基于摄像测量原理的公路隧道快速检测系统应用与发展

陶 磊， 蒋雅君， 魏晨茜， 李 鹏， 刘世圭

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 成都 610031； 2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司， 成都 610041)

近20年来，我国公路隧道建设发展迅速，截止2019年底，我国大陆运营公路隧道已超过1.9万座，总长超过1.8万km[1]。目前很多运营公路隧道逐渐出现各种病害，这些病害不仅影响隧道的使用功能，更对行车安全产生极大隐患[2]。为保障隧道内行车安全，应进行隧道检测，及时发现隧道病害，并进行相应的处治[3]。然而随着我国运营隧道的数量越来越庞大，隧道检测任务越来越繁重，运营养护单位工作压力增大[4]。

目前，我国公路隧道检测主要以人工为主，即检测人员配备必要的检查工具或设备，采用在隧道内步行或部分车行的方式，对隧道进行目测或仪器检查[5]。人工检测速度慢，且检测人员对病害的判断主观性较大，同时长时间在隧道内检测，现场检测人员的人身安全和健康存在一定风险[6]。为提高检测效率和精度，公路隧道快速检测系统应运而生[7-8]。根据检测成像原理的不同，目前公路隧道快速检测系统主要分为基于摄像测量和基于激光扫描的2类自动检测系统[8]。这2类检测系统尤其是前者，在隧道工程中已得到了一定应用，其优点是工作效率高、检测人员的劳动强度低、检测自动化程度高，但因其数据量大、后处理较为复杂等缺点，在应用中也存在一些局限[9-11]。

为对公路隧道快速检测系统在实践应用中的发展前景进行分析，本文结合实际项目应用情况，针对基于摄像测量原理的公路隧道快速检测技术与人工检测技术进行对比和分析，并从检测工作实际需求出发探讨该技术的发展方向，为推进公路隧道快速检测系统的应用提供参考。

1 公路隧道快速检测系统

以国内某型隧道快速检测系统为例，结合其现场使用情况，对基于摄像测量的公路隧道快速检测系统的主要技术原理进行总结。

1.1 系统组成

该系统主要由供电及控制系统、采集系统、图像拼接系统、病害识别系统和数据管理系统5部分组成，如图1所示。该快速检测系统的部件主要包括牵引车、传感器支架、测量机柜、GPS系统、储存柜以及编码器等，其外观如图2所示。

图1 某型公路隧道快速检测系统组成

图2 某型公路隧道快速检测车[12]

1.2 成像及病害识别

1.2.1 采集系统

该采集系统的核心是基于摄像测量自动检测技术，即通过使用CCD(Charge Coupled Device)工业相机对隧道结构表面进行连续拍摄的方式得到隧道结构表面图像，然后利用后处理软件对图像进行分析，对图像中的病害进行识别、处理后提取得到具体的病害信息[8]，如图3所示。

图3 采集系统单张成果图示例

1.2.2 图像拼接系统

该隧道快速检测系统沿隧道壁面弧形方向设置有多个CCD工业相机，每个相机通过一次曝光可获得一定范围的隧道壁面图像。在拍摄成像时，系统沿隧道壁面和设备行进方向会得到多张边缘部分重叠的隧道实景图像，采集结束后通过后处理软件对这些重叠的图像进行有序拼接，然后转换形成隧道完整的二维表面影像[7]，其成果如图4所示。

图4 二维表面影像拼接成果示例

1.2.3 病害识别系统

在复杂的图像中准确识别各类病害并提取出具体的病害信息是病害识别系统所要解决的关键技术。目前后处理技术一般分为2步：一是预处理图像，采用中值滤波方法对图像进行预处理，消除图像中的噪点，使图像更清晰，更易于识别；二是提取病害数量化信息，通过边缘算子等具体算法提取裂缝、渗水等病害的量化信息，裂缝主要以长度、宽度等特征表征，渗水主要以面积等来描述[13]。具体的病害识别如图5所示。

图5 隧道衬砌病害识别成果示例

2 公路隧道快速检测系统应用对比

通过该型公路隧道快速检测车在实体隧道定期检测中的应用经验与传统人工检测的应用经验进行对比，分析如下。

2.1 检测流程

公路隧道快速检测系统以及人工检测工作流程分别如图6、图7所示。考虑到不影响交通，两者一次都只采集半幅隧道断面信息。检测车在正常行驶下进行采集，待全幅断面信息采集完后，在后处理软件中将采集影像拼接成完整隧道断面图像，再识别并记录病害类别、长度、宽度及分布部位，最后以表格的形式导出整个隧道病害信息，为病害分析以及报告出具提供资料。人工检测一般先对一侧道路进行封道，对该侧半幅隧道进行检测，在检测过程中对病害进行人工定位、量测、描述记录，待一侧检测完毕后再对另一侧道路进行封道、检测，待两侧都检测完成后再将病害信息汇总。

对比图6和图7可知，在隧道定期检查过程中，隧道快速检测系统较人工检测，对交通影响小，采用自动化采集、信息化处理，检测工作效率高，显著降低了检测人员工作安全风险。

图6 隧道快速检测系统工作流程

图7 人工检测工作流程

2.2 定位与桩号

人工检测时主要采用在边墙部位临时标记人工桩号对隧道桩号进行标定，作为隧道病害的定位参照物。人工桩号标记方法存在一定误差，导致隧道病害的定位也会产生现场误差，而且不同检测单位设置桩号的标准不统一，使得现场同一处病害前后2次检测常常无法准确对应[14]。

公路隧道快速检测系统利用GPS系统对行驶的检测车辆进行实时定位，可获取车辆行驶的轨迹以及具体空间坐标的位置，在检测过程中利用编码器对具体里程桩号进行标定，保证获得车辆空间位置的统一性，人为因素产生的误差大大降低，保证了隧道桩号的准确性，也保证了隧道病害定位的精准性[15]。

2.3 病害检测项目

根据JTG H12—2015《公路隧道养护技术规范》[5]要求，隧道土建结构定期检查内容包括了洞口、洞门、衬砌、路面、检修道、排水系统、吊顶及各种预埋件、内装饰、标志标线及轮廓标9大项，隧道快速检测系统可对衬砌、检修道、内装饰等部位病害进行检测，目前还不能对隧道定期检查全部项目进行检查，检测内容较为局限。

2.4 裂缝识别精度

基于摄像测量原理的公路隧道快速检测系统拍摄测量的主要装置为CCD工业相机，其具有较高的动态范围、分辨率和灵敏度，裂缝识别精度可达0.2 mm[11, 16]。隧道快速检测系统扫描所识别的隧道衬砌表面裂缝宽度为0.3 mm，衬砌裂缝检测实例如图8所示。

图8 隧道快速检测系统检测环向裂缝

人工检测主要采用人工肉眼检测并辅以仪器进行检测。肉眼检测对裂缝的判断主观性较大，检测精度低，难以保证检测结果的精确性；除了常规凭借人工肉眼对裂缝进行判断外，还借助一些辅助仪器进行人工检测，如使用裂缝宽度观测仪来测量裂缝宽度，即用具有一定放大倍数的显微镜直接观测裂缝宽度，测量精度达到0.01 mm～0.05 mm[7]，如图9所示。

图9 裂缝宽度观测仪测量

在隧道定期检查中，隧道快速检测系统的裂缝检测数据基本满足隧道养护规范[5]中对裂缝评定标准的量级要求，相对于裂缝宽度观测仪，隧道快速检测系统避免了繁琐的仪器操作，提高了现场检测效率。

3 公路隧道快速检测系统优化

为提高公路隧道快速检测系统的推广应用，笔者结合公路隧道定期检查的工作需求，探讨该系统的下一步优化方向。

3.1 增加可检查的项目

目前该系统主要针对衬砌表观病害进行检测，尚不能对隧道定期检查的全部检查项目进行检测。为增强该系统在公路隧道定期检查中的实用性，须对检测系统进行升级改造，通过增加及调整布设摄像机位置与角度对隧道结构的其他部位进行拍照，如在车顶布设相机用于对洞门进行拍照，在车头或车尾底部设置横向排布的相机对路面拍照。

对于检测设备难以检查到的部位，如洞口、排水系统等可辅以人工检测，利用人工检测灵活性的优势，对这些部位进行补充检测，以得到完整的定期检查数据。

3.2 提高定位准确度

隧道快速检测系统利用GPS系统对行驶的车辆进行定位，在检测过程中利用编码器对具体里程桩号进行标定。在实际检测过程中发现在隧道内因GPS信号易被削弱，传播信号易中断，导致提供的车辆位置信息不准确；同时检测车辆在行驶过程中，无法始终确保车辆轨迹与隧道轴线方向平行，导致编码器对里程桩号标定时造成偶然误差。鉴于此，将INS惯性导航系统与GPS相组合，二者补强。INS的积累误差能够被GPS有效消除，而在GPS信号失锁时INS能够提供短时精确的定位[17]；在隧道二衬内表面增加隧道快速检测系统可识别的养护桩号标记，为后期数据处理中里程修正提供可靠的参考依据。

3.3 提高病害结果识别精度

实际运营隧道衬砌表面较为复杂，对后续图像处理产生了较多干扰，如涂抹在衬砌表面的防火涂料、衬砌表面脏污等都会对图像处理产生噪声干扰，这些干扰最终会导致在识别裂缝时存在缺陷，如可能导致裂缝断裂和宽度失真等问题，从而影响到裂缝病害的识别精度[18]。为提升实际检测环境下病害结果识别精度，需从以下2方面着手：一是从拍摄测量原理出发，选用拍摄分辨率、拍摄精度更高的相机，以及改善相机拍摄过程中的辅助光源效果，减少不均匀光照产生的识别干扰；二是从后期图像处理出发，针对影响裂缝识别的图像噪声、不均匀光照干扰，应分别开发适用的后处理算法，来提高隧道衬砌表面图像的清晰度和病害识别效果。

3.4 制定快速检测标准与规范

在我国近年运营隧道检测工作中，公路隧道快速检测系统得到了快速应用，但是缺乏专门针对隧道快速检测系统的技术标准或规范，另外也由于成像原理、识别精度、数据格式等方面的差异，导致检测结果的准确性和通用性也存在一定局限，对后期养护工作造成不便。据了解，重庆某高校已在编制公路隧道衬砌结构快速检测规程，该规程将建立快速、统一的检测标准和规范体系，有利于确保检测工作高效率的进行以及技术成果的通用性。

3.5 纳入隧道养护管理系统

在隧道运营管理中，检测数据是隧道安全性评价的基础，是为隧道养护维修提供具体决策方案的依据之一[19]。将公路隧道快速检测的数据纳入隧道养护管理系统中，可为隧道的安全性评价及未来状态进行预测提供及时、有效的数据支撑，进而可为隧道的养护维修提供更合理的决策方案。

4 结束语

作为隧道检测技术未来发展的趋势之一，近年来我国公路隧道快速检测系统正在得到逐步的推广和应用。公路隧道快速检测系统具有检测效率高的优势，对病害识别能达到一定的精度要求，一定程度上缓解了运营养护单位越来越繁重的隧道检测压力。

同时，目前阶段在实际应用中隧道快速检测系统仍存在一定的局限，如检查项目有限、桩号及病害定位误差、病害识别失真、后期数据处理繁琐等，仍然需要继续开展相关的研发工作，提高其实用性。检测工作作为隧道养护管理系统重要的一环，建立规范化的快速检测标准体系以及提供更加准确的检测数据也是公路隧道快速检测系统未来发展的方向。