基于DXF文件的铁路隧道衬砌病害矢量化研究与应用

刘艳芬 柴雪松 雷林 吴玉哲 陈学喜 李健超 于国丞

1.中铁科学技术开发有限公司，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.中国铁路兰州局集团有限公司工务部，兰州 730000

高效的周期性检测及精确维修是保证铁路运营安全和延长隧道寿命的关键手段。目前铁路工务部门检测隧道衬砌病害的方法主要有机器视觉法、地质雷达法、激光扫描法、声波检测等［1-6］。铁路隧道衬砌智能检测系统可灵活安装于工务轨道车或专用车辆上，已在中国铁路成都局、兰州局、广州局集团有限公司的工务轨道车以及中国铁道科学研究院集团有限公司的轮轨式、轮胎式高速铁路隧道检测车上应用，在沪昆高速铁路、贵广客运专线、长珲城际铁路、兰渝铁路等运营线路上使用，在银西铁路、郑万铁路、太焦铁路等新建线路检测中使用，涵盖不同线路等级、断面尺寸、单双线路的隧道。

传统的转化方法是采用人工二次录入的方式，将病害信息数据绘制到CAD矢量图上，存在工作量大、出错率高等问题。本文结合隧道衬砌表观病害智能检测系统，在机器视觉法的基础上，将相机拍摄的位图文件中病害像素点转化为病害的二维点云数据，然后通过Alpha Shapes算法［7-9］提取病害的轮廓边界点，最后将病害的轮廓通过C++编写的程序绘制到CAD矢量图中。通过研究图形交换格式（Drawing Interchange Format，DXF）文件的内容，提出基于DXF文件的隧道衬砌病害矢量图的自动生成方法。

1 隧道衬砌病害矢量化研究

1.1 隧道衬砌表观病害检测原理

隧道衬砌表观病害智能检测系统采用高速成像和激光扫描技术，实现隧道衬砌表观高清图像和限界数据的快速采集，同时基于深度学习技术实现衬砌开裂、剥落（掉块）、渗漏水等表观病害轮廓、位置的自动识别以及长度、宽度等特征的自动提取。

以单洞双线隧道为例，将多通道高清图像采集单元采用合适的交叉布局方式安装在检测车上，当检测车以一定运行速度在隧道内部检测时，高清相机会对视野范围内的隧道表面进行成像。根据每个相机安装的位置和成像视野，将隧道衬砌拱墙划分为八个区域，每个区域对应相机的成像通道，如图1所示。

图1 多相机的成像通道

当检测车在上行线检测运行时，1#—4#相机同时对隧道内表面的左半侧拍摄成像；当检测车在下行线检测运行时，5#—8#相机同时对隧道内表面的右半侧拍摄成像。通道可以表征病害在隧道环向上的坐标信息。

将1#—8#通道的图像数据按一定规则进行自动拼接，环向上剔除冗余，纵向上对齐并配准里程，按施工缝切分，得到全断面高清大图。

1.2 表观病害识别

采用深度学习技术训练多任务和多尺度的病害识别算法，输出纵向里程位置、环向拱墙区域等病害位置，精确提取病害轮廓，给出像素序列。根据像素尺度计算病害长度、宽度、面积等几何特征。系统可自动识别的特征有线条型病害（裂缝、网状裂缝等）和区域型病害（剥落掉块、施工缝破损、渗漏水等）。

1.3 病害里程定位

对于在二维平面图上标识病害属性信息和隧道台账信息的相对位置关系，里程定位的精确程度和描述方式至关重要。系统基础定位依靠安装在轴头的光电旋转编码器实现，其输出宽度固定且能自适应检测速度的脉冲信号，通过脉冲宽度和脉冲计数实现里程计算。相机的触发依赖相同的脉冲源，因此可实现图像和里程的初步配准。定位精度一般可达到每公里误差1 m以内。

针对某一座隧道，其入口、出口、公里标、半公里标是很好的里程校准依据，可实现分米级定位。根据隧道固定设施标志标识、施工缝等图像特征，可实现纵向和环向的厘米级定位。

本文实现的铁路隧道病害矢量图自动生成方法采用线路里程、洞身里程、断面信息综合进行描述。使用断面坐标将线路里程、关联图像与病害精准定位。里程坐标和断面坐标之间的数学关系为

式中：L为隧道的洞身里程；c为常数，与检测车的运行速度、编码器的采样频率等有关；N为断面坐标值；V x为断面在x维度上的像素值。

检测车测得的断面如图2所示。中间的三条浅灰色曲线，每两条曲线之间便是一个断面。断面的坐标方向是隧道的大里程方向，从隧道入口到隧道出口逐渐增大。隧道纵向的里程可以使用断面坐标表示。

图2 断面示意

1.4 隧道衬砌病害矢量图设计

1.4.1 底图设计

矢量图的原点是面向大里程时隧道左侧墙角。矢量图横轴沿隧道方向，其长度取决于隧道的长度。为方便核对和读取病害在隧道纵向上的位置，矢量图横坐标使用线路里程、洞身里程、断面序号三种标识。其中，隧道洞身里程和断面的起点都是相对于隧道入口，即隧道入口的洞身里程是0，断面序号是1。

矢量图的纵轴为隧道环向，垂直于线路方向，高度取决于隧道横断面的内周长，内周长通常由线路运行速度和隧道单双线类型决定。为方便找到病害在隧道环向上的位置，纵坐标的标识有下行起拱线、下行线路中线、隧道中线、上行线路中线、上行起拱线。典型横断面如图3所示。

图3 隧道的典型横断面

1.4.2 病害图元及图层设计

病害图元根据病害类型和轮廓形状进行定义。根据轮廓形状可以分为线条型病害和区域型病害，其中线条型病害有裂缝，区域型病害有衬砌剥落掉块、施工缝破损、渗漏水、衬砌不密实等。线条型病害的种类相对较少，可以使用AutoCAD中的折线或多线段绘制。区域型病害的种类相对较多，可以使用AutoCAD中的填充模式BOX、ANSI38等进行定义区分，见表1。

表1 病害名称及图元类型

根据Q/CR 405.2—2019《铁路桥隧建筑物劣化评定第2部分：隧道》中拱墙衬砌裂缝、渗漏水等病害的劣化指标等级评定，将病害划分为AA（极严重）、A1（严重）、B（较重）、C（较轻）、D（轻微）五个劣化等级，并分别使用红色、橙色、黄色、蓝色、绿色五种颜色对病害图元进行等级区分显示。为方便查阅标记矢量图中同一劣化等级的所有病害，将病害图元按劣化等级分别存放在图层1—图层5中。

2 隧道衬砌病害矢量化实现

2.1 DXF文件分析

DXF文件是AutoCAD图形文件中包含所有信息的一种带标记数据的表示方式文件。由于其具有结构严密、易于读取等特点，现已成为国际上较为通用的图形交换格式之一。一个完整的DXF文件由六个段组成，按顺序分别是标题段（HEADER）、类段（CLASSES）、表段（TABLES）、块段（BLOCKS）、实体段（ENTITIES）、对象段（OBJECT），其生成流程见图4。

图4 DXF文件生成流程

1）标题段。标题段记录了所有标题变量的当前值或当前状态。这些标题变量记录了图形系统的当前状态。

2）类段。类段包含的信息适用于应用程序定义的类，这些类的实例出现在数据库的BLOCKS、ENTITIES和OBJECTS段。

3）表段。表段包含若干个表，每个表都包含多个条目。本研究表段有4个表，包括线型表、图层表、字体表、视图表的定义。

4）块段。块段包含所有块的定义，其中包括由HATCH命令和由关联标注生成的匿名块。每个块定义都包含在图形中使用该块时构成该块的图元。此段中的图元格式与ENTITIES段中的相同。BLOCKS段中的所有图元都出现在BLOCK和ENDBLK图元之间。BLOCK和ENDBLK图元仅出现在BLOCKS段。

5）实体段。实体段记录了每个实体的名称、所在图层的名字、线型、颜色、厚度、实体描述字及有关的几何数据。多线段的主要组代码和组值见表2。可知，DXF文件实质是一组表达具体图形程序的执行指令，若能找到描述各个段和实体的组码和组值的规律，便可使用高级语言编写实现DXF文件自动生成的程序，将隧道病害信息写入DXF文件中。

表2 多线段组代码和组值

6）对象段。对象与图元类似，唯一不同的是对象没有图形或几何意义。初图元、符号表记录、符号表之外的所有对象都存储在对象段。该段通过所有权表示一个具有对象的拓扑次序的对象同类堆，因此所有者始终出现在它们所拥有的对象之前。

2.2 矢量化方法

基于DXF文件的隧道衬砌病害矢量化，是使用C++语言将隧道病害信息写入到DXF文件的实体段中，流程见图5。可知，铁路隧道衬砌病害矢量化主要有两部分：①CAD矢量图的底图和图例部分的生成；②CAD矢量图中病害图元和病害标注信息的生成。

图5 矢量化方法代码生成流程

2.3 隧道衬砌病害矢量图中底图和图例部分生成

在隧道衬砌病害矢量图的底图生成之前，应根据隧道的信息数据计算底图的长度和宽度。底图宽度h和长度L的计算式为

式中：C为隧道横断面的内周长，是由隧道所在线路的运行速度和隧道的单双线别决定；hd为矢量图下边框的高度；hu为矢量图下边框的高度；a为铁路隧道衬砌病害智能检测系统的系统补偿；N为该病害所在断面数；Lr为矢量图右边框的长度；Ll为矢量图左边框的长度。

矢量图横轴的线路里程、洞身里程、断面数值三种标识如图6（a）所示。根据检测隧道的病害种类设计图例中病害图元类型，如图6（b）所示。因此，在隧道衬砌病害矢量图底图和图例生成之前，应加载隧道的线路名称、线路运行速度、线路单双线别、隧道名称、隧道类型、隧道起始里程、隧道终止里程、隧道长度，检测断面数量、病害种类等隧道的信息数据。

图6 隧道衬砌矢量图底图和图例

2.4 隧道衬砌病害矢量图病害图元

病害图元的生成由两部分组成：①病害二维点云数据的边界提取；②病害坐标的转化和属性的计算，生成图元和文字注释部分。

2.4.1 轮廓提取

为方便在矢量图上查找区分病害，须将病害的轮廓显示在矢量图上，因此应对病害的点云数据进行边界轮廓的提取。使用Alpha Shapes可快速提取数据点云的边界轮廓点。

由高清图像采集单元获取的隧道表观病害图像经过图像处理后得到病害的点云数据，如图7（a）所示。图7（b）中红色散点便是点云数据经Alpha Shapes算法提取后的边界点。由于边界点是按照横轴顺序存储的，应对提取后的边界点数据进行排序，基于排序后的数据点绘制病害的轮廓曲线，如图7（c）所示。

图7 病害图像

2.4.2 坐标变换

病害i的轮廓数据坐标（x i，y i）是相对于一个断面的，需要将病害i的断面坐标转换成矢量坐标（X i，Y i）。病害坐标的转换式为

式中：V x为断面在x维度上的像素值。

病害属性包括线条型病害的长度l、区域型病害的面积S，计算式为

式中：（x i，y i）和（x i+1，y i+1）是病害相邻两点的坐标；n+1是线条型病害数据点的个数。

区域型病害的面积可用病害的外接矩形面积近似代替，即矩形长度与宽度的乘积。矩形的长度是病害在横轴上的最大值Xmax与最小值Xmin的差，矩形的宽度是病害在纵轴上的最大值Ymax与最小值Ymin的差。

将上述信息数据遵照DXF文件实体段中的多线段、填充、文本等图元格式规则，写入DXF文件中，便完成了隧道衬砌病害矢量化程序中的实体段部分。

2.5 应用实例

对某铁路局管辖范围内一隧道进行衬砌病害检测，并将病害的图像信息转化为矢量图，如图8所示。

图8（a）是高清相机拍摄的线条型病害裂缝的位图，图8（c）是对应的裂缝病害在矢量图上的图元，从图8（c）可清晰地识别病害的种类是裂缝，病害的长度是5.1 m，宽度是0.5 mm，劣化等级是D（轻微）。

图8（b）是高清相机拍摄的区域型病害施工缝破损的位图，图8（d）是对应的施工缝破损病害在矢量图上的图元，从图8（d）可清晰地识别病害的种类是施工缝破损，尺寸是5 768 mm×909 mm，劣化等级是C（较轻）。

图8 隧道衬砌病害位图和CAD矢量图

3 结语

隧道衬砌病害矢量图的自动生成方法应用广泛，适用于运营速度是350、250、200 km/h的单双线隧道。通过在多条运营线路使用发现，基于DXF文件生成隧道病害AutoCAD图，操作简单，可实现人工零参与，弥补人工绘制隧道矢量图的技术不足，实现隧道矢量图的一键生成，显著提升病害展示的效率和准确率，提高了隧道病害检测工作的效率，减少了人工成本。