(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201822230526.5
(22)申请日 2018.12.28
(73)专利权人 上海力信测量系统有限公司
地址 201203 上海市浦东新区蔡伦路1690
号2幢501室
专利权人 上海力信测量技术有限公司
力信测量（上海）有限公司
天津科技大学
(72)发明人 张晓日 张凯伦 刘孟健 赵旭晔
邵震宇 黄喆
(74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代
理事务所 12201
代理人 曹玉平
(51)Int.Cl.
E21D 9/06(2006.01)
E21D 9/00(2006.01)
(54)实用新型名称
(57)摘要
本实用新型公开了一种针对盾构机进行盾
护箱前端底部设置有补光机构，所述补光机构上
设置有摄像机，所述防护箱底部连接有千斤顶；
所述图像处理系统包括图像采集模块、由图像划
像数据分析模块和图像输出模块；该装置可以准
确地捕捉盾尾间隙的模拟数据，并能精准输出盾
保障。权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 210530832 U 2020.05.15
C N 210530832
U
1.一种针对盾构机进行盾尾间隙测量装置，由装置本体构成，其特征在于：所述装置本体包括摄像机，环形补光机构，防护箱、显示器及图像处理系统；所述防护箱前端底部设置有补光机构，所述补光机构上设置有摄像机，所述防护箱底部连接有千斤顶；所述图像处理系统包括图像采集模块、由图像划分单元、图像过滤单元和间隙计算单元构成的图像数据分析模块和图像输出模块；
所述图像采集模块将摄像机中模拟信号转换成二进制数据信号；
所述图像数据分析模块接收二进制数据信号输入图像划分单元；
所述图像划分单元对二进制数据信号区别为管片数据信号和盾尾数据信号；
所述图像过滤单元分别对管片数据信号和盾尾数据信号进行数据化处理；
所述间隙计算单元根据管片数据信号通过如下公式(1)确定相关系数值K：
K＝H/N
其中，H表示管片厚度数值；N表示管片上下边缘之间的像素个数N；
所述间隙计算单元根据盾尾数据信号通过如下公式(2)确定盾尾间隙数值L:
L＝K*M
其中，M表示盾尾间隙上下边缘之间的像素个数M；
所述图像输出模块将盾尾间隙数值L信号输出给显示器。
2.根据权利要求1所述的一种针对盾构机进行盾尾间隙测量装置，其特征在于，所述补光机构由环状托架构成，所述托架上等距设置有灯源。
3.根据权利要求1或2所述的一种针对盾构机进行盾尾间隙测量装置，其特征在于，所述摄像机设置有变焦镜头。
权 利 要 求 书1/1页CN 210530832 U
一种针对盾构机进行盾尾间隙测量装置
技术领域
[0001]本实用新型适用于盾构法施工领域，尤其涉及一种针对盾构机进行盾尾间隙测量装置。
背景技术
[0002]随着我国城市建设的发展，国内很多大中型城市基本都已建成或在建地铁设施，盾构机在城市地铁的建设中发挥了重大作用。在盾构施工过程中，由于盾构机掘进路线的曲率变化和推进油缸的伸长长度不能时刻保持一致原因，将会导致盾构机盾尾内壁与管片外径之间的空间发生变化，这个空间即为盾尾间隙。在施工中，当盾尾间隙的大小超过了允许的变化值的时候，将会对施工产生负面影响：一方面由于管片挤压盾尾可能导致盾构机盾尾结构遭到破坏，另一方面由于施工掘进轴线发生偏离可能对整个工程造成不可挽回的损失。在目前的盾构施工过程中，用的最多的是人工测量盾尾间隙，即现场工人用直尺等工具对盾尾间隙进行手动测量。人工测量的方法效率低误差大并且恶劣的施工条件对工人有一定的安全隐患。
[0003]有研究人员提出过利用CCD摄像机拍摄盾尾间隙照片再进行相关图像处理求出盾尾间隙的方法，该方法的缺点是不容易拍摄质量好的盾尾间隙照片，因为在具体施工中需要现场工作人员手动去调摄像机焦距，并且工作人员对何为高质量照片没有一个统一的标准；另外，该方法的标定点较多，增加了标定难度和误差，缺少一个稳定且简单的标定基准。
实用新型内容
[0004]针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种针对盾构机进行盾尾间隙测量装置，该装置
可以准确地捕捉盾尾间隙的模拟数据，并能精准输出盾尾间隙数据信息，为快速、高效的施工提供有力保障。
[0005]为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供的技术方案是：
[0006]一种针对盾构机进行盾尾间隙测量装置，由装置包本体构成，所述装置本体包括摄像机，环形补光机构，防护箱、显示器及图像处理系统；所述防护箱前端底部设置有补光机构，所述补光机构上设置有摄像机，所述防护箱底部连接有千斤顶；所述图像处理系统包括图像采集模块、由图像划分单元、图像过滤单元和间隙计算单元构成的图像数据分析模块和图像输出模块；
[0007]所述图像采集模块将摄像机中模拟信号转换成二进制数据信号；
[0008]所述图像数据分析模块接收二进制数据信号输入图像划分单元；
[0009]所述图像划分单元对二进制数据信号区别为管片数据信号和盾尾数据信号；[0010]所述图像过滤单元分别对管片数据信号和盾尾数据信号进行数据化处理；[0011]所述间隙计算单元根据管片数据信号通过如下公式(1)确定相关系数值K：[0012]K＝H/N
[0013]其中，H表示管片厚度数值；N表示管片上下边缘之间的像素个数N；
[0014]所述间隙计算单元根据盾尾数据信号通过如下公式(2)确定盾尾间隙数值L: [0015]L＝K*M
[0016]其中，M表示盾尾间隙上下边缘之间的像素个数M；
[0017]所述图像输出模块将盾尾间隙数值L信号输出给显示器。
[0018]所述补光机构由环状托架构成，所述托架上等距设置有灯源。
[0019]所述摄像机设置有变焦镜头。
[0020]与现有技术相比，本实用新型具有的优点：
[0021]1、本实用新型通过环形补光机构给摄像机进行宽视野补光，使得摄像机即便在恶劣的环境下也能拍摄盾尾和管片之间的图像，为获得精准地盾尾间隙数据奠定基础。[0022]2、本实用新型通过采用千斤顶和CCD变焦摄像机巧妙结合可以实现不同距离自动变焦捕捉盾尾间距图像。
[0023]3、本实用新型将完备的硬件设备与自主研发的软件环境配合，进而向施工现场准确无误提供尾间隙的值，实现盾尾间隙的实时监测，保证施工任务高质量的完成。
附图说明
[0024]图1是本实用新型的工作状态示意图。
[0025]图2是本实用新型的中补光机构结构示意图。
[0026]图3是本实用新型的本实用新型的图像处理系统示意图。
具体实施方式
[0027]结合附图1对本实用新型的技术方案作进一步说明。
[0028]如图1所示，本实用新型一种针对盾构机进行盾尾间隙测量装置，由装置本体构成，所述装置本体包括摄像机101，环形补光机构102，防护箱103、显示器104及图像处理系统201；所述防护箱103前端底部设置有补光机构102，所述补光机构102上设置有摄像机101，所述防护箱103底部连接有千斤顶105。如图2所示，所述补光机构102由环状托架构成，所述托架上等距设置有灯源106，灯源可采用LED。所述摄像机101设置有变焦镜头107。本实用新型中中防护箱为103控制通信和供电的通信配电箱，进行图像处理和数据显示的计算机201，起照明作用的环形光源102和CCD变焦摄像机101；所述环形补光光源102固定在防护箱103 的前端底部，CCD变焦摄像机101固定在环形补光光源102的中间，CCD变焦摄像机101和计算机201的供电线以及它们之间的通讯线接于通信配电箱103，防护箱103固定在推进千斤顶105的底板(靴板)位置，在固定防护箱103时要确保CCD变焦摄像机101和环形光源103 与盾尾301之间不存在任何的遮挡物。本实用新型CCD变焦相机101周围设计环形补光灯设计，可以使视野光照均匀，拍照效果更清晰。传统方法都是使用施工现场的日光灯或者在摄像机附近增加一个两个照
明光源，光照效果不好光照不均匀，会对视野产生影响。不均匀的光照射盾构机其他的装置的影子会影响对盾尾间隙的识别。
[0029]如图3所示，所述图像处理系统201包括图像采集模块202、图像数据分析模块203，所示图像分析模块由图像划分单元204、图像过滤单元205和间隙计算单元206构成的；所述图像采集模块202将摄像机101中模拟信号转换成二进制数据信号；所述图像数据分析模块 203接收二进制数据信号输入图像划分单元204；所述图像划分单元204对二进制数据信号
区别为管片数据信号和盾尾数据信号；所述图像过滤单元205分别对管片数据信号和盾尾数据信号进行数据化处理；所述间隙计算单元206根据管片数据信号通过如下公式(1)确定相关系数值K：
[0030]K＝H/N
[0031]其中，H表示管片厚度数值；N表示管片上下边缘之间的像素个数N；
[0032]所述间隙计算单元206根据盾尾数据信号通过如下公式(2)确定盾尾间隙数值L: [0033]L＝K*M
[0034]其中，M表示盾尾间隙上下边缘之间的像素个数M；
[0035]所述图像输出模块207将盾尾间隙数值L信号输出给显示器104。
[0036]其中，盾尾照片的图像处理系统201以及盾尾间隙的具体计算方法为：
[0037](1)防护箱102中的CCD变焦摄像机101拍摄盾尾照片；
[0038](2)图像数据分析模块203对原始图像进行二值化处理，图像二值化(Image Binarization)就是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果的过程。
[0039](3)图像划分单元204利用图像分割算法和计区分管片部分感兴趣区域(ROI)和盾尾间隙部分感兴趣区域(ROI)；ROI(region of interest)，感兴趣区域。机器视觉、图像处理中，从被处理的图像以方框、圆、椭圆、不规则多边形等方式勾勒出需要处理的区域，称为感兴趣区域。
[0040]图像过滤单元204对两个ROI进行腐蚀和膨胀等形态学处理之后分别对两区域进行Blob 分析，该处Blob分析主要有将管片和间隙与照片背景分离、去燥、连通性分析等步骤；Blob 分析(Blob Analysis)是对图像中相同像素的连通域进行分析，该连通域称为Blob。形态学处理主要应用是从图像中提取对于表达和描绘区域形状有意义的图像分量，使后续的识别工作能够抓住目标对象最为本质(最具区分能力——most discrimination)的形状特征，像是边界、连通区域等。最基本的形态学操作是：膨胀(dilation)和腐蚀(erosion)，膨胀和腐蚀的主要用途：消除噪声；分割出独立的图像元素，在图像中连接相邻的元素；寻图像中明显的极大值或极小值区；求出图像的梯度；腐蚀和膨胀是对像素值大的部分而言的，即高亮白部分而不是黑部分；膨胀是图像中的高亮部分进行膨胀，领域扩张，效果图拥有比原图更大
的高亮区域；腐蚀是图像中的高亮部分被腐蚀掉，领域缩减，效果图拥有比原图更小的高亮区域；
[0041](4)间隙计算单元206将管片厚度值作为标定基准，利用边缘检测算法计算出管片上下边缘之间(即管片厚度值)的像素个数N，管片厚度H为已知，因而得出实际长度和像素点之间的关系系数：K＝H/N，以此作为设定的比例尺；再次利用边缘检测算法得出摄像机采集的盾尾间隙上下边缘之间的像素个数M，利用设定的比例尺，即可计算出实际的盾尾间隙值 L＝K*M。
[0042]在实际的盾构施工过程中，控制室工作人员根据显示器20实时反馈的盾尾间隙的值，来判断施工是否偏离了既定的施工路线，并实时作出调整，以达到最好的施工效果。[0043]本实用新型实施过程：
[0044]在盾构施工的过程中，可以随时的对盾尾间隙值进行检测，分布在CCD变焦摄像机101 四周的环形光源102可以为盾构机盾尾提供光照，CCD变焦摄像机101拍摄包含盾尾301
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