Выявление и фиксация визуальных дефектов конструкций обделки перегонных тоннелей является необходимым видом работ, регламентируемым действующей нормативной документацией, который в настоящее время выполняется вручную. Все дефекты записываются в специальный журнал обслуживающим персоналом. Исследуемая на предмет проявления дефектов обделка перегонных тоннелей представляет собой протяженную по длине и плохо освещенную поверхность. С учетом сложных условий труда специалистам требуется большое количество времени для ее полного изучения. Разработка методики и использование специальных технических средств для сбора пространственных данных позволит выполнять поиск и фиксацию дефектов обделки с большей полнотой, достоверностью и за меньшее количество времени. Наилучшей альтернативой человеческому зрению является компьютерное зрение в совокупности с искусственным интеллектом, для использования которого требуются виртуальные геоизображения, содержащие пространственную информацию о дефектах. Имея базу данных виртуальных геоизображений с имеющимися на них дефектами, возможно обучить нейронную сеть для автоматического контроля за техническим состоянием перегонных тоннелей. Вышеописанные виртуальные геоизображения создаются на основе цифровой карты тоннеля – ортофотоплана внутренней поверхности перегонного тоннеля. Представлен подход к созданию цифровой карты поверхности перегонного тоннеля, выполняемый на основе фотограмметрических работ, для реализации которого была разработана и испытана передвижная тоннельная фотостанция в совокупности со специальными связующими знаками.
- Введение
- Передвижная тоннельная фотостанция
- Связующие знаки для выполнения фотограмметрических работ в перегонном тоннеле
- Фотограмметрические работы в перегонном тоннеле метрополитена
- Создание ЦКТ по данным фотограмметрических работ
- Заключение
Введение
Московский метрополитен является самым востребованным видом транспорта у москвичей и гостей столицы, который позволяет перемещаться по городу быстро и с достаточным уровнем комфорта. На момент открытия и ввода его в эксплуатацию в 1935 г. длина линий составляла 11,2 км. В настоящее время длина линий — более 400 км, средняя длина перегонного тоннеля между соседними станциями равна 1,77 км, ежедневный пассажиропоток — в среднем 6 млн чел. Вышеописанные характеристики говорят о высокой востребованности подземного транспорта. Для обеспечения нормативной эксплуатации линий метрополитена требуется их регулярное техническое обслуживание в рамках «технологического окна», которое организовано в ночное время с 2:30 до 5:30 ч. За этот короткий промежуток времени необходимо выполнить комплекс работ, направленный на поддержание конструкций, путевого хозяйства и инфраструктуры метрополитена в технически исправном состоянии, и обеспечить безопасную эксплуатацию.
Осмотр конструкций является наиболее трудоемким процессом, так как большинство тоннелей находятся в эксплуатации несколько десятилетий и их поверхность уже содержит различные дефекты, которые необходимо сравнивать с предыдущими результатами осмотров. В совокупности с тяжелыми условиями труда, такими как слабая освещенность, ночное время работы, запыленность, повышенная влажность и пр., снижается эффективность выполняемых работ. Разработка технических средств для сбора пространственной информации перегонных тоннелей является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит повысить безопасность эксплуатации объектов инфраструктуры метрополитена.
Своевременное выявление дефектов конструкций перегонных тоннелей при оптимальном соотношении финансовых затрат и трудовых ресурсов, наподобие горного риска, позволит достичь наилучшего экономического эффекта с требуемым уровнем безопасности пассажиров и обслуживающего персонала.
Передвижная тоннельная фотостанция
В статьях авторов в качестве средств для сбора пространственной информации перегонных тоннелей использовались мобильные колесные платформы с установленными лазерными сканерами или камерами линейного сканирования. К недостаткам таких систем стоит отнести тот факт, что верхнее строение пути не подлежит съемке, а также трудоемкий процесс камеральной обработки и высокую стоимость оборудования.
Авторами для камеральной обработки пространственных данных, полученных при помощи цифрового фотоаппарата и ИК-камер, направление съемки которого было ориентировано вдоль продольной оси тоннеля, использовался программный комплекс Agisoft Metashape. После построения 3D-модели исследуемого участка перегонного тоннеля она подвергалась масштабированию, так как восстановленная исходная структура была выполнена вне масштаба и без пространственной привязки. К недостаткам такого вида работ также стоит отнести направление съемки, при которых неизбежны «теневые» области, разные фокусные расстояния до поверхности тоннеля.
Разработан роботизированный комплекс для инспекции тоннелей. Использование полусферических зеркал и камер машинного зрения увеличивают производительность обслуживающего персонала.
Для оптимизации процесса сбора пространственных данных в тоннелях метрополитена автором данной статьи была разработана и сконструирована передвижная тоннельная фотостанция (ПТФС), которая позволяет выполнять сбор пространственных данных перегонного тоннеля для создания цифровой карты тоннеля (ЦКТ). Принцип работы ПТФС основан на использовании панорамных фотографий и методов наземной фотограмметрии. Компоненты ПТФС представлены на рис. 1.
Рисунок 1. Компоненты передвижной тоннельной фотостанции
Основным инструментом ПТФС является панорамная фотокамера, закрепленная таким образом, что центр фотографирования располагается на оси тоннеля. Благодаря этому достигается равенство фокусных расстояний до исследуемой обделки тоннеля.
Автором использовалась панорамная камера Insta360 X3, контроллером для которой может выступать iPhone/iPad и Android-смартфоны (камера управляется по Wi-Fi) с установленным приложением Insta360. Управление также может осуществляться при помощи кнопок и сенсорного дисплея на камере. Разрешение фото: Режим 360° — 6080×3040 (18 Мп); видео: Режим 360° — 5760×2880 (5,7K, 30/25/24fps). Наличие цифровой стабилизации FlowState на основе 6-осевого гироскопа позволяет выполнять непрерывные съемочные работы (режим видео) в тоннеле. Вибрации, возникающие при передвижении ПТФС по рельсам, не влияют на качество съемки камеры Insta360 X3.
Для работы в условиях слабой освещенности применяются пять светодиодных прожекторов, расположенных сзади камеры таким образом, что световой поток, испускаемый ими, не попадает в кадр и не влияет на качество съемки. Осветительные элементы закреплены равноудаленно друг от друга. Угол рассеивания каждого прожектора составляет 120°, что позволяет освещать поверхность тюбинговых колец без теневых зон. В продольном сечении освещается поверхность 4—5 тюбинговых колец (от 5 до 6 м вдоль оси тоннеля в зависимости от загрязненности тюбинговых колец) и верхнее строение пути (рис. 2).
Рисунок 2. Освещенный прожекторами ПТФС участок перегонного тоннеля с указанными светотеневыми границами (красные линии)
Для обеспечения жесткости конструкции и минимизации продольного и бокового качения элементы рамы стянуты растяжками. На монтаж-демонтаж ПТФС, который можно выполнить на платформе станции метрополитена, затрачивается не более 10 мин. ПТФС в транспортировочном положении занимает габаритное место размером 2,40×0,40×0,30 м.
Связующие знаки для выполнения фотограмметрических работ в перегонном тоннеле
Перед началом съемочных работ с использованием ПТФС в перегонном тоннеле необходимо выполнить подготовительный комплекс мероприятий, заключающийся в закреплении связующих знаков (СФГМ) и тоннельных полигонометрических визиров (ТПВ) при условии их видимости с расстояния не менее 5 м.
СФГМ и ТПВ служат для задания пространственно-ориентированного положения цифровой модели исследуемых конструкций перегонного тоннеля, для чего их планово-высотные координаты должны быть известны. Работы по координированию СФГМ и ТПВ допускается выполнять как до начала съемочных работ в тоннеле, так и после их завершения.
Связующие фотограмметрические марки
После закрепления на поверхности тюбинговых колец СФГМ необходимо выполнить определение их пространственного положения в местной или условной системе координат с пунктов подземной маркшейдерской сети. Рекомендуется использование электронных тахеометров с точностью угловых измерений не более 2''. Шаг и места установки СФГМ в значительной степени влияют на затрачиваемое время их позиционирования. Размеры устанавливаемых знаков и общий вид закрепленной СФГМ на обделке тоннеля представлен на рис. 3.
Рисунок 3. Установленная СФГМ на обделке тоннеля (а) и ее габаритные размеры (б)
Тоннельный полигонометрический визир
Для повышения производительности фотограмметрических работ в тоннеле автором разработан новый вид связующего знака — тоннельный полигонометрический визир (ТПВ), устанавливаемый на уравненный пункт подземной полигонометрии (рис. 4). Высота верхней точки по отношению к основанию у всех ТПВ постоянна и составляет +50 мм. Данный тип марок многоразового использования.
Рисунок 4. Схема установленного ТПВ на пункте подземной полигонометрии:
общий вид на центр полигонометрического знака (а);
нижний магнитный блок ТПВ (б);
подпружиненный шпиндель-центрир (в);
установка накладного круглого уровня (г);
установка ТПВ в вертикальное положение по круглому уровню (д);
общий вид установленного ТПВ (е)
Приведение ТПВ в рабочее положение выполняется в следующей последовательности:
- центр полигонометрического знака (ПЗ) очищается от грязи и пыли ветошью;
- острие подпружиненного шпинделя-центрира упирается в углубление центра ПЗ;
- при помощи нижнего магнитного блока происходит закрепление ТПВ на ПЗ;
- при помощи накладного круглого уровня ТПВ приводится в рабочее вертикальное положение.
Фотограмметрические работы в перегонном тоннеле метрополитена
Целью исследований являлось установление параметров пространственного размещения связующих знаков (СФГМ и ТПВ), необходимых для построения пространственной модели перегонного тоннеля, на основе собранных геоданных.
Для определения необходимого и оптимального расстояния между связующими знаками, а также их количества в зависимости от длины тоннеля автором были выполнены измерения на двух различных участках метрополитена: первый — 120 м (тестовый); второй — 2500 м (экспериментальный).
Исследования на тестовом участке
На первом участке исследований были заложены СФГМ на каждом 10-м тюбинговом кольце, что при ширине тюбинга 1,2 м составляет 12 м. На каждом кольце устанавливались СФГМ с двух сторон: одна со стороны дорожки для прохода персонала (рис. 5, а), вторая со стороны контактного рельса (рис. 5, б).
Рисунок 5. Места установки СФГМ на тюбинговом кольце (обведены окружностями):
со стороны дорожки для прохода персонала (а);
со стороны контактного рельса (б)
Пространственное положение СФГМ определялось в местной системе координат от уравненных пунктов подземной полигонометрии. Исследуемый участок — прямолинейный и имеет отрицательный уклон по направлению съемки. СФГМ приклеивались на предварительно очищенную поверхность тюбинговых колец. Каждой марке присваивался уникальный номер (рис. 6). Уравненные координаты всех СФГМ сохранены в текстовом формате для дальнейшего использования при построении пространственной модели.
Рисунок 6. Схема установленных СФГМ на тестовом 50-метровом участке перегонного тоннеля
На исследуемом участке предварительно было установлено 11 пар СФГМ. На практике работать с таким большим количеством СФГМ трудоемко.
В процессе поиска оптимальных решений для полевых и камеральных работ учитывались следующие требования: минимизация трудозатрат в тоннеле, читабельность ЦКТ, удобство хранения и систематизация ЦКТ в соответствии с пикетажем тоннеля.
Вышеописанным требованиям соответствуют участки перегонного тоннеля: прямолинейные 50м, криволинейные 25м.
Путем последовательного исключения различными вариантами количества СФГМ из 11 пар (22 шт.) без потери качества и точности создаваемой пространственной модели было установлено, что необходимое и достаточное количество связующих марок для построения ЦКТ должно быть не менее трех: две марки на одном тюбинговом кольце в начале исследуемого 50-метрового участка и одна в конце (рис. 7).
Рисунок 7. Схема размещения необходимого количества СФГМ на 50-метровом участке перегонного тоннеля для построения ЦКТ
Исследования на экспериментальном участке
На втором (экспериментальном) участке устанавливались СФГМ и ТПВ. Поскольку обрабатываться будет 50-метровый участок, то рациональнее использовать пункты маркшейдерской сети в качестве мест установки ТПВ. Таким образом, для фотограмметрических работ на прямолинейном участке потребуется 2 ТПВ и одна СФГМ, закрепленная напротив одного из ТПВ (см. рис. 8).
Рисунок 8. Схема установленных СФГМ и ТПВ на прямолинейном участке перегонного тоннеля:
1 – номер кольца исследуемого участка;
2 – СФГМ и ее номер;
3 – пикетажное значение тюбингового кольца;
4 – ТПВ на полигонометрическом знаке;
5 – первая секция съемки;
6 – вторая (смежная) секция съемки
Неотъемлемой частью перегонных тоннелей является их криволинейность в плане и по высоте, включающая переходные и круговые кривые. По результатам исследований установлено, что разбиение криволинейных участков трассы на 50-метровые секции нецелесообразно, так как на ЦКТ возникают недопустимые искажения.
Для определения необходимого количества связующих знаков на криволинейном участке R = 350 м было установлено 5 пар СФГМ и 2 ТПВ.
Путем последовательного исключения различными вариантами количества СФГМ из 5 пар (10 шт.) и 2 шт. ТПВ без потери качества и точности создаваемой пространственной модели было установлено, что участок должен быть 25 м (секция съемки), необходимое и достаточное количество связующих знаков для построения ЦКТ должно быть не менее трех: один ТПВ и две СФГМ (см. рис. 9).
Рисунок 9. Схема установленных СФГМ на криволинейном участке перегонного тоннеля:
1 – номер кольца исследуемого участка; ;
2 – СФГМ и ее номер; ;
3 – пикетажное значение тюбингового кольца;;
4 – ТПВ на полигонометрическом знаке; ;
5 – первая секция съемки; ;
6 – вторая (смежная) секция съемки
По результатам выполненных фотограмметрических работ в перегонном тоннеле длиной 2500 м установлено, что использование СФГМ в сочетании с ТПВ уменьшит количество устанавливаемых связующих знаков в тоннеле (таблица), что в рамках работ по сбору пространственных данных повысит производительность и снизит трудозатраты, а также инфраструктура метрополитена не будет перегружена большим количеством пространственных знаков, закрепленных на поверхности перегонных тоннелей.
Таблица. Количество и тип связующих марок, необходимых на 100 м перегонного тоннеля для выполнения фотограмметрических работ
| Связующий знак | Прямолинейный участок | Криволинейный участок |
| СФГМ | 2 | 5 |
| ТПВ | 3 | 3 |
Создание ЦКТ по данным фотограмметрических работ
После выполнения фотограмметрических работ в тоннеле и подготовки панорамных фотоснимков, автором была выполнена камеральная обработка для создания ЦКТ. Исходя из особенностей обработки исходных пространственных данных, было выбрано программное обеспечение Agisoft Metashape, так как оно наилучшим образом для этих работ подходит и его инструментарий допускает использование сферических фотоснимков.
Для обработки одной секции съемки требуется загрузка панорамных фотоснимков большего участка перегонного тоннеля: передняя светотеневая граница должна совпадать с началом секции фотографирования, а задняя светотеневая граница — с ее концом. Расстояние от центра фотографирования до начала секции съемки для перегонных тоннелей с внутренним диаметром d = 5,4 м составляет 3—4 м в зависимости от загрязненности конструкций перегонного тоннеля (см. рис. 10).
Рисунок 10. Положение камеры при выполнении съемочных работ секции фотографирования
Это требование обуславливается особенностями построения модели — крайние участки модели, ввиду недостаточного перекрытия фотоснимков, получаются искаженными (см. рис. 11) и в дальнейшем подлежат удалению.
Рисунок 11. Искаженный участок на границе секции съемки
Композиция каждого панорамного снимка включает освещаемую и неосвещаемую поверхности перегонного тоннеля, а также элементы конструкции ПТФС.
Из вышеописанных объектов на ЦКТ должен присутствовать только освещаемый участок перегонного тоннеля.
Для построения пространственной модели перегонного тоннеля Agisoft Metashape выполняет поиск общих точек на двух смежных снимках. Однако если на них будут присутствовать элементы ПТФС и неосвещенная часть тоннеля, то это приведет к нарушению определения связующих точек пространственной модели и некорректному результату. Использовать построенное облако точек с данными нарушениями не рекомендуется, так как итоговый результат будет сильно искаженным (рис. 12).
Рисунок 12. Нарушения в определении пространственных связующих точек смежных снимков:
1 – участок перегонного тоннеля с корректно построенным облаком связующих точек;
2 и 3 – ложно определенные связующие точки
Для аппаратного и автоматического исключения с каждого снимка вышеописанных неиспользуемых областей в ПО Agisoft Metashape имеется функция «маски» — очерченных контуров участков изображений, применение которых исключает эти области из обработки (см. рис. 13). На первом этапе задается контур будущих масок на одном из панорамных снимков (рис. 13, 5), загруженных в Agisoft Metashape, и экспортируется в отдельный файл. Для использования этих масок на всех снимках данный файл с маской импортируется с применением ко всем снимкам.
Рисунок 13. Схема установки масок по отношению к ПТФС:
1 – ПТФС;
2 – поверхность перегонного тоннеля;
3 – светотеневая граница;
4 – устанавливаемые маски,
5 – контуры масок
После загрузки снимков необходимо на каждом из них разместить маркеры на связующих знаках (СФГМ и ТПВ) и маски, после чего запустить процесс обработки — выравнивание фотоснимков. Далее строится плотное облако точек и пространственная модель.
По результатам выравнивания вычисляются координаты камер и производится оценка точности построенной модели в виде ошибок определения координат связующих знаков на пространственной модели. В исследовании данная ошибка не превысила 8,2 мм. Для построения ЦКТ используются вычисленные координаты камер.
Автором были созданы ЦКТ: в цветном исполнении — криволинейный участок (см. рис. 14, а), в монохромном — прямой участок (рис. 14, б).
Рисунок 14. ЦКТ различных участков:
криволинейный участок 25 м с радиусом закругления R = 350 м и длиной тюбингового кольца 1,4 м (а);
фрагмент 100-метрового прямолинейного участка с длиной тюбингового кольца 1,2 м в монохромном исполнении (б)
Заключение
Описанная в статье методика по сбору и обработке пространственных данных с использованием разработанного технического средства (ПТФС) позволяет создать ЦКТ линий метрополитена.
ЦКТ могут использоваться различными службами метрополитена с целью изучения конструкций перегонного тоннеля для решения различных технических задач, таких как определение точных пространственных мест, требующих ремонтных работ, фиксация визуальных дефектов, изучение объектов инфраструктуры и многое другое.
Доступ к ЦКТ участка или же всего перегонного тоннеля может быть организован дистанционно (онлайн), что дает возможность одновременного использования различными специалистами в круглосуточном режиме.
Также ЦКТ можно использовать для подготовки виртуальных геоизображений, содержащих дефекты. Выполнив их аннотирование и создав базу данных (Data Set), возможно обучить нейронные сети для автоматизации процесса поиска и фиксации визуальных дефектов.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Автор статьи: Парамонов С.С. (НИТУ МИСИС, Москва, Россия).
Опубликовано в научно-техническом журнале «Горный информационно-аналитический бюллетень», 2024, № 9, стр. 32-46.