一种小型的多功能集成地铁智能巡检车及方法

1.本发明属于地铁运营维护技术领域，具体涉及一种小型的多功能集成地铁智能巡检车及方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.近些年来，随着基础设施建设的快速发展，大量地铁工程将由建设期转入运营维护期。在地铁日常运营期间，结构开裂、渗漏水、收敛变形等病害时有发生，这些病害将导致地铁的服役性能下降，进而影响列车的运行效率和安全，相关的运营维护技术亟待深入研究。
4.地铁运营期的日常检测维护方式主要包括：人工巡检和智能设备巡检。目前的地铁运维工作主要依靠人工巡检实现，然而由于地铁维护的天窗时间短、劳动强度大等问题，人工巡检容易导致对地铁病害的错判和漏判。在智能设备巡检方面，主要是通过小车搭载智能传感器进行病害识别，常见的是搭载ccd相机，对图像进行算法分析以识别裂缝和变形，但该方法对相机质量、地铁光源、结构清洁程度的要求较高；除此以外，现有的智能巡检车均在地铁双轨上运行，设备体积较大而需要专门的车辆运输和专业人员驾驶，尚无在地铁单轨进行巡检工作的智能巡检车。综上所述，目前地铁运营维护技术领域，尚缺少一种自动化程度高、能精确识别多种病害、便于携带和投放的小型智能巡检设备及其巡检方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种小型的多功能集成地铁智能巡检车及方法，该巡检车可以实现“智能巡检-实时分析-同步维修”，解决以往人工巡检效率低、智能巡检设备笨重且功能单一的问题。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.第一方面，本发明提供了一种小型的多功能集成地铁智能巡检车，包括巡检小车本体，所述巡检小车本体下部设置动力系统，动力系统顶部安设检测设备，检测设备包括三维激光扫描仪和红外检测仪，检测设备与远程分析处理系统连接，远程分析处理系统包括智能病害识别系统和小车运动分析系统，智能病害识别系统用于建立多种病害智能识别模型并加以判别，小车运动分析系统用于判断病害发生的实时位置，进而实现实时的病害识别、定位、记录和分析。
8.作为进一步的技术方案，所述检测设备还包括可水平转动的支撑杆，支撑杆连接于动力系统，支撑杆顶部与可竖直转动的转动块铰接，转动块与三维激光扫描仪、红外检测仪固定连接。
9.作为进一步的技术方案，所述巡检小车本体内部安装无线传输系统，三维激光扫描仪和红外检测仪均与无线传输系统连接，无线传输系统与远程分析处理系统连接。
10.作为进一步的技术方案，所述巡检小车本体外部设置定位系统，定位系统与远程
分析处理系统连接。
11.作为进一步的技术方案，所述动力系统包括车架，车架顶部设置车壳，车架包括转向钢构架以架设于轨道两侧，转向钢构架固定设置行走轮以在轨道顶部行走，转向钢构架还固定设置导向轮和稳定轮以夹持于轨道上下边缘两侧。
12.第二方面，本发明还提供了一种如上所述的小型的多功能集成地铁智能巡检车的巡检方法，包括以下步骤：
13.巡检过程中，利用三维激光扫描仪和红外检测仪对地铁隧道断面进行扫描，每次扫描得到的点云数据和红外场强数据上传至远程分析处理系统，经过连续扫描得到该区间内一系列的断面点云数据和红外场强数据；定位系统将运动信息上传至远程分析处理系统；
14.远程分析处理系统处理数据，以巡检过程中识别检测到的病害类型和实时定位为依据，巡检的同时下发指令进行检修，随着巡检的进行和样本的积累，病害识别精度通过自学习不断提升。
15.作为进一步的技术方案，巡检前，在巡检区间投放巡检车，启动设备；根据三维扫描仪初步的成像情况，调节三维扫描仪角度，使得图像和隧道轮廓相适应，并删除初步成像数据，正式开始巡检。
16.作为进一步的技术方案，远程分析处理系统处理数据的过程为：
17.进行几何去噪处理，以去噪后的数据为依据进行断面变形识别；
18.对几何去噪处理后的数据进行点云投影和栅格化的处理，形成隧道表面的灰度图像数据，作为人工智能模型的数据库；
19.以灰度图像建立的数据库为基础，建立mask r-cnn神经网络算法模型，实现隧道表面的渗漏水识别；
20.对于表面渗漏水的病害情况，结合红外检测数据，综合判断衬砌背后有无明显的含水构造；
21.根据定位系统的运动信息，计算巡检小车的实时位置。
22.作为进一步的技术方案，人工智能模型的数据库的建立过程为：对于经过去噪处理的三维激光点云数据，首先进行点云投影实现坐标转换，得到二维平面点云数据；再对二维平面点云数据进行栅格化操作划分网格，形成地铁隧道表面的灰度图像数据，灰度图像数据作为人工智能模型的数据库。
23.作为进一步的技术方案，含水构造的判断过程为：对于地铁表面识别出的渗漏水点，进一步根据红外检测的场强数据，判断衬砌背后有无明显含水构造。
24.上述本发明的有益效果如下：
25.本发明的巡检车，将激光扫描技术、红外检测技术和人工智能技术相结合，实现多种病害的智能识别，且对表面渗漏水病害可通过红外成像结果进一步判别有无明显含水构造。因此相比现有单一功能的智能巡检车，本发明的功能更加全面；相比于传统的人工巡检方法，本发明的自动化程度更高且识别效果更好。
26.本发明的巡检车，巡检小车本体与远程分析处理系统的模块化设计，一方面从巡检小车本体上分离出了病害识别相关的设备，因此本发明极大程度上减少了小车的体积，使其在单轨上即可运行；另一方面，从远程分析处理系统可以实时识别病害并确定位置，以
便专业人员可以在设备巡检的同时进场检修，实现了“智能巡检-实时分析-同步维修”，提升了运维效率。
附图说明
27.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
28.图1为本发明地铁智能巡检车的轴测图；
29.图2为本发明地铁智能巡检车内部走行系统的结构图；
30.图3为本发明中病害识别方法的流程示意图；
31.图4为本发明中巡检小车本体与远程分析处理系统的物联网结构图；
32.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
33.其中，1动力系统，2检测设备，3无线传输系统，4定位系统，5车架，6车壳，7驱动系统，8三维激光扫描仪，9红外检测仪，10支撑杆，11水平转向电机，12竖直转向电机，13行走轮，14导向轮，15稳定轮，16转向钢构架，17轨道，18射频卡读取单元，19转动块，20遥控手柄，21智能病害识别系统，22小车运动分析系统。
具体实施方式
34.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
35.本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种小型的多功能集成地铁智能巡检车，包括巡检小车本体与远程分析处理系统两部分，分别进行信息采集和数据处理，共同配合完成巡检工作。
36.如图1-图2所示，巡检小车本体包含动力系统1、检测设备2、无线传输系统3、定位系统4；巡检小车本体的下部为动力系统1，动力系统上部安装有检测设备2，巡检小车本体内部安装无线传输系统3，巡检小车本体外部车壳6上安装定位系统4。
37.具体的，动力系统1包括：车架5、车壳6和驱动系统7；车架5包括行走轮13、导向轮14、稳定轮15和转向钢构架16，行走轮13为设备的主动轮，一前一后垂直于轨道17上表面设置，并与驱动系统7连接，沿着轨道17中心方向运动以驱动设备巡检；导向轮14和稳定轮15各有四个，位于结构两侧对称设置，分别垂直于轨道17两侧的上下边缘运行；转向钢构架16上固定设置轮臂结构与上述行走轮13、导向轮14、稳定轮15铰接，具体的轮臂结构形式不限；转向钢构架16可架设在轨道17两侧，行走轮13于轨道17上表面行走，导向轮14、稳定轮15夹持于轨道17上下边缘两侧。
38.转向钢构架16顶部设置车壳6，车壳6采用型钢制作，位于车架5外部与之固定连接，上部预留多个螺栓孔用于与检测设备2连接；驱动系统7为现成的电池驱动系统，位于车体结构内部，与行走轮13连接。
39.无线传输系统3设置于车壳6内。
40.在本实施例中，巡检小车本体主要尺寸设计如下：总高400mm(不含检测设备高)、总长600mm、总宽400mm、主动轮距400mm、导向轮与稳定轮垂直距离120mm，质量约10kg。
41.检测设备2包括：三维激光扫描仪8、红外检测仪9、支撑杆10、水平转向电机11、竖直转向电机12；水平转向电机11通过电机安装架垂直设置于车壳6上部，电机安装架与与车壳6间用螺栓固定连接；水平转向电机11顶部设置支撑杆10，水平转向电机11的转轴与支撑杆10下部固定连接；支撑杆10上部开口，开口处内置一个转动块19，转动块19通过转轴与支撑杆10铰接，转轴一侧与竖直转向电机12固定连接，安装在支撑杆上端的外部一侧；水平转向电机11带动支撑杆10水平转动，进而带动转动块19水平转动，竖直转向电机12带动转动块19竖直转动。
42.转动块19上端与三维激光扫描仪8和红外检测仪9固定连接，三维激光扫描仪和红外检测仪之间固定连接，且配置数据存储单元与车壳内的数据传输设备电连接，实时将扫描储存的数据传输至无线传输系统3。无线传输系统3包括wifi信号传输模块，用于将三维激光扫描仪、红外检测仪和定位系统获取的数据传输至远程分析处理系统。
43.目前，三维激光扫描技术在隧道双轨智能巡检车中已有初步应用，其检测水平达到：可识别0.6mm以上的裂缝、渗漏水识别的置信概率超过92％、结构变形测量精度达到2mm。
44.支撑杆10可以在水平转向电机的带动下实现水平方向360度转动，进而带动上部三维激光扫描仪和红外检测仪在水平方向转动；转动块19可以在竖直转向电机的带动下实现竖直方向360度转动，进而带动上部三维激光扫描仪和红外检测仪在竖直方向转动，以满足不同角度的激光扫描和红外检测的需求。
45.定位系统4包括车载射频卡读取单元18，射频卡读取单元18位于车壳6侧端设置并与车壳6内的无线传输系统3电连接。射频卡读取单元18用于读取地铁结构预先安装的射频卡，并与车壳内的无线传输系统3信号连接，将相应信息传输给远程分析处理系统。本实施例中，射频卡读取单元18采用最常见的超低功耗单片机m430f149作为芯片，m430f149芯片工作频率为860～960mhz，其信号可覆盖3.5m到100m之间的距离，适用于隧道巡检的工作场景。
46.远程分析处理系统包括：遥控手柄20、智能病害识别系统21和小车运动分析系统22。遥控手柄用于控制巡检小车的运行速度、激光扫描仪和红外成像仪的扫描角度。智能病害识别系统用于建立多种病害智能识别模型并加以判别，具体来说，可以对激光扫描仪获取的的断面数据进行预处理、分析和建模计算，分别实现地铁隧道结构开裂、渗漏水、变形识别的实时病害识别；对于渗漏水病害处，结合红外检测数据综合判断衬砌背后有无明显的含水构造。小车运动分析系统，对传输的数据进行读取和计算，用于判断病害发生的实时位置，进而实现实时的病害识别、定位、记录和分析；其原理为：根据定位系统传输数据中的读卡时间差、设定的运动速度和轨道上预设的射频卡间距，计算得出当前的车体位置。
47.具体的，智能病害识别系统的病害识别原理主要包括：
48.(1)对传输的激光点云数据进行几何去噪处理，以此为依据识别隧道变形。
49.a.该处理方法假定地铁断面可近似拟合为椭圆方程，根据最小二乘法将椭圆方程参数拟合的问题转换为最优化问题进行求解，得出最优拟合参数确定的椭圆方程，再根据3σ法则剔除远离最优拟合参数确定的椭圆方程的点云数据，实现数据的几何去噪；
50.b.提取地铁断面施工缝位置两侧各5cm经去噪后的点云数据，结合设计尺寸和相关规范的变形阈值，对于超过变形阈值的的点云数据形成报表输出，实现地铁断面变形识
别。
51.(2)建立图像数据库。其主要原理包括：对于上述经过去噪处理的三维激光点云数据，首先进行点云投影实现坐标转换，得到二维平面点云数据；再对二维平面点云数据进行栅格化操作划分网格，形成地铁隧道表面的灰度图像数据，灰度图像数据作为人工智能模型的数据库。
52.(3)建立人工智能模型。其主要原理包括：
53.a.首先以灰度图像建立的数据库为基础，基于开源的标记工具labelme对灰度图像数据进行人工标记和数据转换，生成coco数据集格式，并按照7：3的比例划分为训练集和测试集；
54.b.依托划分完成的训练集和测试集，建立可用于图像识别的mask r-cnn智能算法模型，实现隧地铁表面的渗漏水识别和开裂识别。
55.(4)对于地铁表面识别出的渗漏水点，进一步根据红外检测的场强数据，判断衬砌背后有无明显含水构造。其主要原理包括：水与衬砌之间存在温差而导致其红外辐射性能不同，对于识别出表面渗漏水点附近的场强数据，若存在明显差异，则判断衬砌背后有明显含水构造。
56.如图4所示，本发明的巡检小车本体和远程分析处理系统构成物联网，物联网功能结构是：首先，基于巡检小车本体进行基础数据收集，其一、利用巡检小车搭载的三维激光扫描设备完成对隧道断面的点云数据收集，其二、利用巡检小车搭载的红外检测仪完成对红外场强数据采集，其三、利用定位系统的车载射频卡读卡单元，实时读取预设的轨道射频卡形成数据储存，这三者共同组成物联网结构的感知层；其次，将获取的数据实时传输至远程分析处理系统，信号数据无线传输系统作为物联网结构的网络层；然后，由远程分析系统作为物联网结构的应用层，基于小车运动分析系统计算车体的位置信息，基于智能病害识别系统对断面点云数据进行分析，对于渗漏水病害类型结合红外场强数据进一步判别有无明显含水构造，以实现对不同病害的精准识别；最后通过实时判别出的地铁病害和对应位置，及时安排专业人员进行检修。
57.本发明通过模块化设计思路，从传统智能巡检车上分离出分析计算相关的设备；通过集成化设计思路，精简传统智能巡检车的检测设备；本发明基于物联网感知、三维激光扫描成像、红外检测、人工智能和无线自组网等技术，集成了激光点云检测功能、红外检测功能、储电动力功能、无线高通量数据传输功能，并设计数据传输路径、遥控信号配置路径，实现多种功能设备的集成化应用。
58.如图3所示，本发明的另一种典型的实施方式中，提出如上所述巡检车的巡检方法，主要基于三维激光扫描技术、红外扫描技术和人工智能技术进行，其具体步骤如下：
59.s1、在计划的巡检区间投放巡检车，通过遥控手柄启动设备；
60.s2、根据三维扫描仪初步的成像情况，通过遥控手柄操作转向电机以调节扫描仪角度，使得图像和隧道轮廓相适应，并删除初步成像数据，巡检车正式开始巡检；
61.s3、小车巡检过程中，利用车载的三维激光扫描仪和红外检测仪对地铁隧道断面进行扫描，每次扫描得到的点云数据和红外场强数据上传至远程分析处理系统，经过连续扫描得到该区间内一系列的断面点云数据和红外场强数据；与此同时，车壳侧边设置的射频卡读卡单元将走行系统的运动信息上传至远程分析处理系统；
62.s4、依托一系列断面点云数据，在远程分析系统中的处理包括：
63.s4-1、首先进行几何去噪处理，以去噪后的数据为依据进行断面变形识别；
64.s4-2、对几何去噪处理后的数据进行点云投影和栅格化的处理，形成隧道表面的灰度图像数据，作为人工智能模型的数据库；
65.s4-3、以灰度图像建立的数据库为基础，建立现成的mask r-cnn神经网络算法模型，实现隧道表面的渗漏水识别；
66.s4-4、对于表面渗漏水的病害情况，结合红外检测数据，综合判断衬砌背后有无明显的含水构造；
67.s4-5、同时在远程分析系统中根据走行系统的运动信息，计算小车的实时位置；
68.s5、以巡检过程中识别检测到的病害类型和实时定位为依据，下发指令安排工作人员在巡检的同时进场进行检修，随着巡检的进行和样本的积累，病害识别精度将通过自学习不断提升。
69.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

技术特征：
1.一种小型的多功能集成地铁智能巡检车，其特征是，包括巡检小车本体，所述巡检小车本体下部设置动力系统，动力系统顶部安设检测设备，检测设备包括三维激光扫描仪和红外检测仪，检测设备与远程分析处理系统连接，远程分析处理系统包括智能病害识别系统和小车运动分析系统，智能病害识别系统用于建立多种病害智能识别模型并加以判别，小车运动分析系统用于判断病害发生的实时位置，进而实现实时的病害识别、定位、记录和分析。2.如权利要求1所述的小型的多功能集成地铁智能巡检车，其特征是，所述检测设备还包括可水平转动的支撑杆，支撑杆连接于动力系统，支撑杆顶部与可竖直转动的转动块铰接，转动块与三维激光扫描仪、红外检测仪固定连接。3.如权利要求1所述的小型的多功能集成地铁智能巡检车，其特征是，所述巡检小车本体内部安装无线传输系统，三维激光扫描仪和红外检测仪均与无线传输系统连接，无线传输系统与远程分析处理系统连接。4.如权利要求1所述的小型的多功能集成地铁智能巡检车，其特征是，所述巡检小车本体外部设置定位系统，定位系统与远程分析处理系统连接。5.如权利要求1所述的小型的多功能集成地铁智能巡检车，其特征是，所述动力系统包括车架，车架顶部设置车壳，车架包括转向钢构架以架设于轨道两侧，转向钢构架固定设置行走轮以在轨道顶部行走，转向钢构架还固定设置导向轮和稳定轮以夹持于轨道上下边缘两侧。6.如权利要求1-5任一项所述的小型的多功能集成地铁智能巡检车的巡检方法，其特征是，包括以下步骤：巡检过程中，利用三维激光扫描仪和红外检测仪对地铁隧道断面进行扫描，每次扫描得到的点云数据和红外场强数据上传至远程分析处理系统，经过连续扫描得到该区间内一系列的断面点云数据和红外场强数据；定位系统将运动信息上传至远程分析处理系统；远程分析处理系统处理数据，以巡检过程中识别检测到的病害类型和实时定位为依据，巡检的同时下发指令进行检修，随着巡检的进行和样本的积累，病害识别精度通过自学习不断提升。7.如权利要求6所述的巡检方法，其特征是，巡检前，在巡检区间投放巡检车，启动设备；根据三维扫描仪初步的成像情况，调节三维扫描仪角度，使得图像和隧道轮廓相适应，并删除初步成像数据，正式开始巡检。8.如权利要求6所述的巡检方法，其特征是，远程分析处理系统处理数据的过程为：进行几何去噪处理，以去噪后的数据为依据进行断面变形识别；对几何去噪处理后的数据进行点云投影和栅格化的处理，形成隧道表面的灰度图像数据，作为人工智能模型的数据库；以灰度图像建立的数据库为基础，建立mask r-cnn神经网络算法模型，实现隧道表面的渗漏水识别；对于表面渗漏水的病害情况，结合红外检测数据，综合判断衬砌背后有无明显的含水构造；根据定位系统的运动信息，计算巡检小车的实时位置。9.如权利要求6所述的巡检方法，其特征是，人工智能模型的数据库的建立过程为：对
于经过去噪处理的三维激光点云数据，首先进行点云投影实现坐标转换，得到二维平面点云数据；再对二维平面点云数据进行栅格化操作划分网格，形成地铁隧道表面的灰度图像数据，灰度图像数据作为人工智能模型的数据库。10.如权利要求6所述的巡检方法，其特征是，含水构造的判断过程为：对于地铁表面识别出的渗漏水点，进一步根据红外检测的场强数据，判断衬砌背后有无明显含水构造。

技术总结
本发明公开了一种小型的多功能集成地铁智能巡检车及方法，属于地铁运营维护技术领域，包括巡检小车本体，所述巡检小车本体下部设置动力系统，动力系统顶部安设检测设备，检测设备包括三维激光扫描仪和红外检测仪，检测设备与远程分析处理系统连接，远程分析处理系统包括智能病害识别系统和小车运动分析系统，智能病害识别系统用于建立多种病害智能识别模型并加以判别，小车运动分析系统用于判断病害发生的实时位置，进而实现实时的病害识别、定位、记录和分析。该巡检车可以实现“智能巡检-实时分析-同步维修”，解决以往人工巡检效率低、智能巡检设备笨重且功能单一的问题。智能巡检设备笨重且功能单一的问题。智能巡检设备笨重且功能单一的问题。


技术研发人员：刘人太 何越纪 陈新 张连震 李鸿钊 汤春阳 郑世杰 邱玉斌
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东） 中交隧道工程局有限公司
技术研发日：2022.09.09
技术公布日：2023/5/23