本文是一篇电气自动化论文，本文将机器视觉测量技术应用于路基沉降监测，提出单级和链式的路基沉降监测方法，其原理是通过计算接收靶面上激光光斑中心位置的变化，测量路基沉降值。
1绪论
1.1研究背景及意义
交通运输是国民经济中具有基础性、先导性、战略性的产业，是重要的服务性行业和现代化经济体系的重要组成部分，是构建新发展格局的重要支撑和服务人民美好生活、促进共同富裕的坚实保障[1]。自1881年中国自建的第一条铁路唐胥铁路起，中国铁路已经有了141年的历史，改革开放以后我国铁路事业更是取得了长足的发展，《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》中提到，截止到2021年底，全国铁路营业里程突破15万公里，其中高铁超过4万公里，预计2025年底，全国铁路营业里程将达16.5万公里，其中高速铁路（含部分城际铁路）5万公里左右，覆盖95%以上的50万人口以上城市，乘坐高铁更是成为现在人们出行的主流方式。
铁路路基是保证列车安全可靠运行的重要结构，其功能是承受钢轨及列车重量。路基变形会导致列车运行稳定性下降，带来一定的安全隐患，路基严重变形甚至会造成钢轨断裂、列车翻车，给人民的生命财产安全造成无法挽回的损失。为了保证列车行驶的安全性、可靠性和高平顺性，我国对控制路基变形的要求十分苛刻，在《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)中明确规定，高铁路基建成后在其有效工期内不得沉降超过15mm。随着社会的发展，线路负荷日益增大，铁路路基也面临着越来越严峻的考验，因此，及时掌握路基沉降情况具有十分重要的意义。
传统的路基沉降监测方法有沉降板测量法、横剖测量法、分层沉降法，随着科技的发展，又出现了光纤传感器监测法、卫星空间遥测方法等。其中，沉降板法具有易操作、造价低的优势，然而沉降板需要在施工过程中安装在路基内，由于施工过程复杂，其损坏率高达68.7%，且埋设后回填的质量也会影响其测量精度；横剖测量法、分层测量法需要人工测量，测量过程中须严格按照规范进行，且极易受到风力、湿度等环境因素的影响，测量稳定性不高[2]；光纤传感器测量法是基于光通信技术发展而来的，通过光纤弯曲曲率计算路基沉降量，测量精度高，在国防、航天领域应用广泛，然而实现铁路路基监测需要沿线布置大量光纤传感器且测量设备价格昂贵，在铁路行业应用受到限制[3,4]；卫星遥感测量方法通过差分干涉测量地表形变，由于其无需在测量前布置地面控制点、可以对大面积区域实现测量、测量速度快效率高的特点，近些年来在观测城区地表塌陷，矿山开发沉陷，高原冻土变形，火山活动位移领域应用广泛，测量精度也在不断提升。
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1.2国内外研究现状
机器视觉测量技术是将相机、计算机和传感器组合，从而形成的一种观测目标物体表面特征、尺寸、几何形状的方法。因其非接触、受人为因素影响低、测量速度快、测量精度高、操作简单等优点，以及近些年工业发展迅速所需电子器件价格下降，受到国内外学者的广泛关注，在医学，材料学，机械，农业，航空航天领域中均有广泛使用。
Franke E A等人将图像测量技术应用于材料微力学研究中，利用高分辨率相机拍摄并测量裂纹尖端周围的位移和形变[7]；Bradshaw R C等人在研究高反应性材料时，结合光学膨胀方法开发了一种高速高精度测量悬浮状态下未处理样品的体积的方法，避免了接触式测量对其物理特性造成污染[8]；Hao等人在研究鱼类生长状态时，利用机器视觉测量快速、高效地实现了对鱼类的身体长度和体积的测量[9]；Sun等人提出了一种光度立体测量方法，准确测量出伤口的尺寸，为更加真实模拟伤口状态提供了重要数据[10]。
在机器视觉应用于路基沉降监测的领域中，肖和华等人在被监测路段路基表面铺设发光靶标，使用高处布置的CCD相机拍摄监测路段图像，计算靶标位移得出对应位置的路基沉降量[11]；刘铁军等人通过基准点安装的平行光源向不同监测位置的竖直标尺上发射激光，用相机拍摄带有激光束的标尺图像，并识别出标尺所示的沉降量[12]。本课题组也对路基沉降测量展开了研究，提出了链式路基沉降监测方案[13]，然而监测方案的执行需要监测终端，本文设计了基于机器视觉的路基沉降监测终端，由于监测终端多布置在山区、隧道的铁路沿线处，需要及时判断系统状态，通过分析将评估系统状态转化成评估光斑图像质量。
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2图像式高铁路基沉降监测系统方案设计
2.1图像式高铁路基沉降监测方法
2.1.1单级路基沉降监测方法
图像式路基沉降监测方法利用激光的准直特性，通过相机拍摄发射端激光器照射到接收靶面上的光斑图像，结合测量技术、图像处理技术和数据处理技术完成对被监测路段的路基状态监测。测量原理图如图2.1所示。
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在路基沉降监测时，分别在基准点和监测点安装监测装置，二者相隔20m~50m，基准点通常选择不易发生沉降或高程已知的位置，监测点则布置于被监测路段内。安装时，监测装置与轨道路基刚性连接，因此可通过判断监测装置的沉降情况反映出监测点的沉降情况。基准点处安装发射端，用以发射激光信号，监测点处安装包含有接收靶面、相机、图像处理芯片的接收端，用以拍摄发射端激光器激光照射到接收靶面上的光斑图像，发射端和接收端共同组成一级路基沉降监测单元。
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2.2图像式高铁路基沉降监测系统需求分析
本文需要设计图像式高铁路基沉降监测系统终端，在开发设计之前，需要根据终端待完成的任务和终端所处的工作环境对需求详细分析，分别包括功能性需求和非功能性需求。
2.2.1功能性需求分析
对于图像式路基沉降监测方法，其核心在于通过接收端接受靶面上激光光斑位置的变化反映出发射端激光器位置的变化，即可得出发射端监测点的实际沉降值。并通过链式结构，逐级传递各监测点的沉降值，最终测量出监测区域所有监测点的沉降数据。因此通过分析，其功能应满足以下几点：
(1)相邻监测站间沉降值的计算。沉降监测终端的核心功能就是完成路基状态监测，这是系统其他一切功能的基础和前提，因此监测点处的测量终端应能准确测量出相邻监测站相对自身的沉降值，从而实现路基状态的链式测量。
(2)相邻监测站间的无线通信。各监测终端的安装间隔设定为20m~50m，使用有线连接传递测量信息，需要在铁路沿线布设线路，操作复杂、工程量大且不经济，因此不同监测站间需要能相互无线通信，从而便捷地实现测量数据的传递及工作任务的收发。
(3)现场监测站与管理部门的远程无线通信。各监测站测量得出沉降数据后，应能稳定可靠地将全部数据上传至相关管理部门，由管理部门分析沉降数据，以实现路基沉降的无人自动监测。同时，管理部门也应能向监测终端发送指令，远程控制监测终端。
(4)数据保存。监测终端测量出的数据除通过无线手段发送至管理部门外，仍需以安全可靠的方式记录在监测终端处，以便核对测量信息或应对突发情况。
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3图像式高铁路基沉降监测终端实现..........................16
3.1硬件实现..................................16
3.1.1电源模块....................................16
3.1.2图像采集及处理模块............................17
4图像式高铁路基沉降监测终端状态评估..............................45
4.1光斑质量评价参数设置.......................................45
4.2光斑质量评价模型........................................46
4.3判断矩阵的确定.................................48
5图像式高铁路基沉降监测系统平差优化.....................................56
5.1平差优化策略..........................................56
5.1.1往返测量平差优化策略...................................56
5.1.2闭合网络平差优化策略...............................58
5图像式高铁路基沉降监测系统平差优化
5.1平差优化策略
5.1.1往返测量平差优化策略
如本文2.1节所述，图像式路基沉降监测系统通过计算前后两次激光器激光照射到接收靶面上光斑位置的变化，求出相邻监测点的相对沉降值。为了提高方法可信度，提高测量精度，本文在沉降监测系统中增加一套对称的图像采集模块，在相邻监测站间，实现双向监测，测量原理图如图5.1所示。
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当测量结果相差较大时，比较前后几次测量结果，若往返测量结果均存在较大差异，则证明监测终端内激光器与接收靶面的相对位置出现变化，可能存在螺丝松动激光器角度偏移或相机角度偏移的情况，需及时维护监测系统，保证路基沉降监测的实时性。
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结论
铁路路基是保证列车安全可靠运行的重要结构，是列车在稳定性和速度上不断突破的前提，因此监测路基沉降具有十分重要的意义。针对传统土木测量方法的不足和新型测量方法的不适用性，本文将机器视觉测量技术应用于路基沉降监测，提出单级和链式的路基沉降监测方法，其原理是通过计算接收靶面上激光光斑中心位置的变化，测量路基沉降值。为了将理论转化为实践，在分析监测系统需求的基础上，完成了系统结构设计、监测终端设计与测试。考虑到系统常布置在山区、隧道的铁路沿线处，工作环境恶劣，为了平衡保证系统状态和降低工人劳动强度的矛盾，提出了通过评价光斑图像质量来评估系统状态的方法，并建立了相应的模型。最后针对链式组网中误差逐级累计的问题，提出了平差优化策略，提高系统测量精度，并完成了相应的仿真验证。
本文的主要研究结论归纳如下：
(1)将机器视觉测量技术引入路基沉降监测领域，提出了图像式路基沉降监测方法。路基沉降监测装置由发射端和接收端组成，发射端激光器向接收端的接收靶面发射激光，通过图像采集设备采集靶面上光斑图像，计算沉降前后激光光斑中心位置的偏移得出监测点沉降值。在此基础上，对监测方法升级，提出链式组网的监测方法，由多个监测站首尾相连完成对全有害路段的沉降监测。
(2)在对监测系统需求分析的基础上，将监测系统整体上分为用户侧和监测终端两部分，用户与监测终端借助运营商通过无线传输技术通信，将监测终端部分分为图像采集与处理模块、主控制器模块、振动传感器模块、数据储存模块、站间通信模块、远程通信模块6部分。完成了监测终端各模块的硬件选型、电路设计和模块初始化，并研究了图像处理模块使用的包含灰度化、边缘提取、阈值分割的图像预处理算法和圆拟合的光斑中心定位算法。在程序设计方面，分析了4种类型监测站：基准点监测站、首端监测站、中间监测站和末端监测站以及图像处理模块的工作流程，基于C#设计了用户侧数据接收与存储的程序。最后，通过SolidWorks软件设计监测终端模型，并由3D打印技术制作，完成了安装与测试，沉降测量分辨率可达0.143mm。
参考文献（略）