CN117211886B - 一种隧道掌子面多元信息一体化采集***及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建设期隧道安全监测技术领域，具体涉及一种隧道掌子面多元信息一体化采集***及其使用方法；包括安装板、外壳、信息分析处理模块、无线AP模块、气体测量模块、供电模块、双目相机模块和速拆机构；所述外壳的上端面固定安装有所述天线，外壳的一侧固定安装有所述安装板，安装板固定安装于掌子面后方的初支侧壁位置；所述信息分析处理模块固定安装在外壳下壁的内端面，所述无线AP模块固定安装在信息分析处理模块的一侧，所述气体测量模块固定安装在靠近无线AP模块的一侧，所述供电模块的下端面规定安装在外壳下端的内表面，所述双目相机模块固定安装在外壳的侧面。
Description
技术领域
本发明涉及建设期隧道安全监测技术领域，具体涉及一种隧道掌子面多元信息一体化采集***及其使用方法。
背景技术
在钻爆法隧道施工过程中，每循环***后，需对掌子面开展稳定性评价，进行掌子面地质素描。目前，常规的方法是通过数码相机现场拍照，采用人工形成掌子面地质素描，这种方法的自动化程度较低，差异性较大。掌子面地质素描完成后，施作初期支护，包含初喷、锚杆支护、钢架支护及复喷等。初喷前和复喷后，采用三维激光扫描仪进行断面扫描，获取相关三维信息，保证初支厚度和平整度；三维激光扫描仪断面扫描存在采集时间长、成本高等缺点。
锚杆施作时，现场监理旁站，记录锚杆施工时间、长度等信息。在初期支护后，开展监控量测，获取初期支护变形数据，目前多采用全站仪结合靶标进行拱顶、边墙固定点的变形监测，纵向间距长、横断面点位稀疏、数据不连续；初支变形基本稳定后，施作二衬，二衬浇筑前后采用三维激光扫描仪进行断面净空扫描，保证衬砌厚度满足设计要求；同时，施工过程中还需要对隧道内瓦斯气体含量、温度、湿度等参数进行测量，对施工人员进行检测定位等。
从上述施工过程可见，施工中监测信息包含围岩变形监测、施工质量三维点云扫描、掌子面地质素描、瓦斯监测、钻设锚杆监测等，所涉及的设备多，既有人工方式，也有自动化方式，不同设备或***之间相互独立，供电和通信线缆多，数据多元异质，导致数据的集成度不高、隧道施工现场管控的信息化程度较低；多元信息综合自动监测设备需要固定安装在掌子面后方初支侧壁位置，但是在***、喷浆时，会在隧道内出现剧烈震动，这种震动往往会影响隧道周围岩石结构，让本来稳定的山体结构变得不稳定，***产生的震动对这种隧道周围岩石的影响十分大，***工作产生震动会让隧道周围岩石失稳；如此一来安装在隧道内壁上的隧道掌子面多元信息一体化采集***会遭受伤害，损坏采集***的同时也会带来安全隐患。
现有的安装方式在多次同地点安装后，会因为相同位置的多次安装拆卸导致磨损较大，会影响采集***的信息采集的稳定性，不利于准确的计算出掌子面的多维度数据，从而导致影响后续***工作，采集***的拆卸、安装时间过长就会耽误整体隧道前期开设的工作效率，进一步对其他工作步骤会带来了麻烦。
鉴于以上情况，为了克服上述技术问题，本发明设计了一种隧道掌子面多元信息一体化采集***及其使用方法，解决了上述技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的隧道掌子面多元信息一体化采集***的安装和拆卸过程较为繁琐，需要耗费较长的时间来保证使用稳定性和拆卸完整性，影响了隧道建设期循环***过程中的工作进度；现有的信息采集方法数据形式各有区别，所涉及的设备多，既有人工方式、也有自动化方式，不同设备或***之间相互独立，供电和通信线缆多，数据多元异质，导致数据的集成度不高、隧道施工现场管控的信息化程度较低。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
针对目前建设期隧道施工过程中需要监测或测量的参数、信息繁多，现场设备相互独立，布线复杂，通信协议相互独立的问题，提供一种隧道掌子面多元信息一体化采集***及其使用方法，该设备具备围岩时空变形信息采集、掌子面图像采集及分析、锚杆支护过程采集、掌子面及后方开挖面点云信息采集及分析等功能，采集的多种信息通过隧道内既有通讯网络（光纤或无线4G/5G），与洞口信息化***服务器连接，形成一体化的平台***，对设备采集多元信息进行管理，融合和分析。
一种隧道掌子面多元信息一体化采集***，包括安装板、外壳、信息分析处理模块、无线AP模块、气体测量模块、供电模块、双目相机模块和速拆机构；所述外壳的上端面固定安装有所述天线，外壳的一侧固定安装有所述安装板，安装板固定安装于掌子面后方的初支侧壁位置；所述信息分析处理模块固定安装在外壳下壁的内端面，所述无线AP模块固定安装在信息分析处理模块的一侧，无线AP模块采用有线或无线的方式通信，用于接收掌子面信息采集终端所采集的数据，并进行数据、分析、上传，所述气体测量模块固定安装在靠近无线AP模块的一侧，所述供电模块的下端面规定安装在外壳下端的内表面，供电模块可采用蓄电池供电，蓄电池可选用锂电池和铅酸电池，也可接入外部电源供电，外部电源电压选用220V-380V；所述双目相机模块固定安装在外壳的侧面，所述速拆机构固定安装在安装板的两侧，速拆机构通过磁极异性相吸的特性辅助定位安装，进而转动旋钮施加给安装座和配合板之间相互的压力，再利用保险杆限制固定杆的转动位移。
速拆机构还包括固定板；所述固定板固定安装在安装板远离掌子面后方初支侧壁的侧面，所述安装座固定安装在外壳的侧面，所述配合板固定安装在外壳的侧面，所述保险杆转动安装在配合板的内部，所述固定杆转动安装在安装座的内部，固定杆的高度值为配合板高度值的1.2-1.3倍，设置小于1.2倍时，旋钮转动的圈数较少，无法实现较好的固定效果；大于1.3倍时，固定杆的长度较长，在携带运输的过程中容易误触导致损坏；以安装座的上端面为基准面，固定杆的转动角度为0-90°，在此角度内转动，固定杆可以实现安装和拆卸两种工作状态的转换，所述旋钮转动安装在固定杆的上端。
速拆机构通过磁极异性相吸的特性辅助定位安装，进而转动旋钮施加给安装座和配合板之间相互的压力，再利用保险杆限制固定杆的转动位移；安装座的形状为凹字形，安装座的内凹部分的上端面沿中轴线位置的两端开设有弧形凹槽，弧形凹槽的半径值和固定杆的半径值相同，以此将固定杆在弧形凹槽之间的接触转化为面面接触，减小摩擦力，从而延长使用寿命；两个弧形凹槽的内侧固定安装有转动销。配合板的截面形状为工字形，配合板远离外壳的侧面开设有两个保险孔，所述保险孔的深度值为配合板宽度值的0.8倍，从而保证保险杆的一端不会裸露在外；配合板的内凹部分固定安装有2-4个所述磁力球，设置一个磁力球的定位效果较差，且磁力也不足；多于5个的磁力球定位效果较好，但是磁力过大，不易拆卸。
固定杆的下端固定安装有转动块，所述转动块的两条对角线交点处开设有转动孔，固定杆靠近磁力球的一面开设有配合凹陷，配合凹陷范围内的固定杆的材料选用磁性材料，以此和磁力球配合，在安装过程中利用磁力来辅助定位安装；固定杆的侧面开设有锁定孔，锁定孔的截面形状为优角扇形，优角扇形起到了限位的作用，使用者需要转动保险杆从而使得保险杆穿过锁定孔，从而起到水平方向的保险限位作用，固定杆的上部分开设有螺旋凹槽，螺旋凹槽的长度值为2-3cm，长度设置小于2cm，转动圈数不足，无法提供足够的压力保证旋钮和固定杆之间的固定效果；长度设置大于3cm，多余部分在配合安装的过程中使用不到，造成浪费。保险杆的一端固定安装有控制块，控制块的中心轴的两侧开设有弧形凹部，保险杆远离控制块的2/3部分开设有保险凹槽，以此保证和锁定孔接触的区域都开设有保险凹槽，保险凹槽为扇形，扇形的角度为30°-120°，小于30°的保险凹槽的机械强度不足，容易损坏，大于120°的保险凹槽锁定效果较差，可能会发生偏移。旋钮的形状为空心圆柱形，旋钮的内表面设置有螺纹凸起，旋钮的两侧固定安装有两个拨动块，拨动块的水平截面形状为梯形；所述拨动块的两个侧面线性阵列开设有防滑凹槽，同一个波动块上两侧的所述防滑凹槽的方向相差90°，以此加强使用者使用过程中的防滑效果。
双目相机模块使用了高清多目多模态观测相机摄像头，可进行隧道三维空间变形观测、掌子面地质素描自动生成、喷锚施工过程采集分析、掌子面及断面点云扫描等多元信息采集和分析；双目相机模块包括激光光源、红外补光灯、观测摄像头、监控摄像头和图像分析单元；所述激光光源固定安装在外壳的侧面，激光光源发射网格结构光，网格结构光在隧道拱顶和侧壁形成网格检测线，所述红外补光灯固定安装在外壳的侧面，所述观测摄像头和所述监控摄像头固定安装在激光光源的两侧，观测摄像头支持彩色、红外多模态拍摄，监控摄像头采集锚杆施工视频图像，采集的图像覆盖掌子面附近初支处锚杆施工范围，所述图像分析单元固定安装在外壳的内表面。
隧道掌子面多元信息一体化采集***应该具备温度、隧道内气体浓度测量功能，并通过LED数值灯显示结果以提示工作人员隧道内部的气体含量是否异常超标；所述气体测量模块包括气体检测器和LED数值灯，气体检测器固定安装在双目相机模块的一侧，气体检测器可接入测量的气体包含瓦斯、H2S、CO、SO2、CO2、NO2、NH3、H2和O2，所述LED数值灯固定安装在红外补光灯的上侧。
所述隧道掌子面多元信息一体化采集***的使用方法包括以下步骤：
S1：在掌子面附近的初支隧道侧壁布设安装板，布设位置包含初支、仰拱、二衬等位置，将外壳通过速拆机构固定安装在安装板上，并打开激光光源；
S2：激光光源为点光源、线光源、面光源的一种或多种的组合，激光光源在隧道拱顶和侧壁形成网格检测线，从而在建设期隧道结构不稳定区域形成全覆盖的网格光线，辅助观测摄像头和监控摄像头开始工作；
S3：在照明情况较差时，红外补光灯会打开，观测摄像头进行彩色、红外的多模态拍摄，拍摄画面覆盖掌子面全局，主要拍摄掌子面及掌子面附近未做初支位置隧道环向图像；
S4：监控摄像头可拍摄网格光线、仰拱施工区域、二衬施工区域等重点工作区域，起到监控的作用，观测摄像头和监控摄像头的拍摄画面会通过无线AP模块传递至信息分析处理模块；
S5：信息分析处理模块负责分析结构光图像的质量，将基本无遮挡、清晰度高的第一帧图像作为基准，后续采集的结构光图像与第一帧图像进行对比分析，得到结构变形测量结果；
S6：信息分析处理模块通过无线AP模块，借助隧道内既有通讯网络（光纤或无线4G/5G），将采集分析的信息进行融合、上传和管理。
本发明的有益效果如下：
1.本发明通过设置速拆机构，速拆机构通过内部构件的磁极异性相吸的特性辅助定位安装，进而转动旋钮施加给安装座和配合板之间相互的压力，再利用保险杆限制固定杆的转动位移，从而在快速安装的同时保证安装稳定性，使得采集***在使用过程中的图像信息收集清晰，从而有利于提升数据分析的精确度，并保证了在***、喷浆时可快速拆卸、安装，不会影响工作进度。
2.本发明通过设置多目相机模块，实现彩色、红外多模态拍摄，采集掌子面不同光照条件下的图像，提高设备的环境适应性；可进行隧道围岩结构时空变形信息、掌子面地质素描、喷锚支护施工信息、掌子面及后方开挖面点云等信息采集及分析。在时空变形信息采集方面，可连续不间断采集测点、测线或测面的图像，分析结构变形信息，并与时间关联，形成施工过程围岩结构变形的全过程信息。
3.本发明通过设置信息分析处理模块和无线AP模块，根据采集的高清掌子面图像，可自动分析岩石硬度、完整度及掌子面出水情况，对掌子面稳定性进行自动分级，建立掌子面地质素描大数据，能够帮助预测掌子面的稳定性并提供可行的加固工程方案。
4.本发明中的方法通过借助隧道掌子面多元信息一体化采集***，该方法可同时记录喷锚施工过程，并结合网格结构光计算稀疏点云数据，进行施工评价。通过在隧道内进行无线或有线的方式组网，将多元数据进行融合、剔除冗余信息并上传管理，可形成有效的建设期隧道多元信息综合管理***。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，仅通过示例的方式描述本发明的上述和其他方面，其中：
图1是本发明的整体示意图；
图2是本发明另一个视角的整体示意图；
图3是本发明图1中A区域的放大图；
图4是本发明的内部结构示意图；
图5是本发明快拆机构示意图；
图6是本发明安装座结构示意图；
图7是本发明配合块的局部剖面图；
图8是本发明保险杆的结构示意图；
图9是本发明固定杆的结构示意图；
图10是本发明旋钮的结构示意图；
图11是本发明图1中B区域的放大图；
图12是本发明的方法流程图；
图13是本发明的信息处理流程示意图。
图中：1、安装板；2、外壳；21、天线；3、信息分析处理模块；4、无线AP模块；5、气体测量模块；51、气体检测器；52、LED数值灯；6、供电模块；7、双目相机模块；71、激光光源；72、红外补光灯；73、观测摄像头；74、监控摄像头；75、图像分析单元；8、速拆机构；81、固定板；82、安装座；821、弧形凹槽；822、转动销；83、配合板；831、保险孔；832、磁力球；84、保险杆；841、控制块；842、弧形凹部；843、保险凹槽；85、固定杆；851、转动块；852、转动孔；853、配合凹陷；854、锁定孔；855、螺旋凹槽；86、旋钮；861、螺旋凸起；862、拨动块；863、防滑凹槽。
具体实施方式
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
如图1至图12所示，针对目前建设期隧道施工过程中需要监测或测量的参数、信息繁多，现场设备相互独立，布线复杂，通信协议相互独立等问题，提供一种隧道掌子面多元信息一体化采集***及其使用方法，该设备具备围岩时空变形信息采集、掌子面图像采集及分析、锚杆支护过程采集、掌子面及后方开挖面点云信息采集及分析等功能，采集的多种信息通过隧道内既有通讯网络（光纤或无线4G/5G），与洞口信息化***服务器连接，形成一体化的平台***，对设备采集多元信息进行管理，融合和分析。
如图1至图4所示，一种隧道掌子面多元信息一体化采集***及其使用方法，包括安装板1、外壳2、信息分析处理模块3、无线AP模块4、气体测量模块5、供电模块6、双目相机模块7和速拆机构8；所述外壳2的上端面固定安装有所述天线21，外壳2的一侧固定安装有所述安装板1，安装板1可使用螺栓固定安装在隧道的初支侧壁位置上，在设备对该区域的掌子面多元信息进行收集分析完毕后，安装板1可以用来安装后续工作相关的设备，所述信息分析处理模块3固定安装在外壳2下壁的内端面，所述无线AP模块4固定安装在信息分析处理模块3的一侧，无线AP模块4采用有线或无线的方式通信，用于接收掌子面信息采集终端所采集的数据，并进行数据、分析、上传，所述气体测量模块5固定安装在靠近无线AP模块4的一侧，所述供电模块6的下端面规定安装在外壳2下端的内表面，供电模块6可采用蓄电池供电，蓄电池可选用锂电池，锂电池的循环寿命长，工作温度范围宽，可在-20℃～60℃之间正常工作，充电速度快，能量密度高，可以节约空间；也可接入外部电源供电，外部电源电压选用220V；所述双目相机模块7固定安装在外壳2的正面和侧面，所述速拆机构8固定安装在安装板1的两侧，速拆机构8通过磁极异性相吸的特性辅助定位安装，进而转动旋钮86施加给安装座82和配合板83之间相互的压力，再利用保险杆84限制固定杆85的转动位移。
如图5所示，速拆机构8还包括固定板81；所述固定板81固定安装在安装板1远离掌子面后方初支侧壁的侧面，所述安装座82固定安装在外壳2的侧面，所述配合板83固定安装在安装座82的上端，所述保险杆84转动安装在配合板83的内部，所述固定杆85转动安装在安装座82的内部，固定杆85的高度值为配合板83高度值的1.25倍，设置小于1.2倍时，旋钮86转动的圈数较少，无法实现较好的固定效果；大于1.3倍时，固定杆85的长度较长，在携带运输的过程中容易误触导致损坏；以安装座82的上端面为基准面，固定杆85的转动角度为0-90°，在此角度内转动，固定杆85可以实现安装和拆卸两种工作状态的转换，所述旋钮86转动安装在固定杆85的上端。
如图6、图7所示，速拆机构8通过磁极异性相吸的特性辅助定位安装，进而转动旋钮86施加给安装座82和配合板83之间相互的压力，再利用保险杆84限制固定杆85的转动位移；安装座82的形状为凹字形，安装座82的内凹部分的上端面沿中轴线位置的两端开设有弧形凹槽821，弧形凹槽821的半径值和固定杆85的半径值相同，以此将固定杆85在弧形凹槽821之间的接触转化为面面接触，减小摩擦力，从而延长使用寿命；两个弧形凹槽821的内侧固定安装有转动销822。配合板83的截面形状为工字形，配合板83远离外壳2的侧面开设有两个保险孔831，所述保险孔831的深度值为配合板83宽度值的0.8倍，从而保证保险杆84的一端不会裸露在外；配合板83的内凹部分固定安装有3个所述磁力球832，设置一个磁力球832的定位效果较差，且磁力不足；多于5个的磁力球832定位效果较好，但是磁力过大，不易拆卸。
如图8、图9和图10所示，固定杆85的下端固定安装有转动块851，所述转动块851的两条对角线交点处开设有转动孔852，固定杆85靠近磁力球832的一面开设有配合凹陷853，配合凹陷853范围内的固定杆85的材料选用磁性材料，以此和磁力球832配合，在安装过程中利用磁力来辅助定位安装；固定杆85的侧面开设有锁定孔854，锁定孔854的截面形状为优角扇形，优角扇形起到了限位的作用，使用者需要转动保险杆84从而使得保险杆84穿过锁定孔854，从而起到水平方向的保险限位作用，固定杆85的上部分开设有螺旋凹槽855，螺旋凹槽855的长度值为2.5cm，长度设置小于2cm，转动圈数不足，无法提供足够的压力保证旋钮86和固定杆85之间的固定效果；长度设置大于3cm，多余部分在配合安装的过程中使用不到，造成浪费。保险杆84的一端固定安装有控制块841，控制块841的中心轴的两侧开设有弧形凹部842，保险杆84远离控制块841的2/3部分开设有保险凹槽843，以此保证和锁定孔854接触的区域都开设有保险凹槽843，保险凹槽843为扇形，扇形的角度为60°，小于30°的保险凹槽843的机械强度不足，容易损坏，大于120°的保险凹槽843锁定效果较差，可能会发生偏移。旋钮86的形状为空心圆柱形，旋钮86的内表面设置有螺旋凸起861，旋钮86的两侧固定安装有两个拨动块862，拨动块862的水平截面形状为梯形；所述拨动块862的两个侧面线性阵列开设有防滑凹槽863，同一个波动块上两侧的所述防滑凹槽863的方向相差90°，以此加强使用者使用过程中的防滑效果。
工作过程中，操作人员将外壳2放置在安装板1上，将配合板83和安装座82的位置对齐，手持固定杆85向上旋转，在磁力球832的吸力下定位校准，转动几圈拨动块862，保证这一端稳定；重复上述步骤将另一端的固定杆85固定在配合板83的凹槽内，转动拨动块862至不能转动为止，再将另一端的拨动块862继续转动至不能转动为止，操作人员拇指和食指捏住控制块841进行旋转，直到和锁定孔854对齐，向里面推入保险杆84，完成固定过程。
如图1和图11所示，双目相机模块7使用了高清多目多模态观测相机摄像头，可进行隧道三维空间变形观测、掌子面地质素描自动生成、喷锚施工过程采集分析、掌子面及断面点云扫描等多元信息采集和分析；双目相机模块7包括激光光源71、红外补光灯72、观测摄像头73、监控摄像头74和图像分析单元75；所述激光光源71固定安装在外壳2的侧面，激光光源71为点光源、线光源、面光源的一种或多种的组合；每一个双目相机模块7配备2个激光光源71，激光光源71在正面和侧面各设置2个，每面均设置有可见激光和不可见激光；且侧面设置的激光光源71一个为直角照射隧道前方、一个为倾斜角照射隧道前方，以确保可覆盖隧道前方全部区域；激光光源71发射网格结构光，网格结构光在隧道拱顶和侧壁形成网格检测线，所述红外补光灯72固定安装在外壳2的侧面和正面，以此来保证设备采集到正面和侧面的全部隧道侧壁图像；所述观测摄像头73和所述监控摄像头74固定安装在激光光源71的两侧，观测摄像头73支持彩色、红外多模态拍摄，监控摄像头74采集锚杆施工视频图像，采集的图像覆盖掌子面附近初支处锚杆施工范围，所述图像分析单元75固定安装在外壳2的内表面。
如图4所示，隧道掌子面多元信息一体化采集***应该具备温度、隧道内气体浓度测量功能，并通过LED数值灯52显示结果以提示工作人员隧道内部的气体含量是否异常超标；所述气体测量模块5包括气体检测器51和LED数值灯52，气体检测器51固定安装在双目相机模块7的一侧，气体检测器51可接入测量的气体包含瓦斯、H2S、CO、SO2、CO2、NO2、NH3、H2和O2，所述LED数值灯52固定安装在红外补光灯72的上侧。
如图12所示，所述隧道掌子面多元信息一体化采集***的使用方法包括以下步骤：
S1：在掌子面附近的初支隧道侧壁布设安装板1，布设位置包含初支、仰拱、二衬等位置，将外壳2通过速拆机构8固定安装在安装板1上，并打开激光光源71；
S2：激光光源为点光源、线光源、面光源的一种或多种的组合，激光光源在隧道拱顶和侧壁形成网格检测线，网格结构光在隧道拱顶和侧壁形成网格检测线，从而在建设期隧道结构不稳定区域形成全覆盖的网格光线，辅助观测摄像头73和监控摄像头74开始工作；
S3：在照明情况较差时，红外补光灯72会打开，观测摄像头73进行彩色、红外的多模态拍摄，拍摄画面覆盖掌子面全局，主要拍摄掌子面及掌子面附近未做初支位置隧道环向图像；
S4：监控摄像头74可拍摄网格光线、仰拱施工区域、二衬施工区域等重点工作区域，起到监控的作用，观测摄像头73和监控摄像头74的拍摄画面会通过无线AP模块4传递至信息分析处理模块3；
S5：信息分析处理模块3负责分析结构光图像的质量，将基本无遮挡、清晰度高的第一帧图像作为基准，后续采集的结构光图像与第一帧图像进行对比分析，得到结构变形测量结果；
S6：信息分析处理模块3通过无线AP模块4，借助隧道内既有通讯网络（光纤或无线4G/5G），将采集分析的信息进行融合、上传和管理。
如图13所示，隧道掌子面多元信息一体化采集***设备布设方案及数据采集分析过程如下：
在掌子面附近初支隧道侧壁布设隧道掌子面多元信息一体化采集***，采集终端多目相机拍摄画面覆盖掌子面全局，可拍摄掌子面及掌子面附近未做初支位置隧道环向图像；在隧道侧壁布设信息采集终端，布设位置包含初支、仰拱、二衬等位置，所布设的信息采集终端网格结构光可在建设期隧道结构不稳定区域形成全覆盖的网格光线；在二衬、仰拱位置布设信息分析处理模块3，信息分析处理模块3观测相机可拍摄网格光线、仰拱施工区域、二衬施工区域等重点工作区域。
隧道结构变形采集及分析：信息采集终端定时开启网格结构光，多目相机抓拍结构光图像，传输到信息分析处理模块3，进行结构变形分析；信息分析处理模块3筛选结构变形测量基准，分析结构光图像的质量，将基本无遮挡、清晰度高的第一帧图像作为基准，后续采集的结构光图像与第一帧图像进行对比分析，得到结构变形测量结果。
掌子面地质素描按如下流程采集及分析：信息分析处理模块3实时获取信息检测摄像头画面，分析掌子面施工过程，在识别到每循环***后，启动掌子面图像抓拍，采集无大型机械、台车遮挡的掌子面图像。
信息分析处理模块3对掌子面图像进行分析，采用图像清晰度识别模块判断掌子面图像清晰度，符合清晰度要求的图像进行进一步识别（掌子面裂纹、出水状态、岩石稳定性），得到掌子面稳定性分析结果；测摄像头判断掌子面无遮挡时，开启网格结构光，对掌子面进行网格点云扫描，辅助掌子面裂缝、掌子面三维尺寸、形态分析。
锚杆施工采集及分析：信息分析处理模块3实时获取信息检测摄像头画面，分析掌子面施工过程，在识别到凿岩台车和相关施工人员进入时，启动锚杆施工采集分析；信息分析处理模块3对锚杆施工视频进行分析，从信息采集终端调取合适角度的相机采集对应位置的锚杆施工视频；启动锚杆作业框检测模块进行识别，当监测到锚杆作业框时，开启网格结构光，辅助锚杆位置计算和识别，并记录每个锚杆施工的短视频；锚杆施工结束，记录锚杆施工数量、位置和时间信息，并上传至洞口服务器。
初支初喷混凝土厚度、平整度采集分析：信息分析处理模块3实时获取信息检测摄像头画面，分析掌子面施工过程，当掌子面附近未做初支侧壁及拱顶无大型机械遮挡时，开启网格结构光，对刚挖出来未做初支的隧道侧壁、拱顶进行点云扫描；信息分析处理模块3实时获取信息检测摄像头画面，分析初喷施工过程，初喷混凝土后，开启网格结构光，对隧道初支再次进行网格点云扫描；对初喷前后的点云进行对比分析计算，分析初喷的混凝土厚度，并对喷混后的初支进行平整度分析，输出厚度、平整度信息上传至洞口服务器；
二衬混凝土厚度、平整度采集分析：信息分析处理模块3实时获取安装于二衬台车位置的信息检测摄像头画面，分析二衬施做过程，在二衬施做前开启网格结构光，并采集网格结构光图像；信息检测摄像头实时采集初支位置画面，在二衬施做后开启网格结构光，并采集网格结构光图像；对二衬施做前后的点云进行对比分析计算，分析混凝土厚度，并对二衬施做后的混凝土表面进行平整度分析，输出厚度、平整度信息上传至洞口服务器。
本发明在工作过程中，在掌子面附近初支隧道侧壁布设隧道掌子面多元信息一体化采集***，操作人员将外壳2放置在安装板1上，将配合板83和安装座82的位置对齐，手持固定杆85向上旋转，在磁力球832的吸力下定位校准，转动几圈拨动块862，保证这一端稳定；重复上述步骤将另一端的固定杆85固定在配合板83的凹槽内，转动拨动块862至不能转动为止，再将另一端的拨动块862继续转动至不能转动为止，操作人员拇指和食指捏住控制块841进行旋转，直到和锁定孔854对齐，向里面推入保险杆84，完成固定过程；气体检测模块负责检测隧道内气体的密度并通过LED数值灯52显示出来，多目相机模块拍摄画面覆盖掌子面全局，可拍摄掌子面及掌子面附近未做初支位置隧道环向图像，并通过无线AP模块4传递给信息分析处理模块3，经过计算分析后上传至洞口服务器。
上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其他特征的组合，因此，本公开不限于本文所描述的示例和设计，而应被赋予与本文公开的原理和新颖特征象一致的最广泛范围。
Claims (5)
1.一种隧道掌子面多元信息一体化采集***，其特征在于，包括安装板（1）、外壳（2）、信息分析处理模块（3）、无线AP模块（4）、气体测量模块（5）、供电模块（6）、双目相机模块（7）和速拆机构（8）；所述外壳（2）的上端面固定安装有天线（21），外壳（2）的一侧固定安装有所述安装板（1），安装板（1）固定安装于掌子面后方的初支侧壁位置；所述信息分析处理模块（3）固定安装在外壳（2）下壁的内端面，所述无线AP模块（4）固定安装在信息分析处理模块（3）的一侧，所述气体测量模块（5）固定安装在靠近无线AP模块（4）的一侧，所述供电模块（6）的下端面固定安装在外壳（2）下端的内表面，所述双目相机模块（7）固定安装在外壳（2）的侧面，所述速拆机构（8）固定安装在安装板（1）的两侧，速拆机构（8）通过磁极异性相吸的特性辅助定位安装，进而转动旋钮（86）施加给安装座（82）和配合板（83）之间相互的压力，再利用保险杆（84）限制固定杆（85）的转动位移；
速拆机构（8）还包括固定板（81）；所述固定板（81）固定安装在安装板（1）远离掌子面后方初支侧壁的侧面，所述安装座（82）固定安装在外壳（2）的侧面，所述配合板（83）安装在外壳（2）的侧面，所述保险杆（84）转动安装在配合板（83）的内部，所述固定杆（85）转动安装在安装座（82）的内部，以安装座（82）的上端面为基准面，固定杆（85）的转动角度的范围为0-90°，所述旋钮（86）转动安装在固定杆（85）的上端；
安装座（82）的形状为凹字形，安装座（82）的内凹部分的上端面沿中轴线位置的两端开设有弧形凹槽（821），弧形凹槽（821）的半径值和固定杆（85）的半径值相同；两个弧形凹槽（821）的内侧固定安装有转动销（822）；
配合板（83）的截面形状为工字形，配合板（83）远离外壳（2）的侧面开设有两个保险孔（831），配合板（83）的内凹部分固定安装有2-4个磁力球（832）；
固定杆（85）的下端固定安装有转动块（851），所述转动块（851）的两条对角线交点处开设有转动孔（852），固定杆（85）靠近磁力球（832）的一面开设有配合凹陷（853），配合凹陷（853）范围内的固定杆（85）的材料选用磁性材料，固定杆（85）的侧面开设有锁定孔（854），锁定孔（854）的截面形状为优角扇形，固定杆（85）的上部分开设有螺旋凹槽（855）；
保险杆（84）的一端固定安装有控制块（841），控制块（841）的中心轴的两侧开设有弧形凹部（842），保险杆（84）远离控制块（841）的部分开设有保险凹槽（843），保险凹槽（843）为扇形，扇形的角度为30°-120°。
2.根据权利要求1所述的一种隧道掌子面多元信息一体化采集***，其特征在于：旋钮（86）的形状为空心圆柱形，旋钮（86）的内表面设置有螺旋凸起（861），旋钮（86）的两侧固定安装有两个拨动块（862），拨动块（862）的水平截面形状为梯形；所述拨动块（862）的两个侧面线性阵列开设有防滑凹槽（863），同一个拨动块上两侧的所述防滑凹槽（863）的方向相差90°。
3.根据权利要求1所述的一种隧道掌子面多元信息一体化采集***，其特征在于：双目相机模块（7）包括激光光源（71）、红外补光灯（72）、观测摄像头（73）、监控摄像头（74）和图像分析单元（75）；所述激光光源（71）固定安装在外壳（2）的侧面，激光光源（71）发射激光光源（71），激光光源（71）在隧道拱顶和侧壁形成网格检测线，所述红外补光灯（72）固定安装在外壳（2）的侧面，所述观测摄像头（73）和所述监控摄像头（74）固定安装在激光光源（71）的两侧，观测摄像头（73）支持彩色、红外多模态拍摄，监控摄像头（74）采集锚杆施工视频图像，采集的图像覆盖掌子面附近初支处锚杆施工范围，所述图像分析单元（75）固定安装在外壳（2）的内表面。
4.根据权利要求1所述的一种隧道掌子面多元信息一体化采集***，其特征在于：所述气体测量模块（5）包括气体检测器（51）和LED数值灯（52），气体检测器（51）固定安装在双目相机模块（7）的一侧，气体检测器（51）可接入测量的气体包含瓦斯、H2S、CO、SO2、CO2、NO2、NH3、H2和O2，所述LED数值灯（52）固定安装在红外补光灯（72）的上侧。
5.一种隧道掌子面多元信息一体化采集***的使用方法，采用权利要求1到4任意一项所述的一种隧道掌子面多元信息一体化采集***，其特征在于：所述隧道掌子面多元信息一体化采集***的使用方法包括以下步骤：
S1：在掌子面附近的初支隧道侧壁布设安装板（1），布设位置包含初支、仰拱、二衬位置，将外壳（2）通过速拆机构（8）固定安装在安装板（1）上，并打开激光光源（71）；
S2：激光光源（71）为点光源、线光源、面光源的一种或多种的组合，激光光源（71）在隧道拱顶和侧壁形成网格检测线，从而在建设期隧道结构不稳定区域形成全覆盖的网格光线，辅助观测摄像头（73）和监控摄像头（74）开始工作；
S3：在照明情况较差时，红外补光灯（72）会打开，观测摄像头（73）进行彩色、红外的多模态拍摄，拍摄画面覆盖掌子面全局，主要拍摄掌子面及掌子面附近未做初支位置隧道环向图像；
S4：监控摄像头（74）可拍摄网格光线、仰拱施工区域、二衬施工区域重点工作区域，起到监控的作用，观测摄像头（73）和监控摄像头（74）的拍摄画面会通过无线AP模块（4）传递至信息分析处理模块（3）；
S5：信息分析处理模块（3）负责分析结构光图像的质量，将基本无遮挡、清晰度高的第一帧图像作为基准，后续采集的结构光图像与第一帧图像进行对比分析，得到结构变形测量结果；
S6：信息分析处理模块（3）通过无线AP模块（4），借助隧道内既有通讯网络，将采集分析的信息进行融合、上传和管理。
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| CN117211886A (zh) | 2023-12-12 |
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