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簡(jiǎn)論軌道交通地下工程建筑安全檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)研究論文
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，我國(guó)城市軌道交通得到了大力發(fā)展，建設(shè)速度驚人。自1969年我國(guó)第一條地鐵在北京建成通車(chē)后，城市軌道交通在天津、上海、廣州、深圳、南京等城市相繼建成和投運(yùn)。到2014年底，我國(guó)有城市軌道交通的城市已達(dá)22個(gè)，線路101條，長(zhǎng)度3155km。在營(yíng)運(yùn)的北京、上海、廣州等大都市，日均客流量已超過(guò)100萬(wàn)。在上下班和節(jié)假日高峰擁堵時(shí)，城市軌道交通以其安全、快速和準(zhǔn)確等特點(diǎn)，已成為人們出行的首選交通方式之一。
在不斷增長(zhǎng)的城市大客流量面前，城市軌道交通在推動(dòng)城市發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)環(huán)境和建筑產(chǎn)生了一定的影響，這給城市生態(tài)環(huán)境和人們的安全帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。目前，不少地區(qū)城市軌道交通地下建筑安全問(wèn)題和地面沉降、地質(zhì)裂縫、地洞等地質(zhì)災(zāi)害及其次生問(wèn)題不斷發(fā)生，浪費(fèi)了大量的人力和物力。事實(shí)上，自地鐵誕生之日起，地鐵建筑支護(hù)檢測(cè)和修補(bǔ)便開(kāi)始了，地鐵對(duì)環(huán)境和建筑的危害就一直沒(méi)有間斷過(guò)，充分暴露出城市軌道交通地下建筑環(huán)境安全和控制措施的不足，因此，對(duì)城市軌道交通地下工程建筑安全檢測(cè)等新問(wèn)題和新技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期深入研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1城市軌道交通地下工程建筑安全
從結(jié)構(gòu)上，城市軌道交通地下工程建筑主要由地鐵站臺(tái)和地鐵隧道組成，屬于典型的坑道節(jié)點(diǎn)式構(gòu)造。根據(jù)城市軌道交通、地下鐵道工程和鐵路隧道工程方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，城市軌道交通地下工程建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)為100年。其安全要求包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)功能和結(jié)構(gòu)可修復(fù)3個(gè)方面。
城市軌道交通地下工程建筑安全檢測(cè)是通過(guò)測(cè)量和巡查，對(duì)地下工程建筑的主要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析進(jìn)行安全等級(jí)評(píng)判。其目的是通過(guò)測(cè)量，評(píng)價(jià)城市軌道交通地下工程建筑結(jié)構(gòu)的安全性。
一般來(lái)說(shuō)，影響城市軌道交通地下工程建筑結(jié)構(gòu)安全的主要因素包含有環(huán)境和人為這兩個(gè)方面。
綜合以上分析，目前城市軌道交通地下工程建筑結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)的內(nèi)容主要有：(1)斷層;(2)裂隙;(3)剝落;(4)滲透水;(5)變形和位移。檢測(cè)方法采用傳統(tǒng)的定期關(guān)鍵點(diǎn)巡查和結(jié)構(gòu)工程儀器直接接觸式離散測(cè)量，從而形成報(bào)表制度。
2安全檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作原理
2.1安全檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
城市軌道交通地下工程建筑安全檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由車(chē)地兩套獨(dú)立計(jì)算機(jī)裝置組成，以完成對(duì)地下工程建筑結(jié)構(gòu)支護(hù)圍欄兩側(cè)涂覆黑白色帶圖像和位置進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)拱頂自然結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以及對(duì)地面為拱橋軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。
車(chē)輛上安裝下位機(jī)和上位機(jī)兩級(jí)計(jì)算機(jī)裝置，通過(guò)串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。下位機(jī)由嵌入式系統(tǒng)組成，完成測(cè)量傳感器的信號(hào)處理;上位機(jī)由工控計(jì)算機(jī)組成，完成操作、輸出、顯示、監(jiān)測(cè)測(cè)量結(jié)果，并進(jìn)行管理。地面車(chē)站計(jì)算機(jī)裝置實(shí)時(shí)執(zhí)行操作和管理，完成檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析和報(bào)表。
2.2安全檢測(cè)系統(tǒng)工作原理
城市軌道交通地下工程建筑安全檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理是，通過(guò)CCD傳感器獲取被測(cè)物體的圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行處理，在圖像處理后完成對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的測(cè)量。一般圖像只能進(jìn)行2D測(cè)量，此處采用視覺(jué)自動(dòng)聚焦技術(shù)就能夠進(jìn)行2.5D測(cè)量。視覺(jué)自動(dòng)聚焦技術(shù)是采用自動(dòng)聚焦判別函數(shù)對(duì)高度不屬于同一平面上的兩點(diǎn)進(jìn)行精確聚焦，然后通過(guò)計(jì)算得到兩點(diǎn)間的距離。
通過(guò)CCD傳感器獲取被測(cè)結(jié)構(gòu)圖像的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)車(chē)載下位機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)、輸入到計(jì)算機(jī)，然后由圖像處理手段對(duì)圖像中需要測(cè)量的幾何圖元進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的非接觸測(cè)量。圖像處理需要實(shí)現(xiàn)的功能包括圖像獲取、圖像濾波降噪、圖像增強(qiáng)、圖像邊緣定位、特征定位、圖元擬合、圖元計(jì)算等。
3安全檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)圖像檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行城市軌道交通地下工程建筑安全檢測(cè)，并按照我國(guó)城市軌道交通技術(shù)規(guī)定，采用車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)。
3.1硬件技術(shù)
嵌入式系統(tǒng)是集成電路技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。在車(chē)載下位機(jī)中的測(cè)量模塊采用嵌入式系統(tǒng)檢測(cè)單元設(shè)計(jì)方案，主要是考慮了系統(tǒng)模塊化和可維護(hù)性。
由于圖像處理的直觀性和可視性，檢測(cè)單元中的傳感器選用CMOS型CCD，代表性產(chǎn)品有USB攝像頭。嵌入式系統(tǒng)處理器現(xiàn)有單片機(jī)、DSP和微處理器3大類(lèi)，此處采集和處理的均為實(shí)時(shí)彩色圖像，故采用微處理器，其典型產(chǎn)品有ARM系列多個(gè)品種可靈活選用。視頻數(shù)據(jù)采集和圖像處理可采用Linux軟件實(shí)現(xiàn)，對(duì)處理后的壓縮圖像通過(guò)城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)由規(guī)定的接口完成即可。最后，視頻圖像傳送給車(chē)載上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和控制。
3.2軟件技術(shù)
根據(jù)城市軌道交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，安全檢測(cè)系統(tǒng)在軟件技術(shù)方面需要具備完成圖像處理的功能。
在圖像產(chǎn)生、傳輸和變換的過(guò)程中，由于各種因素的影響，往往會(huì)使圖像與被測(cè)結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生差異。這給從圖像中提取各種安全信息造成了很大困難。因此，對(duì)CCD傳感器得到的圖像要進(jìn)行各種處理，以降低噪聲干擾。常見(jiàn)的圖像噪聲包括光學(xué)成像及采樣過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)的混疊噪聲、插入噪聲、抖動(dòng)噪聲、電子噪聲等。而且邊緣的檢測(cè)和提取往往對(duì)噪聲較敏感，因此首先需要對(duì)圖像進(jìn)行濾波降噪處理。
數(shù)字圖像濾波器有線性和非線性?xún)纱箢?lèi)。線性濾波器對(duì)高斯噪聲有較好的平滑作用，但對(duì)其他噪聲的抑制效果較差，而且會(huì)出現(xiàn)模糊邊緣。在非線性濾波器中，中值濾波器在過(guò)濾噪聲的同時(shí)，還能較好保護(hù)邊緣輪廓，對(duì)消除孤立點(diǎn)和線段的干擾十分有用，特別是對(duì)于二進(jìn)制噪聲尤為有效。這就特別符合幾何測(cè)量中對(duì)邊緣定位的需求，因此安全檢測(cè)系統(tǒng)選用中值濾波器對(duì)圖像進(jìn)行濾波降噪。
由于要測(cè)量物體輪廓邊緣的幾何信息，所以圖像邊緣信息提取的好壞就顯得尤為關(guān)鍵。一般物體和背景具有較大的對(duì)比度，反映在圖像上就是物體和背景的灰度差別較大，圖像直方圖將呈現(xiàn)較為明顯的雙峰型，所以安全檢測(cè)系統(tǒng)采用閾值法實(shí)現(xiàn)圖像分割。
4安全檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
4.1模塊化
由于嵌入式器件的整體功能越來(lái)越強(qiáng)大，嵌入式系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試和維護(hù)技術(shù)已經(jīng)非常完善，技術(shù)人員通過(guò)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)可以快速掌握和應(yīng)用。在城市軌道交通現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，各級(jí)子系統(tǒng)大量采用嵌入式系統(tǒng)完成模塊化功能的實(shí)現(xiàn)。
4.2集成化
現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，必然是高度集成化。對(duì)于日益復(fù)雜的城市軌道交通，從橫向上考慮，隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大和發(fā)展，各個(gè)子系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，遍布所有城市軌道交通的子系統(tǒng);從縱向上考慮，各系統(tǒng)都有向下層深入的趨勢(shì)。因此，多子系統(tǒng)構(gòu)成的安全檢測(cè)系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)站級(jí)集成，還能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)集成，甚至直接到各檢測(cè)傳感器上。
4.3網(wǎng)絡(luò)化
在一個(gè)城市，一般都存在多條軌道交通線路，這就要求把不同的線路資源進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化處理。從單線路的檢測(cè)系統(tǒng)向路網(wǎng)級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展，是網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)于城市軌道交通的綜合檢測(cè)，可以采用線路、車(chē)站、車(chē)輛為層次單元，組成相對(duì)完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠更好地滿(mǎn)足和適應(yīng)軌道交通網(wǎng)絡(luò)在不同層面上的需求。
5結(jié)束語(yǔ)
建設(shè)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)高效的城市軌道交通地下工程建筑安全檢測(cè)系統(tǒng)有助于節(jié)約資源，促進(jìn)生態(tài)文明發(fā)展。城市軌道交通地下工程建筑安全檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)反映了城市軌道交通信號(hào)、系統(tǒng)和集成的特性。本文在分析城市軌道交通地下空間建筑結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)目標(biāo)和內(nèi)容的基礎(chǔ)上，建立了模塊化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化的計(jì)算機(jī)圖像檢測(cè)系統(tǒng)模型，詳細(xì)介紹了其安全檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、基本原理、技術(shù)實(shí)現(xiàn)和技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)進(jìn)一步技術(shù)開(kāi)發(fā)和設(shè)備升級(jí)奠定了基礎(chǔ)。
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