一种基于地下隧道施工工程用环境巡检装置的制作方法

本申请涉及隧道施工设备，具体是指一种基于地下隧道施工工程用环境巡检装置。

背景技术：

1、在进行当下隧道工程的建设中，所出现的施工风险问题，主要是受到复杂施工环境以及人为因素的影响，导致施工进度以及质量出现明显的问题。在当下进行施工建设环节，经常会出现一些周围建筑物的不均匀沉降问题，或者在施工建设的开展中，施工区域当中的暗埋管线定位信息的缺失，直接影响到建设的总体水平，因此，需要对地下隧道施工工程进行长期巡检。

2、以盾构法施工为例，目前盾构法施工广泛应用于地下隧道的挖掘，该施工方法具有明显的优越性：在盾构的掩护下进行开挖和衬砌作业，有足够的施工安全性；地下施工不影响地面交通，在河底下施工不影响河道通航；施工操作不受气候条件的影响；产生的振动、噪声等环境危害较小；对地面建筑物及地下管线的影响较小。盾构施工隧道盾构机往前掘进的过程中，后面的隧道管片就安装好了，同时运渣土小车会来往运动将渣土运出并将管片运入。在隧道的一侧安装有人行通道，方便盾构施工人员和巡检人员的行走。

3、采用盾构施工的隧道内部空间有限，下方有运渣小车通道和人行通道，目前盾构隧道内的巡检工作主要采用人工巡检，盾构隧道施工时间比较长，通常可以长达一两年，而且日夜不停施工，人工巡检难以实时巡检，运渣小车行走时还有很多被遮挡区域，巡检人员难以巡查到这些被遮挡区域，而且巡检人员自身的安全也难得到很好的保障。

技术实现思路

1、本申请目的在于提供一种基于地下隧道施工工程用环境巡检装置，用于移动时进行同步巡检作业。

2、本申请通过下述技术方案实现：

3、一种基于地下隧道施工工程用环境巡检装置，包括移动模块与管理模块，还包括与所述管理模块信号连接的通信模块、监控模块以及孪生模块，所述移动模块上设置有与所述管理模块信号连接的采集模块，所述孪生模块内搭载有数字孪生控制模型与物理实体控制模型，所述数字孪生控制模型对应孪生层，所述物理实体控制模型对应物理层，所述孪生层与物理层之间通过交互层连接；所述采集模块通过所述移动模块在隧道环境内进行移动扫描采样，并录像保存为视频流，所述管理模块接收到视频流后进行等间隔抽帧采样得到带有时间序列的图像帧，解析图像帧得到巡检信息及其置信度，所述孪生模块在数字孪生控制模型内构建有隧道三维模型，并通过交互层与管理模块生成移动模块的巡检轨迹信息，所述管理模块接收到巡检轨迹信息后进行分解得到空间序列，所述管理模块还将图像帧对应的时间序列、空间序列建立对应关系，所述移动模块基于巡检轨迹信息进行移动。

4、进一步地，所述解析的过程包括：通过管理模块内搭载的目标检测网络对图像帧进行检测，若图像帧中无巡检信息则删除该图像帧，将未删除的图像帧作为预选图像；其中，所述目标检测网络包括6组残差模块，所述残差模块内的激活函数前添加了1个bn层。

5、进一步地，所述管理模块将带有巡检信息的图像帧与三维模型进行相似度判定，并按照时空坐标集进行排列后建立比对梯度，相似度判定过程为：取三维模型内同样时空坐标集下的图像作为参考图像，将图像帧与参考图像进行sift匹配，若能够匹配则认为这两个图像在sift匹配下相似，然后将匹配相似的图像归为一组，若不能匹配则归为另一组。

6、进一步地，将不能匹配的图像组对应的空间序列作为二次巡检的轨迹信息。

7、进一步地，所述管理模块内搭载有降噪单元，所述降噪单元用于对图像帧进行降噪处理，处理过程包括：计算图像帧的正交小波变换，并选取小波基和分解层；再通过mallat分解算法进行小波分解得到小波分解系数；再进行模糊阈值量化得到估计小波系数；进行小波变换，根据图像小波分解后的尺度系数和经过模糊阈值量化的估计小波系数通过mallat重构算法进行小波重构，得到降噪图像帧。

8、进一步地，所述监控模块包括温度传感器、湿度传感器以及气体传感器。

9、进一步地，所述移动模块上还设置有用于增大巡检范围的巡检头，所述巡检头包括巡检杆，所述巡检杆的端部设置有探头，所述巡检杆的内部设置有与所述探头连接的电机，所述巡检杆内还设置有探测单元，所述巡检头还包括设置在所述巡检杆外周的若干步进履带。

10、进一步地，所述步进履带通过连接杆与所述巡检杆铰接设置，所述巡检头还包括设置在所述巡检杆外周的弹性件，所述巡检杆的外周设置有滑槽，所述滑槽内滑动设置有滑片，所述弹性件的端部与所述滑片连接，所述滑片上还设置有传动杆，所述传动杆的自由端与所述步进履带铰接，当所述弹性件伸缩时，能够实现若干步进履带的周向扩张。

11、本申请与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

12、1、本申请移动模块按照预定巡检轨迹进行移动的同时，采集模块将地下隧道的环境记录为视频信息，并将视频信息传递至管理模块，管理模块接收到视频信息后进行等间隔抽帧采样得到带有时间序列的图像帧，并对图像帧进行解析得到巡检信息及巡检信息的置信度，这个过程中不仅能够实现高效、全面且安全的自动化巡检，减少了人工巡检的风险和不便，还通过高级的数据分析和实时监控提供了更准确、及时的巡检信息，此外，数字孪生技术的应用为隧道施工提供了一个精确的虚拟模型，这有助于更好地理解和预测隧道的行为，从而实现更高水平的施工管理和维护策略的优化。

13、2、本申请的目标检测网络中，将网络的浅层部分的残差模块减小为现有网络的一半，即本申请中目标检测网络具有3个用于目标检测的特征层，此外，考虑到减小后的收敛速度和训练稳定性，在每一个激活函数前添加了1个bn层，提升了网络的收敛速度与提高其训练稳定性；

14、3、隧道内拍摄的图像往往会由于低光照条件和机械振动等因素含有大量噪声，基于上述降噪过程不仅可以清晰地观察到隧道的结构细节，还能有效地提高隧道巡检的准确性和可靠性。

技术特征：

1.一种基于地下隧道施工工程用环境巡检装置，包括移动模块(1)与管理模块，其特征在于：还包括与所述管理模块信号连接的通信模块、监控模块以及孪生模块，所述移动模块(1)上设置有与所述管理模块信号连接的采集模块(2)，所述孪生模块内搭载有数字孪生控制模型与物理实体控制模型，所述数字孪生控制模型对应孪生层，所述物理实体控制模型对应物理层，所述孪生层与物理层之间通过交互层连接；

2.根据权利要求1所述的一种基于地下隧道施工工程用环境巡检装置，其特征在于：所述解析的过程包括：通过管理模块内搭载的目标检测网络对图像帧进行检测，若图像帧中无巡检信息则删除该图像帧，将未删除的图像帧作为预选图像；其中，所述目标检测网络包括6组残差模块，所述残差模块内的激活函数前添加了1个bn层。

3.根据权利要求2所述的一种基于地下隧道施工工程用环境巡检装置，其特征在于：所述管理模块将带有巡检信息的图像帧与三维模型进行相似度判定，并按照时空坐标集进行排列后建立比对梯度，相似度判定过程为：取三维模型内同样时空坐标集下的图像作为参考图像，将图像帧与参考图像进行sift匹配，若能够匹配则认为这两个图像在sift匹配下相似，然后将匹配相似的图像归为一组，若不能匹配则归为另一组。

4.根据权利要求3所述的一种基于地下隧道施工工程用环境巡检装置，其特征在于：将不能匹配的图像组对应的空间序列作为二次巡检的轨迹信息。

5.根据权利要求1所述的一种基于地下隧道施工工程用环境巡检装置，其特征在于：所述管理模块内搭载有降噪单元，所述降噪单元用于对图像帧进行降噪处理，处理过程包括：计算图像帧的正交小波变换，并选取小波基和分解层；再通过mallat分解算法进行小波分解得到小波分解系数；再进行模糊阈值量化得到估计小波系数；进行小波变换，根据图像小波分解后的尺度系数和经过模糊阈值量化的估计小波系数通过mallat重构算法进行小波重构，得到降噪图像帧。

6.根据权利要求1所述的一种基于地下隧道施工工程用环境巡检装置，其特征在于：所述监控模块包括温度传感器、湿度传感器以及气体传感器。

7.根据权利要求6所述的一种基于地下隧道施工工程用环境巡检装置，其特征在于：所述移动模块(1)上还设置有用于增大巡检范围的巡检头(3)，所述巡检头(3)包括巡检杆(31)，所述巡检杆(31)的端部设置有探头(32)，所述巡检杆(31)的内部设置有与所述探头(32)连接的电机，所述巡检杆(31)内还设置有探测单元，所述巡检头(3)还包括设置在所述巡检杆(31)外周的若干步进履带(33)。

8.根据权利要求7所述的一种基于地下隧道施工工程用环境巡检装置，其特征在于：所述步进履带(33)通过连接杆(34)与所述巡检杆(31)铰接设置，所述巡检头(3)还包括设置在所述巡检杆(31)外周的弹性件(35)，所述巡检杆(31)的外周设置有滑槽(36)，所述滑槽(36)内滑动设置有滑片(37)，所述弹性件(35)的端部与所述滑片(37)连接，所述滑片(37)上还设置有传动杆(38)，所述传动杆(38)的自由端与所述步进履带(33)铰接，当所述弹性件(35)伸缩时，能够实现若干步进履带(33)的周向扩张。

技术总结本申请涉及隧道施工设备技术领域，具体是指一种基于地下隧道施工工程用环境巡检装置，包括移动模块与管理模块，还包括与所述管理模块信号连接的通信模块、监控模块以及孪生模块，所述移动模块上设置有与所述管理模块信号连接的采集模块，所述孪生模块内搭载有数字孪生控制模型与物理实体控制模型；移动模块按照预定巡检轨迹进行移动的同时，采集模块将地下隧道的环境记录为视频信息，并将视频信息传递至管理模块，管理模块对图像帧进行解析得到巡检信息及巡检信息的置信度，这个过程中不仅能够实现高效、全面且安全的自动化巡检，减少了人工巡检的风险和不便，还通过高级的数据分析和实时监控提供了更准确、及时的巡检信息。技术研发人员：任高强,宋洋,杜嘉文,刘晓博,杜光远,万冬,赵正海受保护的技术使用者：华电金沙江上游水电开发有限公司叶巴滩分公司技术研发日：技术公布日：2024/8/20