隧道智能检测系统软件系统设计与研究

薛春明

（山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

隧道智能检测系统采集速度快、精度高、稳定性好、自动化程度高且能耗低，可在正常行车速度下，实现公路隧道裂缝、渗水、剥落、衬砌变形、盖板破损及缺失等衬砌表观病害的快速检测，可满足各种等级公路隧道的日常、定期、专项检测[1-2]。隧道智能检测系统在正常速度下进行数据采集，速度可达80 km∕h，每秒数据量可达300 Mb。为了提高检测效率，实现智能化图像采集，保障图像采集质量，提高图像处理速度和病害识别精度，本文针对隧道智能检测系统设计了一套集数据采集、处理和管理的软件系统，实现了隧道衬砌图像的高效、高质量采集以及图像数据的高效处理[3-4]。

1 数据采集系统

数据采集系统由图像采集软件、数据采集软件和图像转换软件组成。图像采集软件用于采集隧道图片信息；数据采集软件由编码器采集软件、激光三维扫描仪采集软件及微型陀螺仪数据采集软件3 个模块系统组成，分别采集车辆里程数据、隧道衬砌轮廓尺寸数据和车辆三自由度运动姿态信息；图像转化软件主要对采集图像数据进行压缩。

1.1 图像采集软件

图像采集软件主界面如图1所示，由功能区、显示区和状态区组成，用于实现相机参数设置、图像采集、图像查看、图像存储设置以及图像显示等功能。同时，该软件内置了相机管理和配置功能，用于实现相机服务器和设备号的匹配以及相机参数的导入，如图2所示，是实现相机识别、相机管理和图像准确采集的重要保证，是确保图像质量的关键因素。另外，图像的连续和动态显示是展现软件好坏和反映图像质量的直接窗口，为了便于用户对图像全局和局部的观察，开发了图像显示比例可调控件，如图3所示，实现用户的自由调控。

图1 单相机采集软件

图3 图像显示比例可调控件

隧道智能检测系统采用半幅画面采集方式，即在高速公路隧道行车道和超车道各行驶一次，在一次半幅采集过程中，单个相机无法满足视场及精度要求，需要设置3 套工业相机及配套光源对隧道衬砌进行图像采集。该系统采用多线程并行技术，将单相机采集软件系统升级为多相机采集软件，该软件能够自动识别相机数量，在拥有单相机采集软件所有功能的基础上，能够同时预览到所有相机的采集画面[5]。多相机采集软件如图4所示。

图4 多相机采集软件

1.2 数据采集软件

数据采集软件主要由编码器、激光三维扫描仪和微型陀螺仪子系统组成，软件界面如图5所示。编码器子系统主要包括串口设置、编码器设置、数据显示、功能键等功能，用于显示角度值、脉冲数量、车速和里程，设置编码器发送的脉冲数量；激光三维扫描仪子系统是采用激光技术扫描隧道轮廓，以极坐标形式测绘隧道轮廓，可实时显示测量物体与扫描仪之间的距离和相对角度，用于定测隧道智能检测车的位置；微型陀螺仪子系统主要包括系统设置、系统标定、系统权重、温度显示、姿态角、角速度、加速度等功能，该软件实现了俯仰角、滚转角、方向角的实时采集和显示，方便后期图像处理时图像矫正、裂缝识别等。

图5 数据采集软件

1.3 图像转化软件

隧道智能检测系统数据采集作业速度为80 km∕h，数据量为300 Mb∕s。采集过程中，为了实现大量数据瞬间完整存储，系统对原始数据不经过任何加工和处理，采用RAW 格式保存。采集完成后，需将非可视化原始数据通过增加表头信息转化为可视化图片，同时，对巨大数据量进行无损压缩。为了方便转换过程，加快转换速度，完成批量转换和去除无效图片，开发了一款图像转换软件，如图6所示。

图6 图像转化软件

2 数据处理系统

数据处理系统由图像预处理软件、图像拼接软件和图像病害识别软件组成。图像预处理软件对采集的隧道图像进行预处理，使其满足复杂隧道环境下裂缝识别；图像拼接软件对图像进行拼接，形成全幅展布图；图像病害识别软件实现隧道海量图片数据的分析、处理和识别。

2.1 图像预处理软件

隧道图像预处理软件主要包括图像增强、图像二值化、直方图均衡、旋转、亮度减弱增加等功能，用以满足复杂隧道环境下低对比度的裂缝识别与检测，系统界面如图7所示。

图7 图像预处理软件

2.2 图像拼接软件

该系统采集到的每张图片代表实际里程1 m，为了形成隧道整体展布图，需要将两个半幅的6 套相机采集的图片拼接在一起。拼接方式主要有位置和特征点拼接两种，由于隧道等级不同，每套相机视场的重复率也会随之不同，位置拼接方式需要根据隧道等级设置不同裁剪参数。特征点拼接方式原理是在图片重复区域依据梯度和灰度方向计算得到面特征点，基于所有的特征点将相邻图片自动拼接，该拼接方式能够得到很好的拼接效果[6-7]，因此，该系统采用特征点拼接方式。图像拼接软件子系统如图8所示，隧道全幅拼接效果如图9所示。

图8 图像拼接软件

图9 全幅图拼接

2.3 图像病害识别软件

隧道病害识别软件，如图10所示，集成图像分割和深度学习的算法，可实现图像处理、数据报表，以及存储管理，满足隧道海量图片数据的分析、处理和识别。同时，该软件依托病害数据中心对采集的病害进行信息数据化管理，可与隧道历史数据比对和预测，得到病害扩展趋势和速率等信息，为隧道养护决策提供全方面数据支撑[8-9]。

图10 图像病害识别软件

3 数据管理系统

隧道病害数据管理系统，如图11所示，可对裂缝、剥落、渗水、机电设施和盖板的破损及丢失等病害类型进行统一管理，具备数据报表、病害统计、隧道衬砌表观图出具及数据中心管理等功能。系统用户可查阅每条隧道的病害信息，相应的图片显示在浏览窗口中，还可以按照病害种类、裂缝长度和宽度、里程信息、病害位置等进行搜索和分析。系统用户可选择多种输出选项，包括检测日志、隧道衬砌表观图、病害统计表、隧道病害提取图像等。

图11 隧道病害数据管理系统

3.1 病害统计报表

病害统计报表中包括病害里程桩号、位置、病害类型、病害几何参数特性等，总表中按照病害类型、位置、病害几何参数进行数据统计。隧道衬砌病害记录表如表1所示。

表1 隧道衬砌病害记录表

3.2 隧道衬砌表观图

隧道衬砌表观图为隧道全幅图，全部病害信息展现在衬砌表观图上，每张图呈现一定里程衬砌图像，表观图中每种裂缝颜色表示0.2 mm 跨度的宽度，更加醒目地表示裂缝宽度。该种呈现方式更加直观地将病害信息展现在衬砌表观图中，具有更强的阅读性，如图12所示。

图12 隧道衬砌表观图

3.3 隧道病害数据中心

隧道病害数据中心如图13所示，可对所有数据进行统一管理，使用了自主研发的海量数据无损压缩技术，存储外业采集获得的数据；同时，配置高性能GUP服务器，可进行隧道图像拼接和病害智能识别，形成可视化检测报告；另外，可对隧道病害特征数据进行提取、分析、管理，可对病害信息进行统计与分析，展示隧道病害发展过程，为业主制定维护方案提供依据。

图13 隧道病害数据中心

4 结论与展望

隧道智能检测系统软件系统通过图像快速转化、无损压缩、预处理及图像拼接，形成了全幅展布图，通过深度学习算法实现了图像数据的分析、处理与识别；建立了数据管理中心，实现了数据报表、病害统计、隧道衬砌表观图出具及数据中心管理等功能。

隧道智能检测软件系统的成功应用，保障了图像采集质量，提高了图像处理速度和病害识别精度，保障数据处理的顺利进行，大幅降低检测时间和检测成本，便于对公路隧道进行定期检测和数据管理，便于统计和分析病害的发展趋势，从而在保障公路隧道安全运营、及时发现公路隧道初期病害、降低维护费用等多方面发挥不可替代的作用，具有较好的应用前景。