CN114549422A - 一种盾构滚刀运动状态在线监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种盾构滚刀运动状态在线监测装置及方法，所述装置至少包括：设置在盾体锥板上的图像采集模块；图像采集模块包括：摄像组件、透明固定元件、冲洗装置和吹干装置，摄像组件固定在透明固定元件的一侧，冲洗装置和吹干装置均设置在透明固定元件的另一侧；摄像组件用于透过透明固定元件进行图像采集，冲洗装置和吹干装置分别用于在图像采集前或图像采集过程中进行透明固定元件的冲洗和吹干；本发明对掘进过程中的滚刀运动状态进行可视化集成监测、自动智能识别并在上位机主监控界面显示，提高了掘进机施工的直观性、准确性、安全性和智能化水平。
Description
技术领域
本发明涉及隧道与地下工程施工装备技术领域，特别涉及一种盾构滚刀运动状态在线监测装置及方法。
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。
复合式土压平衡掘进机、硬岩掘进机等隧道与地下工程施工装备施工过程中，滚刀作为最主要的破岩工具，在推力、扭矩和振动冲击等因素综合作用下最容易异常受损或失效，是影响掘进效率、施工成本及安全性的重要因素。
掘进机施工过程中，滚刀随着刀盘的旋转绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转，滚刀运动状态是判断掘进机是否正常工作的重要直接依据。
现有技术和应用中，一种方法是通过对滚刀磨损情况进行检测进而分析滚刀运动状态，如专利CN202110348596.4“盾构土舱内刀具可视化检测装置及方法”、CN113189001A“盾构土舱内刀具可视化检测装置及方法”、CN201911412569.8“基于图像分析的土压平衡掘进机滚刀磨损监测装置及方法”等，这种方法的缺点是不能直接和实时监测滚刀运动状态，对滚刀的运动状态分析不准确；另外一种方法是在刀箱上或滚刀刀圈内设置激光等各类传感器，用于采集滚刀运行过程中的数据，进而分析滚刀的运行状态，停机之后检测滚刀的磨损情况，如专利CN201910892810.5“盾构施工中滚刀状态实时监测装置及运行判定方法”，该种方法的缺点是对滚刀运动状态的监测不直观、传感器受振动等施工环境影响较大并且滚刀数量较多时费用较高。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种盾构滚刀运动状态在线监测装置及方法，对掘进过程中的滚刀运动状态进行可视化集成监测、自动智能识别并在上位机主监控界面显示，提高了掘进机施工的直观性、准确性、安全性和智能化水平。
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盾构滚刀运动状态在线监测装置。
一种盾构滚刀运动状态在线监测装置，至少包括：设置在盾体锥板上的图像采集模块；
图像采集模块包括：摄像组件、透明固定元件、冲洗装置和吹干装置，摄像组件固定在透明固定元件的一侧，冲洗装置和吹干装置均设置在透明固定元件的另一侧；
摄像组件用于透过透明固定元件进行图像采集，冲洗装置和吹干装置分别用于在图像采集前或图像采集过程中进行透明固定元件的冲洗和吹干。
进一步的，透明固定元件为透明的特种玻璃。
进一步的，摄像组件采用一体式双目摄像机，一体式双目摄像机的拍摄端与透明固定元件的一侧固定连接。
更进一步的，在一体式双目摄像机与锥板、隔板形成的周空间内填充用于固定一体式双目摄像机的发泡剂。
进一步的，一体式双目摄像机包括双目摄像机和补光灯。
进一步的，图像采集模块通过有源以太网和网络交换机将采集到的图像传输到后台控制终端。
本发明第二方面提供了一种盾构滚刀运动状态在线监测方法，包括以下过程：
获取盾构滚刀的图像数据；
根据获取的图像数据，采用双域耦合的多级边缘检测算法，结合滚刀运动状态的先验数字化模型，得到滚刀运动状态。
进一步的，以刀盘结构尺寸、滚刀尺寸、摄像机和滚刀布置的空间尺寸作为先验信息，结合设备的刀盘转速、推进速度、推进总合力的运行参数，建立滚刀运动状态的先验数字化模型。
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的盾构滚刀运动状态在线监测方法中的步骤。
本发明第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的盾构滚刀运动状态在线监测方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的盾构滚刀运动状态在线监测装置及方法，对掘进过程中的滚刀运动状态进行可视化集成监测、自动智能识别并在上位机主监控界面显示，提高了掘进机施工的直观性、准确性、安全性和智能化水平。
2、本发明所述的盾构滚刀运动状态在线监测装置及方法，采用一体式双目摄像机结构，即双目摄像机、补光灯集成式安装，解决了常规摄像机视野不清晰的问题，具有监测精度高、多滚刀同时监测的优点。
3、本发明所述的盾构滚刀运动状态在线监测装置及方法，一体式双目摄像机固定方式及相应配套装置能够更好的适应掘进机强振动和多粉尘的施工环境。
4、本发明所述的盾构滚刀运动状态在线监测装置及方法，实现了掘进过程中的滚刀运动状态自动智能识别，为掘进机施工过程中掘进参数的选择、设计过程中滚刀配置和布置等提供了依据，进一步的提高了掘进机施工的直观性、准确性、安全性和智能化水平。
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1提供的盾构滚刀运动状态在线监测装置的原理图。
图2为本发明实施例1提供的掘进机中的刀盘、盾体及滚刀侧面示意图。
图3为本发明实施例1提供的图像采集模块安装正面示意图。
图4为本发明实施例1提供的图像采集模块安装侧面示意图。
图5为本发明实施例1提供的图像采集模块组成示意图。
图中：1、刀盘；2、盾体；3、滚刀；4、图像采集模块；2-1、锥板；2-2、隔板；2-3、盖板；4-1、一体式双目摄像机；4-2、特种玻璃；4-3、冲洗装置；4-4、吹干装置。
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1：
本发明实施例1提供了一种盾构滚刀运动状态在线监测装置，包括：图像采集模块、图像传输模块和图像处理分析模块。
所述图像采集模块用于在线实时采集滚刀运动图像，包括一体式双目摄像机、特种玻璃、冲洗装置和吹干装置。
所述一体式双目摄像机由双目摄像机、补光灯等一体式集成，所述特种玻璃用于对双目摄像机进行防护，双目摄像机粘接在特种玻璃上并在其周围填充泡沫，所述冲洗装置和吹干装置用于对特种玻璃表面进行冲洗和吹干，使双目摄像机适应掘进机强振动、多粉尘的施工环境。
所述图像传输模块用于将所采集图像实时传输到图像处理分析模块，由于图像传输要求和掘进机施工环境限制，图像传输模块采用有源以太网(即PoE)及网络交换机传输方式。
所述图像处理分析模块用于实时处理、分析滚刀运动图像，首先将采集到的滚刀运动图像进行背景校正、滤波、去噪、变换及分割处理，然后将处理后的滚刀运动图像转换为连续静止图像，再采用细化算法与变换求出两帧图像之间角度及滚刀运动状态，进而实现滚刀运动状态的自动智能识别，图像处理分析模块与上位机系统进行交互后，在上位机(即后台控制终端)显示滚刀运动状态、预警及预测等信息。
具体的，如图1所示，图像采集模块采集的图像经有源以太网及网络交换机传输，由图像处理分析模块进行分析、处理并与掘进机上位机进行交互，经上位机软件编程后在相应监控界面进行显示。
如图2所示，根据刀盘1和盾体2结构、滚刀3配置及布置以及图像采集模块4性能参数，通过视域分析，确定图像采集模块4安装方式、安装位置以及光轴角度等。
如图3和图4所示，图像采集模块4安装在盾体2中的锥板2-1上，盾体2中隔板2-2上开孔，并安装盖板2-3作为电液和水气通道。
如图5所示，图像采集模块4包括一体式双目摄像机4-1、特种玻璃4-2、冲洗装置4-3和吹干装置4-4。
本实施例中，一体式双目摄像机4-1摄像质量高，低照性能好，具有透雾、自动光圈和电子防抖等功能，采用高性能三维降噪算法，能最大程度消除像差，防护等级为IP68。
本实施例中，特种玻璃4-2具有高强度、高透光和防反射等特性。
本实施例中，冲洗装置4-3采用高压水冲洗特种玻璃4-2上的粉尘、渣土等，包括水泵、管路、开关、喷嘴等。
本实施例中，吹干装置4-4采用高压喷气吹干冲洗后特种玻璃4-2上的水，包括空压机、管路、开关、喷嘴等。
本实施例中，一体式双目摄像机4-1前端平整，将其前端周边使用粘结剂粘到特种玻璃4-2上，而后在与锥板2-1、隔板2-2形成的周边空间填充发泡剂，起到固定、防振和隔光的作用。
为保证监测装置的稳定性和可靠性，图像采集模块4通过有源以太网和网络交换机将图像传输到工控机并进行预处理，这种传输方式抗干扰能力强，从而减少图像衰减和传输不稳定。
基于图像处理分析模块，将采集到的滚刀运动图像进行背景校正、滤波、去噪、变换及分割处理，然后将处理后的滚刀运动图像转换为连续静止图像，再采用细化算法与变换求出两帧图像之间角度及滚刀运动状态，进而实现滚刀运动状态的自动智能识别，图像处理分析模块与上位机系统进行交互后，在上位机显示滚刀运动状态、预警及预测等信息。
实施例2：
本发明实施例2提供了一盾构滚刀运动状态在线监测方法，包括以下过程：
步骤1：刀盘结构尺寸、滚刀尺寸、摄像机和滚刀布置的空间尺寸作为先验信息，并结合设备的刀盘转速、推进速度、推进总合力的运行参数，建立滚刀运动状态的数字化理论模型。
步骤2：对一体式双目摄像机的焦距、X向和Y向上像素大小、畸变因子、相机坐标系进行相应设置、标定及调整，使其处于成像的最佳工作效果。
步骤3：对于双目的图像数据，采用双域耦合的多级边缘检测算法，结合滚刀运动状态的先验数字化模型，识别出滚刀运动状态，将图像数据和数字化的滚刀状态数据向量一并传输至监视器和数据库，实现滚刀运动状态的自动智能识别，滚刀运动状态、预警及预测等信息在上位机(即后台控制终端)显示。
实施例3：
本发明实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如下步骤：
获取盾构滚刀的图像数据；
根据获取的图像数据，采用双域耦合的多级边缘检测算法，结合滚刀运动状态的先验数字化模型，得到滚刀运动状态。
以刀盘结构尺寸、滚刀尺寸、摄像机和滚刀布置的空间尺寸作为先验信息，结合设备的刀盘转速、推进速度、推进总合力的运行参数，建立滚刀运动状态的先验数字化模型。
实施例4：
本发明实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如下步骤：
获取盾构滚刀的图像数据；
根据获取的图像数据，采用双域耦合的多级边缘检测算法，结合滚刀运动状态的先验数字化模型，得到滚刀运动状态。
以刀盘结构尺寸、滚刀尺寸、摄像机和滚刀布置的空间尺寸作为先验信息，结合设备的刀盘转速、推进速度、推进总合力的运行参数，建立滚刀运动状态的先验数字化模型。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
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 (10)
1.一种盾构滚刀运动状态在线监测装置，其特征在于：
至少包括：设置在盾体锥板上的图像采集模块；
图像采集模块包括：摄像组件、透明固定元件、冲洗装置和吹干装置，摄像组件固定在透明固定元件的一侧，冲洗装置和吹干装置均设置在透明固定元件的另一侧；
摄像组件用于透过透明固定元件进行图像采集，冲洗装置和吹干装置分别用于在图像采集前或图像采集过程中进行透明固定元件的冲洗和吹干。
2.如权利要求1所述的盾构滚刀运动状态在线监测装置，其特征在于：
透明固定元件为透明的特种玻璃。
3.如权利要求1所述的盾构滚刀运动状态在线监测装置，其特征在于：
摄像组件采用一体式双目摄像机，一体式双目摄像机的拍摄端与透明固定元件的一侧固定连接。
4.如权利要求3所述的盾构滚刀运动状态在线监测装置，其特征在于：
在一体式双目摄像机与锥板、隔板形成的周空间内填充用于固定一体式双目摄像机的发泡剂。
5.如权利要求1所述的盾构滚刀运动状态在线监测装置，其特征在于：
一体式双目摄像机包括双目摄像机和补光灯。
6.如权利要求1所述的盾构滚刀运动状态在线监测装置，其特征在于：
图像采集模块通过有源以太网和网络交换机将采集到的图像传输到后台控制终端。
7.一种盾构滚刀运动状态在线监测方法，利用权利要求1-6任一项所述的在线监测装置，其特征在于：包括以下过程：
获取盾构滚刀的图像数据；
根据获取的图像数据，采用双域耦合的多级边缘检测算法，结合滚刀运动状态的先验数字化模型，得到滚刀运动状态。
8.如权利要求7所述的盾构滚刀运动状态在线监测方法，其特征在于：
以刀盘结构尺寸、滚刀尺寸、摄像机和滚刀布置的空间尺寸作为先验信息，结合设备的刀盘转速、推进速度、推进总合力的运行参数，建立滚刀运动状态的先验数字化模型。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求7或8所述的盾构滚刀运动状态在线监测方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求7或8所述的盾构滚刀运动状态在线监测方法中的步骤。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN111043964A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-21 | 中铁工程装备集团有限公司 | 基于图像分析的土压平衡盾构机滚刀磨损监测装置及方法 |
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| CN112049652A (zh) * | 2020-10-20 | 2020-12-08 | 中建八局轨道交通建设有限公司 | 盾构机土仓的检测系统及其使用方法 |
| CN113404502A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-09-17 | 中南大学 | 基于碴片形貌的盾构滚刀磨耗监测装置及方法 |
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2022
- 2022-01-26 CN CN202210092379.8A patent/CN114549422A/zh active Pending
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