CN114964151A - 基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于安全监控检测仪器技术领域，具体涉及一种基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测系统及方法，其中系统包括激光光源、摄像头、后台系统和若干光板，摄像头连接至后台系统，光板包括透光的基板，基板的一面设有光致发光层，基板的另一面设有反光层，反光层的背面设有角度调节装置，角度调节装置远离反光层的一端设有连接部。使用本发明的技术方案可以在不影响正常施工的前提下实时监测隧道的沉降和收敛。
Description
技术领域
本发明属于安全监控检测仪器技术领域，具体涉及一种基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测系统及方法。
背景技术
暗挖隧道由于其工艺特点，结构本身不可避免的存在侧壁收敛及拱顶沉降等变形。传统的监测是隧道两侧边墙上预埋收敛环，拱顶位置预埋沉降挂钩，分别采用收敛计监测侧壁收敛，以及采用倒挂钢尺监测拱顶沉降。采用收敛计将影响现场的正常施工生产，且收敛计易受损坏；收敛钩经常被工人作为挂钩使用，上面挂设杂物而变形，致使监测数据失效。
对于轨道交通中的地下站台来说，断面高度能够达到20m～30m，拱顶沉降监测时，挂钩高度过高，十分危险，不宜使用钢尺监测沉降，只能采用全站仪进行监测。在现行的全站仪监测方法中，在每一段隧道只能监测3到7个点，非常稀疏，并且监测形变时间间隔比较长，如果在监测窗口期发生灾害事故，则无法有效预警。
发明内容
本发明意在提供一种基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测系统及方法，以在不影响正常施工的前提下实时监测隧道的沉降和收敛。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种基于视觉识别的隧道沉降及收敛实时监测系统，包括激光光源、摄像头、后台系统和若干光板，摄像头连接至后台系统，光板包括透光的基板，基板的一面设有光致发光层，基板的另一面设有反光层，反光层的背面设有角度调节装置，角度调节装置远离反光层的一端设有连接部。
本方案的工作原理及有益效果在于：将光板通过连接部分布式地固定到隧道内需要检测沉降和收敛的部位上，将摄像头安装固定，然后将激光光源发出的激光照射在端侧的一个光板上，由于光板的基板具有透光性，光致发光层通常也具有透光性，激光照射到光致发光层后会在光板上形成主动发光的光斑，并且一部分激光会穿过光致发光层后再被反光层反射，此时只需要通过角度调节装置调节光板的倾斜角度，就能调整该光板反射光的反射路径。逐一地完成光板倾斜角度的调节，就可以用激光光路将光板串联起来，并且在激光光路上形成若干被激光激发而主动发光的光斑。然后再调整摄像头的角度，让该激光光路上所有具有光斑的光板都位于摄像头的视野范围内，通过后台系统就可实时地查看和分析光斑的位置。
当某个光板所处的位置发生侧壁收敛或者拱顶沉降等变形时，该位置处的光板将发生位移，此时该光板的位移会导致激光的光路发生变化，尤其是由于光板的串联设置，某个光板位移的变化会导致后续光路的变化被成倍地放大，对于面积较大的光板来说，表现出来的情况就是后续光板上的光斑的位移距离逐个增大，对于面积较小的光板来说，则表现出来的情况是从该光板之后的光板上的光斑消失，由此可根据光斑消失的位置和光斑位移量的大小来判断何处发生了侧壁收敛或者拱顶沉降等变形。
在本发明中，整个实时监测依赖的是光路，而且其他各个零部件占用的隧道内的空间都非常小，不会对隧道施工造成阻碍，因此在实时监测的同时并不影响隧道正常施工。而且，在需要增加监测点时，只需要在相应的监测点加装光板后再调整倾斜度即可，减少监测点则反之，非常便于随时增减监测点。摄像头和后台系统本身还可以视频监控系统，或者说本发明可以用常规的视频监控系统改造而成，成本低，使用方便。
可选地，角度调节装置包括连接球和连接座，连接座上开有与连接球形状相匹配的半球形的凹槽，凹槽或者连接球中的一个具有永磁性，另一个则由能够被磁性吸附的材料制成。将连接球或连接座与光板的背面固定，则可利用连接球和连接座吸附固定并调整光板的倾斜角度。
可选地，角度调节装置为金属杆或者金属管。金属杆和金属杆均能够发生塑性变形并保持形变，结构简单、稳定，制造成本低，优选材质为纯铜材质。
可选地，连接部为钉子、夹子、磁铁、粘胶以及柔性绳中的一种或者多种。采用钉子则方便钉入初支层中固定；在隧道内表面上存在钢筋桩、收敛钩等支出物时，则可以通过夹子夹在支出物上，或者通过柔性绳绑扎固定在支出物上，或者通过磁铁直接吸附其上；而对于光滑的、而且不宜钉入的墙面，则可用粘胶固定。
可选地，还包括云台防抖装置，摄像头安装在云台防抖装置上。在采用机械开挖隧道时，会产生一定的振动而导致摄像头的抖动，采用云台防抖装置避免摄像头的抖动。
可选地，反光层为凸面镜。反光板轻微的位移，则会导致后续光路发生更大的变化，从而让光斑位移距离的放大效应更好，提升监测的灵敏度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是应用上述系统以视觉识别隧道沉降及收敛实时监测的方法，包括以下步骤：
硬件安装：将光板通过连接部固定到隧道内侧壁上，其中拱顶和两侧边墙上固定至少一个光板，再将激光光源和摄像头固定在隧道内；
光路调整：将激光光源的射出方向朝向内侧壁上靠下的一个光板上，通过各个角度调节装置，调整各个光板的倾斜角度，让激光光路将各个光板串联起来；
摄像头视野调整：让该激光光路上所有光致发光层的一面是朝摄像头一侧的光板都位于摄像头的视野范围内；
视觉识别：摄像头拍摄初始图像，将初始图像上传至后台系统，后台系统对初始图像进行预处理，从预处理后的初始图像中识别光斑，标记光斑的所在位置，生成光斑参考图像；
摄像头每隔第一预设时间拍摄监控图像，将监控图像上传至后台系统，后台系统对监控图像进行预处理，从预处理后的监控图像中识别光斑，并标记光斑的所在位置，生成光斑实时图像，将光斑实时图像与光斑参考图像进行对比，判断光斑实时图像中的光斑相比于光斑参考图像中的光斑是否出现位置偏移或光斑数量减少的情况；
若出现位置偏移的情况，标记位置偏移的光斑并计算偏移量；生成偏移报警信息；若出现光斑数量减少的情况，按照光路标记末端的光斑，生成偏移报警信息。
本方案通过摄像头拍摄光板上的光斑，当光斑实时图像中的光斑相比于光斑参考图像中的光斑出现位置偏移或光斑数量减少的情况时，表明某个光板所处的位置发生侧壁收敛或者拱顶沉降等变形，影响光板的位置或倾斜角度，导致光路发生变化，由此可根据光斑消失的位置和光斑位移量的大小来判断何处发生了侧壁收敛或者拱顶沉降等变形。
在本发明中，整个实时监测依赖的是光路，而且其他各个零部件占用的隧道内的空间都非常小，不会对隧道施工造成阻碍，因此在实时监测的同时并不影响隧道正常施工。而且，在需要增加监测点时，只需要在相应的监测点加装光板后再调整倾斜度即可，减少监测点则反之，非常便于随时增减监测点。摄像头和后台系统成本低，使用方便。
可选地，视觉识别步骤中，后台系统还判断是否出现光斑全部消失的情况，若出现光斑全部消失的情况，记录对应监控图像的拍摄时间，并开始计时，判断第二预设时间内后续监控图像得到的光斑实时图像中，光斑数量是否恢复，若恢复，记录为施工振动事件，若未恢复，生成偏移报警信息。
在隧道施工过程中，可能会造成隧道的振动，振动容易导致光板在某一时刻偏离安装位置，进而致光路发生变化，光斑消失，在振动结束后，光板会恢复至安装位置，光路恢复，光斑重新出现。本优选方案可以对振动导致的暂时光路偏移进行识别，降低误报的概率。
可选地，视觉识别步骤中，若出现光斑数量减少的情况时，后台系统还记录对应监控图像的拍摄时间，并开始计时，判断第三预设时间内后续监控图像得到的光斑实时图像中，光斑数量是否恢复，若恢复，记录为遮挡事件，若未恢复，按照光路标记末端的光斑，生成偏移报警信息。
在隧道施工过程中，还可能出现施工人员，或施工设备等对光路的临时遮挡，此时会造成光斑数量的减少，当施工人员，或施工设备等离开后，光路恢复，光斑的数量又会重新恢复。本优选方案可以对临时遮挡带来的光斑短暂性消失情况进行识别，降低误报的概率。若超出第三预设时间，生成偏移报警信息，即使是临时遮挡，也能提醒施工人员或施工设备尽快撤离遮挡区域。
可选地，视觉识别步骤中，若出现位置偏移的情况，后台系统还判断偏移量是否大于警戒值，若大于警戒值；生成危险报警信息。
偏移量大于警戒值，表明当前侧壁收敛或者拱顶沉降等变形较大，生成危险报警信息，可以对相关施工人员预警，避免发生较大的安全事故。
附图说明
图1为本发明实施例一中基于视觉识别的隧道沉降及收敛实时监测系统的安装示意图；
图2为本发明实施例一中摄像头、激光光源和云台防抖装置的安装示意图；
图3为本发明实施例一中光板、角度调节装置和钢钉的结构示意图；
图4为本发明实施例一中基于视觉识别的隧道沉降及收敛实时监测方法的流程图；
图5为本发明实施例二中光板、角度调节装置和钢钉的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的标记包括：隧道1、激光光源2、摄像头3、安装片301、球铰结构302、云台防抖装置4、光板5、基板501、光致发光层502、反光层503、连接片504、纯铜管505、钢钉506、连接球507、球座508、连接座509。
实施例一
本实施例基本如图1、图2、图3所示：隧道基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测系统及方法，其中系统：
包括激光光源2、摄像头3、后台系统和若干光板5，本实施例中，激光光源2采用红光半导体激光器，摄像头3采用高清防水的模拟摄像机，摄像头3连接至后台系统。本实施例中，后台系统为云服务器。
光板5包括由硬质PVC塑料片制成的基板501，本实施例中基板501为面积较小的、边长为10cm的正方形基板501，与玻璃材质的基板501相比，不易碎裂，而且加工形成弧形面以形成内凹面，以便于制备凸面镜。基板501弯曲呈弧面，基板501的外侧面上涂覆由纳米级颗粒尺寸组成的光致发光层502，光致发光层502实质为荧光材料，荧光材料是在紫外光(200～400nm)照射下，依颜料中金属和活化剂种类、含量的不同，而呈现出各种颜色的可见光(400～800nm)，该光致发光层502具有良好的发光性和透光性。基板501的内侧面为内凹的弧形面，弧形面上镀有银层，形成凸面镜式的反光层503。反光层503的背面设有角度调节装置，本实施例中角度调节装置为薄壁的纯铜管505，纯铜管505的一端一体成型有纯铜的连接片504，连接片504与反光层503背面贴附并粘附固定。角度调节装置远离反光层503的一端设有连接部，本实施例中连接部为钢钉506，钢钉506的一端呈圆柱形，钢钉506可插入到纯铜管505中并与纯铜管505过盈配合。
如图4所示，基于上述系统的隧道1沉降及收敛实时监测方法：包括以下步骤：
硬件安装：选取十块光板5和十根钢钉506，将钢钉506钉入到需要监测位置的初支层中，其中拱顶两块光板5，两侧的侧壁上各四块光板5。纯铜管505远离基板501的一端插到钢钉506上。摄像头3背面设置有安装片301，摄像头3通过安装片301安装在云台防抖装置4上，云台防抖装置4安装在隧道1拱顶中部，激光光源2通过球铰结构302连接到摄像头3上，与摄像头3共同利用云台防抖装置4避免抖动。
光路调整：启动激光光源2射出激光，激光的射出方向朝向内侧壁上最右下侧的光板5上，弯折最右下侧光板5上的纯铜管505，调整光板5的角度，只是反射光照射向紧邻的下一个光板5，然后逐一调整各个光板5的倾斜角度，让激光光路将各个光板5串联起来，其中至少五个光板5的具有光致发光层502的一面是朝摄像头3一侧的。为了提高光斑的辨识度，隧道1内设有光板5处的照明光线可适当调暗。
摄像头3视野调整：通过云台防抖装置4调整摄像头3的倾斜角度，以调整摄像头3的视野，让该激光光路上所有光致发光层502的一面是朝摄像头3一侧的光板5都位于摄像头3的视野范围内。
视觉识别：摄像头3拍摄初始图像，将初始图像上传至后台系统，后台系统对初始图像进行预处理，从预处理后的初始图像中识别光斑，按照光路对光斑顺序编号，标记光斑的所在位置，生成光斑参考图像；本实施例中，预处理时，对初始图像进行锐化和二值化处理，得到黑白图像。再通过OpenCV视觉库识别图像中的白色亮点作为光斑，通过矩形框标记光斑的所在位置，建立坐标系，根据光斑的像素位置确定光斑的坐标。
按照光路对光斑顺序编号时，例如激光光路最先到达的光板5所形成的光斑编号为1，然后第二个到达的光板5所形成的光斑编号为2，以此类推。
摄像头3每隔第一预设时间拍摄监控图像，将监控图像上传至后台系统，后台系统对监控图像进行预处理，从预处理后的监控图像中识别光斑，并标记光斑的所在位置，生成光斑实时图像，将光斑实时图像与光斑参考图像进行对比，判断光斑实时图像中的光斑相比于光斑参考图像中的光斑是否出现位置偏移或光斑数量减少的情况；本实施例中，先判断是否出现光斑数量减少的情况，再判断是否出现位置偏移的情况，在其他实施例中，还可以分为两个线程，同时对是否出现光斑数量减少的情况，以及是否出现位置偏移的情况进行判断。
若出现位置偏移的情况，标记位置偏移的光斑并计算偏移量；生成偏移报警信息；若出现光斑数量减少的情况，按照光路标记末端的光斑，生成偏移报警信息；
通过两个光斑的像素距离，可以得到图像上的偏移量，如果需要得到实际隧道1内的偏移量，则可以提前计算各个光板5在隧道1内的实际距离以及在图像中的像素距离，得到像素距离与实际距离的比值，通过换算，即可得到光斑在实际隧道1内的偏移量。
在其他实施例中，还可以设置偏移量的最大值，超过偏移量的最大值，这将该光斑重新标记为错误光斑。因为单个光斑会在一定范围内偏移，正常情况下隧道1出现坍塌才会使光斑偏移量超过最大值，但是坍塌后，因为环境的剧烈变化，难以再采集到光斑，所以出现单个光斑偏移量超过最大值的情况，通常是误将施工人员的头灯等光源错误的识别为光斑，通过设置偏移量的最大值，可以减少干扰。
后台系统还判断是否出现光斑全部消失的情况，若出现光斑全部消失的情况，记录对应监控图像的拍摄时间，并开始计时，判断第二预设时间内后续监控图像得到的光斑实时图像中，光斑数量是否恢复，若恢复，记录为施工振动事件，若未恢复，生成偏移报警信息。第二预设时间为5-60秒，本实施例中为10秒。在其他实施例中，若第一预设时间大于第二预设时间，出现光斑全部消失的情况，直接生成偏移报警信息。例如第一预设时间为10分钟，即间隔10分钟采集一次，则直接生成偏移报警信息。
若出现光斑数量减少的情况时，后台系统还记录对应监控图像的拍摄时间，并开始计时，判断第三预设时间内后续监控图像得到的光斑实时图像中，光斑数量是否恢复，若恢复，记录为遮挡事件，若未恢复，按照光路标记末端的光斑，生成偏移报警信息。第三预设时间为10-60秒，本实施例中同样为10秒。在其他实施例中，若第一预设时间大于第三预设时间，出现光斑数量减少的情况时，直接生成偏移报警信息。例如第一预设时间为10分钟，即间隔10分钟采集一次，则直接生成偏移报警信息。
若出现位置偏移的情况，后台系统还判断偏移量是否大于警戒值，若大于警戒值；生成危险报警信息。
实施例二
本实施例与实施例一的区别之处在于：基本如附图5所示，角度调节装置包括连接球507和连接座509，连接座509呈锥台状，连接球507为经过磁化处理的带有永磁性的圆球，连接球507通过球座508固定在光板5的背面上。连接座509的顶面上开有与连接球507形状相匹配的半球形的凹槽，整个连接座509由铸铁制成，钢钉506焊接固定到连接座509的底面上。
在钉入钢钉506时，可以用锤子直接击打连接座509，从而将钢钉506钉入。而连接球507可吸附到凹槽上，并且能够自由转动以调节光板5倾斜角度，并且利用连接球507与凹槽之间的摩擦力保持光板5的倾斜角度，使用方便，调节也方便。
以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测系统，其特征在于：包括激光光源、摄像头、后台系统和若干光板，摄像头连接至后台系统，光板包括透光的基板，基板的一面设有光致发光层，基板的另一面设有反光层，反光层的背面设有角度调节装置，角度调节装置远离反光层的一端设有连接部。
2.根据权利要求1所述的基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测系统，其特征在于：角度调节装置包括连接球和连接座，连接座上开有与连接球形状相匹配的半球形的凹槽，凹槽或者连接球中的一个具有永磁性，另一个则由能够被磁性吸附的材料制成。
3.根据权利要求2所述的基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测系统，其特征在于：角度调节装置为金属杆或者金属管。
4.根据权利要求1所述的基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测系统，其特征在于：连接部为钉子、夹子、磁铁、粘胶以及柔性绳中的一种或者多种。
5.根据权利要求1所述的基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测系统，其特征在于：还包括云台防抖装置，摄像头安装在云台防抖装置上。
6.根据权利要求1所述的基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测系统及方法，其特征在于：反光层为凸面镜。
7.基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
硬件安装：将光板通过连接部固定到隧道内侧壁上，其中拱顶和两侧边墙上固定至少一个光板，再将激光光源和摄像头固定在隧道内；
光路调整：将激光光源的射出方向朝向内侧壁上靠下的一个光板上，通过各个角度调节装置，调整各个光板的倾斜角度，让激光光路将各个光板串联起来；
摄像头视野调整：让该激光光路上所有光致发光层的一面是朝摄像头一侧的光板都位于摄像头的视野范围内；
视觉识别：摄像头拍摄初始图像，将初始图像上传至后台系统，后台系统对初始图像进行预处理，从预处理后的初始图像中识别光斑，标记光斑的所在位置，生成光斑参考图像；
摄像头每隔第一预设时间拍摄监控图像，将监控图像上传至后台系统，后台系统对监控图像进行预处理，从预处理后的监控图像中识别光斑，并标记光斑的所在位置，生成光斑实时图像，将光斑实时图像与光斑参考图像进行对比，判断光斑实时图像中的光斑相比于光斑参考图像中的光斑是否出现位置偏移或光斑数量减少的情况；
若出现位置偏移的情况，标记位置偏移的光斑并计算偏移量；生成偏移报警信息；若出现光斑数量减少的情况，按照光路标记末端的光斑，生成偏移报警信息。
8.根据权利要求7所述的基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测方法，其特征在于：视觉识别步骤中，后台系统还判断是否出现光斑全部消失的情况，若出现光斑全部消失的情况，记录对应监控图像的拍摄时间，并开始计时，判断第二预设时间内后续监控图像得到的光斑实时图像中，光斑数量是否恢复，若恢复，记录为施工振动事件，若未恢复，生成偏移报警信息。
9.根据权利要求7所述的基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测方法，其特征在于：视觉识别步骤中，若出现光斑数量减少的情况时，后台系统还记录对应监控图像的拍摄时间，并开始计时，判断第三预设时间内后续监控图像得到的光斑实时图像中，光斑数量是否恢复，若恢复，记录为遮挡事件，若未恢复，按照光路标记末端的光斑，生成偏移报警信息。
10.根据权利要求7所述的基于视觉识别的隧道沉降及收敛的实时监测方法，其特征在于：视觉识别步骤中，若出现位置偏移的情况，后台系统还判断偏移量是否大于警戒值，若大于警戒值；生成危险报警信息。
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