右偏移距离以及所述行驶机构所处平面相对于轨道面的偏移倾角。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述位移偏移采集设备包含：
位置关系测量装置，其配置为：
在所述行驶机构静止在所述轨道上时采集所述行驶机构与所述行驶机构所处的轨道部位间的初始位置关系；
在所述行驶机构行驶时采集所述行驶机构与所述行驶机构所处的轨道部位间的实时位置关系；
偏移计算装置，其配置为：
对比所述初始位置关系以及所述实时位置关系，获取所述行驶机构与轨面间的动态位置关系变化；
根据所述动态位置关系变化计算所述左右偏移距离以及所述偏移倾角。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述位置关系测量装置包括：
图像采集模块，其安装在所述行驶机构底部，配置为对所述行驶机构下方的轨道拍照；
计算模块，其配置为解析所述图像采集模块获取的图像，计算所述初始位置关系和所述实时位置关系。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述位置关系测量装置还包括照明模块，其中：
所述照明模块配置为照明所述轨道，在所述轨道上形成光条；
所述计算模块配置为从所述图像采集模块获取的图像中识别光条图像，获取光条对应的深度和位置，计算所述初始位置关系和所述实时位置关系。
10.根据权利要求7～9中任一项所述的系统，其特征在于，所述位移偏移采集设备包括分别针对左右导轨的两套位置关系测量装置。
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