激光隧道断面检测仪

“从1969年10月1日北京地铁一号线试运行至今已经历50多年，我国地铁里程不断攀升。据中国城市轨道交通协会最新统计，2020年我国地铁运营总里程6200多公里，在建5000多公里，总历程达到超过一万公里。当前，我国北、上、广、深等特大城市，轨道交通里程处于世界前五的水平。”近日，北京交通大学副教授王耀东接受采访时说。　　而地铁隧道病害与表面状态检测则是保障安全运营的重要内容之一。“否则，地铁隧道一旦发生事故，将会给生命财产带来巨大损失。”在4月22日举行的聚焦2021年北京地区广受关注学术成果报告会上，王耀东说。随着隧道病害检测技术的快速发展，他和团队正在尝试将机器视觉、先进传感等技术引入相关检测，让这一过程变得更加高效、智能。　　隧道“体检”，从人工巡检到机器检视　　地铁交通极大方便了城市居民的出行，但是地铁隧道中出现的各种“病害”，如隧道裂缝、渗漏水、沉降、衬砌剥落、掉块等，给电客车安全运营带来挑战。　　以隧道裂缝为例，王耀东表示，其形成原因比较复杂，岩层性质、岩土压力、混凝土收缩、结构移位变形、侵蚀破坏、施工遗留等都是潜在诱因。别是南方的过江过河隧道或地下水较丰富区域的隧道，如果产生裂缝产生就会产生渗漏水，影响地铁运行的安全。因此需要定期巡检，及时养护、维修。　　王耀东还记得2012年回国之初跟随地铁巡检人员做现场数据采集的情形。“凌晨1点到4点，夜深人静，地铁停运，才会开始人工巡检，要用肉眼观察、手写记录。”　　他表示，尽管传统的超声波检测法、声发检测法、电磁波检测技术等不断提高检测精度，但速度低、效率慢，难以满足现代轨道交通快速发展的需求。而信息技术的发展，多维传感、机器视觉检测技术的使用则为这项检测工作的提速、高效提供了新的契机。　　“机器视觉的特点是效率高、可移动、非接触，特别是信息处理自动化、智能化、数字化，也是隧道巡检的发展方向。”王耀东说。他和同事在不断尝试把机器视觉技术、图像处理技术、多维感知、人工智能等技术，应用在隧道病害检测当中，这些智能巡检技术可以逐步代替人工，完成隧道基础设施的自动检测。　　裂缝识别，让机器拥有“人眼”和“大脑”　　“裂缝检测智能巡检技术主要分两个步骤，第一步是图像裂缝采集，利用高速相机和特制的辅助光源，保证采集到高质量的隧道图像 第二步是裂缝病害图像处理，对所有原始图像进行预处理，包括：匀光处理、连通区域分块化、噪声滤波等，提取纹理目标进行特征判断，最后识别裂缝区域，为后续速调维护提供技术支持。”王耀东介绍。　　这些听起来似乎很简单，但如何让机器像人眼一样，全面、精细采集图像，并像人脑一样准确地识别裂缝种类呢?每一步做起来都不简单，都需要精细化的算法研究和关键技术的攻克。　　例如，他们研发了图像采集系统样机引入了线阵相机(进行连续拍摄形成二维图像，避免图像重叠和数据冗余)、面阵相机(针对隧道中照明不佳，进行大面积强光源补光)、定向运动设备(对隧道进行扫描式图像采集降低漏检率)，来获得高质量的图像。他们还开发出一套表面裂缝图像的批量识别软件，设计出核心算法进行图像处理。　　经过近十年的“磨剑”，王耀东及团队成员克服各种挑战，2018年在发表于《铁道学报》的论文研究中，首次报告了基于局部图像纹理计算的隧道裂缝视觉检测技术。他们研发的一套图像采集系统实验样机，将线状激光光源、高速线阵相机、激光发生器、图像采集卡，安装在可调节移动式视觉检测平台上，可在隧道中进行巡检。然后将高分辨率裂缝图像分成子区域，针对性地进行算法研究，完成最后的检测。　　“这种智能巡检技术有助于解放人力，服务地铁运维。”王耀东说。他坦言，从综合指标看，目前这种技术对于背景简单的普通隧道裂缝识别率比较高，可以达到84%以上。但对于比较复杂环境下的裂缝，识别率还有待提高。”。　　2018年至今，随着深度学习卷积神经网络深入发展，对海量隧道图像的计算性能有了数十倍的提升，识别率也有较大提高。然而，王耀东表示，对于复杂恶劣环境下，肉眼难以观察的微小缺陷仍然很难检测到。　　增强自主创新，助力交通强国建设　　王耀东希望，在未来检测算法上，加强对不同类型纹理噪声的识别，提高图像处理的计算效率，进一步提高隧道病害检测效率。　　为此，他们建立了隧道病害样本库，基于深度学习，对隧道表面病害图像多分类智能识别。为了更好地采集图像，他们还对采集系统进行了模块化研发，并研制了隧道巡检机器人，对隧道裂缝、三维形变、沉降进行检测。　　目前，他们还在研制多种类、移动式隧道检测平台，如低速便携手推式(0-10公里/小时)检测平台，到中速紧凑自主行走式检测平台(0-30公里/小时)，再到高速车载式综合检测平台(0-100公里/小时)的，以及路轨两栖式综合平台(0-60公里/小时)。对隧道、轨道多维数据进行采集，并进行智能分析和大数据处理，最后生成区间报表提供给专业人员使用，用于隧道和轨道维护。　　“目前，我国轨道交通运营里程已经位居世界第一位，智能运维也处于世界前列。”王耀东说，但仍然亟需加强自主创新。他举例说，我国轨道交通智能数据采集设备、高精尖传感器还需要从国外进口，这些设备有的一套系统单一功能，但因为技术被国外垄断，报价却达到数百万元，甚至上千万元。　　“我们科技工作者还要继续努力，推动基础研究创新，将主动权掌握在自己手中。”他说，2035年我们国家要基本建成交通强国，这将推动我国城市轨道交通进一步向大数据、智能化、精准化方向去发展，让老百姓出行更安全、更便利，乘坐舒适性更高。

昝月稳在颁奖礼上　　西南交通大学教授昝月稳团队凭借“高效快速检测隧道衬砌结构状态车载探地雷达新技术”，获得国际隧道与地下空间协会(ITA)颁发的2015年度技术创新奖。　　这一被誉为隧道界“奥斯卡”的奖项今年吸引了全球103个项目参评，最终8个项目获奖。昝月稳团队的参评项目是中国今年获得的唯一奖项，也是ITA颁发的首个年度技术创新奖。这项检测技术，被ITA赞为“解决了国家铁路网隧道安全检查的重大问题，具有显著的社会效益”。　　历时14年，研制出隧道新型“体检设备”　　随着交通日益发达，地铁、公路隧道、穿山铁路隧道等地下交通在我们的生活中占有越来越大的比重。　　不过，这些隧道开始运营之后，就像人体一样，会产生生老病死等各种问题，随之出现的落石、漏水、开裂等等，会对交通和安全产生不可估量的危险。因此，需要经常对这些隧道进行“体检”。但是，目前的体检方式还依赖于人工，检测人员操纵笨重的机器一步步的检测，有时仅仅一公里的隧道，一天都检测不完。　　11月19日，国际隧道与地下空间协会在瑞士举行了一场颁奖典礼，由西南交通大学教授昝月稳、李志林等申报的“高效快速检测隧道衬砌结构状态车载探地雷达新技术”项目获得了年度技术创新大奖。这也是我国获得的唯一奖项。　　这种车载探地雷达系统大大颠覆了现在的隧道检测技术，不仅解放了人力，还将检测成本至少降低了一半。而今年10月，这种检车方法已经在成都铁路局所属的达成铁路上应用了。　　对比　　老方法　　检测人员手举天线一公里隧道一天都检测不完　　“目前，隧道的运行周期是一百年，它会不断地老化，会产生各种问题。”12月18日上午，在西南交大，昝月稳教授介绍起了他的这项研究。　　他说，隧道老化很正常，但列车在隧道运行的时候，最害怕的就是隧道掉块、漏水，掉块砸到列车，被迫停车，封锁线路十几个小时的事情都是有的。为了减少这种状况的发生，就需要经常对隧道进行体检。　　而现在平常检查隧道的方法比较“原始”，主要依靠人工，拿着手电筒在隧道走上一遍，照一下重点方位，靠人判断是否有状况发生。　　每隔一段时间，还会进行全面“体检”，通常用的是“探地雷达”，趁着列车行进的间歇，把机器开进隧道，由人工压着天线紧贴隧道墙壁，探头通过天线发射电磁波，检测人员再通过回波探测出墙下结构，分析墙面状况。这种人工检测的方法约莫需要七八个工作人员同时工作，检测时速在5公里左右，需要来回五次才能把整个隧道检测完毕。“因为检测必须在列车行进间歇进行，有时候一公里的隧道，一天都检测不完，”昝月稳说道。　　新成果　　6个探头安在列车尾部成都到西安一晚就能完成检测　　同传统人工检测使用一个探头不同，昝月稳研究的“车载探地雷达设备”是安装在一节列车车厢的尾部，上方和左右两侧共有6个探头同时探测，与此同时，它的最高时速可以高达175km，只需要两名工作人员监控系统，就可以在正常的列车运行条件下完成整条线的检测。　　“以前人工检测必须紧贴着墙壁，你看这个，安装在列车上的探头，距离墙壁的最远距离多达2.25米。”昝月稳指着图示解释说，以前的人工探测就像是照相机，而他的“车载探地雷达设备”就像是摄像机，列车一路行走，探头就能完成记录整个过程中的地质状况。“而为了保证质量，目前我们检测时列车运行时速为80公里。从成都到西安，坐在车上不用动，一晚上就可以完成整条线的检测。”　　从间歇式的5公里/时到目前的80公里/时，从原来的紧贴墙壁到现在可透过空气检测，从原来的单线检测到现在的6个探头同时检测，不仅减少了人力，还把检测费用降低到了原有的一半，昝月稳的“车载探地雷达设备”彻底地改变了国家铁路网隧道病害不能普查和定期体检的现状。这项技术不仅节省了人力成本，还降低了检测费用。2015年，这项技术在西安铁路局全面推广并在成都铁路局达成铁路上应用。　　应用　　2002年开始测试今年已应用在成都线路上　　这项技术是以昝月稳为主的科研团队从2002年开始研制，2012年，西南交通大学以此项技术申报国家发明专利，2014年4月获得国家发明专利权。　　2013年1月，这项科研项目通过铁道部科技司课题验收，2015年，这项检测技术开始在西安铁路局所管辖的线路上进行全面推广，并进行了所有线路的检测。今年10月，在成都铁路局所管辖的达成线上完成检测。　　“其实，这项技术不仅仅可以用在铁路隧道上的检测，在地铁隧道和公路隧道上，也具有广阔的应用前景。”这不，今年10月，这个项目还在广州地铁上进行了检测，测试效果也非常好。　　背后故事　　14年潜心研究　　曾背着主机显示屏徒步10公里去测试　　一个科研项目的成功，背后当然凝聚着研究人员的心血，而这项“车载探地雷达设备与技术”的成功，昝月稳整整用了14年的时间。　　2002年，作为某单位里的唯一一名博士，他辞掉安稳的科长职务，开始专心研究车载探地雷达技术。当时，研究人员少、资金短缺，他就和几个科研人员背着显示器、计算机主机、探头、天线等一整套的探测雷达系统，走上10多公里的小路，到大山中的隧道中去探测。科研经费短缺，他就自己边赚钱边研究。　　昝月稳说，因为需要跟着列车走，几天几夜吃住在车上的事情都是常有的。冬天内蒙古冷到零下28℃，那时候他就知道了手摸到铁皮要粘起来的感受。新隧道检测，里面全部是粉尘，他们就用被单把列车的车门、窗户全部蒙起来。　　不过，这些苦还不是最大的挑战。最让他们焦心的是，研究过程中机器设备的耗损，一不小心就会坏掉，三更半夜到了车站，来不及休息，就到处敲门找人去修，“没办法呀，不修好所有数据都没了，这一趟真的是白跑了，那时候半夜去敲门的状况还是很多的。”最让昝月稳印象深刻的是一次事故，列车到了陕南的一小站，山间容易起雾，设备都是放在露天的车站，早上五六点发车，一启动，接收器全部都烧了，没有办法，只能白跑一趟，回去再全部重新定做机器。　　昝月稳说，隧道的一般病态有漏水、断裂、腐蚀老化、掉块等，为保证运输隧道安全，需要对其进行病害普查，特别要对老龄隧道进行定期检查。该项目就是为铁路隧道提供“体检”的新设备与技术。

3月5日23点58分，上海硬X射线自由电子激光装置项目4号工作井至3号工作井之间的首条光束线隧道实现基本贯通，东线盾构（束线一号）顺利开始进洞工序，进洞过程顺利，盾构姿态良好。硬X射线自由电子激光装置（SHINE）是上海科技大学作为法人单位、国内迄今为止投资最大的科技基础设施项目,是国家重大科技基础设施建设“十三五”规划优先启动项目，以及上海建设张江综合性国家科学中心的核心内容和重大项目。项目于2018年4月27 日开工建设，计划2025 年建成。本次贯通的光束线隧道连接SHINE项目束线站总体的前端实验大厅和加速器总体的三号工作井，是继主加速器隧道贯通后，建安总体的又一项重要建设进展，标志着项目进入了隧道工程建设的高峰期。按照建设规划，除了已贯通的2条隧道，另外8条隧道预计在2022年内实现贯通。较一般隧道掘进，SHINE工程的隧道对轴线精度和渗水均有极高的要求。“束线一号”盾构机自2021年12月6日始发，春节期间持续掘进。整个过程中隧道轴线精度控制、渗水控制均达到了工程的要求，实现高质量、高速度建设。硬 X 射线自由电子激光科学意义重大，世界主要先进国家都争相建设各自的硬 X 射线自由电子激光装置，以掌握新历史时期的科技发展主动权。SHINE项目的建成将标志着我国拥有最新的高重频硬X 射线自由电子激光光源，可以为物理、化学、生命科学、材料科学、能源科学等多学科提供高分辨成像、超快过程探索、先进结构解析等尖端研究手段，可同时满足面向物质、单分子、超强超短单颗粒成像，以及极端光物理等实验需求。SHINE项目建成后将成为我国唯一、具备世界领先水平的第四代 X 射线光源大科学装置。