CN114487296B - 一种模拟土仓环境的可视化监测实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟土仓环境的可视化监测实验装置及方法，所述装置至少包括：盾体模块和可视化模块；所述可视化模块设置在盾体模块内的锥板上；所述可视化模块，包括：前端模块和后端模块，前端模块设有透明观察元件，后端模块包括摄像组件，摄像组件固定在透明观测元件的一侧；前端模块和后端模块均开有通孔，前端模块和后端模块的对应开孔连通，后端模块的开孔与供气系统和/或供水系统连通，前端模块的开口为用于透明观测元件清洗的出水口和/或出气口；本发明在土仓或泥水仓恶劣的环境下，实现了刀盘的运转状态、刀具磨损情况、掌子面、岩石、渣土流动特性和泥水平衡盾构机泥水舱内等情况的高精度稳定监测，降低了开发、创新新产品的成本。

Description

一种模拟土仓环境的可视化监测实验装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程技术领域，特别涉及一种模拟土仓环境的可视化监测实验装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

目前，盾构机已广泛应用于城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道、铁路隧道、公路隧道、市政隧道等隧道工程领域，具有自动化程度高、施工安全、节省人力物力以及对地表及周围环境影响小等优点。

然而，在盾构机掘进过程中，盾构机的刀盘处于土仓或泥水仓前方，位于仓壁后方的施工人员无法实时观测刀盘的运转状态、刀具磨损情况、掌子面、岩石、渣土流动特性和泥水平衡盾构机泥水舱内等情况，需要通过可视化系统来实时观察土仓或泥水仓内情况。

目前盾构机现有技术一般是将可视化装置安装在土仓外，采用伸缩式可视化装置，使用时打开闸门伸出相机，但由于土仓和泥水仓内的高压、高湿的环境特点以及土仓内的渣土飞溅恶劣的环境，伸缩机构和闸门装置很容易出现故障，且未加防护的工业相机难以使用，更无法长时间监测土仓或泥水舱内情况，可靠性低；有的可视化监测仅用于摄像监控，摄像结果需要人工参与，长期监测才能了解土仓或泥水舱内情况，无法自动分析和预警洞内异常情况。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种模拟土仓环境的可视化监测实验装置及方法，在土仓或泥水仓恶劣的环境下，实现了刀盘的运转状态、刀具磨损情况、掌子面、岩石、渣土流动特性和泥水平衡盾构机泥水舱内等情况的高精度稳定监测，降低了开发和创新新产品的成本。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种模拟土仓环境的可视化监测实验装置。

一种模拟土仓环境的可视化监测实验装置，至少包括：盾体模块和可视化模块；

所述可视化模块设置在盾体模块内的锥板上；

所述可视化模块，包括：前端模块和后端模块，前端模块设有透明观察元件，后端模块包括摄像组件，摄像组件固定在透明观测元件的一侧；

前端模块和后端模块均开有通孔，前端模块和后端模块的对应开孔连通，后端模块的开孔与供气系统和/或供水系统连通，前端模块的开口为用于透明观测元件清洗的出水口和/或出气口。

进一步的，前端开口末端为燕尾槽，燕尾槽开设范围覆盖整个玻璃板。

进一步的，前端模块和后端模块均只设置一个相互连通的开孔，所述开孔用于出水和出气交替使用。

进一步的，透明观察元件采用透明的特种玻璃，使用第一螺栓和第一盖板将特种玻璃压在前端模块的凹槽内，特种玻璃与前端模块之间设有第一密封条，特种玻璃与前端模块的接触面涂密封胶。

进一步的，后端模块的开孔通过管路穿过盾体模块的后隔板后与供气系统和/或供水系统连通。

更进一步的，后隔板上的开孔焊接有法兰板，法兰板与第二盖板使用第二密封条和第二螺栓固定密封，第二盖板上开有多个水或者气或者电通道。

更进一步的，锥板、可视化模块和后隔板形成的空间内填充有泡沫填充剂。

进一步的，盾体模块为模拟土仓或泥水仓扇形壳体，壳体内部空间与泥水系统和压缩空气系统连通，盾体模块内部设有滚刀支架，用于根据实验需要放置不同磨损程度的滚刀。

进一步的，盾体模块的前端开有观察窗，摄像组件包括相互配合的摄像头和补光灯。

本发明第二方面提供了一种模拟土仓环境的可视化监测实验方法，利用本发明第一方面所述的模拟土仓环境的可视化监测实验装置，包括以下过程：

关闭盾体模块的观察窗，关闭后隔板的开口，实现土仓密封；

开启泥水球阀，泥水加入过程中，混入碎石；

待泥水加满没过可视化模块后，关闭泥水球阀，打开压缩空气球阀，设置压力，保持预设时间，打开排污口排水降至实验滚刀位置以下；

打开可视化模块的清洗球阀，将玻璃清洗干净，关闭清洗球阀，打开高压空气球阀，吹干玻璃；

打开摄像头和补光灯，拍摄前端滚刀图像数据传输到后台控制终端，利用图像数值算法得到提取磨损滚刀边缘曲线生成三维磨损模型，在多次测量后形成磨损预测曲线，设定实际磨损界限，当检测到滚刀磨损数据超过设定值时，生成告警信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的模拟土仓环境的可视化监测实验装置及方法，新集成模块结构简单、安装及拆卸方便，在土仓或泥水仓恶劣的环境下，喷水、喷气管路畅通，玻璃清渣效果良好，传输图像清晰，使用可靠，可实时观测刀盘的运转状态、刀具磨损情况、掌子面、岩石、渣土流动特性和泥水平衡盾构机泥水舱内等情况，降低了开发、创新新产品的成本。

2、本发明所述的模拟土仓环境的可视化监测实验装置及方法，通过实验处理可视化图像数据，利用边缘检测算法得到滚刀边缘曲线生成三维磨损模型，在多次测量后形成磨损预测曲线，设定实际磨损尺寸界限，实验过程中检测到滚刀磨损数据超过设定值，设置智能报警功能；利用异常运动目标监测和图像视觉跟踪，进行滚刀脱落、孤石、大尺寸异物等异常工况分析，设定智能预警，有效提高了盾构机的掘进效率、安全性和智能化。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例提供的模拟土仓环境的可视化监测实验装置示意图；

图2为本发明实施例提供的可视化监测实验装置主视图。

图3为本发明实施例提供的可视化模块截面图。

图4为本发明实施例提供的可视化模块主视图。

其中，1、可视化模块；2、盾体模块；3、锥板；4、前端模块；5、后端模块；6、玻璃板；7、后隔板；8、法兰板；9、第二盖板；10、第二密封条；11、第二螺栓；12、第一螺栓；13、第一盖板；14、第一密封条；15、摄像机；16、补光灯；17、滚刀支架；18、滚刀；19、观察窗；20、排污口；21、压缩空气系统；22、水系统；23、泥水系统；24、PC机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例：

本实施例提供了一种模拟土仓环境的可视化监测实验装置，包括盾体模块2、可视化模块1、流体模块和数字图像处理模块四部分，如图1所示，其中，数字图像处理模块为安装有数字图像处理软件的PC机24(即后台控制终端)。

如图2、图3和图4所示，可视化模块1焊接在盾体模块2内的锥板3壁上，可视化模块由两部分组件组成，分别为前端模块4和后端模块5，前端模块4与后端模块5的对应开孔作为水通道和气通道。

前端模块4开有燕尾槽，所述燕尾槽作为喷水口和喷气口，燕尾槽开设范围经过模拟可以全覆盖整个玻璃板6，确保整块玻璃板6上的渣土清洗干净。

本实施例中，采用喷水口替代常规喷嘴，采用整体加工块焊接到整个可视化模块上，然后再整体焊接到土仓锥板上，在土仓恶劣的环境下，更加牢固可靠；喷水口设置在前端模块的上内侧，覆盖面可以达到整块玻璃板，可以使整个玻璃保持干净；喷水和高压空气喷射使用同一管路交替使用，可以避免渣土的堵塞和管路的畅通。

后端模块5开有螺纹孔，所述螺纹孔连接管路接头，管路接头连接截止阀和软管，最终软管连接到盾体模块后隔板7的开孔上，后隔板7上的开孔焊接有法兰板8，法兰板8与第二盖板9使用第二密封条10和第二螺栓11固定密封，第二盖板9上开有电气孔和流体孔，作为水、汽、电通道，水汽共用一个通道，连接压缩空气系统21和水系统22，切换使用。

所述玻璃板6采用特种玻璃，具有抗压、耐磨和防易碎性能，采用第一螺栓12、第一盖板13将玻璃板6压在前端模块4的凹槽内，玻璃6与前端模块4之间压紧第一密封条14，接触面涂密封胶。

所述摄像机15采用全彩、高像素和低照度摄像机，PoE供电，小尺寸，占据空间小，节省特种玻璃成本，安全性更好；补光灯16白光led节能灯、功耗小，在光线较暗的密闭仓里，也可以传输清晰的彩色图像，便于对滚刀磨损图像的处理，判定滚刀磨损的状态；摄像机和补光灯重量都较小，将其前端使用透明玻璃胶粘到特种玻璃6上，而后在锥板3、可视化模块1和隔板7形成的空间内填充泡沫填充剂。

所述盾体模块2为模拟土仓或泥水仓扇形壳体，前段设置有观察口，人员可进出维修；前端模块的上部设有泥水进口、压缩空气进口，可以模拟土仓环境，同时在盾体模块下方设有排污口20，排出泥水；上部壳体开孔与泥水系统23、压缩空气系统21相连，模拟土仓高湿、高压环境；盾体模块2内部设有滚刀支架17，可以根据实验需要放置不同磨损程度的滚刀18。所述盾体模块为全封闭扇形壳体。

所述盾体模块2前端开有观察窗19，观察窗带有密封与紧固装置，实验时，关闭观察窗，具有密封保压作用，需要观察土仓内时或更换零部件时可以通过该窗口进出。

所述摄像机15采集的视频数据通过有线传输到PC机24上，通过处理图像数据定位单把滚刀18，利用边缘检测算法得到提取磨损滚刀边缘曲线生成三维磨损模型，在多次测量后形成磨损预测曲线，设定实际磨损界限，实验过程中检测到滚刀磨损数据超过设定值，实现预警安排换刀等检修工作。

应用时，关闭盾体模块观察窗，关闭后端隔板开口，实现土仓密封性；开启泥水球阀，泥水加入过程中，混入碎石，运动目标跟踪监测，判定异常工况，设定智能预警功能；待泥水加满没过可视化集成块1后，关闭泥水球阀，打开压缩空气球阀，设置压力，保持一段时间，打开排污口20排水降至实验滚刀18位置以下，打开可视化集成块1清洗球阀，将玻璃6清洗干净，关闭水球阀，打开高压空气球阀，吹干玻璃6，打开摄像头15和补光灯16，拍摄前端滚刀图像数据传输到PC机24，利用图像数值算法得到提取磨损滚刀边缘曲线生成三维磨损模型，在多次测量后形成磨损预测曲线，设定实际磨损界限，实验过程中检测到滚刀磨损数据超过设定值，实现报警。

本实施例中，通过处理图像数据定位单把滚刀，利用多级的边缘检测算法得到磨损滚刀边缘曲线生成三维磨损模型，在多次测量后形成磨损预测曲线并适时提醒安排换刀等检修工作；利用异常运动目标监测和图像视觉跟踪，进行滚刀脱落、孤石、大尺寸异物等异常工况分析，实现智能化预警。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模拟土仓环境的可视化监测实验装置的实验方法，其特征在于：

模拟土仓环境的可视化监测实验装置至少包括：盾体模块和可视化模块；

所述可视化模块设置在盾体模块内的锥板上；盾体模块内部设有滚刀支架，用于根据实验需要放置不同磨损程度的滚刀；

所述可视化模块，包括：前端模块和后端模块，前端模块设有透明观察元件，后端模块包括摄像组件，摄像组件固定在透明观测元件的一侧；摄像组件包括相互配合的摄像头和补光灯；

前端模块和后端模块均开有通孔，前端模块和后端模块的对应开孔连通，后端模块的开孔与供气系统和/或供水系统连通，前端模块的开口为用于透明观测元件清洗的出水口和/或出气口;前端开口末端为燕尾槽，燕尾槽开设范围覆盖整个玻璃板；前端模块和后端模块均只设置一个相互连通的开孔，所述开孔用于出水和出气交替使用；

所述模拟土仓环境的可视化监测实验装置的实验方法，包括以下过程：

关闭盾体模块的观察窗，关闭后隔板的开口，实现土仓密封；

开启泥水球阀，泥水加入过程中，混入碎石；运动目标跟踪监测，判定异常工况，设定智能预警功能；

待泥水加满没过可视化模块后，关闭泥水球阀，打开压缩空气球阀，设置压力，保持预设时间，打开排污口排水降至实验滚刀位置以下；

打开可视化模块的清洗球阀，将玻璃清洗干净，关闭清洗球阀，打开高压空气球阀，吹干玻璃；

打开摄像头和补光灯，拍摄前端滚刀图像数据传输到后台控制终端，利用图像数值算法得到提取磨损滚刀边缘曲线生成三维磨损模型，在多次测量后形成磨损预测曲线，设定实际磨损界限，当检测到滚刀磨损数据超过设定值时，生成告警信号。

2.如权利要求1所述的模拟土仓环境的可视化监测实验装置的实验方法，其特征在于：

透明观察元件采用透明的特种玻璃，使用第一螺栓和第一盖板将特种玻璃压在前端模块的凹槽内，特种玻璃与前端模块之间设有第一密封条，特种玻璃与前端模块的接触面涂密封胶。

3.如权利要求1所述的模拟土仓环境的可视化监测实验装置的实验方法，其特征在于：

后端模块的开孔通过管路穿过盾体模块的后隔板后与供气系统和/或供水系统连通。

4.如权利要求3所述的模拟土仓环境的可视化监测实验装置的实验方法，其特征在于：

后隔板上的开孔焊接有法兰板，法兰板与第二盖板使用第二密封条和第二螺栓固定密封，第二盖板上开有多个水或者气或者电通道。

5.如权利要求3或4所述的模拟土仓环境的可视化监测实验装置的实验方法，其特征在于：

锥板、可视化模块和后隔板形成的空间内填充有泡沫填充剂。

6.如权利要求1所述的模拟土仓环境的可视化监测实验装置的实验方法，其特征在于：

盾体模块为模拟土仓或泥水仓扇形壳体，壳体内部空间与泥水系统和压缩空气系统连通。

7.如权利要求1所述的模拟土仓环境的可视化监测实验装置的实验方法，其特征在于：

盾体模块的前端开有观察窗。