CN114778559A - 一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统及方法，涉及道路检测技术领域，包括：路侧信息采集装置、地质雷达、数据管理及分析系统和WEB展示系统；路侧信息采集装置，用于采集被测路段上的交通环境及隧道状况信息，并将采集的信息实时传输至数据管理及分析系统；地质雷达，用于采集地质信号，并对所述地质信号预处理后进行成像；数据管理及分析系统实时获取采集信息，并进行存储和分析，并将分析后的信号传送到WEB展示系统；WEB展示系统对经数据管理及分析系统处理后的数据进行存储和展示。本发明实现了对整个隧道的健康监测，并对这些信息存储、发送和展示，提高了隧道检测工作的效率。

Description

一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统及方法

技术领域

本发明涉及道路检测技术领域，更具体的说是涉及一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统及方法。

背景技术

当前我国已从大规模修筑高速公路转移到高速公路的使用、管理阶段，随着高速公路运营里程的激增，高速公路的结构养护工作将日益繁重，为了确保高速公路的畅通，更好地为经济建设服务，要求尽量缩短养护作业时间，一般情况下不得封闭交通。养护施工出现了新的特点，快速养护成为高速公路路面养护施工发展的必然趋势。预防性养护理念日益被得到重视，预防性养护、快速养护已经成为保障高速公路隧道结构安全和增加隧道服役年限的重要手段。

然而，对于高速公路的隧道结构的病害检测，对比路面检测来说，更有一系列的技术难点，国内一直没有推出合适的快速检测装备。高速公路的隧道结构常见病害主要表现为衬砌裂缝、断面变形、错台错缝、渗漏水、蜂窝麻面、剥落剥离等。目前对高速公路隧道病害大部分仍采取人工检查的方式，不仅效率低，精度差，也严重影响公路正常通行。传统的养护检查手段方法已经不能满足高速公路的运营现状，必须设计一种先进的养护机械和施工方法，缩短养护施工作业占用车道的时间，减少交通阻塞，最大限度地实施快速养护。

因此，随着信息处理技术和传感器技术的进步，针对隧道结构各种病害损伤情况的评价，采用激光、超声波等非接触传感技术和计算机技术，使检测操作更加便捷和高效开始成为本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统，采用图像处理和激光扫描结合的方式来进行隧道的病害与环境健康监测，并采用蓝牙无线传输数据信息，提高检测速度和检测精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统，包括：依次连接的路侧信息采集装置、地质雷达、数据管理及分析系统和WEB展示系统；

所述路侧信息采集装置，用于采集被测路段上的交通环境及隧道状况信息，并将采集的信息实时传输至所述数据管理及分析系统；

所述地质雷达，用于采集地质信号，并对所述地质信号预处理后进行成像；

所述数据管理及分析系统，用于实时获取采集信息，并进行存储和分析，并将分析后的信号传送到所述WEB展示系统；

所述WEB展示系统对经所述数据管理及分析系统处理后的数据进行存储和展示。

可选的，所述路侧信息采集装置包括：控制单元以及与所述控制单元分别电性连接的供电单元、信号传输单元、相机单元、防护单元和干扰排除单元，其中：

所述供电单元用于对所述信号传输单元、所述相机单元、所述防护单元和所述干扰排除单元供电，并能根据所述控制单元要求进行电源控制；

所述相机单元采用线阵CCD相机或CMOS相机，所述相机单元还包括拍摄速度调整装置；

所述干扰排除单元用于排除数据失真或数据错误现象；

所述防护单元用于防止仪器受损。

可选的，所述数据管理及分析系统包括：

信号接收单元；

隧道断面生成模块，用于根据所述路侧信息采集装置采集的隧道状态数据还原隧道断面图像；

图像处理模块，用于对所述隧道断面图像进行降噪处理，得到第一图像；

隧道三维重建模块，用于根据所述第一图像建立隧道三维影像；

数据管理上传模块，用于将所述隧道三维影像和所述路侧信息采集装置采集的隧道状态数据上传至WEB展示系统。

可选的，所述信号传输单元包括测试接口模块、传感模块、模数转换模块、处理器模块、第一蓝牙模块；

所述信号接收单元包括第二蓝牙模块、链接状态判断模块、信号存储与分析模块；

所述测试接口模块与所述地质雷达相连；

所述传感模块将采集的信息转换为电压信号，并传送到所述模数转换模块；所述模数转换模块将电压信号进行采样，并转换为数字信号，并传送到所述处理器模块；所述处理器模块对数字信号进行处理和缓存，并打包分发到所述第一蓝牙模块；所述第一蓝牙模块将打包后的数字信号通过无线方式传送到所述第二蓝牙模块；所述第二蓝牙模块将接收到的数字信号传送到所述链接状态判断模块；所述链接状态判断模块根据接收到的数字信号判断所述信号传输单元和所述信号接收单元之间的通讯状态是否正常，如果正常则将数字信号传送到所述信号存储与分析模块，否则请求所述第二蓝牙模块重新建立二者之间的通讯连接。

可选的，所述供电单元包括光伏能量供电单元和电池供电单元；所述光伏能量供电单元包括：稳压电路、太阳能电池板、能量采集芯片及储能器件；所述能量采集芯片的输入端与所述太阳能电池板相连，输出端与所述储能器件的输入端相连，所述储能器件的输出端与所述稳压电路的输入端连接，其输出端与路侧信息采集装置内部各负载电连接。

可选的，所述路侧信息采集装置设有多个，安装在被测路段上。

可选的，所述地质雷达采用ARM处理器，并内嵌高速DSP。

可选的，所述地质雷达采集到地质信号后进行道间平均、背景消除、实时滤波、叠加去噪后进行成像，同时，所述相机单元包括：

图像采集模块，用于采集隧道边墙衬砌、隧道与路面夹角和路面的三维结构病害和断面结构变形；

激光扫描模块，用于对隧道轮廓进行全断面扫描以及获取隧道轮廓数据。

可选的，所述激光扫描模块包括三维激光扫描仪，用于获取隧道表面病害图像的点云数据，然后利用点云数据进行点云拼接形成三维激光病害数据库。

一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测方法，利用所述的一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统进行隧道检测，具体步骤包括如下：

采集隧道状况信息，所述隧道状况信息包括交通信息和地质信息；

根据所述隧道状况信息还原隧道断面，并建立隧道三维影像；

对所述隧道三维影像进行存储和展示。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统及方法，具有如下有益效果：

（1）数据采集效率高：由于信息采集设备为路侧设备，采用无线方式通信，不受传输线牵绊、不受方向限制，传输稳定、数据安全性高；

（2）通过对隧道表面进行连续扫描检测，同时对隧道表面进行全方位图像采集，结合激光扫描系统的横向定位，获得全面、丰富的监测数据，通过数据处理及分析系统进行采集信息的分析处理，得到隧道的渗漏水、剥落、裂缝、以及隧道轮廓等数据，从而实现对整个隧道的健康监测；

（3）该路侧设备具有自动化程度高、安全、高效、多参数综合检测的特点，可以快速准确地采集隧道病害信息，并经过分析处理得出隧道病害结果，提高了隧道检测工作的效率，同时节约了隧道检测工作的时间，降低了人力成本，适用于广泛推广；

（4）检测范围广，不仅能对衬砌的裂缝、渗漏水、剥落情况进行监测，还能对洞口、洞门、路面、检修道、排水系统、吊顶、内装饰的异常状况进行检测，全方位保证公路隧道的安全性；

（5）功能全面，还可以实现对隧道的消防设备状态、电缆配电箱过热等指标进行拍照检测，有效防止设备工作异常引起的隧道安全隐患；

（6）将采集、分析和展示三个部分有机结合，实现了一体化检测，效率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统的整体结构框架图；

图2为本发明一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统的路侧信息采集装置的结构框架图；

图3为本发明一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统的数据管理及分析系统的结构框架图；

图4为本发明一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统基于蓝牙技术的的信号传递示意框架图；

图5为本发明一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统的供电单元的结构框架图；

图6为本发明一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统的稳压电路的结构示意图；

图7为本发明一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统的路侧信息采集装置的布置示意图；

其中：

1-路侧信息采集装置；2-地质雷达；3-数据管理及分析系统；4-WEB展示系统；11-供电单元；111-稳压电路；112-太阳能电池板；113-能量采集芯片；114-储能器件；12-信号传输单元；13-相机单元；131-图像采集模块；132-激光扫描模块；14-防护单元；15-干扰排除单元；16-控制单元；121-测试接口模块；122-传感模块；123-模数转换模块124-处理器模块；125-第一蓝牙模块；31-信号接收单元；311-第二蓝牙模块；312-链接状态判断模块；313-信号存储与分析模块；32-隧道断面生成模块；33-图像处理模块；34-隧道三维重建模块；35-数据管理上传模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例公开了一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统，包括：路侧信息采集装置1、地质雷达2、数据管理及分析系统3和WEB展示系统4；

如图7所示，路侧信息采集装置1设有多个，且等距离安装在被测路段上，用于采集被测路段上的交通环境和隧道状况，并将采集的信息实时传输至所述数据管理及分析系统3；

地质雷达2采集到地质信号后进行道间平均、背景消除、实时滤波、叠加去噪后进行成像，地质雷达2包括高频天线和低频电线，其中心频率为75MHz-1.8GHz，在一些实施例中，地质雷达2采用ARM处理器，并内嵌高速DSP；最小分辨率为6ps，系统增益为170dB；扫描速率为30-210扫描/秒，人工可调；采样点数为60-4090样点/扫描，人工可调；设置有测距轮，用于水平距离标记；探测深度为0-10m；

数据管理及分析系统3实时获取采集信息，并进行存储和分析，并将分析后的信号传送到所述WEB展示系统4；

其中f(s,y)是具有整数坐标的输入数据；

（k+1）是k+1时刻的输入，

（k+1）和

（k）分别是第k+1时刻、第k时刻的背景估计图像，K(k+1)是第k+1时刻的时变增益因子，P(k+1)和P(k)是第k+1时刻、第k时刻的方差矩阵，W是观测矩阵，

是渐消记忆因子，I是单位矩阵。

通过上述公式对整数像素坐标点进行处理可以完成背景的递归估计，实现背景图像的实时更新和重建，公式中的时变增益因子K反映了图像当前帧数对背景估值的影响大小，决定滤波器的时间响应。而引入渐消因子

是考虑到滤波时为防止发散，限制滤波记忆长度，通过对历史数据的指数加权，逐渐消除旧的数据的影响。

值的选择与背景的变化快慢有关，当背景变化较快时值应选的小一些；反之，当背景变化较慢时，值应选的大一些。

WEB展示系统4对经数据管理及分析系统3处理后的数据进行存储和展示。

具体的，如图2所示，路侧信息采集装置1包括：控制单元16以及与其分别电性连接的供电单元11、信号传输单元12、相机单元13、防护单元14和干扰排除单元15，其中：

相机单元13采用线阵CCD相机或CMOS相机，相机单元13还包括拍摄速度调整装置；

干扰排除单元15用于排除粉尘、雾气、路面凹凸不平、相机拍摄距离变化因素造成的数据失真或数据错误现象，其包括中继器、线路放大装置、线路补偿装置、相位补偿器、光线补偿装置；

根据波导理论，可以分析出，在隧道中电波传播的小波动区，垂直极化传播损耗L_V和水平极化传播损耗L_h可用下面二式表示：

其中

表示波长（m）；Z表示距离（m）；K表示隧道四壁的介电常数（假定顶、地面、两侧的数值相等）。

防护单元14用于防止仪器因雾气、粉尘、高温或低温而受损，其包括防护罩、加热器、除霜器、风扇和警报装置。

隧道划分为若干个探测区段，如果探测器探测到某一区段（第n段）的模拟量发生突增现象，则迅速查看相邻区段（n-1段，n+1段）探测到的数值，将n-1，n，n+1区段的采样信号的差值进行叠加而形成一共同的信号。具体方法：设置采样信号原始数列、定义一累加函数

为多次累加相邻采样值

（n）的差值之和、计算出局部决策结果。

式中，

分别为温度、雾气和粉尘采样信号，

是累加函数为累加相邻采样值

的差值之和。

为单位跃函数，

，

分别为温度或雾气或粉尘决策结果和局部报警门限。

具体的，数据管理及分析系统3包括：信号接收单元31；

隧道断面生成模块32，用于根据路侧信息采集装置1采集的隧道状态数据还原隧道断面；图像处理模块33，用于对隧道断面生成模块获得的隧道断面进行降噪处理；隧道三维重建模块34，用于根据经降噪处理后的隧道断面建立隧道三维影像；数据管理上传模块35，用于将隧道三维影像和路侧信息采集装置1采集的隧道状态数据上传至WEB展示系统4；能对隧道表面进行连续扫描检测，同时对隧道表面进行全方位图像采集，结合激光扫描系统的横向定位，获得全面、丰富的监测数据，通过数据处理及分析系统进行采集信息的分析处理，得到隧道的渗漏水、剥落、裂缝、以及隧道轮廓等数据，从而实现对整个隧道的健康监测。

确定隧道截面方程，设中轴线上任意一点O，其坐标为（X,Y,Z）,里程为L，切向量（a，b，c）。则该点的横截面方程及将相应的点投影到该横截面上。隧道点中任意一点P坐标（

，

，

）到横截面的距离：

若

<

，则认为P是横截面S上的点，

为横截面的厚度，满足上述条件的点即是过O点隧道横截面上的点，将其投影到横截面S上。

为任意噪声坐标，

为该点与x轴正方向的夹角。

其中：

为均值为零，标准差为N的正态函数按轮廓点个数进行采样后随机分给点（

，

）；

为该点和坐标x轴正方向的夹角。

如图3所示，信号传输单元12包括测试接口模块121、传感模块122、模数转换模块123、处理器模块124、第一蓝牙模块125；

信号接收单元31包括第二蓝牙模块311、链接状态判断模块312、信号存储与分析模块313；测试接口模块121用于与地质雷达2相连；

传感模块122用于将采集的信息转换为电压信号，并传送到模数转换模块123；模数转换模块123用于将电压信号进行采样，并转换为数字信号，并传送到处理器模块124；处理器模块124用于对数字信号进行处理和缓存，并打包分发到第一蓝牙模块125；处理器模块124是指微处理器、单核或多核DSP数字信号处理器、ARM处理器之其中一项或多项的组合。

第一蓝牙模块125用于将打包后的数字信号通过无线方式传送到第二蓝牙模块311；第二蓝牙模块311用于将接收到的数字信号传送到链接状态判断模块312；链接状态判断模块312用于根据接收到的数字信号判断信号传输单元12和信号接收单元31之间的通讯状态是否正常，如果正常则将数字信号传送到信号存储与分析模块313，否则请求第二蓝牙模块311重新建立二者之间的通讯连接；本发明采用蓝牙模块传递信息，具有低功耗、低延时的优点。

如图4-6所示，供电单元11为室外使用的光伏能量供电单元，或室内使用的电池供电单元；所述光伏能量供电单元，是指使用太阳能进行充电从而可持续为内部各负载供电的专用电路，包括：稳压电路111、太阳能电池板112、能量采集芯片113及储能器件114；能量采集芯片113的输入端与太阳能电池板112有线相连，输出端与储能器件114的输入端有线相连，储能器件114的输出端与稳压电路111的输入端连接，其输出端与路侧信息采集装置1内部各负载电连接。

更有利的，太阳能电池板112为单晶硅、多晶硅或非晶硅太阳能电池板；能量采集芯片113，具有MPPT最大功率点跟踪、控制功能，并具备微瓦级能量采集能力及低功耗特性；储能器件114为电池电容器、超级电容、复合电容、可充电锂电池或薄膜电池。

在一些实施例中，相机单元13包括：

图像采集模块131，用于采集隧道边墙衬砌、隧道与路面夹角和路面的三维结构病害和断面结构变形；激光扫描模块132，用于对隧道轮廓进行全断面扫描以及获取隧道轮廓数据。

激光扫描模块132还包括三维激光扫描仪，其用于获取隧道表面病害图像的点云数据，然后利用点云数据进行点云拼接形成三维激光病害数据库。

本发明实施例另一方面，公开了一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测方法，利用一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统进行隧道检测，具体步骤包括如下：

采集隧道状况信息，隧道状况信息包括交通信息和地质信息；

根据隧道状况信息还原隧道断面，并建立隧道三维影像；

对隧道三维影像进行存储和展示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统，其特征在于，包括：依次连接的路侧信息采集装置、地质雷达、数据管理及分析系统和WEB展示系统；

所述路侧信息采集装置，用于采集被测路段上的交通环境及隧道状况信息，并将采集的信息实时传输至所述数据管理及分析系统；

所述地质雷达，用于采集地质信号，并对所述地质信号预处理后进行成像；

所述数据管理及分析系统，用于实时获取采集信息，并进行存储和分析，并将分析后的信号传送到所述WEB展示系统；

所述WEB展示系统对经所述数据管理及分析系统处理后的数据进行存储和展示。

2.根据权利要求1所述的一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统，其特征在于，所述路侧信息采集装置包括：控制单元以及与所述控制单元分别电性连接的供电单元、信号传输单元、相机单元、防护单元和干扰排除单元，其中：

所述供电单元用于对所述信号传输单元、所述相机单元、所述防护单元和所述干扰排除单元供电，并能根据所述控制单元要求进行电源控制；

所述相机单元采用线阵CCD相机或CMOS相机，所述相机单元还包括拍摄速度调整装置；

所述干扰排除单元用于排除数据失真或数据错误现象；

所述防护单元用于防止仪器受损。

3.根据权利要求2所述的一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统，其特征在于，所述数据管理及分析系统包括：

信号接收单元；

隧道断面生成模块，用于根据所述路侧信息采集装置采集的隧道状态数据还原隧道断面图像；

图像处理模块，用于对所述隧道断面图像进行降噪处理，得到第一图像；

隧道三维重建模块，用于根据所述第一图像建立隧道三维影像；

数据管理上传模块，用于将所述隧道三维影像和所述路侧信息采集装置采集的隧道状态数据上传至WEB展示系统。

4.根据权利要求3所述的一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统，其特征在于，所述信号传输单元包括测试接口模块、传感模块、模数转换模块、处理器模块、第一蓝牙模块；

所述信号接收单元包括第二蓝牙模块、链接状态判断模块、信号存储与分析模块；

所述测试接口模块与所述地质雷达相连；

所述传感模块将采集的信息转换为电压信号，并传送到所述模数转换模块；所述模数转换模块将电压信号进行采样，并转换为数字信号，并传送到所述处理器模块；所述处理器模块对数字信号进行处理和缓存，并打包分发到所述第一蓝牙模块；所述第一蓝牙模块将打包后的数字信号通过无线方式传送到所述第二蓝牙模块；所述第二蓝牙模块将接收到的数字信号传送到所述链接状态判断模块；所述链接状态判断模块根据接收到的数字信号判断所述信号传输单元和所述信号接收单元之间的通讯状态是否正常，如果正常则将数字信号传送到所述信号存储与分析模块，否则请求所述第二蓝牙模块重新建立通讯连接。

5.根据权利要求2所述的一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统，其特征在于，所述供电单元包括光伏能量供电单元和电池供电单元；所述光伏能量供电单元包括：稳压电路、太阳能电池板、能量采集芯片及储能器件；所述能量采集芯片的输入端与所述太阳能电池板相连，输出端与所述储能器件的输入端相连，所述储能器件的输出端与所述稳压电路的输入端连接，其输出端与路侧信息采集装置内部各负载电连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统，其特征在于，所述路侧信息采集装置设有多个，安装在被测路段上。

7.根据权利要求2所述的一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统，其特征在于，所述地质雷达采用ARM处理器，并内嵌高速DSP。

8.根据权利要求7所述的一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统，其特征在于，所述地质雷达采集到地质信号后进行道间平均、背景消除、实时滤波、叠加去噪后进行成像，同时，所述相机单元包括：

图像采集模块，用于采集隧道边墙衬砌、隧道与路面夹角和路面的三维结构病害和断面结构变形；

激光扫描模块，用于对隧道轮廓进行全断面扫描以及获取隧道轮廓数据。

9.根据权利要求8所述的一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统，其特征在于，所述激光扫描模块包括三维激光扫描仪，用于获取隧道表面病害图像的点云数据，然后利用点云数据进行点云拼接形成三维激光病害数据库。

10.一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测方法，其特征在于，利用权利要求1-9任一所述的一种基于雷达和蓝牙的公路隧道检测系统进行隧道检测，具体步骤包括如下：

采集隧道状况信息，所述隧道状况信息包括交通信息和地质信息；

根据所述隧道状况信息还原隧道断面，并建立隧道三维影像；

对所述隧道三维影像进行存储和展示。

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