大型隧道表观变形动态精密测量技术2019

2019世界交通运输大会大型隧道表观变形动态精密测量技术与装备李清泉深圳大学2019-6-28汇报提纲背景123456公路隧道检测地铁铁路隧道检测输水引水隧洞检测地下管道检测总结隧道已经成为基础设施的重要组成部分

公路隧道：截至2018年末，全国公路隧道17738处、17236.1公里，其中特长隧道1058处、4706.6公里，长隧道4315处、7421.8公里，最长的秦岭终南山隧道达到18.04公里。

地铁隧道：截至2017年末，共34个城市开通地铁，运营里程3884公里，其中最长的广州地铁3号线隧洞长度达到64.41公里。

铁路隧道：截至2018年末，投入运营的铁路隧道15117座，总长16331公里，其中最长的新关角隧道达到32.645公里。

输水隧洞：截至2017年末，全国已建成12公里以上输水隧洞17条，总长428.273公里，其中最长的位于辽宁桓仁的大伙房输水工程长度达到85.32公里。

引水隧洞：截至2017年末，全国已建成12公里以上输水隧洞15条，总长249.08公里，其中最长的位于德昌的新马水电站引水隧洞长度达到22.975公里。

地下管道：截至2017年末，全国城市供水管道总长79.7万公里，排水管道总长63万公里。隧道安全运维关系到社会稳定和人民生命财产安全

公路隧道：衬砌裂损、渗漏水、瓷砖脱落等影响行车安全

地铁铁路隧道：衬砌开裂、侵界、错台、结构变形等引发重大安全事故

输水引水隧洞：衬砌裂损、渗漏水、结构变形等威胁水电站安全

地下管道：管道破损、错口、堵塞等威胁城市道路、市政环境安全隧道表观变形是诸多重大灾害的直观反应隧道表观变形检测现状隧道数量大、范围分布广天窗时间短、精度要求高作业环境恶劣普查测全难指标测准难特征判准难精度差效率低发展高精度移动式测量技术与装备是隧道安全运维的基石汇报提纲背景123456公路隧道检测地铁铁路隧道检测输水引水隧洞检测地下管道检测总结公路隧道检测—困难挑战

检测效率低、周期长：隧道检测速度一般0.025公里/小时

现场工作安全风险高：作业安全性差，车毁人亡事故每年均有发生

规范和环境适应性差：病害漏检、误检率高，养护频率难以满足要求

交通管制社会影响大：传统人工检测、静态采样需要交通管制，封闭隧道，影响正常交通，在实时性、灵活性和安全性等方面存在严重不足人工检测交通事故现场公路隧道养护规范交通管制公路隧道检测—装备研制公路隧道快速检测系统检测隧道衬砌裂损、隧道轮廓、断面变形以及水冻害等多种病害裂缝分辨率0.2毫米，检测速度达到80公里/小时。高亮补光系统高清相机激光扫描仪系统公路隧道检测—系统性能卓越科技-TFSSPACETEC

TS3需要MIMM不需要交通管制检测速度裂缝精度幅面不需要0～80km/h0.2mm4.5km/h0.3mm10～80km/h0.2mm全幅全幅全幅断面形变，衬砌裂缝，衬砌渗漏水，衬砌脱空，通风检测（扩展），照明检测（扩展）断面形变，衬砌裂缝，衬砌渗漏水，衬砌脱空检测功能断面形变，衬砌裂缝交付周期数据处理培训3个月培训后客户自行处理免费10个月以上厂家收费处理有偿10个月以上厂家收费处理有偿报表格式根据客户需求，自定义报表格式固定格式固定格式依据国内现有规范标准，对后续新标准及时响应规范标准知识产权售后国外标准国外标准完全自主知识产权国外生产厂家依赖国外售后国外生产厂家国内7*24h服务代理商进行简单维护，依赖国外售后24h技术人员到达指定现场公路隧道检测—关键技术1多相机特征缺失序列图像配准技术横断面配准拼接纵断面配准拼接横断面：通过严格的相机和激光器的几何标定，实现图像拼接和拼缝平滑处理纵断面：根据隧道壁断面序列的几何尺寸连续性，结合断面序列影像连接处缺陷检测结果，实现基于缺陷对象几何连续性的的隧道断面序列影像的自动拼接公路隧道检测—关键技术2基于多源图像融合的隧道病害检测方法通过深度定位疑似区域，灰度进行边缘检测，提取隧道细微裂缝和微弱变形特征。融合红外温度和灰度图像，提取衬砌裂损和渗漏水病害特征。融合激光点云、红外温度和灰度图像，实现隧道裂损、水害、变形病害的统一识别。公路隧道检测—应用案例1广西百色153.4公里/单洞外业数据采集检定项目：衬砌裂缝、渗漏水

速度：60km/h无交通管制广西隧道检测现场隧道检测公路隧道检测—应用案例2福建省498、880公里/单洞外业数据采集检定项目：衬砌裂缝、渗漏水

速度：60km/h无交通管制福建隧道检测现场隧道检测公路隧道检测—应用案例3甘肃隧道检测陕西隧道检测山西隧道检测截止2019年6月：1)已销售国内首台隧道快速检测车。2)设备应用覆盖湖北、福建、广西、贵州、甘肃、云南、浙江等省份，累计完成超过3000公里单洞隧道检测工程服务。宁波采购隧道检测车浙江隧道检测四川采购隧道检测车云南隧道检测湖北隧道检测福建隧道检测湖南隧道检测贵州隧道检测深圳隧道检测广西隧道检测广州隧道检测公路隧道检测—检测结果输出输出隧道病害明细表输出隧道定期检查记录表输出WORD版检测报告输出CAD格式隧道病害分布图输出隧道全幅展示图隧道三维建模与实景还原公路隧道检测—小结

针对：国家道路养护重大需求

突破：国内外公路隧道无法高速、无损、连续测量的技术难题

研制：拥有完全自主知识产权的公路隧道专用检测设备

实现：从关键技术突破到产品研制与应用地铁铁路隧道检测—困难挑战

天窗时间短：往往在夜间列车停运后，供检查的时间短

作业环境恶劣：往往在夜间且地下通风系统关闭的情况下进行

作业效率低：以人工巡查为主，辅助脚手架等工具，作业效率低

现有手段不足：利用全站仪实时监测，测量断面不完整，断面间隔大，成本高，功能单一人工巡查隧道壁病害搭建脚手架人工检查隧道顶部全站仪监测隧道变形地铁铁路隧道检测—装备研制地铁铁路隧道快速检测系统GPSIMU光电编码器第一代检测平台第二代检测平台车载计算机、同步控制器等设备激光轮廓仪激光扫描仪地铁铁路隧道检测—系统性能地铁铁路移动快速检测系统指标项激光发射频率扫描频率参数要求病害识别100万点/秒200转/秒扫描角度360˚变形检测测量范围0.5m-119m0.0088˚测量分辨率测量误差2mm（80m

90%反射）3-5km/h-手推小车作业效率收敛、限界工作环境作业人员全天侯作业（雨雪除外）现场作业最少2人地铁铁路隧道检测—关键技术1时空同步控制技术主动、被动和授时三种传感器同步控制方法，将传感器采样时刻数据与采样数据精确关联地铁铁路隧道检测—关键技术2组合定位定姿技术地铁铁路隧道检测—关键技术3海量数据处理技术➢海量数据存储管理：移动测量系统的各传感器，特别是激光传感器和图像传感器，获取的点云数据是海量的。➢特征数据自动提取：基于现有海量点云数据，实现特征对象自动化提取，得到符合应用要求的标准化成果数据。地铁铁路隧道检测—应用案例1孝感高铁隧道

全长2.1km，地铁铁路隧道检测—应用案例2上海地铁17号线

沿线60m

CP3控制点完备，地铁铁路隧道检测—检测结果输出输出结果：⚫

隧道灰度影像图⚫

隧道收敛直径图⚫

隧道断面分析报告⚫

管片错台分析报告⚫

隧道限界检测报告⚫

隧道深度影像图⚫

隧道病害检测报告分地铁铁路隧道检测—小结

针对：国家地铁铁路养护重大需求

突破：从传统几何测量到安全状态精准判别的跨越

研制：拥有完全自主知识产权的地铁铁路隧道专用检测设备

实现：从关键技术突破到产品研制与应用输水引水隧道检测—困难挑战

现场限制多：管道长、管径大、落差大，但是检修入口小

作业环境恶劣：内壁湿滑、缺乏照明、作业时间短、不许破坏现场

病害种类多：衬砌裂损、冲蚀、脱落、裂缝、渗水、锈蚀、淘空…

现有手段不足：人工目视、拍照检测，可视范围有限、检测不完整、工作量大、高空作业多、安全风险大、工程周期长、检测精度差、效率低输水引水隧道检测—装备研制1

输水隧洞和引水隧洞的主体从形状上主要分为竖井、斜井、平段三种

适用竖井场景：引水隧洞竖井示意图竖井气球检测系统气球传感器集成输水引水隧道检测—装备研制2

输水隧洞和引水隧洞的主体从形状上主要分为竖井、斜井、平段三种

适用斜井场景：引水隧洞斜井示意图斜井气球检测系统传感器集成输水引水隧道检测—装备研制3

输水隧洞和引水隧洞的主体从形状上主要分为竖井、斜井、平段、弯段

适用竖井、斜井、平段、弯段全场景：（精度、速度）断面激光扫描系统检测小车传感器集成平台输水引水隧道检测—关键技术1基于图像的隧道裂缝提取130处理断面主轮廓疑似裂缝点ⅡⅤ12011010090ⅠⅣ（

a

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集Ⅲ6080ⅡⅤ原

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廓407020ⅠⅣ010020030040050060采

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集(a)原始数据(b)裂缝特征点(c)子块分类(d)子块评估(g)感知编组(f

)像素级裂缝还原(e)子块级生长(h)裂缝提取输水引水隧道检测—关键技术2基于椭圆拟合的隧道变形检测椭圆拟合点云滤波椭圆拟合断面间卡尔曼滤波采用椭圆拟合进行点云滤波，祛除隧道断面上的形变点，与标准断面配准采用卡尔曼滤波利用前序断面姿态预测当前断面姿态，修正椭圆拟合后的配准结果输水引水隧道检测—关键技术3基于三维特征的隧道病害提取技术输水引水隧道检测—应用案例1糯扎渡水电站引水洞竖井

单机单管供水，9条管道平行布置

衬砌内径9.2米、竖井段长101.3米竖井三维点云结果糯扎渡水电站引水隧洞示意图蜗壳三维点云、图像结果输水引水隧道检测—应用案例2析白裂缝破损接缝处破损输水引水隧道检测—应用案例3裂缝渗水

水泥修补

裂缝析白

电线木板

接缝裂缝图像灰度结果激光灰度结果现场照片40输水引水隧道检测—小结

针对：传统检测手段效率低、周期长、风险高等问题

突破：输水引水隧道无法高效、无损、高精度、连续测量的技术难题

研制：拥有完全自主知识产权的输水引水隧道专用检测设备

实现：从关键技术突破到产品研制与应用地下管道检测—困难挑战

里程长、病害多、危害大：雨污混接管道破裂管网不畅覆盖型河段水体黑臭、排查难、安全隐患多导致水质污染导致地陷频发导致城市内涝人工下潜排查

管道潜望镜

声纳检测机器人管道内窥镜CCTV检测机器人地下管道检测—装备研制漂浮式排水管网智能检测胶囊机器人管道胶囊机器人◼

CMOS

相机◼

MEMS

IMU◼

控制单元◼

稳定块鱼眼镜头220°广角全景相机电子仓稳定块LED灯地下管道检测—系统性能检测方式

管道检测胶囊

CCTV管线检测机器人管道内窥镜管道潜望镜操作难度单次作业容易有水：不限复杂复杂一般有水：不能作业有水：不能作业

有水：20m(效果差)最大长度

无水：200m检测效率

8-10公里/天检测视频无水：200m无水：100m2-3公里/天无水：20m3-5公里/天管口附近照片检测报告0.5-1公里/天检测视频检测报告20-30万检测视频检测报告1-2万数据成果检测报告3500元设备价格服务收费1-2万2万元/公里1万元/公里2.3万元/公里1.7万元/公里地下管道检测—工作流程GPS

卫星1.

初始位置定位和设置5.终点位置定位和数据下载4.回收胶囊2.放入胶囊3.探测上游下游地下管道检测—关键技术1广角相机电子稳像2

°电子仓稳定块根据陀螺仪数据对拍摄视频进行稳像、竖直处理消除胶囊本身的旋转、抖动，得到稳定视角的管壁视频地下管道检测—关键技术2管道拓扑结构探测根据加速度计、角速度和磁力计特征序列探测管道拓扑结构平滑处为直线段、起伏较大处为拐弯或跌水、加速度探测跌水井、方位角探测拐弯地下管道检测—关键技术3视觉与惯导结合定位相机-IMU

校正帧间IMU预积分视觉与惯性对齐特征检测光流追踪井盖间坐标间戳IMU相机VIO视觉惯性里程计（VIO）获得轨迹IMU与视频数据的高精度时间同步，基于单目视觉与IMU传感器数据融合进行定位，利用已知井盖地理坐标的进行绝对位置校正，限制定位的误差。地下管道检测—应用案例合