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簡論軌道交通地下工程建筑安全檢測系統(tǒng)技術(shù)研究論文
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，我國城市軌道交通得到了大力發(fā)展，建設(shè)速度驚人。自1969年我國第一條地鐵在北京建成通車后，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，我國有城市軌道交通的城市已達(dá)22個，線路101條，長度3155km。在營運(yùn)的北京、上海、廣州等大都市，日均客流量已超過100萬。在上下班和節(jié)假日高峰擁堵時，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。
在不斷增長的城市大客流量面前，城市軌道交通在推動城市發(fā)展的同時，也對環(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了新的問題和挑戰(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)檢測和修補(bǔ)便開始了，地鐵對環(huán)境和建筑的危害就一直沒有間斷過，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，對城市軌道交通地下工程建筑安全檢測等新問題和新技術(shù)進(jìn)行長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個方面。
城市軌道交通地下工程建筑安全檢測是通過測量和巡查，對地下工程建筑的主要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，經(jīng)過評價指標(biāo)分析進(jìn)行安全等級評判。其目的是通過測量，評價城市軌道交通地下工程建筑結(jié)構(gòu)的安全性。
一般來說，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量，從而形成報表制度。
2安全檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作原理
2.1安全檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
城市軌道交通地下工程建筑安全檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由車地兩套獨(dú)立計(jì)算機(jī)裝置組成，以完成對地下工程建筑結(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，對拱頂自然結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行檢測，以及對地面為拱橋軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行檢測。
車輛上安裝下位機(jī)和上位機(jī)兩級計(jì)算機(jī)裝置，通過串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。下位機(jī)由嵌入式系統(tǒng)組成，完成測量傳感器的信號處理;上位機(jī)由工控計(jì)算機(jī)組成，完成操作、輸出、顯示、監(jiān)測測量結(jié)果，并進(jìn)行管理。地面車站計(jì)算機(jī)裝置實(shí)時執(zhí)行操作和管理，完成檢測、統(tǒng)計(jì)、分析和報表。
2.2安全檢測系統(tǒng)工作原理
城市軌道交通地下工程建筑安全檢測系統(tǒng)的基本工作原理是，通過CCD傳感器獲取被測物體的圖像，然后對圖像進(jìn)行處理，在圖像處理后完成對被測結(jié)構(gòu)的測量。一般圖像只能進(jìn)行2D測量，此處采用視覺自動聚焦技術(shù)就能夠進(jìn)行2.5D測量。視覺自動聚焦技術(shù)是采用自動聚焦判別函數(shù)對高度不屬于同一平面上的兩點(diǎn)進(jìn)行精確聚焦，然后通過計(jì)算得到兩點(diǎn)間的距離。
通過CCD傳感器獲取被測結(jié)構(gòu)圖像的模擬信號，經(jīng)過車載下位機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號、輸入到計(jì)算機(jī)，然后由圖像處理手段對圖像中需要測量的幾何圖元進(jìn)行測量，從而實(shí)現(xiàn)對被測結(jié)構(gòu)的非接觸測量。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)圖像檢測技術(shù)進(jìn)行城市軌道交通地下工程建筑安全檢測，并按照我國城市軌道交通技術(shù)規(guī)定，采用車地?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。在車載下位機(jī)中的測量模塊采用嵌入式系統(tǒng)檢測單元設(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，此處采集和處理的均為實(shí)時彩色圖像，故采用微處理器，其典型產(chǎn)品有ARM系列多個品種可靈活選用。視頻數(shù)據(jù)采集和圖像處理可采用Linux軟件實(shí)現(xiàn)，對處理后的壓縮圖像通過城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)由規(guī)定的接口完成即可。最后，視頻圖像傳送給車載上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時的顯示和控制。
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、傳輸和變換的過程中，由于各種因素的影響，往往會使圖像與被測結(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。常見的圖像噪聲包括光學(xué)成像及采樣過程中常會出現(xiàn)的混疊噪聲、插入噪聲、抖動噪聲、電子噪聲等。而且邊緣的檢測和提取往往對噪聲較敏感，因此首先需要對圖像進(jìn)行濾波降噪處理。
數(shù)字圖像濾波器有線性和非線性兩大類。線性濾波器對高斯噪聲有較好的平滑作用，但對其他噪聲的抑制效果較差，而且會出現(xiàn)模糊邊緣。在非線性濾波器中，中值濾波器在過濾噪聲的同時，還能較好保護(hù)邊緣輪廓，對消除孤立點(diǎn)和線段的干擾十分有用，特別是對于二進(jìn)制噪聲尤為有效。這就特別符合幾何測量中對邊緣定位的需求，因此安全檢測系統(tǒng)選用中值濾波器對圖像進(jìn)行濾波降噪。
由于要測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，所以安全檢測系統(tǒng)采用閾值法實(shí)現(xiàn)圖像分割。
4安全檢測系統(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)人員通過專業(yè)學(xué)習(xí)可以快速掌握和應(yīng)用。在城市軌道交通現(xiàn)場應(yīng)用中，各級子系統(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)場檢測技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，必然是高度集成化。對于日益復(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。因此，多子系統(tǒng)構(gòu)成的安全檢測系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車站級集成，還能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場級集成，甚至直接到各檢測傳感器上。
4.3網(wǎng)絡(luò)化
在一個城市，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。從單線路的檢測系統(tǒng)向路網(wǎng)級檢測系統(tǒng)發(fā)展，是網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的必然趨勢。對于城市軌道交通的綜合檢測，可以采用線路、車站、車輛為層次單元，組成相對完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠更好地滿足和適應(yīng)軌道交通網(wǎng)絡(luò)在不同層面上的需求。
5結(jié)束語
建設(shè)準(zhǔn)確實(shí)時高效的城市軌道交通地下工程建筑安全檢測系統(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系統(tǒng)技術(shù)反映了城市軌道交通信號、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)圖像檢測系統(tǒng)模型，詳細(xì)介紹了其安全檢測系統(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)，對進(jìn)一步技術(shù)開發(fā)和設(shè)備升級奠定了基礎(chǔ)。
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