智慧检测系统原理及其在智慧工厂中的应用

白丽辉 宁英杰 黄祎涵 陈旭光 杨伟家

摘 要：本文通过介绍移相法结构光技术、三角测量技术等来阐述所提出智慧检测系统的原理，对比传统的检测手段，结合智慧工厂的建设来阐述智慧检测系统的应用场景。证实智慧检测系统不仅能扭转传统质量检测中检测效率低、检测误差大、检测资料失真等不良现状，而且结合智慧工厂能实现真正的高效率、低成本的生产管理模式。

关键词：智慧检测;相移法;智慧工厂

中图分类号：TU394 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2022）02-0080-03

0引言

在国内绿色建筑政策的驱动下，装配式行业迎来高速发展。结合信息物理交互系统打造智慧工厂，有助于加强装配式构件精细化生产提升产品合格率。在预制构件的生产制造中，国内普遍仍采用“半人工半机械”的传统手段，尤其对于大型构件，因工序复杂，劳动强度大，产品质量无法保证，因此智能检测设备的研发及应用则显得至关重要。现有的智能检测设备往往需要检测技术（数据采集）和算法优化（数据处理）。检测技术大多应用于农业、工业、医学，如计算机视觉技术，利用图像来实现对环境信息的识别与认知[1];机器摄影测量技术，通过拍摄图片自动生成可远近视角且位置精度高的实景三维模型已应用于水电工程及工程地质考察[2-3];激光扫描技术，可利用三维扫描建模已用于实体建模[4];探地雷达技术，可模拟暗挖隧道的钢筋间距并得以检测[5]。照片3D建模技术，利用Autodesk 123D Catch对拍摄的照片进行整合生成人体器官的三维模型[6]。而算法层面上，K.Singh[7]提出一种基于递归方法和深度学习的图像处理算法可以从图像中识别出不同粒的大小，并根据粒的像素大小来估计粒的大小，同时精确地测量几个米粒的大小和质量，促进水稻产量的量化，促进更快的稻米质量评估。王慧艺[8]利用HALCON做图像处理识别，通过识别铁丝圈，建立数值模型计算距离，解决了工人操作的问题。李篪[9]针对打捆钢筋的计数问题，通过编写新算法对图像处理，解决了非均匀光照和噪声的干扰，突出了图像内部的细节，有利于后续钢筋的识别和计数。陈至坤[10]等人利用神经网络，通过深度学习和图像处理技术，通过前期的样本训练，提高在应用中的钢筋计数效率和准确性。Warsewa A[11]等人在结构智能控制方面，为解决图像处理的延迟问题，数值模型和实际系统实时数据不统一的问题上，编写一种随观测器动态调整的算法，优化传感器布置，提出了一種主动承重单元的自适应建筑状态估计方法。在建筑工程中，智能检测设备的应用则为数不多。况中华[12]等人利用摄影测量技术识别圈梁尺寸;唐立国[13]采用脉冲涡流检测系统测定钢筋位置和保护层厚度;徐莹[14]结合探地雷达和超声波法检测混凝土密实空间。从上述研究现状发现，智能检测技术在预制装配式构件中应用甚少，特别是针对钢筋间距和弯起件，定位板尺寸等测量问题。因此本文将结合3D成像技术，通过图像识别，数据处理，实现构件检测智能化，并应用于智慧工厂的建设当中。

本文针对钢筋骨架、定位板、折弯件等预制构件的检测效率、准确率以及检测数据智能化记录分析问题，首先采用3D照相机获取三维点云数据，随即通过图像识别技术实现对钢筋间距、排布情况、定位板孔洞及其偏差的自动检测，并生成相应的检测图像和数据报表。

1智慧检测系统原理及特点

智慧检测系统最主要的原理是通过移相法结构光技术对待检测物体投射一系列具有一定结构特征的光线，再由3D相机采集反射的结构光图案，对所得到的光栅图像进行位置信息编码，最后根据三角测量原理进行长度、深度等信息的计算。

1.1结构光

结构光（Structured Light），通常是指采用特定波长的不可见的红外激光作为光源，发射出来的光经过一定的编码投影在物体上，通过一定算法来计算返回的编码图案的畸变来得到物体的位置和深度信息。不同时期的摄影测量技术发展如图1所示。

不同于以往的点激光技术，结构光技术的基本原理是向被测物体投射一系列含有特定空间相位的光线，编码2D图案的同时对被测物拍摄，然后对得到的照片进行解码，再将解码信息根据标定数据进行计算，重构成为3D数据。线激光技术和结构光技术都是基于三角测量原理，因此二者的精度相近，但是结构光技术投射的光是覆盖整个物体表面，因此它能直接产生相应的3D数据。

1.2 相移法

相移法（Phase-modulation Method）是在获得物体3D数据之后进行三维重建中最常用的方法，相移是通过投影一系列相移光栅图像编码，从而得到物体表面一点在投影仪图片上的相对位置或者绝对位置。常用的三步相移法公式如下：

1.3 三角测量

三角测量（Triangulation）的基本思想是利用结构光照明中的几何信息帮助提供景物中的几何信息，根据3D相机、结构光、物体之间的几何关系来确定物体的三维信息。其原理如图2所示。

根据图2中光敏单元（3D相机）及激光器（结构光）之间的距离AB、激光器的仰角∠OAB和光敏单元的仰角∠OBA信息，通过三角形关系即可测得O点的坐标位置信息。

1.4 智慧检测系统特点（见表1）

2智慧检测系统检测流程（见图3）

3智慧检测系统应用场景

以绍兴市城投建筑工业化制造有限公司在预制构件生产过程中的钢筋骨架检测为例，通过智慧检测系统，对主筋间距、箍筋间距等信息进行测量。其主要过程如下。

钢筋骨架检测前，工人先对检测现场进行清场，避免不必要的人为因素影响检测过程。紧接着钢筋骨架进场，固定在滑轨预设点位处，如图4所示。

3D相机模组安装在轨道上，从控制房中移出，沿着滑轨，依次到达指定的检测位P1-Pn进行检测，如图5所示。

通过图像识别技术，对3D相机采集到的信息进行编码及三维重建。编码重建前后的信息图像如图6a、6b所示。

整合所有检测位的主筋间距、箍筋间距等钢筋骨架信息数据，上传至智慧工厂云端服务器。云端服务器对所上传的数据信息与本地标准化数据库信息进行对比，对不合格的点位进行标注，生成最终检测结果报表，再由工人进场校对检测结果，如图7所示。

4结论

结合移相法结构光技术、三角测量原理的智慧检测系统不仅可为预制混凝土构件提供全生命周期的数据追踪服务，避免构件加工过程中人为检测的缺陷，且可极大提高构件的成品质量和施工效率，大幅降低人员投入成本。此外，智慧检测系统在智慧工厂建设的推进过程中发挥着重要的作用，智慧检测的结果信息可通过信息化管理网络端口实时共享至信息化管理平台，从而实现智能化和信息化的高效结合。

参考文献

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[14] 徐莹，徐宏武.探地雷达和超声波法在混凝土结构检测中的应用[J].土木工程与管理学报，2012，29（1）：97-101.

The Principle of Smart Inspection System and Its Application in Smart Factory

BAI Lihui1， NING Yingjie1， HUANG Yihan1， CHEN Xuguang1， YANG Weijia2

（1.Zhejiang Communications Construction Group Co.， Ltd.， Hangzhou  Zhejiang  310000;

2.School of Civil Engineering， Shaoxing University， Shaoxing  Zhejiang  312000）

Abstract： This paper illustrates the principle of the proposed smart inspection system by introducing the structured light technology of phase shift method and triangulation technology， and further demonstrates the advantages of the smart inspection system by comparing the traditional inspection means， and finally illustrates the application scenarios of the smart inspection system by combining with the construction of the smart factory. It is confirmed that the smart inspection system can not only reverse the undesirable status quo of low inspection efficiency， large inspection errors and distortion of inspection data in traditional quality inspection， but also realize a real high-efficiency and low-cost production management mode in combination with the smart factory.

Keywords： smart inspection; phase shift method; smart factory

收稿日期：2021-12-18

作者简介：白丽辉（1974—），女，满族，辽宁岫岩人，本科，高级工程师，从事建筑工程管理工作。