基于机器视觉的综合管廊沉降自动预警装置的研制

林章

【摘 要】地下综合管廊在市政建设中广为应用。为了保障其结构安全，必须加强施工期的测量工作。本文提出了一種基于图像处理的、针对地下综合管廊沉降情况进行自动检测并预警的装置，并介绍了该装置的系统运行原理、平台搭建方法、图像采集模块和信息模块的工作原理以及装置在实际应用中的误差处理方式。

【关键词】图像处理；综合管廊；沉降检测

【Abstract】Utility tunnel is widely used in the municipal construction.In order to ensure its structural safety，it is necessary to strengthen the measurement work during the construction period.This paper presents a device based on image processing for automatic detection and early warning of subsurface utility tunnel，and introduces the system operation principle，platform construction method，image acquisition module and information module working principle and device In the practical application of the error handling.

【Key words】Image processing；Utility tunnel；Settlement detection

0 前言

纵观当今世界，发达国家已经把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、资源、环境三大危机的重要措施和医治“城市综合证”、实施城市可持续发展战略的重要途径[1-2]。早在 19 世纪，法国、英国、德国等就开始兴建地下综合管廊。近年来地下综合管廊在我国的城市市政建设中也得到了越来越广泛的应用，为满足城市市政管线设置、保护城市环境、实现城市的集约和可持续发展提供了有力的基础设施保证[3]。

为确保综合管廊结构安全，保证综合管廊正常使用，在综合管廊的施工中加强综合管廊的测量工作是非常重要的，应引起足够重视。综合管廊的变形如果超过一定的限度就会影响到它的正常使用、危及建筑物的安全。在工程施工和工程使用期间应进行严密沉降观测，通过对观测数据研究和分析沉降原因及其发展的趋势，及时采取措施，以保障工程的施工和使用安全，并通过对沉降观测数据的分析，结合地质资料，综合分析研究其他沉降的规律，对其稳定性进行评价。

1 国内外同类研究工作现状

国内外专门针对综合管廊沉降的检测研究比较少，但是对高层建筑、公路路基、隧道工程等构建物的沉降测量研究比较多。目前对建筑物沉降测量方法主要有以下4类：

1）水准测量法

水准测量法是建筑物测量中最为常见的一种方法，是利用水准仪确定基准点和沉降监测点，通过沉降监测点的变化来分析建筑物的沉降情况。这种方法适用性强、精度高，适用于与不同条件下的建筑物，是应用最广泛的沉降测量方法。

2）全自动测量法

目前，集测距仪、电子经纬仪等优点于一身的全站仪在沉降测量中得到了广泛的应用，能够实现全天候、全方位、高精度的全自动检测。

3）传感器测量法

这份测量法是利用传感器来讲沉降量转化为电信号进行测量，比如利用变面积式电容传感器进行沉降测量，这种测量方式更为可靠、精确，且能实时反应沉降的变化[4]。

4）数字化摄影测量法

数字化摄影技术是一种利用被摄物来重建物体空间位置和三维性状的技术，该技术目前在快速绘制大型建筑遗址、国防建设等方面均有应用，尤其适用于重要工程的变形和全自动生产线检测、弹体运动轨迹等不可接触的物体测量中[5]。

传统的沉降观测一般是进行周期性的观测，存在不连续，间隔周期较长，程序复杂和应急能力不足的问题。本文研制的管廊沉降自动预警装置在沉降观测的过程是全自动并且连续观测的，无需人员下到综合管理，减少了人力财力，同时也保证了的综合管廊在施工建设和使用中的安全。

2 系统方案设计

2.1 系统原理框图

基于机器视觉的综合管廊沉降自动预警装置由图像采集模块、信息处理模块和显示及预警模块组成。其具体框图如图1所示。

2.2 自动预警装置的搭建

自动预警装置构成图如图2所示。自动预警装置主要由激光发射点、激光接收面板、摄像头、数据处理主机和报警喇叭。激光发射点设置在沉降观测点，距离激光接收面板30米以上，要求激光采用功率较大，本装置中采用50mW射程达200米以上的绿色激光，具有光斑直径小、易被摄像头识别等特点。由于落在激光接收面板上比较明显，周围干扰较少，故采用一般的USB摄像头即可。数据处理主机的作用是：处理摄像头采集的数据、存储和比对数据、输出报警信号到喇叭，性能要求比较低，采用运行简易Windows系统的树莓派主机，具有低功耗、小巧便携方便等特点。本装置的运行过程如下，在沉降观测点设置激光发射点，激光发射点射到距离沉降观测点30米以上激光接收面板上，要求激光发射点与激光接收面板之间无遮挡物。摄像头采集激光面板上的包含激光点的图像，传输给数据处理主机。数据处理主机通过图像处理识别激光点所在位置并进行存储。一段时间后再次进行测量，将数据与之前的数据进行比对，如果激光点发生较大的位置偏移，则说明沉降观测点发生了较大的沉降，数据处理主机则驱动喇叭进行报警。

2.3 图像采集和处理模块

本文研制的装置要实现自动对沉降点进行监控并（下转第242页）（上接第175页）在发生较大沉降时实现报警，要实现所需功能，图像采集和处理模块非常重要。首先要完成激光面板上激光点图像的采集，并数据处理主机；其次数据处理主机对采集的图像做滤波、均衡化、二值化等预处理使其达到最佳视觉效果；接着对图像进一步处理以提取特征，进行图像的存储和比对；最后判断是否有超过预设的沉降值，如超出则驱动喇叭进行报警。图像采集和处理模块工作示意图如图3所示。

图像采集和处理模块由USB摄像头和树莓派主机组成。由于数据采集在综合管廊内部实现，光线变化不大，同时对图像清晰度要求不高，故采用比较廉价的USB摄像头。图像采集及处理的软件是在一般PC机上利用C++语言配合OpenCV库函数编写的，环境是Visual Studio 2010平台，这样有利于调试和加快编程速度。调试和编译完成后，安装在运行简易版Windows系统的树莓派主机上实现图像采集和处理任务。

2.4 自动预警装置误差处理

由于自动预警装置是安装在綜合管廊内部检测沉降的，有些特殊的情况需要克服：1）综合管廊里可能存在光照不足的情况，为防止影响激光接收面板图像的采集，应在面板附近布置稳定的光源，保证图像采集时光照强度一样；2）如果综合管廊上部有车辆通过等会引起震动的情况出现，会影响单次的沉降点检测，所以自动预警装置应该在一定时间段内采集多个数据，利用一定的算法对采集的数据进行筛选处理来排除综合管廊因为震动引起的沉降变化误差；3）沉降观测点的激光发射器必须固定，不能移动，否则会造成最终的测量有误差，同时在测量时，要保证激光点到达激光接收面板的路径上没有遮挡。

3 结语

综合管廊与一般的建筑物不同，只有设计、施工、维护等专业人员才可在特定时间进入，而且进入不便，另外地下管廊存在光照不足等影响沉降测量的问题，所以一般常规的沉降测量方法不合适于综合管廊沉降的测量。本课题研制的自动沉降预警装置，能够在无人进入综合管廊的情况下，自动完成沉降的观测工作，并能将测量结果反馈到地面的主控主机供专业人员随时查询。同时，如果沉降量大于预警值，也能自动发出报警，及时提醒相关部门及人员，保护综合管廊的安全。

【参考文献】

[1]易萍丽.现代隧道设计与施工[M].中国铁道出版社，1997.

[2]王梦恕.21世纪是隧道及地下空间大发展的年代[J].隧道建设，NO.1，2000.

[3]楼可为.城市综合管廊的经济分析及对策建议[J].现代经济下行，2012（3）.

[4]王哲，吕彦.激光传感器在建筑物沉降测量中的应用[J].应用技术，2013（2）.

[5]王小万，王娅.建筑工程沉降测量方法[J].勘察测绘，2015（5）.

[责任编辑：田吉捷]