一、案例背景

随着社会经济的不断发展，公路建设进程的不断推进，据交通运输部数据，截止2024年我国公路隧道数量45000座，截止2022年底，我国隧道总里程达到48762公里，当前我国公路隧道养护工作艰巨而繁重，大部分公路隧道已经投入运营，如此庞大数量的公路隧道如何高效检测及养护已成一大难题。及时快速发现并处置病害，做好公路隧道的巡检和养护，延长公路隧道使用寿命，降低交通安全事故，保障人民生命财产安全，促进交通运输的安全平稳，从而推动我国经济的高质发展，快速高效的隧道巡检是亟需解决的问题。

近年来随着我国由劳动密集型向技术密集型转型的时期，对提高生产效率、降低人工成本，各种机器视觉应用有着旺盛的需求。在工业检测中利用视觉检测系统的非接触、速度快、精度高、现场抗干扰能力强等突出优点，使机器视觉技术得到了广泛的应用，取得了巨大的经济与社会效益。自动视觉识别检测目前已经用于各生产制造领域的产品外形和表面缺陷检测，但把视觉检测应用于公路隧道交通领域的在国内目前仍然为数不多。 我们应客户的要求，开发出一套可装载于四轮改装车辆上的视觉检测设备，以推进公路隧道高效自动化检测养护为目标，以公路隧道快速智能无损检测设备关键技术研发为导向，在隧道综合智能检测车系统设计与硬件集成的基础上，再进行算法及软件二次开发。针对隧道表观病害智能化检测，建立基于机器视觉的智能检测技术，面向隧道衬砌非标准弧形的快速检测，形成移动式，边走边检的快速检测技术；研发设计的断面全方位无漏拍方案，满足隧道衬砌表面任意位置的缺陷及病害的检测需求。客户强调通过软硬件集成，开发出隧道智能综合检测车，隧道检测车移动检测速度要达60-80km/h，表观病害检测需实现0.2mm级病害的精准诊断，采集原图后通过算法分析处理平均准确率达99%以上，整体处理速度小于0.16秒/张；通过成果应用，提高公路隧道检测管养智能化水平，提升公路养护管理工作效能，为隧道安全运营保驾护航。

公路隧道快速检测车在进行隧道检测时可交通无干扰，采集图片清晰完整，病害识别精度高，定位里程绝对误差小于0.5m，检测时速达60-80km/h，无需封道，尽量降低设备成本，并且可自动生成展布图及检测报告。

二、检测方案的设定

视觉拍图成像方式一般分为两大类，一种是通过线扫相机拍图成像，另一种是通过面阵相机的拍图成像。一般线扫拍摄对象是线性连续检测，符合隧道衬砌表观检测应用的特征。因此项目初期我们设计了一套以线扫相机搭配线扫光源模型进行可行性的方案进行研究论证。一套半圆形支架外圈首尾相接交替排列装满线性光源，线性光源中间安装线扫相机进行配图取像）。

经分析发现线扫相机搭配的线扫镜头一般景深都较小，隧道衬砌稍微有高低起伏，或者相机距离隧道衬砌的工作距离有偏移，镜头就不能聚焦，形成不了清晰图像，从而无法进行图像分析做表观病害的分析判断；而面阵镜头的景深较大，可达几毫米甚至到10几毫米以上，它可以很好的避免景深不够无法清晰成像的问题，因此该检测方案改为选用了面阵相机，从而重新修改设计方案，依据客户的四轮改装车具体外形和尺寸，重新设计了新的龙门架式视觉检测方案。

图1 龙门架式视觉检测方案

三、项目的实施及方案问题的解决

常规的面阵相机工业检测一般搭配固定焦距或手动变焦镜头，面对形状大小不同的公路隧道以及检测工作距离无法绝对精准的情况下，隧道表观病害检测选择用工业相机进行拍图取像，然后应用视觉算法做图像分析。传统的视觉检测对镜头的焦距、光圈、聚焦等参数调试要求较为精准，面对多种不同的公路隧道以及内衬砌表面高低起伏的复杂因素，难以通过手动调试的方法一边调试边检测，此时只能选用了一款Computar的三可变电动变焦镜头（三可变是指镜头的三个调试变量焦段、光圈、聚焦都可以随时独立调整），该镜头特点可以通过用远程控制的方式，实时发送相应字符指令，快速及时地调整镜头参数，使得镜头的微电机可以及时调焦和控制光圈，相机能够拍出清晰的图像。我们在上位机通过编程软件开发，按镜头的三可变参数总行程分别进行步长分段，每段步长设为10、5、1三档进行粗调和微调控制，这样可以更高效快捷精准的调焦。这是三可变电动镜头首次在视觉行业检测的新型应用。

镜头的电动控制方案解决了，但是每段隧道的宽度、弧度、构造还完全不一样，为了完全覆盖每个隧道的横截面无死角，一台隧道检测车安装有16台工业相机和工业镜头和48个视觉光源，但对应不同隧道弧度和检测时的车道，还需要调整每只相机和镜头的角度。为更好快速解决镜头角度调试的问题，尽量减少前期检测调试的准备时间，我们又在镜头端设计加装高精度电动旋转滑台，这样就可以通过电动控制的方式来实现调整相机和镜头拍图的角度。

图2 工业相机与电动镜头和旋转台的工作搭配组合

根据实际应用情况把电动滑台与隧道截面进行平行侧立安装，高精度电动旋转滑台采用进口交叉滚柱轴环，独特的轴系结构和耐磨的精研蜗轮蜗杆，保证了高旋转精度。特有的蜗轮蜗杆调整机构，可以方便地消除机械误差，保证长期使用精度。滑台限定359°水平旋转角度和零点复位功能，防止多次旋转后相机和镜头的绕线打结。

该系统只配备2台服务器，因有多个控制卡，所以安装卡槽不根本够用，为了紧凑节约相关板卡安装空间，只能通过其他方式解决。根据现有系统结构，我们把电动滑台的控制选用其他类型的网络型TCP/IP通讯的运动控制方式，可通过星形拓扑结构来简化系统的布线和减少电脑板卡资源的方法来解决。

图3 新型网络传输的系统连接拓扑方式

该系统拓扑结构只需一个外置式控制主机，驱动器直接可以直接通过网线级联的方式连接，不占用电脑PCI-E插槽，采用了外置式主机装置控制的理想架构，并且可以零延迟分别执行处理I/O通讯和运动处理，自动识别连接到的模块和运动网络的伺服器单元及I/O设备，轻松完成自动设定；减轻使用伺服的运动控制结构编程系统的负担；以开放式网络灵活构建系统，扩展无需重新进行繁琐设计，可充分有效利用软件资源，并且可以通过总控制方式大大简化了系统布线及调试。

除了以上部分视觉采图功能的实现，另外还有现场图像的补光问题，视觉光源可以为工业相机提供一个明亮稳定的照明环境，提高目标亮度，克服环境光的干扰，保证图像的稳定性，形成最有利于图像处理的成像效果；使得工业相机可以拍摄特征明细的图片进行对比，最终为检测是否合格提供判断依据。常规视觉行业上的工业光源工作距离较近，一般为100-500mm左右的工作距离，很少有超过1000mm以上的应用。而作为隧道检测需求，隧道宽度为9-18米，为提高检测效率，需要在半圆截面一次性通过检测来通过效率，因此解决补光显得尤为重要。在室外部分公路隧道无法补光的恶劣环境且车载有限供电的条件下，需要有一款电光转化率高节能且照明稳定亮度不抖动，照射足够远的一款新型光源。目前市场现有的工业光源基本都无法满足长距离补光的测试要求，因此我们设计研发一款由透镜形成二次聚光的新型远投光源，在长达9米远的工作距离下，仍能够汇聚50x50cm的有效亮度光斑，市场上常规视觉光源在5米的工作距离下，亮度会严重衰减到出光口亮度的15%，而我们研发的远投型光源在5米照射下亮度仍能保持60%的光源亮度。

图4  OSE远投型光源图

通过分析计算并做模拟测试验证，1台工业相机需要3个光源进行供电，整车16只相机就需要48个光源，虽然光源数量较多，但采用该方式的总照明功耗却控制在2880瓦，即可在任何没有补光环境下提供稳定且足够亮度的拍图环境，节能供电问题得以解决。

四、结论

该公路隧道快速检测系统经过我们多次研发和创新研究，开展了理论分析、数值模拟、模型试验和现场实践等，取得了一系列创新性成果。公路隧道快速检测车对于公路隧道病害快速精准感知与处置，经来自公路工程管理、设计、施工、运维等领域的多名专家和多位代表评审，该公路隧道快速检测车项目的视觉检测技术达到国际领先水平。

公路隧道快速检测车生产后，一年多的时间里已累计应用于全国单洞总长3998km的公路隧道工程，业务范围遍及全国15个省市，累计检测隧道3513处。因此大幅提高隧道养护检查效率、精准感知结构服役性能并适时合理加固处治，累计经济效益超10亿元，社会经济效益显著。

参考文献：

[1] 重庆市交通委员会. 公路隧道养护技术规范[M]. 重庆: 人民交通出版社, 2005年3月1日.

[2] 余文勇, 石绘. 机器视觉自动检测技术[M]. 北京: 化学工业出版社出版, 2013年10月.

[3] 林敏, 丁金华. 自动化控制系统工程设计[M]. 北京: 高等教育出版社, 2014年4月25日.

[4] 杨可桢, 程光蕴, 李仲生, 钱瑞明. 机械设计基础（第七版）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2020年7月13日.

东冠科技（上海）有限公司 沈火金