隧道衬砌裂缝病害评价方法及设备

摘要

本发明提供了一种隧道衬砌裂缝病害评价方法及设备。所述方法包括：获取隧道衬砌裂缝的图像，对所述图像进行叠合，得到隧道衬砌裂缝分布平面图像；结合裂缝的深度信息，将裂缝简化为近似的三棱柱体，将所述隧道衬砌裂缝分布平面图像经图像处理生成隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像；采用三维分形理论的计盒法得到所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像的分形维数；根据所述分形维数，划分隧道衬砌裂缝的病害等级。本发明可以较为简便地对隧道衬砌裂缝的病害进行等级评价，且评价过程不依赖主观赋值或专家经验，评价结果客观准确。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及隧道结构健康诊断领域，尤其涉及一种隧道衬砌裂缝病害的评价方法及设备。

背景技术

隧道在运营阶段会受到各种结构病害的影响，如果不及时进行有效评价并采取措施，不仅会造成经济损失，严重的还会病害到人民群众的生命财产安全。其中，裂缝是隧道衬砌最常见也是最严重的病害之一，隧道衬砌裂缝不但降低了衬砌的安全性，破坏了隧道的稳定性，同时还会引发渗漏水等其他病害，影响隧道的正常使用。目前对隧道衬砌裂缝病害的评价方法主要有两种，一种是依据裂缝特征指标及相应判定标准对隧道进行模糊综合评价与健康分级；另一种是建立含裂缝的隧道力学模型再进行数值模拟和稳定性分析。方法一工程应用较为广泛，但依赖主观赋值或专家经验，受人为因素影响较大；方法二对力学建模及参数获取要求较高，不利于工程实际操作应用。由此可见，对于隧道衬砌裂缝病害的健康诊断，目前的相关技术仍有一定的局限性。因此，开发一种隧道衬砌裂缝病害评价方法，可以有效克服上述相关技术中的缺陷，就成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种隧道衬砌裂缝病害评价方法及设备。

第一方面，本发明的实施例提供了一种隧道衬砌裂缝病害评价方法，包括：获取隧道衬砌裂缝的图像，对所述图像进行叠合，得到隧道衬砌裂缝分布平面图像；将所述隧道衬砌裂缝分布平面图像经图像处理生成隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像；采用三维分形理论的计盒法得到所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像的分形维数；根据所述分形维数，划分隧道衬砌裂缝的病害等级。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法，所述获取隧道衬砌裂缝的图像，包括：将含有裂缝的隧道衬砌划分为若干区段，并在每一区段的路面中心处对该区段衬砌进行分块拍摄，得到该区段隧道衬砌裂缝的分块图像。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法，所述对所述图像进行叠合，得到隧道衬砌裂缝分布平面图像，包括：对所述分块图像进行曲率修改，得到与隧道衬砌弧度相同的分块图像；将所述分块图像进行叠合，得到有弧度的隧道衬砌裂缝图像；对所述有弧度的隧道衬砌裂缝图像进行UV分解，根据隧道衬砌的弧面角度进行展开，得到隧道衬砌裂缝分布平面图像。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法，所述采用三维分形理论的计盒法得到所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像的分形维数，包括：采用不同边长的正立方体覆盖所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像，并记录正立方体的边长及对应的覆盖所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像中的裂缝三棱柱体的正立方体数量；并对所述边长的对数和所述正立方体数量的对数进行最小二乘拟合；获取最小二乘拟合后的直线斜率，则所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像的分形维数为所述直线斜率的绝对值。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法，所述根据所述分形维数，划分隧道衬砌裂缝的病害等级，包括：分别运用计盒法和模糊数学方法计算裂缝病害的分维数和健康值，通过二者之间的对应关系建立基于分形维数的裂缝病害等级划分，得到不同病害等级对应的分形维数区间范围。

在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法，在所述划分隧道衬砌裂缝的病害等级之后，还包括：实时获取现场隧道衬砌裂缝的分形维数，若所述现场隧道衬砌裂缝的分形维数落入所述分形维数区间范围的一区间范围，则确定现场隧道衬砌裂缝的病害等级为所述分形维数区间范围对应的所述病害等级中的一等级。

第二方面，本发明的实施例提供了一种隧道衬砌裂缝病害评价装置，包括：平面图像模块，用于获取隧道衬砌裂缝的图像，对所述图像进行叠合，得到隧道衬砌裂缝分布平面图像；裂缝三维图像模块，用于将所述隧道衬砌裂缝分布平面图像经图像处理得到隧道衬砌裂缝分布的三棱柱体三维图像；分形维数模块，用于采用三维分形理论的计盒法得到所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像的分形维数；病害分级模块，用于根据所述分形维数，划分隧道衬砌裂缝的病害等级。

第三方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法。

第四方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法。

本发明实施例提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法及设备，通过对隧道衬砌裂缝图像进行采集与识别，以此计算隧道衬砌裂缝的分形维数，依据分形维数和健康值之间的关系构建基于分形维数的裂缝病害评价机制，可以较为简便地对隧道衬砌裂缝的病害进行等级评价，且评价过程不依赖主观赋值或专家经验，评价结果客观准确。

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做一简单的介绍，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为本发明实施例提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法流程图；

图2为本发明实施例提供的隧道衬砌裂缝病害评价装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的隧道衬砌裂缝图像采集原理示意图；

图5为本发明实施例提供的叠合得到隧道衬砌裂缝分布平面图像原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明实施例提供了一种隧道衬砌裂缝病害评价方法，参见图1，该方法包括：获取隧道衬砌裂缝的图像，对所述图像进行叠合，得到隧道衬砌裂缝分布平面图像；将所述隧道衬砌裂缝分布平面图像经图像处理生成隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像；采用三维分形理论的计盒法得到所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像的分形维数；根据所述分形维数，划分隧道衬砌裂缝的病害等级。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法，所述获取隧道衬砌裂缝的图像，包括：将含有裂缝的隧道衬砌划分为若干区段，并在每一区段的路面中心处对该区段衬砌进行分块拍摄，得到该区段隧道衬砌裂缝的分块图像。具体可以参见图4，对含裂缝的隧道衬砌1的一区段进行分块拍摄，一般而言分为四个块即可，在分块处进行标记，如图4中的A、B、C三点。再采用支撑底座3上的高清照相机2在隧道内路面中心处对隧道洞壁各分块进行拍摄。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法，所述对所述图像进行叠合，得到隧道衬砌裂缝分布平面图像，包括：对所述分块图像进行曲率修改，得到与隧道衬砌弧度相同的分块图像；将所述分块图像进行叠合，得到有弧度的隧道衬砌裂缝图像；对所述有弧度的隧道衬砌裂缝图像进行UV分解，根据隧道衬砌的弧面角度进行展开，得到隧道衬砌裂缝分布平面图像。具体可以参见图5，采用3Dmax对各分块图像(如图5中从上起第一层)增加分块数、添加弯曲修改器、适当调整轴向与角度参数，得到四张与隧道衬砌弧度相同的分块图像(如图5中从上起第二层)；按分块标记点A、B、C的位置对四张有弧度的分块图像进行叠合，从而得到有弧度的完整隧道衬砌裂缝图像(如图5中从上起第三层)；将有弧度的完整隧道衬砌裂缝图像通过UV分解(即从立体图像分解为平面图像)，按衬砌的弧面角度展开，得到衬砌裂缝分布平面图像(如图5中从上起第四层)。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法，所述采用三维分形理论的计盒法得到所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像的分形维数，包括：采用不同边长的正立方体覆盖所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像，并记录正立方体的边长及对应的覆盖所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像中的裂缝三棱柱体的正立方体数量；并对所述边长的对数和所述正立方体数量的对数进行最小二乘拟合；获取最小二乘拟合后的直线斜率，则所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像的分形维数为所述直线斜率的绝对值。具体地，将隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像进行正立方体划分，获取立方体的边长r与边长为r的正立方体去覆盖所有裂缝所需要的立方体数N(r)，采用最小二乘法拟合数据点(lgr，lgN(r))；数据点(lgr，lgN(r))是否线性相关，如果不相关则中断计算，如果线性相关，则计算数据点拟合出直线的斜率k，进一步计算出裂缝的分形维数D为|k|。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法，所述根据所述分形维数，划分隧道衬砌裂缝的病害等级，包括：分别运用计盒法和模糊数学方法计算裂缝病害的分维数和健康值，通过二者之间的对应关系建立基于分形维数的裂缝病害等级划分，得到不同病害等级对应的分形维数区间范围。具体地，分别求出不同隧道衬砌裂缝病害的分形维数D与隧道衬砌裂缝健康值H；以D为横坐标，以H为纵坐标，建立D-H散点图；根据病害程度从轻到重将纵坐标H分成四个等级，再按横坐标D划分与纵坐标区间对应的评价区间；建立按分形维数划分的隧道衬砌裂缝的病害等级，如表1所示。

表1

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法，在所述划分隧道衬砌裂缝的病害等级之后，还包括：实时获取现场隧道衬砌裂缝的分形维数，若所述现场隧道衬砌裂缝的分形维数落入所述分形维数区间范围的一区间范围，则确定现场隧道衬砌裂缝的病害等级为所述分形维数区间范围对应的所述病害等级中的一等级。

本发明实施例提供的隧道衬砌裂缝病害评价方法，通过对隧道衬砌裂缝图像进行采集与识别，以此计算隧道衬砌裂缝的分形维数，依据分形维数和健康值之间的关系构建基于分形维数的裂缝病害评价机制，可以较为简便地对隧道衬砌裂缝的病害进行等级评价，且评价过程不依赖主观赋值或专家经验，评价结果客观准确。

本发明各个实施例的实现基础是通过具有处理器功能的设备进行程序化的处理实现的。因此在工程实际中，可以将本发明各个实施例的技术方案及其功能封装成各种模块。基于这种现实情况，在上述各实施例的基础上，本发明的实施例提供了一种隧道衬砌裂缝病害评价装置，该装置用于执行上述方法实施例中的隧道衬砌裂缝病害评价方法。参见图2，该装置包括：平面图像模块，用于获取隧道衬砌裂缝的图像，对所述图像进行叠合，得到隧道衬砌裂缝分布平面图像；裂缝三维图像模块，用于将所述隧道衬砌裂缝分布平面图像经图像处理得到隧道衬砌裂缝分布的三棱柱体三维图像；分形维数模块，用于采用三维分形理论的计盒法得到所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像的分形维数；病害分级模块，用于根据所述分形维数，划分隧道衬砌裂缝的病害等级。

本发明实施例提供的隧道衬砌裂缝病害评价装置，采用图2中的各种模块，通过对隧道衬砌裂缝图像进行采集与识别，以此计算隧道衬砌裂缝的分形维数，依据分形维数和健康值之间的关系构建基于分形维数的裂缝病害评价机制，可以较为简便地对隧道衬砌裂缝的病害进行等级评价，且评价过程不依赖主观赋值或专家经验，评价结果客观准确。

需要说明的是，本发明提供的装置实施例中的装置，除了可以用于实现上述方法实施例中的方法外，还可以用于实现本发明提供的其他方法实施例中的方法，区别仅仅在于设置相应的功能模块，其原理与本发明提供的上述装置实施例的原理基本相同，只要本领域技术人员在上述装置实施例的基础上，参考其他方法实施例中的具体技术方案，通过组合技术特征获得相应的技术手段，以及由这些技术手段构成的技术方案，在保证技术方案具备实用性的前提下，就可以对上述装置实施例中的装置进行改进，从而得到相应的装置类实施例，用于实现其他方法类实施例中的方法。例如：

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价装置，还包括：第二模块，用于实现所述获取隧道衬砌裂缝的图像，包括：将含有裂缝的隧道衬砌划分为若干区段，并在每一区段的路面中心处对该区段衬砌进行分块拍摄，得到该区段隧道衬砌裂缝的分块图像。

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价装置，还包括：第三模块，用于实现所述对所述图像进行叠合，得到隧道衬砌裂缝分布平面图像，包括：对所述分块图像进行曲率修改，得到与隧道衬砌弧度相同的分块图像；将所述分块图像进行叠合，得到有弧度的隧道衬砌裂缝图像；对所述有弧度的隧道衬砌裂缝图像进行UV分解，根据隧道衬砌的弧面角度进行展开，得到隧道衬砌裂缝分布平面图像。

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价装置，还包括：第五模块，用于实现所述采用三维分形理论的计盒法得到所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像的分形维数，包括：采用不同边长的正立方体覆盖所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像，并记录正立方体的边长及对应的覆盖所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像中的裂缝三棱柱体的正立方体数量；并对所述边长的对数和所述正立方体数量的对数进行最小二乘拟合；获取最小二乘拟合后的直线斜率，则所述隧道衬砌裂缝三棱柱体三维图像的分形维数为所述直线斜率的绝对值。

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价装置，还包括：第六模块，用于实现所述根据所述分形维数，划分隧道衬砌裂缝的病害等级，包括：分别运用计盒法和模糊数学方法计算裂缝病害的分维数和健康值，通过二者之间的对应关系建立基于分形维数的裂缝病害等级划分，得到不同病害等级对应的分形维数区间范围。

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的隧道衬砌裂缝病害评价装置，还包括：第七模块，用于实现在所述划分隧道衬砌裂缝的病害等级之后，还包括：实时获取现场隧道衬砌裂缝的分形维数，若所述现场隧道衬砌裂缝的分形维数落入所述分形维数区间范围的一区间范围，则确定现场隧道衬砌裂缝的病害等级为所述分形维数区间范围对应的所述病害等级中的一等级。

本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图3所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)301、通信接口(Communications Interface)304、至少一个存储器(memory)302和通信总线303，其中，至少一个处理器301，通信接口304，至少一个存储器302通过通信总线303完成相互间的通信。至少一个处理器301可以调用至少一个存储器302中的逻辑指令，以执行前述各个方法实施例提供的方法的全部或部分步骤。

此外，上述的至少一个存储器302中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个方法实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。基于这种认识，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本专利中，术语"包括"、"包含"或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括……"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。