徐 濤

（新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，烏魯木齊830011）

隨著鐵路的高速發(fā)展，對鐵路隧道形變的測量是必不可少的，測量的隧道形變數(shù)據(jù)對于地鐵運(yùn)行狀態(tài)的安全是十分重要的，傳統(tǒng)的形變測量方法也有許多，這些方法雖然有較高的精度，但測點(diǎn)數(shù)量較少，無法全面反映隧道的形變。

針對上述傳統(tǒng)測量方法存在的不足，相關(guān)文獻(xiàn)也有相應(yīng)的研究，文獻(xiàn)[1]基于巴塞特收斂系統(tǒng)的地鐵隧道性變監(jiān)測，該方法能夠精準(zhǔn)的測量隧道的變形數(shù)據(jù)，并且能夠定位變形坐標(biāo)，但該方法對測量的點(diǎn)數(shù)較少，不能夠全面的對隧道進(jìn)行整體測量，不能全面反映隧道的變形；文獻(xiàn)[2]提出了一種移動激光掃描儀進(jìn)行對地鐵隧道形變監(jiān)測，該方法能夠全面的測量隧道形變，并且測量的準(zhǔn)確度較高，但該方法對于測量的速度較慢，每測量一段區(qū)域，就需要進(jìn)行移動。

基于上述文獻(xiàn)中存在的問題，本文提出了基于三維激光掃描技術(shù)的隧道形變監(jiān)測，設(shè)計(jì)了三維振鏡式激光掃描系統(tǒng)[3]，完成了地鐵隧道變形的監(jiān)測。

1 三維激光掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)三維振鏡式激光掃描系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、激光器、光學(xué)系統(tǒng)和振鏡掃描系統(tǒng)[4]，三維振鏡式激光掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維振鏡式激光掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of a three-dimensional galvanometer laser scanning system

控制系統(tǒng)是整個(gè)三維激光掃描系統(tǒng)的核心部分，掃描控制卡與上位機(jī)系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)到掃描控制卡的數(shù)據(jù)傳輸，控制系統(tǒng)與上位機(jī)系統(tǒng)之間的通信方式采用的是PCI 總線，該總線具有高速、兼容性強(qiáng)、即插即用以及支持設(shè)備主控的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)二者之間穩(wěn)定且高速的傳輸數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)中還采用了PCI9052 和FPGA 芯片，PCI9052 芯片是一款160 針的低功耗CMOS 芯片，采用了PQFP 封裝的目標(biāo)模式的接口芯片[5]，PCI9052 芯片的引腳功能如表1所示。

表1 PCI9052 芯片引腳功能描述Tab.1 PCI9052 chip pin function description

PCI9052 可以實(shí)現(xiàn)異步操作，PCI9052 本地總線與PCI 總線采用不同的時(shí)鐘頻率和電平標(biāo)準(zhǔn)，使得軟件設(shè)計(jì)更加靈活，支持發(fā)送和接收操作。FPGA 芯片具有強(qiáng)大的邏輯控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序邏輯，并可在內(nèi)部調(diào)用雙端口的RAM 緩沖數(shù)據(jù)，極大的減少了中斷響應(yīng)頻率，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸[6]。

三維振鏡式激光掃描系統(tǒng)首先需要獲取三維零件截面的信息，通過上位機(jī)將三維零件的截面信息發(fā)送給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)收到上位機(jī)發(fā)送的信息，將進(jìn)行圖形識別、掃描路徑優(yōu)化、圖形插補(bǔ)、激光開關(guān)控制、聚焦模塊聚焦信號計(jì)算等過程，得到數(shù)據(jù)信號控制激光器的激光輸出、動態(tài)聚焦模塊和兩軸掃描儀的掃描角度，可以將激光束精確聚焦在整個(gè)掃描面上的焦點(diǎn)上，并按照所需的路徑進(jìn)行激光燒結(jié)。

振鏡掃描系統(tǒng)采用X 振鏡和Y 振鏡，使激光產(chǎn)生快速而精準(zhǔn)的指向，實(shí)現(xiàn)單層界面的加工。光學(xué)系統(tǒng)確保光束在傳輸過程中的光束質(zhì)量，保證隧道測量的精確度[7]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 地鐵隧道形變監(jiān)測數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

本文研究的三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道形變監(jiān)測，對于監(jiān)測到的形變數(shù)據(jù)傳輸給工作人員是十分重要的，因此該章節(jié)進(jìn)行對地鐵隧道形變監(jiān)測數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的研究。地鐵隧道形變監(jiān)測數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 地鐵隧道形變監(jiān)測數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of subway tunnel deformation monitoring data communication system

本系統(tǒng)采用的是主從的通信方式，站級三維激光掃描形變監(jiān)測系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)通過無線信號收發(fā)器，傳輸給監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。該通信方采用RS485總線將所有的三維激光掃描形變監(jiān)測系統(tǒng)都連接起來，為了方便與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送采用無線信號，三維激光掃描隧道形變監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)線儲存在PLC 中，通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位主機(jī)[8]。該系統(tǒng)采用RS232 和RS485 轉(zhuǎn)換器，RS232 是一種串行通訊接口，該接口電路采取不平衡傳輸方式，具有聯(lián)絡(luò)控制信號的特點(diǎn)；RS485 在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用增加中斷的方法進(jìn)行對信號放大，增加光纖傳播介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離的通信。

在上位機(jī)與PLC的數(shù)據(jù)傳輸通訊協(xié)議中，忽略了對PLC 狀況的監(jiān)測。事實(shí)上僅使用了數(shù)據(jù)請求幀的發(fā)送和數(shù)據(jù)幀的接受。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，數(shù)據(jù)長度與下一個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)位數(shù)相等，由于每次發(fā)送的數(shù)據(jù)位數(shù)較多，除CRC 校驗(yàn)外，增加了一個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)對錯(cuò)的方法，要將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行多次發(fā)送，為了讓上位機(jī)能將截?cái)嗟臄?shù)據(jù)進(jìn)行很好的整合。使用規(guī)定的通信協(xié)議可以使通信過程規(guī)范簡潔，保證接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為數(shù)據(jù)融合和檢測信息的發(fā)布奠定基礎(chǔ)[9]。

2.2 基于點(diǎn)云隧道三維建模算法的地鐵隧道形變監(jiān)測

本文研究了一種基于點(diǎn)云隧道三維建模算法的地鐵隧道形變監(jiān)測，用于獲取地鐵隧道的相對變形信息，點(diǎn)云隧道三維建模算法的流程如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云隧道三維建模算法流程Fig.3 Flow chart of point cloud tunnel 3D modeling algorithm

完成地鐵隧道變形的監(jiān)測需要4 個(gè)步驟：

步驟1地鐵隧道的軸線提取方法

首先對隧道的原始點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理，將隧道的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為txt 格式，為了使Matlab 程序進(jìn)行進(jìn)一步處理，將采集到的點(diǎn)云導(dǎo)入處理軟件中[10]。

地鐵隧道的軸線提取方法是對分割后的隧道點(diǎn)云進(jìn)行圓柱面擬合，把圓柱面的軸線作為該段隧道的軸線。最小二乘法用于求解未確定的幾何參數(shù)，根據(jù)空間幾何理論，圓柱面有5 個(gè)獨(dú)立的未定參數(shù)[11]，即y0，z0，λ，?，R，其中y0表示軸線上固定點(diǎn)的y軸上的點(diǎn)；z0表示軸線上固定點(diǎn)的z軸上的點(diǎn)；λ 表示軸線與x軸正半軸的夾角；? 表示軸線與x軸負(fù)半軸的夾角；R表示圓柱底面半徑。點(diǎn)云中任一測點(diǎn)到圓柱面軸線的最短距離的計(jì)算表達(dá)式為

式中：pi=（xi，yi，zi）表示起初點(diǎn)云中隨意一個(gè)測點(diǎn)的坐標(biāo)；c=（x0，y0，z0）表示圓柱面軸線上的一個(gè)固定點(diǎn)；表示圓柱面的軸向單位向量[12]。因?yàn)榈罔F隧道形變非常小，因此設(shè)圓柱面的半徑為隧道的內(nèi)半徑R，則獨(dú)立的待定參數(shù)為4 個(gè)，即y0，z0，λ，?。圓柱面擬合即求最優(yōu)解：

式（2）中描述的最優(yōu)化問題用Matlab 的Fmincon函數(shù)進(jìn)行求解，本文提出了一種改進(jìn)圓柱面擬合算法，使用少量點(diǎn)云進(jìn)行圓柱面擬合，將擬合結(jié)果作為初始值對大量點(diǎn)云進(jìn)行柱面擬合，從而節(jié)省了大量的計(jì)算時(shí)間。稀釋圓柱擬合點(diǎn)云，從而減少計(jì)算時(shí)間并保持一定的計(jì)算準(zhǔn)確度[13]。刪除殘差較大的點(diǎn)后，再次進(jìn)行圓柱面擬合，以提高計(jì)算準(zhǔn)確度。

輸入隧道點(diǎn)云，形成三維坐標(biāo)矩陣為

將點(diǎn)云減少到100 個(gè)點(diǎn)，形成三維坐標(biāo)矩陣為

步驟2地鐵隧道的坐標(biāo)變換即投影

為了進(jìn)行三維建模，需要對點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)變換，為了計(jì)算方便，使坐標(biāo)軸與隧道軸線方向一致，坐標(biāo)原點(diǎn)位于隧道軸上。坐標(biāo)變換后把點(diǎn)云投影到y(tǒng)oz平面，以便于進(jìn)行降噪。

通過步驟2 對地鐵隧道點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)變換和投影。

步驟3地鐵隧道的降噪及平差

本文提出了一種基于誤差分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律的降噪方法，根據(jù)測量學(xué)的誤差分布規(guī)律，由于測量的偶然誤差，同一角度的半徑坐標(biāo)將呈正態(tài)分布，即當(dāng)I=時(shí)，有：

為了避免I=?，可令Δθ 較小時(shí)式（13）成立。

結(jié)合式（13）可進(jìn)行降噪處理，將點(diǎn)云分成360組，即令θ0=｛0°，1°，2°，…，359°｝，Δθ=0.5°，計(jì)算半徑與點(diǎn)云數(shù)量的關(guān)系。

降噪后，相同角度的半徑坐標(biāo)仍然不相等。為了提高橢圓柱的擬合準(zhǔn)確度，需要進(jìn)行調(diào)整，將相同角度半徑坐標(biāo)的測量值調(diào)整為平均值。調(diào)整后重新形成三維坐標(biāo)矩陣，用柱坐標(biāo)系表示。

步驟4地鐵隧道三維建模及形變分析

通過建立橢圓柱面三維模型，使隧道變形可視化，首先，導(dǎo)入用柱坐標(biāo)系表示的三維點(diǎn)云坐標(biāo)矩陣，采用橢圓擬合算法EFA，將二維的隧道輪廓線點(diǎn)云擬合成橢圓：

把橢圓柱面各個(gè)點(diǎn)的徑向位移ρe-R作為變形量，生成三維的徑向位移云圖，將坐標(biāo)進(jìn)行逆行變換，得到，即三維建模的變形分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了測試三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道形變監(jiān)測中的精度和可靠性，并對此做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，首先進(jìn)行模型的搭建，本實(shí)驗(yàn)選用Proteus 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱ǎ囼?yàn)環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)Tab.2 Experimental environment parameters

本實(shí)驗(yàn)采用的是遠(yuǎn)程監(jiān)測，監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸至辦公區(qū)，該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)架構(gòu)圖Fig.4 Experimental architecture diagram

本實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)是某地鐵隧道的一段隧道管節(jié)進(jìn)行變形測量，該隧道的相關(guān)數(shù)據(jù)為，隧道內(nèi)徑4 m，管節(jié)寬度2 m，橢圓長軸為4005 mm，橢圓短軸為4000 mm，采用三維振鏡式激光掃描技術(shù)、文獻(xiàn)[1]技術(shù)和文獻(xiàn)[2]技術(shù)分別對該隧道形變進(jìn)行檢測，獻(xiàn)策結(jié)果進(jìn)行對比。首先對測量的精準(zhǔn)度進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)中記錄的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental result data

測量精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 測量精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.5 Comparison of experimental results of measurement accuracy

由圖5 可知，本文研究的基于三維激光掃描技術(shù)的地鐵隧道形變監(jiān)測與實(shí)際隧道的數(shù)據(jù)相比，橢圓長軸差值為0 mm，橢圓短軸的差值為1 mm；文獻(xiàn)[1]與實(shí)際隧道的數(shù)據(jù)相比，橢圓長軸差值為4 mm，橢圓短軸的差值為8 mm；文獻(xiàn)[2]與實(shí)際隧道的數(shù)據(jù)相比，橢圓長軸差值為1 mm，橢圓短軸差值為2 mm。由此可見本文研究的基于三維激光掃描技術(shù)的地鐵隧道形變監(jiān)測所測得的準(zhǔn)確率最高。

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)的性能進(jìn)行測試，本次測試是進(jìn)行對多段隧道形變測量時(shí)，所消耗的時(shí)間的對比，測量消耗時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如圖6所示。

圖6 測量消耗時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.6 Comparison of experimental results of measurer consumption time

由圖6 可知，本文研究的基于三維激光掃描技術(shù)的地鐵隧道形變監(jiān)測系統(tǒng)在對10 段隧道進(jìn)行形變監(jiān)測時(shí)，消耗了20 s；文獻(xiàn)[1]在對10 段隧道進(jìn)行形變監(jiān)測時(shí)消耗了28 s；文獻(xiàn)[2]在對10 段隧道進(jìn)行監(jiān)測時(shí)消耗了32 s。由此可見，本文研究的系統(tǒng)進(jìn)行隧道形變監(jiān)測所消耗的時(shí)間最好，所以對隧道的形變監(jiān)測最快，因此性能最高。

4 結(jié)語

由于傳統(tǒng)的隧道監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)數(shù)量較少，無法全面反映隧道的形變，設(shè)計(jì)了三維振鏡式激光掃描系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、激光器、光學(xué)系統(tǒng)和振鏡掃描系統(tǒng)，采用PCI 總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、穩(wěn)定的傳輸，采用PCI9052 接口芯片，來實(shí)現(xiàn)PCI 總線和底層控制芯片F(xiàn)PGA 的數(shù)據(jù)傳輸。采用X 振鏡、Y 振鏡以及光學(xué)系統(tǒng)確保光束的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)。本文研究的系統(tǒng)還存在著一定的不足，在對隧道形變監(jiān)測時(shí)，在復(fù)雜的環(huán)境下，可能對隧道的形變監(jiān)測出現(xiàn)精準(zhǔn)度下降的問題，因此還需進(jìn)一步研究，來應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境。