一种盾构机气垫仓及其液位检测方法与流程

1.本发明提供了一种盾构机气垫仓及其液位检测方法，属于盾构法施工中液位检测技术领域。


背景技术：

2.随着我国城市地铁、跨江跨海隧道等地下工程施工规模的逐年扩大，盾构施工法因其高效率、高安全性以及环境友好性等特点，在地下工程中的应用越来越多。在盾构施工法中，泥水平衡盾构对开挖面压力控制精度高，地面沉降量控制精度高，大量应用于复杂地质条件及跨江跨河水下工程中。在泥水平衡盾构中，气垫仓的液位高低直接影响开挖面的支撑压力，因此对气垫仓液位进行连续精准的测量对泥水盾构施工极为重要。
3.由于气垫仓内环境恶劣，设备损坏后需要带压操作，具有一定的危险性，不利于施工人员带压进仓，需要通过液位检测设备对气垫仓液位进行测量，例如，拉绳液位计、雷达液位计或点式液位计等。
4.专利公开号为cn212110213u的中国专利文件公开了一种电容式液位测量传感器，利用电容的变化来测量液面的高低。工作过程中，将一根金属棒插入容器的液体中，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极。两电极间的介质即为液体及其上面的气体，其中液体的介电常数和气体的介电常数不同。当液位升高或下降时，两电极间的总的介电常数值会随之变化，电容量会发生变化，所以，可以根据两电极之间电容量的变化来测量液位的高低。电容式液位传感器的灵敏度取决于两种介质的介电常数差值，只有当两种介质保持恒定时才能准确测量，而待测液体的温度、密度变化均会导致介电常数的变化，此时电容式液位传感器测量结果就会出现误差，导致测量结果不准。
5.专利公开号为cn109443481a的中国专利文件公开了一种密闭压力容器测量装置及测量方法，通过在气垫仓后隔板的三个不同高度处安装传感器，其中下方两个传感器浸没在液体中，上方一个传感器安装在气垫仓最高处，通过下方两个传感器计算液体密度，在结合上方传感器计算液位高度。该方法需要保证下方两个传感器均浸没在液体中，若液面低于其中一个传感器，则无法保证有效测量，对液位测量存在一定局限。
6.专利公告号为cn211855507u的中国专利文件，公开了一种盾构用激光液位监测系统，通过在仓壁上设置激光测距装置，同时配合液位管和浮子来检测气垫仓液位。该系统提高了液位检测精度，但无法实现可视化功能，不能观察到气垫仓内部情况。
7.综上，现有技术中对盾构机气垫仓的液位进行检测时只能起到液位检测功能，无法直接观察气垫仓内部工作情况，而且存在检测范围受限、检测结果不准的问题，影响泥水盾构施工。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种盾构机气垫仓及其液位检测方法，用于在盾构机气垫仓液位检测时保证检测范围和检测精度，同时实现气垫仓内部的可视化。
9.为了实现上述目的，本发明提供了一种盾构机气垫仓液位检测方法，包括如下步骤：
10.s1、通过光源向气垫仓内的泥水液面发射平行光束，在泥水液面上形成至少两个光斑，并通过相机采集包括所述光斑的泥水液面图像；
11.s2、对所述泥水液面图像进行处理，得到光斑在相机的光敏面上所成图像之间的投影距离；
12.s3、根据相机镜头焦距和预先获取的泥水液面上对应光斑之间的距离，结合所述投影距离，按照相机成像原理计算相机镜头距离泥水液面的高度；根据光源的安装位置得到所述泥水液面上对应光斑之间的距离；
13.s4、将预先获取的相机安装高度减去相机镜头距离泥水液面的高度，得到气垫仓内泥水液面的液位高度；所述相机安装高度为气垫仓内无泥水时相机镜头与气垫仓底部之间的距离。
14.为实现对盾构机气垫仓内泥水液面液位高度的连续精准检测，本发明通过向泥水液面发射光斑，并采用相机对泥水液面图像进行采集，通过对泥水液面图像中的光斑进行分析，得到光斑在相机的光敏面上所成图像之间的距离，根据相机成像原理进行计算，得出相机镜头距离泥水液面的高度，将相机安装高度减去相机镜头距离泥水液面的高度，得到泥水液面的液位高度。同时，通过相机采集的泥水液面图像，能够用于对气垫仓内环境进行可视化显示。
15.进一步地，在上述方法中，步骤s2中，通过如下方法得到所述投影距离：
16.s2.1、对泥水液面图像进行灰度处理，得到泥水液面黑白图像；
17.s2.2、根据对应光斑在泥水液面黑白图像中的像素坐标，以及相机的单位像素的尺寸，计算所述投影距离。
18.由于气垫仓内环境光线差，因此对泥水液面图像进行灰度处理，使光斑特征与背景之间的区别更加明显，降低了后期图像处理的工作量。在图像处理时，根据光斑在图像中的像素坐标，以及单位像素的尺寸，计算出投影距离，计算简单。
19.进一步地，在上述方法中，在步骤s2.1中，还按照设定尺寸提取泥水液面图像中光斑所在区域的图像为感兴趣区域图像，对所述感兴趣区域图像进行灰度处理，得到泥水液面黑白图像。
20.选择大小合适的感兴趣区域对泥水液面图像中的光斑区域进行框选，在后期图像处理时只对感兴趣区域的图像进行处理，能够提高图像处理效率，同时避免光斑信息不完全，造成检测失败。
21.进一步地，在上述方法中，在步骤s2.1中，还从所述感兴趣区域图像中提取与光斑相同颜色的颜色通道图像，对所述颜色通道图像进行灰度处理得到泥水液面黑白图像。
22.原始的图像为彩色图像，图像中每个像素由红绿蓝三通道的颜色组合而成，按照光斑颜色对彩色图像中提取对应颜色的颜色通道图像，例如光斑为红色，则提取红色通道图像，可以使光斑特征更加明显，便于后期图像处理。
23.进一步地，在上述方法中，在步骤s2.2中，计算所述投影距离时，对泥水液面黑白图像进行图像开运算，从而去除泥水液面黑白图像中的噪点，所述图像开运算包括腐蚀运算和膨胀运算。
24.先对图像进行腐蚀运算，去除图像中尺寸小的噪点，再对图像进行膨胀运算，将光斑恢复至原有尺寸，能够有效去除图像中孤立的小点和毛刺，避免对光斑识别造成干扰。
25.进一步地，在上述方法中，在步骤s2.2中，还对泥水液面黑白图像进行连通区域分析，得到泥水液面黑白图像中不同连通区域的面积和周长，根据连通区域的面积和周长计算对应连通区域的圆度，将圆度最大的连通区域作为光斑。
26.通过连通区域分析来进行光斑识别，从光斑呈现圆形的特征出发，采用圆度对不同连通区域进行判断，方法简单可靠，降低了检测出错的概率。
27.进一步地，在上述方法中，步骤s2中，对泥水液面图像进行处理得到光斑在相机的光敏面上所成图像，将光斑在相机的光敏面上所成图像输入预先获取的泥水液面图像处理模型，输出所述投影距离；
28.所述泥水液面图像处理模型通过训练集训练得到，所述训练集包括若干标记好光斑和光斑间距且光斑间距不同的泥水液面图像。
29.通过训练模型的方法，建立能够识别泥水液面图像中光斑和光斑间距的泥水液面图像处理模型，采用该模型进行图像识别，降低了得到投影距离的计算量。
30.进一步地，在上述方法中，步骤s3中，按照相机成像原理计算相机镜头距离泥水液面的高度的方法为：
[0031][0032]
式中，h为相机镜头距离泥水液面的高度，f为镜头焦距，d为投影距离，d0为泥水液面上对应光斑之间的距离。
[0033]
通过具体的公式对相机成像原理进行描述，便于本发明的应用。
[0034]
本发明还提供一种盾构机气垫仓，包括仓体，在仓体内的顶部安装有用于向泥水液面发射平行光束的光源和用于采集泥水液面图像的相机，还包括控制器，控制器连接所述相机；所述控制器包括处理器和存储器，处理器执行存储器中的指令实现上述的盾构机气垫仓液位检测方法。
[0035]
进一步地，在上述气垫仓中，还包括用于显示泥水液面图像的显示模块，控制器连接所述显示模块。
[0036]
通过显示模块对泥水液面图像进行显示，便于工作人员直接观察气垫仓内的工作情况，为判断盾构机掘进状态提高了参考，避免了人员带压进仓，提高了安全性。
附图说明
[0037]
图1为本发明方法实施例1中盾构机气垫仓内相机和激光器的安装位置示意图；
[0038]
图2为本发明方法实施例1中盾构机气垫仓液位检测方法的流程框图；
[0039]
图3为本发明方法实施例1中提取图像中感兴趣区域原理示意图；
[0040]
图4为本发明方法实施例1中提取图像中红色通道原理示意图；
[0041]
图5为本发明方法实施例1中计算光斑中心点距离示意图；
[0042]
图6为本发明方法实施例1中液位计算原理示意图；
[0043]
图7为本发明方法实施例1中求目标点像素值时双线性插值原理示意图。
[0044]
图中1为激光器，2为工业相机，21为光敏面，3为工业镜头，4为泥水液面，5为光斑。
具体实施方式
[0045]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0046]
方法实施例1：
[0047]
本发明的盾构机气垫仓液位检测方法，通过激光器向泥水液面发射激光形成光斑，通过图像采集设备对气垫仓内泥水液面的图像进行采集，进而对采集的泥水液面图像进行处理，根据对该图像中的光斑特征进行分析，从而计算液位高度。
[0048]
在气垫仓的仓体内设置的激光器平行设置，安装在仓体内泥水液面上方，工业相机与待测的泥水液面保持垂直，工业相机和工业镜头配合安装。通过控制器控制激光器的激光发射和调整，从而保证激光器发射形成的光斑最小，亮度最高。工业相机通过以太网连接控制器，从而在采集到泥水液面图像时向控制器传输图像，由控制器对图像进行处理、计算和显示。控制器包括图像处理模块、可视化模块和液位计算模块。
[0049]
激光器作为用于向气垫仓内的泥水液面发射激光形成光斑的光源，从而为图像处理提供参考特征，避免环境光线干扰，而且激光器发射的光线亮度远高于自然光，因此，即使气垫仓内的环境光线亮度发生变化，或者气垫仓内的环境为完全黑暗的环境，激光器提供的光斑特征在图像中仍然非常明显，能够使本发明表现出较强的环境适应性。本实施例中，激光器发射红色激光线束，能够在待检测的泥水液面上形成红色光斑。
[0050]
工业相机用于采集气垫仓内泥水液面图像，与工业相机配合安装的工业镜头能够实现光束变换，将泥水液面成像在工业相机的感光芯片的光敏面上，从而实现基于视觉的液位高度检测和气垫仓内部可视化功能。
[0051]
本实施例中，在气垫仓内安装的激光器为2个，具体结构如图1所示，气垫仓内设置的激光器1和工业相机2平行设置，而且两个激光器1对称安装在工业相机2的两侧，工业相机2和工业镜头3配合安装。激光器1发送的红色激光线束打在待检测的泥水液面4上，形成两个红色的光斑5。激光器1可以与泥水液面4保持垂直，也可与泥水液面4不垂直。通过工业相机2和工业镜头3对泥水液面4的图像进行采集，能够得到泥水液面图像。作为其他实施方式，激光器1可安装在工业相机2的同侧。
[0052]
如图2所示，本发明的盾构机气垫仓液位检测方法包括如下步骤：
[0053]
s1、调整激光器光圈，控制激光器1发生激光线束，在泥水液面4上形成两个红色的光斑5。通过工业相机2实时采集泥水液面图像，并将其发送至控制器进行图像处理。
[0054]
s2、当泥水液面4的液位高度发生变化时，光斑在泥水液面图像中的位置会发生变化，根据激光器的安装位置，能够确定出一个感兴趣区域，光斑的位置始终在图像中的感兴趣区域内移动，对泥水液面图像中的感兴趣区域进行提取，得到感兴趣区域图像。通过感兴趣区域提取的方法，能够降低后续图像处理的工作量，使图像处理效率成倍提升，同时减小了检测光斑的区域，能够降低出错的概率。
[0055]
确定感兴趣区域时，需要保证感兴趣区域的大小合适。如果确定出的感兴趣区域过大，会造成图像处理效率的提升不够明显，从而失去提取感兴趣区域的意义，如果确定出的感兴趣区域太小，容易造成光斑信息不完全，导致液位检测失败。
[0056]
如图3所示，每个小方格表示泥水液面图像中的一个像素，根据激光器1的安装位置，两个光斑5在泥水液面图像中始终沿左右移动。因此，以泥水液面图像中的p0(u0,v0)作
为起始点，截取宽度为w，高度为h的感兴趣区域图像，然后对感兴趣区域图像进行光斑检测。
[0057]
s3、感兴趣区域图像为彩色图像，提取感兴趣区域图像中红色通道的图像进行处理，能够提高光斑辨识的准确度。如图4所示，感兴趣区域图像中每个像素均由蓝、绿、红三种通道的颜色组合而成，并按照固定顺序排列，因此，依次提取每个像素中红色通道的颜色，并按照原有顺序重新排列，即可得到红色通道图像。
[0058]
s4、对红色通道图像进行灰度处理。红色通道图像中每个像素的像素值均在0～255之间，设定阈值t，将红色通道图像中像素值低于阈值t的像素值置为0，像素值高于阈值t的置为255，从而得到泥水液面黑白图像。在泥水液面黑白图像中，光斑区域的颜色为白色，其它大部分区域为黑色。
[0059]
s5、对泥水液面黑白图像进行图像开运算。图像开运算是图像处理中的基本运算方法，包括腐蚀运算和膨胀运算，腐蚀运算可以去除小尺寸的杂点，但会使光斑尺寸减小，通过膨胀运算将光斑恢复到原有尺寸，而杂点不会重新出现，从而能够去除泥水液面黑白图像中孤立的小点和毛刺。
[0060]
腐蚀运算的公式如公式(1)所示，使用模板b遍历泥水液面黑白图像a，如果模板b覆盖泥水液面黑白图像a的区域中像素的像素值均为255，则将泥水液面黑白图像a中参考点的像素值置为255，否则置为0。
[0061][0062]
膨胀运算的公式如公式(2)所示，使用模板b遍历泥水液面黑白图像a，如果模板b覆盖泥水液面黑白图像a的区域中像素的像素值均为0，则将泥水液面黑白图像a中参考点的像素值置为0，否则置为255。
[0063][0064]
模板b可以使用3
×
3或5
×
5的正方形或圆形，具体尺寸根据噪点的大小确定，噪点越大，使用的模板尺寸越大，噪点越小，使用的模板尺寸越小。
[0065]
s6、对去除噪点后的泥水液面黑白图像进行连通区域分析，将该图像中不连通的区域进行分割和标记，分割后的区域具有位置、尺寸和面积等特征。本实施例中，采用种子填充法进行连通区域分析，具体流程如下：
[0066]
s6.1、遍历去除噪点后的泥水液面黑白图像，如果像素值为255，则进行步骤s6.2。
[0067]
s6.2、将当前像素作为种子，并赋予一个新的标签，然后将与其相邻且像素值为255的所有相邻像素的位置放到队列中。
[0068]
s6.3、删除队列中最后的像素，赋予相同的标签值，并将与其相邻且像素值为255的所有相邻像素的位置放到队列中。
[0069]
s6.4、重复步骤s6.3，直到队列为空为止。
[0070]
s6.5、重复步骤s6.1-s6.4，继续遍历去除噪点后的泥水液面黑白图像，直到图像遍历结束。
[0071]
通过连通区域分析，能够为去除噪点后的泥水液面黑白图像中不同的连通区域赋予不同的标签，进而统计出不同连通区域的宽度、高度、面积和周长信息。
[0072]
s7、根据本实施例中光斑的特点，对不同连通区域进行筛选，确定光斑区域。设定面积、宽度和高度的范围，在该范围内的连通区域作为光斑所在位置的候选区域。由于光斑
呈现圆形，因此只有圆形的连通区域才可能是光斑区域。
[0073]
通过公式(3)计算各候选区域的圆度，圆形的圆度为1，线段的圆度为0，因此，圆度越接近1，连通区域越接近圆形，越可能是光斑区域。在去除噪点后的泥水液面黑白图像的中心点两侧，分别选择圆度最大的连通区域作为光斑区域。
[0074][0075]
式中，roundness为连通区域的圆度，s为连通区域的面积，l为连通区域的周长。
[0076]
s8、计算光斑区域的中心点坐标，作为光斑所在位置。光斑区域包括多个像素点，将光斑区域的重心作为光斑中心点，通过如下公式(4)和公式(5)计算光斑中心点坐标。
[0077][0078][0079]
式中，(ui,vi)为光斑区域中每个像素点的坐标，单位为：像素，(u,v)为光斑中心点的坐标，单位为：像素，n为光斑区域中像素点的个数。
[0080]
s9、基于两个光斑区域的中心点坐标，计算两个光斑之间的距离。如图5所示，p1和p2为两个光斑区域的中心点，通过如下公式(6)计算两个光斑中心在感光芯片上所成图像之间的投影距离d：
[0081][0082]
式中，(u1,v1)为光斑中心点p1在图像中的坐标，(u2,v2)为光斑中心点p2在图像中的坐标，px0为单位像素的尺寸，由感光芯片决定，为相机的固有参数。
[0083]
s10、如图6所示，测量得到两个激光器1的安装距离d0，由于工业相机2与两个激光器1轴线平行，则泥水液面上两个光斑中心点之间的距离与两个激光器之间的安装距离相等，为定值d0。工业镜头3到泥水液面4的高度为h，镜头焦距为固定值f。根据相似三角形原理，通过如下公式(7)计算工业镜头3到泥水液面4的高度为h：
[0084][0085]
式中，h为工业镜头3到泥水液面4的高度，f为镜头焦距，d为两个光斑中心在感光芯片上所成图像之间的距离，d0为两个激光器1的安装距离。
[0086]
s11、根据相机安装高度，减去实时测得的工业镜头3到泥水液面4的高度h，即可得到气垫仓内泥水液面的液位高度测量值。
[0087]
当气垫仓内无泥水时，测量工业镜头3与气垫仓底部之间的距离作为相机安装高度。
[0088]
作为其他实施方式，可采用多个激光器，并在安装时将多个激光器均匀安装在工业相机2的周围。当采用多个激光器时，能够计算得到多个液位高度，通过数学统计的方法，求多个液位高度的平均值，将该平均值作为液位高度测量值。
[0089]
此外，控制器还通过可视化界面对泥水液面图像进行显示。在显示时，由于工业相机采集的原始图像分辨率较高，需要根据显示界面的尺寸，对图像进行缩放，以达到最佳的显示效果。
[0090]
图像缩放就是根据目标图像找到对应的原始图像的像素。记p(srcx，srcy)为原始
图像的像素，p
′
(dstx，dsty)为目标图像的像素，srcw和srch为原始图像的宽和高，dstw和dsth为目标图像的宽和高，即显示界面的宽和高。则p和p
′
的对应关系可以通过如下公式(8)和公式(9)进行表示：
[0091]
srcx＝dstx
×
(srcw/dstw)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0092]
srcy＝dsty
×
(srch/dsth)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0093]
通常计算得到的p(srcx,srcy)并不是整数，无法直接在原始图像中找到对应像素，因此，参考图7，通过双线性插值的方法求取p(srcx,srcy)点的像素值。
[0094]
首先，根据q
11
的像素值f(q
11
)和q
21
的像素值f(q
21
)，求取r1(x,y1)的像素值f(x,y1)。计算公式如公式(10)所示：
[0095][0096]
然后，根据q
12
的像素值f(q
12
)和q
22
的像素值f(q
22
)，求取r2(x,y2)的像素值f(x,y2)。计算公式如公式(11)所示：
[0097][0098]
最后，根据r1(x,y1)的像素值f(x,y1)和r2(x,y2)的像素值f(x,y2)，求取p(x,y)的像素值f(x,y)。计算公式如公式(12)所示：
[0099][0100]
根据公式(10)～(12)，可以得到缩放后的图像，然后将缩放后的图像显示在可视化界面上。
[0101]
采用本发明，能够稳定且连续精准地完成气垫仓液位的测量，能够为泥水盾构施工过程中的参数调整提供数据支撑，保障了盾构机掘进的稳定性。同时，气垫仓为带压环境，人员带压进仓存在一定的危险性，通过可视化功能可以从外部观察到仓内的工作状况，从而给施工人员判断盾构机掘进状态提供参考，避免了人员带压进仓，提高了效率和安全性。
[0102]
方法实施例2：
[0103]
方法实施例2与方法实施例1的区别仅在于盾构机气垫仓液位检测方法包括如下步骤：
[0104]
s1、调整激光器光圈，控制激光器1发生激光线束，在泥水液面4上形成两个红色的光斑5。通过工业相机2实时采集泥水液面图像，并将其发送至控制器进行图像处理。
[0105]
s2、将泥水液面图像输入预先获取的泥水液面图像处理模型，输出两个光斑中心在感光芯片上所成图像之间的投影距离d。
[0106]
s3、采用方法实施例1中的公式(7)计算工业镜头3到泥水液面4的高度为h，并根据相机安装高度，减去实时测得的工业镜头3到泥水液面4的高度h，即可得到气垫仓内泥水液面的液位高度测量值。
[0107]
泥水液面图像处理模型通过如下方法建立：
[0108]
通过工业相机采集带有不同光斑间距的泥水液面图像，泥水液面的液位高度不同，光斑在光敏面上所成图像之间的投影距离不同，对泥水液面图像中的光斑进行标记，并对泥水液面图像中的光斑间距进行标记，采用标记好光斑和光斑间距的泥水液面图像划分
训练集和测试集，通过对训练集和测试集进行训练和测试，从而得到泥水液面图像处理模型。
[0109]
气垫仓实施例：
[0110]
本发明提供的一种盾构机气垫仓，包括气垫仓仓体，在仓体内的顶部安装有用于向泥水液面垂直发射激光形成光斑的激光器和与激光器平行设置的工业相机，工业相机和工业镜头配合安装；还包括控制器，控制器连接激光器，用于控制激光器的激光发射和调整，控制器还连接相机，用于获取泥水液面图像。气垫仓还包括用于对泥水液面图像进行显示的可视化模块，可视化模块为显示屏，根据显示屏的尺寸对采集的泥水液面图像进行尺寸调整，从而实现盾构机气垫仓内工作情况的可视化显示功能。
[0111]
控制器包括存储器、处理器和内部总线，处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的数据和通信交互。处理器可以为微处理器mcu、可编程逻辑器件fpga等处理装置。存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，例如ram、rom等；也可为利用磁能方式存储信息的各式存储器，例如硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、u盘等；还可为利用光学方式存储信息的各式存储器，例如cd、dvd等；当然，还可为其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等。
[0112]
处理器执行存储器中的指令实现方法实施例1或方法实施例2中的盾构机气垫仓液位检测方法，关于该方法的实现，在方法实施例中已经描述的清楚明白，此处不再赘述。