基于红外热成像的地铁隧道渗漏水提取

基于红外热成像的地铁隧道渗漏水提取

李卫华

中铁十四局集团第三工程有限公司山东济南250300

摘要：随着地铁投入运营时间的增长，地铁隧道病害的诊断与防治成为保障地铁运营的首要工作。渗漏水作为地铁隧道中最为常见的病害之一，不仅影响隧道电路，长期的渗漏水更会形成漏泥沙，造成管壁衬砌脱落，破坏隧道结构。因此对隧道渗漏水进行快速、准确的提取具有重要意义。传统的隧道渗漏水提取采用人工目测方式，这种方式效率低下，同时容易受到人为主观性的影响。因此如何准确、全面地进行地铁隧道渗漏水提取成为隧道工程中的关键问题。随着技术发展，采用测绘手段解决渗漏水提取问题逐渐成为主流方法。提出采用激光扫描技术，将隧道点云数据转化为强度影像，利用渗水区域和背景区域之间反射强度的差异性，提取隧道管壁上的渗水区域。

关键词：红外热成像；地铁隧道；渗漏水提取

引言

为准确、全面地提取地铁隧道渗漏水，提出一种基于红外热成像的渗漏水提取方法。首先根据隧道渗水与周边环境之间存在的温度差异，提出改进的阈值分割方法对地铁隧道管壁的热红外图像进行分割，以提取出隧道管壁上的渗水区域。进一步地，基于渗水区域生成等温线，采用质心距离函数模型提取渗水类型、渗漏位置，渗漏缝隙走向信息。最后，以上海市地铁某线路区间隧道为例进行渗水提取实验，实验结果表明利用本文方法可准确地进行地铁隧道渗水区域地提取，同时可以合理判断渗水类型、渗水位置及渗水走向信息。

1基于红外热成像技术的渗漏水提取方法

1.1红外热成像技术提取渗漏水的原理

由于物体内部分子热运动，自然界中一切物体的温度都高于绝对零度，并且都会向外进行能量辐射。由维恩位移定律可知，物体最大辐射度的波长与其自身温度成反比。可知当物体最大辐射度对应的波长为远红外（热红外）波段时，物体的温度范围为－79.96～209.82℃，涵盖了正常环境下的大部分物体温度。因此，根据维恩位移定律，通过红外热成像技术，可以获取物体及其周围的温度信息。地铁隧道中的渗水多来源于地下，自身温度相比隧道管壁较低。此外，水的比热容较大，自身温度不易受环境温度影响，并且水在蒸发时伴随着热量的吸收，这些原因导致隧道中的渗水区域温度与其周围管壁温度存在差异，也为红外热成像技术进行渗水提取提供了依据。

1.2基于热成像技术的隧道渗漏水提取流程

本文提出的隧道渗水提取方法分为两部分，分别为隧道渗水区域提取、渗水区域红外特征分析。渗水区域提取分为三步。首先基于温度阈值，采用改进的多阈值分割方法对隧道管壁热红外影像数据进行阈值分割，将热红外图像分为渗水和非渗水两类，然后利用形态学滤波方法，对提取出的渗水类进一步处理，去除掉孤立的噪声，然后进行连通体搜寻，确定图像中的渗水区域。渗水区域红外特征分析，首先依据温度信息生成等温线图。采用等温线的质心距离函数模型来表达该渗水区域温度分布特征，从而判断出渗水类型。最后获取等温线外轮廓特征点坐标，提取出渗漏位置与渗漏缝隙走向。

1.3渗水区域提取

隧道管壁上的渗水与周围环境间存在温度差异，故可利用温度阈值，将热红外影像划分为渗水和非渗水两类。考虑到含水热红外影像中，在不含水、含水两类区域存在直方图峰值，可采用Otsu方法选取温度阈值，该方法基于类间方差最大原则选取阈值，特别适用于具有明显双峰直方图的图像分割。1.4渗水区域红外特征分析在地铁隧道渗漏水提取中，除对渗水区域进行识别提取外，还需确定渗水类型、渗水位置等信息。

1.4.1渗水类型的判断

地铁隧道中的渗漏水大体可分为：“点渗漏”类型渗水、“纵缝式”类型渗水、“横缝式”类型渗水、“斜缝式”类型渗水及上述多种类型共存的“混合式”类型渗水。由于不同类型渗漏水生成原因、渗漏位置及扩算方式不同，因此其在温度分布特征上存在较大差异。

1.4.1渗水位置与渗水走向确定

通过求取等温线质心距离函数模型上特征点坐标，确定渗漏位置与渗水走向。对于“点渗漏”类型渗水，其最低值等温线位置便可代表其渗漏位置。对于“纵缝式”类型渗漏水，函数相邻波峰点代表其椭圆形态上下顶点，求取其坐标计算得到渗漏纵缝位置与缝隙走向信息，如图6（a）所示。同样地，获取“横缝式”渗漏水特征表达函数上相邻波峰点坐标可得到横缝位置及走向信息.

2隧道渗漏水的处理措施

对于其存在的一些常见问题，给刚性悬挂接触网带来很大威胁。为了给予充分解决和防治，综合多年经验，在实践中给出针对性措施，确保工作的有效处理。

2.1给予接触网设备外漏部分的镀锌和镀铬

一般情况下，地铁正线接触网多使用架空刚性接触网，其中，支持该装置定位的部分主要为：吊柱、定位槽钢、底座与槽钢的安装、T型头螺栓、定位线夹以及各个连接螺栓等。除了其中存在的定位线夹作为铜件，其他部分都为普通的铁件，这些都很容易生锈。当在接触网支持定位装置周边，发现存有隧道渗漏点的时候，需要给接触网的各个支持定位装置、各个零部件等进行镀锌、镀铬等工作，以达到有效的防水作用。

2.2对刚性接触网绝缘位置增加防水帽

刚性接触网绝艳部位主要包括的部分为：针式绝缘子、弹性绝缘组件、分段绝缘器以及中心锚绝缘棒等。其中，使用最多的是针式绝缘子，属于一种瓷质绝缘子，最小爬距为250毫米。当发现接触网绝缘部件的周边存有漏水点，要将防水帽增加到绝缘部件，确保漏水现象的防治，以免直接出现在绝缘子表面。在这种情况下，不仅能减少污染绝缘子情况，也能获得有效的隔水作用。

2.3接触网支持定位装置移动装置

架空刚性接触网是基于对行车速度的设计，为其设计不同的跨距。一般情况下，铁路设计中，要求的最高行车速度为85千米每小时，对接触网跨距的设计要求为8米。在工程建设完成后，利用接触网支持定位装置，都需要有一个固定位置作为支持。因为地铁会经过多个裂缝区域，其中的漏水点也比较多，存有的漏水量也比较多。当支持的定位点发生漏水情况的时候，利用移动支持定位装置方法，能够给予直接的定位装置支持，促使隧道漏水问题的解决。该工作方法具体为：准备在移动定位两端2．5米或者3米的位置，找到合适的钻孔位置，给出两个定位装置支持，加强架空刚性汇流排的定位。尤其是定位牢固，在适合的条件下，将准备的移动支持定位装置有效拆除，对架空刚性汇流排表面上存有的杂物、水迹等清除掉，必要的时候，还需要增加汇流排防护罩。

2.4将PVC管加装到接触网架空地线中

一般情况下，地铁接触网架空地线是通过截面积120mm2的裸露铜绞线来实现的，接触网的直流电压等级为1500V，尽管在带电体和非带电体之间的绝缘部件会发挥绝缘作用，但是，在大多数情况下，总微弱电流通过绝缘体，将不断泄露给大地。同时，受到外部环境的影响，绝缘部件的绝缘性能也会逐渐下降，其中的电流泄露现象也会增加，从而给人员安全带来影响。

结语

本文提出一种基于红外热成像技术的地铁隧道渗漏水提取方法。通过多阈值分割、形态学滤波、连通体搜寻方法进行渗水区域提取。对提取的渗水区域进行等温线的绘制，通过分析渗水区域等温线外轮廓形态信息来判断渗水类型。通过求取等温线外轮廓质心距离函数上特征点坐标来提取渗漏位置及渗漏缝隙走向。对上海地铁某线路区间隧道进行的实验结果表明，本文方法可准确地提取出地铁隧道管壁上的渗水区域，并可对渗水类型、渗水位置等信息进行正确判断，据此表明本文提出的渗水提取方法具有一定的可行性和有效性。同时，红外热成像技术无需可见光源，适用于隧道等特殊区域的检测。

参考文献：

［1］王林．地铁隧道渗漏水对接触网的影响及几种常用处理措施［J］．科技视界，2017（22）：144，143．