基于图像分析的土压平衡盾构机滚刀磨损监测装置及方法与流程

本发明属于土压平衡盾构机设备技术领域，具体涉及一种基于图像分析的土压平衡盾构机滚刀磨损监测装置及方法。

背景技术：

隧道盾构施工以其安全、高效、经济以及对地面环境影响小等优点得到广泛应用。土压平衡盾构机一般在软土或复合地层中施工，特别是在复合地层中，土压平衡盾构机一般同时配备有滚刀和刮刀，随着盾构机的掘进，滚刀的磨损是难免的。目前滚刀磨损常见监测手段有异味剂添加法、传感器监测法、掘进参数分析法、岩渣形状分析法、开舱检查法。异味添加剂法适合在tbm中应用，但不适合应用在土压平衡盾构机中；由于传感器监测法中的传感器安装在被测滚刀附近，其密封防护和耐磨性很难保证，最终导致传感器损坏；掘进参数分析法只能可以通过盾构机推进参数粗略估计滚刀磨损情况；岩渣形状分析法是通过人为分析岩渣块形状粗略判断滚刀磨损情况，主观因素影响很大；开舱检查法最直观，但舱内高压、高湿，进舱风险高。

目前也有通过土舱可视化装置通过视觉检查滚刀磨损的方法，但只是停留在人工观察的阶段。装置方面，有的采用伸缩式可视化装置，使用时打开可视化装置闸门伸出相机，但由于土舱内恶劣的环境，伸缩机构和闸门装置很容易出现故障；有的采用相机、灯源一体固定式土舱可视化装置，但由于灯源距相机过近，造成视野被光线影响，视野不清晰。

技术实现要素：

针对现有的可视化装置无法适应土舱恶劣环境及滚刀可视化效果差的问题，本发明提出了一种盾构机滚刀载荷实时监测系统及方法，可以实时监测土压平衡盾构机的滚刀磨损情况，解决了现有的可视化装置视野效果差、无法适应盾构机中高压、高湿、渣土飞溅的恶劣环境、以及无法实时监测滚刀状态的问题。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于图像分析的土压平衡盾构机滚刀磨损监测装置，包括滚刀监测装置，所述滚刀监测装置设置在承压密封装置内，滚刀监测装置与滚刀刀箱总成相对，滚刀监测装置用于拍摄滚刀刀箱总成中滚刀的磨损情况；所述承压密封装置位于滚刀监测装置的后方，将土舱与盾体壳的后部相隔离，对监测机构起密封承压作用。

所述承压密封装置包括设置在土舱隔板后部的承压密封舱，承压密封舱与滚刀监测装置的后部相对，且承压密封舱与土舱隔板固定连接；承压密封舱上设有预留孔和承压密封门，预留孔为滚刀监测装置的水电供应和数据传输线提供通道；所述承压密封门与承压密封舱相铰接。

所述滚刀监测装置包括面板，所述面板固定设置在土舱隔板上，且面板中固定设有相机防护基体和灯源防护基体；所述相机防护基体的前部固定设有相机防护玻璃，且相机防护基体中固定设有视频单元，视频单元对滚刀刀箱总成进行拍照以获取滚刀磨损图像，视频单元的电缆数据传输线依次穿过相机防护基体和承压密封装置后通过外部线缆i与盾构机的配电柜和工控机相连接，配电柜为视频单元提供电源；所述灯源防护基体的前部固定设有灯源防护玻璃，且灯源防护基体中固定设有灯源，灯源的电缆依次穿过灯源防护基体和承压密封装置后通过外部线缆ii与盾构机的配电柜相连接，配电柜为灯源提供电力。视频单元与灯源相互配合，以获取高质量的图像。

所述面板上还固定设有用于对相机防护玻璃或灯源防护玻璃进行冲洗的冲洗机构。冲洗机构定时对相机防护玻璃或灯源防护玻璃进行冲洗，以避免污物影响视频单元的拍照。

所述冲洗机构包括喷嘴座，所述喷嘴座固定设置在面板上，且喷嘴座中可拆卸地设有喷嘴；所述喷嘴与灯源防护玻璃或相机防护玻璃相对，且喷嘴通过喷嘴座与外部高压水管路相连接。外部高压水管路为喷嘴提供外部水源。

所述喷嘴座中设有喷嘴座冲洗通道i和喷嘴座冲洗通道ii，且喷嘴座冲洗通道i的中心轴与喷嘴座冲洗通道ii的中心轴相垂直；所述喷嘴安装在喷嘴座冲洗通道i中，且喷嘴座冲洗通道i的中心轴正对相机防护玻璃或灯源防护玻璃的中心；所述喷嘴座冲洗通道ii通过面板的冲洗水通道与与外部高压水管路相连接，且喷嘴座冲洗通道ii与冲洗水通道同轴线设置。

所述灯源防护玻璃通过灯源防护玻璃固定法兰与灯源防护基体密封连接，相机防护玻璃通过相机防护玻璃固定法兰与相机防护基体密封连接。

一种基于图像分析的土压平衡盾构机滚刀磨损监测方法，包括如下步骤：

s1，使用视频单元采集滚刀刀箱总成的图像后，对图像进行预处理；

s2，对预处理后的图像进行特征点识别以定位滚刀所在的区域；

s3，对步骤s2中已定位的滚刀所在的区域进行扫描，并通过边缘特征提取法识别滚刀图像，计算滚刀的刀刃在直径方向上两端之间的距离d，距离d即为滚刀的直径；；

s4，计算滚刀磨损量δd，滚刀磨损量δd的计算公式为：

其中，d0为滚刀的出厂尺寸。

在步骤s1中，所述图像预处理的步骤包括：

a.对所采集图像进行二值化处理；

b.定位滚刀所在刀箱的四个内顶角为特征点，分别为特征点a、b、c和d；

c.将四个特征点a、b、c和d与工控机中存储的内角模板中的相应位置的特征点a0，b0，c0和d0进行图像透视变换，以恢复图像形状。

本发明的有益效果：

本发明整体结构简单、安装方便，且具有防护效果和冲洗效果好的特点，冲洗机构的设置保证了视频单元的视野清晰，承压密封装置设置在监测机构的后部保证了盾体壳后部的环境；依托土压平衡盾构机的结构和实际工况，通过安装于土舱隔板上的滚刀监测装置，视频单元可以实时监测滚刀的磨损状况并在工控机上进行显示，方便及时更换或维修滚刀；滚刀磨损监测采用图像识别分析的方法，通过对图像的实时采集和分析处理，在工控机上实时显示滚刀磨损量，同时保留人工视频观察功能，大大提高了滚刀磨损监测的安全性、便捷性、经济性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的安装示意图。

图2为承压密封装置的结构示意图。

图3为滚刀磨损监测装置的正视图。

图4为滚刀磨损监测装置的后视图。

图5为面板的结构示意图。

图6为喷嘴座的结构示意图。

图7为喷嘴的结构示意图。

图8为滚刀刀箱总成的结构示意图。

图9为滚刀磨损监测装置与滚刀刀箱总成的相对位置示意图。

图10为本发明监测方法的流程示意图。

图11为特征点所在位置示意图。

图12为透视变换示意图。

图中，1为承压密封装置，1-1为承压密封门，1-2为承压密封舱，1-3为预留孔，2为土舱隔板，3为支座，4为滚刀磨损监测装置，4-1为面板，4-1-1为定位槽，4-2为相机防护基体，4-3为相机防护玻璃，4-4为相机防护玻璃固定法兰，4-5为喷嘴座，4-5-1为喷嘴座冲洗通道i，4-5-2为喷嘴座冲洗通道ii，4-6为喷嘴，4-6-1为喷嘴冲洗水通道，4-7为灯源防护基体，4-8为灯源防护玻璃固定法兰，4-9为灯源防护玻璃，4-10为灯源电缆锁紧头，4-11为冲洗水通道，4-12为密封槽，4-13为相机电缆锁紧头，5为盾体壳，6为土舱，7为刀盘，8为滚刀刀箱总成，8-1为刀箱，8-2为滚刀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于图像分析的土压平衡盾构机滚刀磨损监测装置，包括滚刀监测装置4，如图1所示，所述滚刀监测装置4通过螺栓固定设置在支座3的中心孔中，且滚刀监测装置4与支座3之间设有密封圈i，以提高滚刀监测装置4的密封和承压能力；所述支座3焊接在土舱隔板2上的矩形开孔中；如图9所示，所述滚刀监测装置4与滚刀刀箱总成8相对，滚刀监测装置4用于拍摄滚刀刀箱总成8中滚刀的磨损情况；滚刀监测装置4的后部设置在承压密封装置1内，承压密封装置1焊接在土舱隔板2的后部，以对滚刀监测装置4进行覆盖；承压密封装置1主要起密封承压作用，将土舱6与盾体壳5的后部相隔离，防止因滚刀监测装置4密封承压作用失效导致土舱6泄压、泥浆涌向后方，产生严重的安全事故。

如图2所示，所述承压密封装置1包括承压密封舱1-2，且承压密封舱1-2与土舱隔板2固定连接；所述承压密封舱1-2的两侧对称设有预留孔1-3，本实施例中，预留孔1-3的数量为十二个，左右两侧各六个，预留孔1-3为滚刀监测装置4的水电供应和数据传输线提供通道；承压密封舱1-2的后部设有承压密封门1-1，且承压密封门1-1与承压密封舱1-2之间设有密封垫，以确保承压密封装置1的密封和承压能力；所述承压密封门1-1通过铰接件与承压密封舱1-2相铰接，旋转开合，当将承压密封门1-1关闭后可以通过螺栓将承压密封门1-1固定在承压密封舱1-2上；当需要对滚刀监测装置4进行维修时，可以打开承压密封门1-1方便维修。

如图3所示，所述滚刀监测装置4包括面板4-1，所述面板4-1固定设置在支座3的中心孔中，且面板4-1的后部设有密封槽4-12，密封槽4-12的中部对称设有通孔i和通孔ii，通孔i和通孔ii中分别通过螺栓固定设有相机防护基体4-2和灯源防护基体4-7；所述相机防护基体4-2的前部固定设有相机防护玻璃4-3，相机防护玻璃4-3通过相机防护玻璃固定法兰4-4与相机防护基体4-2固定连接，相机防护玻璃固定法兰4-4通过螺栓固定在相机防护基体4-2的前部；相机防护基体4-2中设有视频单元，相机防护基体4-2的后部设有线缆孔i，视频单元对滚刀刀箱总成8进行摄像，视频单元的电缆数据传输线穿过线缆孔i后，通过承压连接器与外部线缆i相连接；所述承压连接器安装在其中一个预留孔1-3上，外部线缆i与盾构机的配电柜和工控机电连接，配电柜为视频单元提供电源，工控机用于对视频单元视频数据或图片数据的处理和显示；所述灯源防护基体4-7的前部设有灯源防护玻璃4-9，所述灯源防护玻璃4-9通过灯源防护玻璃固定法兰4-8与灯源防护基体4-7固定连接，且灯源防护玻璃固定法兰4-8通过螺栓固定设置在灯源防护基体4-7的前部；灯源防护基体4-7中设有灯源，灯源防护基体4-7后部的一侧设有线缆孔ii，灯源的电缆依次穿过线缆孔ii和一个预留孔1-3后通过外部线缆ii与盾构机的配电柜相连接，配电柜为灯源提供电源。如图4所示，线缆孔i和线缆孔ii上分别可拆卸地设有相机电缆锁紧头4-13和灯源电缆锁紧头4-10，旋转灯源电缆锁紧头4-10和相机电缆锁紧头4-13可以分别对灯源的电缆和视频单元的电缆数据传输线收紧，灯源电缆锁紧头4-10和相机电缆锁紧头4-13还可以起到密封防水的作用。本实施例中，所述视频单元包括摄像机、相机或摄像头。

所述面板4-1与相机防护基体4-2、面板4-1与灯源防护基体4-7、灯源防护玻璃4-9与灯源防护玻璃固定法兰4-8、灯源防护玻璃4-9与灯源防护基体4-7、相机防护玻璃4-3与相机防护玻璃固定法兰4-4、相机防护玻璃4-3与相机防护基体4-2之间均设有密封圈ii，密封圈ii用于提高滚刀监测装置4的密封和承压能力。其中两个预留孔1-3中还设有进气管和出气管，进气管用于向承压密封舱1-2中通冷却气，以通过出气管带走灯源和视频单元长时间运行所产生的热量，避免因过热而产生故障。

所述面板4-1上还设有冲洗机构，且冲洗机构用于对相机防护玻璃4-3或灯源防护玻璃4-9进行冲洗，以保证视频单元视野的清晰和灯源光照的亮度；所述冲洗机构包括喷嘴座4-5，所述喷嘴座4-5焊接在面板4-1前部的定位槽4-1-1中，定位槽4-1-1以灯源防护玻璃4-9或相机防护玻璃4-3为中心圆周方向分布，且定位槽4-1-1的中部设有冲洗水通道4-11；如图5所示，本实施例中，定位槽4-1-1的数量为八个，每四个定位槽4-1-1为一组，两组定位槽4-1-1分别与灯源防护玻璃4-9和相机防护玻璃4-3相搭配；每个定位槽4-1-1中设有一个冲洗水通道4-11，因此冲洗水通道4-11的数量也是八个；八个冲洗水通道4-11分别通过水管和对应的八个预留孔1-3与外部高压水管路相连接。

如图6所示，所述喷嘴座4-5中设有喷嘴座冲洗通道i4-5-1和喷嘴座冲洗通道ii4-5-2，喷嘴座冲洗通道i4-5-1与喷嘴座冲洗通道ii4-5-2相通，且喷嘴座冲洗通道i4-5-1的中心轴与喷嘴座冲洗通道ii4-5-2的中心轴相垂直；喷嘴座冲洗通道i4-5-1中可拆卸地设有喷嘴4-6，如图7所示，喷嘴4-6的中部设有喷嘴冲洗水通道4-6-1，喷嘴冲洗水通道4-6-1与喷嘴座冲洗通道ii4-5-2相通；喷嘴座冲洗通道i4-5-1的中心轴与正对相机防护玻璃4-3或灯源防护玻璃4-9，以确保喷嘴冲洗水通道4-6-1正对灯源防护玻璃4-9或相机防护玻璃4-3的中心；喷嘴座冲洗通道ii4-5-2与冲洗水通道4-11相通，且喷嘴座冲洗通道ii4-5-2与冲洗水通道4-11同轴线设置，以确保高压水路的畅通。

盾构机掘进过程中，土舱6中的泥水会飞溅或沾到相机防护玻璃4-3和灯源防护玻璃4-9上，影响视频单元的视野和灯源的光照，长时间的泥沙可能还会堵塞喷嘴4-6，影响冲洗强度，本实施例中，视频单元和灯源各配备四个冲洗水通道4-11，每隔一定时间打开外部高压水管路通过喷嘴冲洗水通道4-6-1对相机防护玻璃4-3和灯源防护玻璃4-9进行冲洗，以保持相机防护玻璃4-3和灯源防护玻璃4-9表面的清洁，同时防止喷嘴4-6堵塞。

如图8所示，所述滚刀刀箱总成8包括刀箱8-1和滚刀8-2，所述滚刀8-2通过螺栓和拉紧块可拆卸地设置在刀箱8-1中，刀箱8-1固定安装在刀盘7上。

在使用视频单元进行图像采集前，首先转动刀盘7，将待检测滚刀所在的刀梁旋转至视频单元的的正前方；使用土舱内配备的高压水枪对滚刀刀箱总成8进行冲洗，确保刀箱8-1、滚刀8-2表面清洁，为下一步图像采集和数据处理做准备。

一种基于图像分析的土压平衡盾构机滚刀磨损监测方法，如图10所示，包括如下步骤：

s1，使用视频单元采集滚刀刀箱总成8的图像，工控机对图像进行预处理；

所述图像预处理包括如下步骤：

a.图像采集后，由于视频单元拍摄的照片为彩色，需先将图像进行二值化处理，以将彩色图像灰度化；

b.如图11所示，识别所采集图像以定位滚刀8-2所在刀箱8-1的四个内顶角，将它们分别定义为特征点a、特征点b、特征点c和特征点d，采用图像识别中的模板匹配算法，与工控机中存储的内角模板进行相似度比较，获取四个内顶角a，b，c，d的坐标，四个内顶角a，b，c，d的坐标即为特征点a、特征点b、特征点c和特征点d的坐标；

c.如图12所示，将步骤b中获取的四个特征点a、特征点b、特征点c和特征点d的坐标与内角模板中的对应位置的特征点a0，b0，c0和d0进行图像透视变换，以解决视频单元拍摄图像时存在的透视现象，恢复真实图像形状。

s2，对预处理后的图像再次进行特征点a、b、c和d的识别，得到矩形区域abcd，此即为滚刀8-2所在的区域；

s3，对矩形区域abcd进行图像扫描，并通过边缘特征提取法识别滚刀8-2图像，计算滚刀8-2的刀刃在直径方向上两端之间的距离d，距离d即为滚刀8-2的直径；

s4，计算滚刀磨损量δd，滚刀磨损量δd的计算公式为：

其中，d0为滚刀8-2的出厂尺寸。

滚刀8-2的正常磨损量通过图像采集、分析处理后，实时上传到工控机进行显示。滚刀8-2除了沿圆周方向的正常均匀磨损外，还可能出现偏磨、崩刃等特殊情况，此时视频单元可通过将视频监控数据上传至工控机显示装置上，以直接观察是否出现上述情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。