一种隧道超欠挖检测系统及其检测方法
阅读说明：本技术 一种隧道超欠挖检测系统及其检测方法 (Tunnel overbreak and underexcavation detection system and detection method thereof ) 是由 汪俊 王洲涛 龚小溪 李大伟 于 2020-05-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种隧道超欠挖检测系统及其检测方法,涉及隧道超欠挖检测技术领域,解决了传统的隧道超欠挖检测以人工测量为主,费时费力的问题。包括小车底盘,小车底盘上设有工控机；工控机分别连通于里程计、倾斜传感器、扫描仪,用于采集并传输里程计、倾斜传感器、扫描仪的数据；扫描仪在行进过程中检测当前位置的隧道断面轮廓,并且与设计断面轮廓进行对比,检测超欠挖状态；里程计用于记录小车底盘的行驶距离,根据行驶距离计算扫描仪的行驶里程和运行时间的关系；倾斜传感器用于获取小车前进过程中任意时刻的姿态。达到了方便、快速的自动化处理数据、分析数据,检测超欠挖状态,操作简单,便于携带的效果。(The invention discloses a tunnel under-run excavation detection system and a tunnel under-run excavation detection method, relates to the technical field of tunnel under-run excavation detection, and solves the problems that the traditional tunnel under-run excavation detection is mainly based on manual measurement and wastes time and labor. The device comprises a trolley chassis, wherein an industrial personal computer is arranged on the trolley chassis; the industrial personal computer is respectively communicated with the odometer, the inclination sensor and the scanner and is used for acquiring and transmitting data of the odometer, the inclination sensor and the scanner; the scanner detects the profile of the tunnel section at the current position in the traveling process, compares the profile with the designed profile of the tunnel section and detects the overbreak and underexcavation state; the odometer is used for recording the running distance of the chassis of the trolley and calculating the relation between the running distance of the scanner and the running time according to the running distance; the inclination sensor is used for acquiring the attitude of the trolley at any time in the advancing process. The effects of convenient and quick automatic data processing and analysis, detection of the overbreak state, simple operation and convenient carrying are achieved.)
技术领域
本发明涉及隧道超欠挖检测技术领域，特别涉及一种隧道超欠挖检测系统及其检测方法。
背景技术
随着城市化水平的进一步提高，城市人口呈现出爆炸增长的态势。为了缓解城市交通环境的压力，越来越多的城市选择建设城市地铁作为解决方案。
在地铁隧道建设施工的过程中，由于地质、爆破等累积的影响，容易产生超欠挖现象。当隧道中超欠挖情况时，隧道的实际开挖轮廓线与设计轮廓线会存在差异。实际开挖的不平顺轮廓线导致隧道围岩对支护结构施加的应力产生局部应力集中现象，使得初期支护结构不稳定。在实际工程施工中，超挖是不可避免的，可以通过施工技术控制，设备管控等，将超挖控制在可接受范围内。但一般情况下，不允许欠挖的情况存在。严格控制超欠挖量对施工顺利，设备人力资源的节约以及生产安全有着重要意义。
传统的隧道超欠挖检测以人工测量为主，采用断面仪或者全站仪等设备，对整体隧道进行逐断面测量。此类方法费时费力，并且测量所需携带的设备笨重，难以在短暂的地铁车辆停止运行的窗口期，按时完成检测。为了隧道整体施工的顺利完成，一种可靠，快速的隧道超欠挖检测系统是十分具有应用价值的。
发明内容
本发明的目的是提供一种隧道超欠挖检测系统，可以方便、快速的自动化处理数据、分析数据，检测超欠挖状态，其操作简单，便于携带。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种隧道超欠挖检测系统，包括小车底盘，小车底盘上设有工控机；
所述工控机分别连通于里程计、倾斜传感器、扫描仪，用于采集并传输里程计、倾斜传感器、扫描仪的数据；
所述扫描仪在行进过程中检测当前位置的隧道断面轮廓，并且与设计断面轮廓进行对比，检测超欠挖状态；
所述里程计用于记录小车底盘的行驶距离，根据行驶距离计算扫描仪的行驶里程和运行时间的关系；
所述倾斜传感器用于获取小车前进过程中任意时刻的姿态。
更进一步地，所述小车底盘包括用于支撑小车整体结构的T型横梁，T型横梁包括沿其行进方向设置的竖向部位以及垂直于行进方向的横向部位；横向部位一端与竖向部位固定连接。
更进一步地，所述竖向部位两端各连接有行驶轮；横向部位远离竖向部位一端连接有一行驶轮。
更进一步地，小车底盘上连接有可滑移的侧边轮以及驱动侧边轮向铁轨侧边方向滑移的弹簧。
更进一步地，扫描仪为二维线激光扫描仪。
更进一步地，倾斜传感器包括两个，分别用于测量小车的俯仰角和横滚角。
本发明的目的还在于提供一种隧道超欠挖检测方法，可以方便、快速的自动化处理数据、分析数据，检测超欠挖状态。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种隧道超欠挖检测方法，扫描仪数据处理包括如下步骤：
首先，扫描仪对隧道进行扫描，获取隧道的点云数据，并通过工控机对所述点云数据进行预处理；其具体预处理包括：通过工控机对所述点云数据进行配准、去噪、坐标系归一化、压缩以及三维重构处理；
然后，根据扫描仪的位置和姿态，将扫描得到的点云与真实隧道对应起来，通过工控机将预处理数据和隧道设计值进行对比，以计算当前数据的超欠挖状态。
更进一步地，通过里程计来获取扫描仪的位置数据，其处理过程包括：
小车的行进带动里程计的滚轴转动，从而记录行驶距离；而后，把行驶轮沿轨道前进的距离换算成小车沿轨道中线前进的距离，从而扫描小车的里程和运行时间的关系，最后根据扫描仪与小车的相对位置关系得到扫描仪的里程和运行时间的关系。
更进一步地，通过倾斜传感器来获取小车的姿态，并计算扫描点的绝对坐标，其计算过程包括：
先依据扫描仪和扫描小车的相对位置关系计算得到扫描点在检测小车坐标系中的坐标值；再依据测量到的倾角计算测量时小车的姿态，从而得到扫描点的绝对坐标。
更进一步地，基于工控机处理后的数据，计算超欠挖状态，其中超欠挖方量的计算过程包括：
S1：首先使用RANSAC算法将工控机处理后的数据进行拟合，然后使用拟合后的圆心将二维平面按圆周划分为多个区间，各区间内点到圆心距离取平均值计为拟合半径；
S2：统计各个区间的拟合半径，按逆时针方向统计形成直方图；
S3：通过直方图计算出隧道超欠挖的体积微元，进而通过求和得到总的超欠挖方量，计算方法的公式为：
ΔV＝Δs×l
V＝ΣΔV
其中，α为点云沿着圆周方向划分的单位区间角度；R1为划分区间对应点云拟合半径；R2为对应开挖面区间拟合半径；l为轴向划分单位长度；ΔS为单位区间面积微元；ΔV为计算所得单位区间超欠挖体积；V为计算所得隧道开挖面超欠挖总的方量。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.隧道小车底盘采用T型结构框架，保证小车在检测过程中保持平稳运行；
2.检测设备采用二维线激光，数据处理设备采用工控机，减轻检测系统的整体重量，方便运输携带；
3.采用二维线激光进行非接触式测量，自动化处理数据，分析数据，检测超欠挖状态；
4.整套检测系统重量较轻，方便携带，并且操作简单，对地铁隧道的建设和维护有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例中隧道超欠挖检测系统的整体结构示意图；
图2为图1结构的俯视图；
图3为本发明实施例中隧道超欠挖检测系统的各个组成部分的相互关系；
图4为本发明实施例中隧道超欠挖检测系统的检测流程图。
图中，1、扫描仪；2、小车车体；3、倾斜传感器；4、小车底盘；5、锂电池组；6、工控机；7、行驶轮；8、双轮侧；9、直流电机；10、里程计；11、单轮侧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，本实施例不构成对本发明的限制。
一种隧道超欠挖检测系统，如图1所示，包括小车底盘4，小车底盘4包括固定于其上的小车车体2；小车底盘4包括用于支撑小车整体结构的T型横梁，T型横梁包括沿其行进方向设置的竖向部位以及垂直于行进方向的横向部位；
如图1和图2所示，横向部位一端与竖向部位固定连接，且其上部与小车车体2相固定，竖向部位两端各连接有一行驶轮7，作为双轮侧8；横向部位另一端连接有一行驶轮7，作为单轮侧11；T字型结构除了便于控制检测小车能够在轨道平稳行驶之外，还能够区分扫描检测小测的本体方向。本实施例中，双轮侧8在行进方向的左侧时，定义此时小车的行进方向为正；扫描小车自身的方向为后续数据的处理提供参考。行驶轮7由直流电机9驱动转动，直流电机9固定于小车车体底部。
如图1所示，小车底盘4上连接有两个可滑移的侧边轮，两个侧边轮分别安装在扫描车T字横梁竖向部位的两端，侧边转轴通过轴承座连接于小车底盘4上，轴承座滑移连接于小车底盘4上，小车底盘4上还连接有驱动该轴承座向铁轨侧边方向滑移的弹簧；扫描小车在隧道铁轨上行进时，侧边轮抵住铁轨的侧边面，阻止小车在水平方向产生较大的位移，使小车不易从铁轨上滑落。
如图3所示，小车车体2内连接有工控机6，工控机6为正肯6U工控机，工控机6分别连通于里程计10、倾斜传感器3、扫描仪1，用于采集并传输里程计10、倾斜传感器3、扫描仪1的数据，工控机6体积和重量较小，方便设备的整体运输；工控机6同时也是控制中心，控制里程计10、倾斜传感器3、扫描仪1的启动和关闭，负责其数据采集、存储、传输，扫描仪1和其余传感器的数据都一并传输到工控机6上保存。本实施例中，小车车体2内还连接有用于位装置供电的锂电池组5。
如图2所示，测量系统的扫描仪1选取二维线激光扫描仪1，此类型扫描仪1能够获取的数据精度能够满足超欠挖检测系统所需，且为非接触式测量，紧凑设计、节约安装空间、低重量、低功耗，对于测量小车整体的便携性有较大提升；扫描仪1通过金属支架安装在扫描小车的小车车体2上，在行进过程中检测当前位置的隧道断面轮廓，并且与设计断面轮廓进行对比，检测超欠挖状态；金属支架保证了扫描仪1每次都能够安装在同一位置，方便整体系统参数的设置。
首先，扫描仪1对隧道进行扫描，获取隧道的点云数据，并通过工控机对点云数据进行预处理；其具体预处理包括：通过工控机对所述点云数据进行配准、去噪、坐标系归一化、压缩以及三维重构处理；然后，根据扫描仪的位置和姿态，将扫描得到的点云与真实隧道对应起来，通过工控机将预处理数据和隧道设计值进行对比，以计算当前数据的超欠挖状态。
里程计10用于记录小车底盘4的行驶距离，根据行驶距离计算扫描仪1的行驶里程和运行时间的关系；通过里程计10获取扫描数据的方位角和位置，小车在隧道中沿着隧道轨道前进，记录开始扫描时的位置，结合小车和扫描仪1的相对位置关系，即可计算出扫描仪1在任意时刻的坐标。
具体的，里程计10与小车的行驶轮7连接，在小车行进过程中，行驶轮7带动里程计10的滚轴转动，从而记录下行驶距离。里程计10的数据处理包括：小车的行进带动里程计10的滚轴转动，从而记录的行驶距离；而后，把行驶轮7沿轨道前进的距离换算成小车沿轨道中线前进的距离，从而扫描小车的里程和运行时间的关系，最后根据扫描仪1与小车的相对位置关系得到扫描仪1的里程和运行时间的关系。本实施例中，通过轨距数据，计算线路中心点和检测小车中心点的相对位置关系，再根据里程和设计值计算中线点坐标，进一步得到扫描仪1的扫描中心点的坐标。
倾斜传感器3用于获取小车前进过程中任意时刻的姿态，进而计算扫描仪1的姿态。为了计算扫描点的绝对坐标，还原点与点之间的相对位置，需要知道扫描时，扫描中心的坐标和扫描仪1的姿态。而由于扫描仪1和小车通过刚性结构连接，所以只需知道小车的姿态即可根据小车和扫描仪1的相对关系计算出扫描仪1的姿态。在实验阶段，在实验室中架设全站仪，用全站仪测量的扫描坐标，减去全站仪测量的激光扫描检测小车上的棱镜中心的坐标，即可得到扫描标志中心相对于扫描检测小车上的棱镜中心的坐标，也就是扫描标志在检测小车坐标系下的坐标。
倾斜传感器3包括安装于小车车体2内的两个，分别用于测量小车的俯仰角和横滚角。倾斜传感器3的测量范围在-8°～+8°之间，坡度和超高的范围都能够在传感器的测量范围内。计算扫描点绝对坐标时，先依据扫描仪1和扫描小车的相对位置关系计算得到扫描点在检测小车坐标系中的坐标值。再依据测量到的倾角计算测量时小车的姿态，从而得到扫描点的绝对坐标，小车姿态的方位角由设计文件中的数值得到，其中设计文件为隧道线路的设计文件。倾斜传感器3和里程计10由工控机6同时控制，倾斜传感器3的数据先传输到工控机6上，和里程计10数据结合，依据工控机6的时间标较为准确地确定数据记录的时间间隔，再依据计算机时间和其余传感器数据进行统一。
由于在扫描过程中，只有掌握对应扫描仪1的位置和姿态，才能够将扫描得到的点云与真实隧道对应起来，以上通过倾斜传感器3获得测量小车任意时刻的姿态，再通过小车和扫描仪1的相对位置关系获得扫描仪1在任意时刻的姿态；所需的方位角和位置通过里程计10和设计文件得到。
检测小车在隧道行驶前进过程中，记录得到开始扫描时的里程信息，再结合前进过程中里程计10记录的数据，即可得到小车在任意时刻的里程。把里程代入到设计文件中，即可得到小车在任意时刻相对线路中线的坐标和方位角。结合倾斜传感器3测量的倾角以及小车和扫描仪1的相对位置关系，即可计算出扫描仪1在任意时间的绝对坐标和姿态。在数据处理过程中，还能利用轨道中线和小车行驶轮的相对位置关系，结合设计线性，把行驶轮沿前进的距离换算成小车沿轨道中线前进的距离。
如图4所示，超挖数据包含隧道的最大超挖方量、超挖部分的设计轮廓面面积以及隧道的最大超挖深度值(其中，最大超挖深度值为超挖部位最深点距离涉及轮廓面的垂直距离)，在隧道的断面上识别全部超挖的部位后，计算全部超挖部位的超挖体积，以得到超挖方量。最后，计算全部超挖部位的设计轮廓面面积，得到超挖部位的设计轮廓面面积，再计算超挖方量与设计轮廓面面积之商，得到结果。
其中，装置准确地获取了隧道的点云数据，将扫描得到的点云与真实隧道对应后，对正式隧道对应的设计轮廓面面积的计算皆为现有技术，在此不做过多赘述；而基于工控机6处理后的数据，以此计算超欠挖状态，其中，超欠挖方量的计算过程包括：
S1：首先使用RANSAC算法将工控机6处理后的数据进行拟合，然后使用拟合后的圆心将二维平面按圆周划分为多个区间，各区间内点到圆心距离取平均值计为拟合半径；
S2：统计各个区间的拟合半径，按逆时针方向统计形成直方图；
S3：通过直方图计算出隧道超欠挖的体积微元，进而通过求和得到总的超欠挖方量，计算方法的公式为：
ΔV＝Δs×l
V＝ΣΔV
其中，α为点云沿着圆周方向划分的单位区间角度；R1为划分区间对应点云拟合半径；R2为对应开挖面区间拟合半径；l为轴向划分单位长度；ΔS为单位区间面积微元；ΔV为计算所得单位区间超欠挖体积；V为计算所得隧道开挖面超欠挖总的方量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。