一种引水隧洞衬砌结构损伤探测系统以及方法

技术领域

本申请涉及隧洞结构探测领域，具体涉及一种水电工程引水隧洞衬砌结构损伤探测系统以及方法。

背景技术

引水隧洞是水电工程中用于连接水电站进水口和调压室的地下输水构筑物，利用流域的天然高差，实现在没有大坝条件下的长距离引水发电，是水电资源开发的一种重要形式。引水隧洞在发电运行过程中处于满水状态，需要承受长期的内外水压力的共同作用，属于典型的有压隧洞，长期的内外水环境作用导致隧洞的衬砌结构存在潜在的开裂、剥落、脱空以及变形等结构损伤风险。

为了避免衬砌结构的结构损伤对发电系统产生不利影响，保障水电站的安全运行，定期对隧洞内壁衬砌结构进行安全检测，及时探测引水隧洞的结构损伤显然尤为重要。

而传统引水隧洞的探测工作主要采取人工放空检修方案，即在隧洞完全放空的条件下，由检修人员对隧洞内壁衬砌结构的变形、开裂情况进行人工检测以及统计记录，人工探测方法不仅存在检测周期长、工作效率低以及检测精度差的缺陷，更主要的缺陷在于引水隧洞潮湿低氧的内部环境不利于检修人员的安全，存在较大的作业风险，并且放空检修不符合引水隧洞满水内压的实际运行状态，会对引水隧洞的安全运行产生不利影响。

发明内容

本申请提供了一种引水隧洞衬砌结构损伤探测系统以及方法，用于由水下机器人采集引水隧洞的隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，继而得到引水隧洞的隧洞衬砌三维结构模型，在引水隧洞不放空条件下实现隧洞衬砌结构损伤演化特征的高精度自动化探测。

第一方面，本申请提供了一种引水隧洞衬砌结构损伤探测系统，探测系统包括水下机器人以及机器人控制设备；

水下机器人在本体的前端设有摄像装置、三维声呐装置以及防护罩，防护罩将摄像装置与水下机器人的外部环境相隔离，当水下机器人进入引水隧洞后，摄像装置透过防护罩采集水下机器人周围环境的隧洞衬砌图像数据，三维声呐装置采集水下机器人周围环境的隧洞衬砌三维超声数据；

机器人控制设备通过自身与水下机器人之间建立的无线网络连接，控制水下机器人在引水隧洞中的工作，当接收到水下机器人传输过来的隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据后，基于图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据融合，生成引水隧洞的隧洞衬砌三维结构模型，并根据隧洞衬砌三维结构模型进行不同时间的测试结果对比分析和损伤模拟分析，获得隧洞衬砌表面的破坏和开裂随时间变化的演化特征。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第一种可能的实现方式中，机器人控制设备基于图像数据以及三维超声数据，分别生成引水隧洞对应的数字表面模型(DigitalSurface Model，DSM)以及数字正射影像图(Digital Orthophoto Map，DOM)，将DSM以及DOM融合，得到隧洞衬砌三维结构模型。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第二种可能的实现方式中，水下机器人在本体的后端设有仿生尾鳍驱动装置，以驱动水下机器人前进、转向；

或者，水下机器人在本体的两侧设有水平螺旋桨驱动装置，以驱动水下机器人前进、转向；

或者，水下机器人在本体的两侧设有垂直螺旋桨驱动装置，以驱动水下机器人上升、下降和悬停。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第三种可能的实现方式中，水下机器人在本体的表明设有环向布置的照明装置，以照明水下机器人的周围环境。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第四种可能的实现方式中，水下机器人在本体的底部设有支撑装置，支撑装置包括中空结构设置的第一支撑架以及第二支撑架，第一支撑架以及第二支撑架两者的顶部都与本体的底部连接。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第五种可能的实现方式中，水下机器人在本体上，还设有水压传感器以及温度传感器，当水下机器人进入引水隧洞后，水压传感器采集引水隧洞的水压数据，温度传感器采集引水隧洞的温度数据，当接收到水下机器人传输过来的水压数据以及温度数据后，机器人控制设备融合隧洞衬砌图像数据、隧洞衬砌三维超声数据、水压数据以及温度数据，得到隧洞衬砌三维结构模型。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第六种可能的实现方式中，水下机器人在本体上，还设有姿态自动控制装置，姿态自动控制装置包括3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁力计以及GPS，用于实时获取水下机器人包括位置、速度、航向、倾角、翻滚角的三维姿态信息，当机器人控制设备接收到水下机器人传输过来的三维姿态信息后，机器人控制设备对三维姿态信息进行分析解算，获取并预测水下机器人的当前时刻的运动轨迹和下一时刻的运动轨迹，若下一时刻的运动轨迹偏离预设的航线方向，机器人控制设备发送姿态纠偏指令，修正水下机器人的三维姿态，使水下机器人保持在隧洞中线沿预设航线方向前进。

第二方面，本申请提供了一种引水隧洞衬砌结构损伤探测方法，方法包括：

获取水下机器人采集到的隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，其中，图像数据为水下机器人进入引水隧洞后通过自身的摄像装置采集自身周围环境得到的数据，隧洞衬砌三维超声数据为水下机器人进入引水隧洞后通过自身的三维声呐装置采集自身周围环境得到的数据；

基于隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，融合生成引水隧洞的隧洞衬砌三维结构模型；

根据隧洞衬砌三维结构模型进行不同时间的测试结果对比分析和损伤模拟分析，获得隧洞衬砌表面的破坏和开裂随时间变化的演化特征。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第一种可能的实现方式中，基于隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，生成引水隧洞的隧洞衬砌三维结构模型包括：

基于隧洞衬砌图像数据以及三维超声数据，分别生成引水隧洞对应的DSM以及DOM；

将DSM以及DOM融合，得到隧洞衬砌三维结构模型。

第三方面，本申请提供了一种引水隧洞衬砌结构损伤探测装置，装置包括：

获取单元，用于获取水下机器人采集到的隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，其中，图像数据为水下机器人进入引水隧洞后通过自身的摄像装置采集自身周围环境得到的数据，隧洞衬砌三维超声数据为水下机器人进入引水隧洞后通过自身的三维声呐装置采集自身周围环境得到的数据；

生成单元，用于基于隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，生成引水隧洞的隧洞衬砌三维结构模型；

分析单元，用于根据隧洞衬砌三维结构模型进行不同时间的测试结果对比分析和损伤模拟分析，获得隧洞衬砌表面的破坏和开裂随时间变化的演化特征。

结合本申请第三方面，在本申请第三方面第一种可能的实现方式中，生成单元，具体用于：

基于隧洞衬砌图像数据以及三维超声数据，分别生成引水隧洞对应的DSM以及DOM；

将DSM以及DOM融合，得到隧洞衬砌三维结构模型。

第四方面，本申请提供了一种处理设备，包括处理器和存储器，存储器中存储有计算机程序，处理器调用存储器中的计算机程序时执行本申请第二方面或者本申请第二方面任一种可能的实现方式提供的方法。

第五方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有多条指令，指令适于处理器进行加载，以执行本申请第二方面或者本申请第二方面任一种可能的实现方式提供的方法。

从以上内容可得出，本申请具有以下的有益效果：

对于隧洞探测场景，本申请提出了一种新的探测机制，由水下机器人通过自身配置的摄像装置以及三维声呐装置，分别采集引水隧洞中的水下机器人周围环境的隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，再传输到机器人控制设备，由机器人控制设备基于该隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据生成引水隧洞的隧洞衬砌三维结构模型，在这过程中，结合图像采集以及结构扫描两方面，精确地拟合引水隧洞的隧洞衬砌水下结构的三维结构，并作结构损伤分析，从而在引水隧洞不放空条件下完成对引水隧洞的隧洞衬砌结构损伤演化特征的高精度自动化探测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请摄像装置的一种结构示意图；

图2为本申请水下机器人的一种结构示意图；

图3为本申请尾鳍驱动装置的一种结构示意图；

图4为本申请照明装置的一种结构示意图；

图5为本申请探测方法的一种流程示意图；

图6为本申请探测装置的一种结构示意图；

图7为本申请处理设备的一种结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。在本申请中出现的对步骤进行的命名或者编号，并不意味着必须按照命名或者编号所指示的时间/逻辑先后顺序执行方法流程中的步骤，已经命名或者编号的流程步骤可以根据要实现的技术目的变更执行次序，只要能达到相同或者相类似的技术效果即可。

本申请中所出现的模块的划分，是一种逻辑上的划分，实际应用中实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合成或集成在另一个系统中，或一些特征可以忽略，或不执行，另外，所显示的或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块之间的间接耦合或通信连接可以是电性或其他类似的形式，本申请中均不作限定。并且，作为分离部件说明的模块或子模块可以是也可以不是物理上的分离，可以是也可以不是物理模块，或者可以分布到多个电路模块中，可以根据实际的需要选择其中的部分或全部模块来实现本申请方案的目的。

在本申请中，引水隧洞衬砌结构损伤探测系统包括了水下机器人以及机器人控制设备两方面，水下机器人负责在引水隧洞现场的水下环境中进行数据的采集，而机器人控制设备则可通过远程操控的方式控制水下机器人的工作，并还可接收水下机器人传输过来的采集到的数据；进一步的，机器人控制设备还可根据这些接收到的数据进行数据分析，实现深层的水下探测。

其中，水下机器人与机器人控制设备之间建立的网络连接，为无线连接方式。

无线连接方式通过无线通信方式，远程地建立通信，无需铺设线缆，且可不用考虑线缆可能对水下机器人的水下运行造成阻碍，以及可避免线缆收到引水隧洞的水下环境如石片结构的摩擦，因此，更适用于实际应用，应用场景更佳的广泛以及灵活。

机器人控制设备侧，可根据水下机器人在本体上配置的传感器采集的数据，控制水下机器人的运行。

例如，机器人控制设备可根据水下机器人在本体上配置的摄像头采集的图像，在工作人员的手动控制下，向水下机器人发送控制指令，以控制水下机器人的行进方向、行进速度、机体姿态或者其他的工作状态，具体可随水下机器人在本体上配置的不同组件、不同工作模式等影响因素调整。

具体的，机器人控制设备可配置显示屏，以向工作人员输出相关的内容，例如水下机器人自身的设备参数、水下机器人采集到的数据、网络连接状态等；机器人控制设备也可包括控制手柄，工作人员可直接操作控制手柄，控制水下机器人的行进。

进一步的，机器人控制设备可根据实际应用中的人机交互需求，灵活配置自身的组件；或者，也可根据方便控制的应用需求，机器人控制设备除了可以为服务器设备、主机设备、电脑一体机这类固定式设备，也可以为笔记本电脑、平板电脑、个人数字助理(Personal Digital Assistance，PDA)、智能手机、控制器等类型的用户设备(UserEquipment，UE)；或者，考虑到提升数据处理能力，机器人控制设备还可以以设备集群的方式设置，例如多个设备可具体分为控制部分以及数据处理部分，而数据处理部分的设备还可由主设备将数据处理任务分发到各子设备处，由各子设备处理子处理任务，再汇总任务处理结果。

从上述可看出，本申请所提供的机器人控制设备，其自身组件又或者自身的设备形式，可随实际需要调整，具体在此不做限定。

另一边，本申请所提供的水下机器人，相对来说则具有比较固定的硬件结构。

可以理解的，水下机器人，为用于水下环境工作的机器人，在水下环境通过航行的方式，采集目标区域水下结构的相关数据，采用水下航行模式可以显著提高机体的机动性和灵活性，使其具有很强的避障能力和水下环境适应能力。

当然，水下机器人，也可用于在水面工作，甚至，若具有轮、履带、机械臂等类型的驱动装置，也可在水、陆环境中的地面进行行走，具体可随实际需要调整。

在本申请中，水下机器人在本体的前端设有照明装置、摄像装置、三维声呐装置以及防护罩，照明装置为水下阴暗环境提供充足的光线和视野，防护罩将摄像装置与水下机器人的外部环境相隔离，三维声呐装置可暴露于水体中，当水下机器人进入引水隧洞后，摄像装置透过防护罩采集水下机器人周围环境的图像数据，三维声呐装置采集水下机器人周围环境的隧洞衬砌三维超声数据。

其中，防护罩可设有防水密封圈以及防水垫片，用于保证密封性，并且防护罩优选地为透明防护罩，可为摄像装置提供清晰的视野。

示例性的，摄像装置具体可包括全景摄像头(全景相机)，全景摄像头相比于传统的摄像头，具有更广的视野。参阅图1示出的本申请摄像装置的一种结构示意图，摄像装置可包括全景摄像头、旋转连杆以及回转底座，水下机器人中的驱动装置可回转底座、旋转连杆构成的联动结构，调整全景摄像头的姿态，以便于全景图像的采集。

在实际应用中，本申请可采用HD高清全景摄像头，镜头在水平方向上的旋转范围为±90°，在垂直方向上的旋转范围为±45°，广阔的拍摄视野可以更好的采集到隧洞衬砌结构的图像数据，摄像头还可采用防雾功能，防止其起雾。

示例性的，高清全景摄像头的性能，可参考下面示出的高清全景防雾摄像头技术参数表：

表1-高清全景防雾摄像头技术参数表

进一步的，摄像装置还可配置补光灯(对应后续提及的补光装置)，以为摄像头的拍摄提高灯光补偿，以更为清晰地捕捉图像细节。在实际应用中，本申请补光灯具体可采用自感应频闪补光灯，由多颗平均功率为27w的LED灯珠组成，采用低压直流供电方式，光亮强度连续5级可调，用于自动补光保证摄像头成像质量。

示例性的，补光灯的性能，可参考下面示出的频闪补光灯技术参数表：

表2-补光灯技术参数表

示例性的，三维声呐装置可包括三维声呐探头，在实际应用中，可具有比一般声呐更高频率的数据更新速度，并可以通过姿态自动控制装置进行机器人机体航行姿态实时修正，可以保证对水下结构表面的精准识别。

示例性的，三维声呐的性能，可参考下面示出的三维声呐技术参数表：

表3-水下三维声呐技术参数表

举例而言，作为一种较为实用的实现方式，参阅图2示出的本申请引水隧洞衬砌结构损伤探测水下机器人的一种结构示意图，从图2可看出，本申请所提供的水下机器人，采用了以航行驱动类型的机器人结构。

水下机器人的本体，其主要包括一密闭舱体，可保证密封性，下水后水体不进入水下机器人的本体内部，舱体内设置水下机器人的电源装置、通信装置以及控制装置，控制装置用于控制水下机器人上的组件的运作，电源装置提供这些组件运作时所需的电源，通信装置则用于与机器人控制设备进行通信。

电源装置包括电池以及充电装置，充电装置上设有压力触动开关，当电池电量不足时，工作人员可手动按压触动开关使充电装置从舱体底部弹出，即可进行设备的充电工作；通信模块对应上述提及的无线通信方式，具有相关的接口以实现数据传输功能；控制装置包括控制电路板，与受控组件配置有电连接，以进行数据传输。

示例性的，该密闭舱体，在实际应用中具体可采用双层结构，内层可采用铝合金材料形成防水承压内层，最大可承受100米深的外水压力，用于确保舱体内各组件在引水隧洞内仍可保持良好的工作性能；外层可采用多孔介质材料形成舱体表层，附着在内层舱体表面的多孔介质材料用于改变表层的流体特性，减小航行阻力，从而提高续航能力。

示例性的，舱体的性能，可参考下面示出的舱体技术参数表：

表4-舱体技术参数表

进一步的，在一些情况下舱体内还可设置驱动装置，该驱动装置用于为设于本体上的驱动结构提供驱动动力。如图2示出的，水下机器人可在本体的后端设有仿生尾鳍驱动装置，以驱动水下机器人前进、转向，继续参考图3示出的本申请仿生尾鳍驱动装置的一种结构示意图，本申请中，仿生尾鳍驱动装置可包括尾鳍叶片、旋转轴承、传动杆件，通过传动杆件与舱体内驱动装置的驱动电机相连，当驱动电机工作时可通过传动杆件、旋转轴承以及固定杆件构成的联动结构，驱动尾鳍叶片摇摆，通过仿生和流体力学原理进行设计，模拟鱼类通过尾鳍在水下环境中高效快速、机动灵活的游动，驱动水下机器人朝沿预设航线行进，在实际应用中可测得前进速度可达2m/s。

此外，除了仿生尾鳍驱动装置，水下机器人还可以设置一仿生背鳍平衡装置，该仿生背鳍平衡装置，以模拟鱼类通过背鳍在水下环境中调整自身的姿态，或者说调整自身的平衡，以防止出现机身侧翻的情况，进一步提高水下机器人在水下环境中的稳定性。

当然，水下机器人也可采用螺旋桨的驱动方式，例如，可在本体的后端配置螺旋桨驱动装置，通过螺旋桨在旋转时给本体带来的反冲力，驱动水下机器人前进。

除了后端，水下机器人也可在本体的其他位置配置螺旋桨驱动装置，从而可获得更大的反冲力，或者可更加灵活地调整机身运行姿态。例如，水下机器人可在两侧分别设置水平螺旋桨驱动装置和垂直螺旋桨驱动装置，可调整两侧水平螺旋桨驱动装置之间的转速差来调整水下机器人在行进时的左右方向调整，还可调整两侧垂直螺旋桨驱动装置的转速和旋转方向来调整水下机器人在行进时的上升、下降及悬停调整。

其中，螺旋桨驱动装置，可通过机械臂的连接方式，连接在水下机器人的本体上。

如图2示出的，水下机器人还可同时配置仿生尾鳍驱动装置、水平螺旋桨驱动装置以及垂直螺旋桨驱动装置。在实际应用中，机器人本体后端的仿生尾鳍驱动装置作为主要推进设备，为水下机器人提供主驱动动力；两侧的水平螺旋桨驱动装置则作为辅助推进设备，当出现仿生尾鳍驱动装置故障，或者水流条件、周围环境结构不利于仿生尾鳍驱动装置工作等异常情况，为水下机器人提供备用驱动动力；两侧的垂直螺旋桨驱动装置也作为辅助推进设备，为水下机器人的垂直升降和悬停操作提供驱动动力。

此外，对于水下机器人的移动控制，水下机器人在本体上，还可设有姿态自动控制装置，姿态自动控制装置包括3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁力计以及GPS，用于实时获取水下机器人包括位置、速度、航向、倾角、翻滚角的三维姿态信息，当机器人控制设备接收到水下机器人传输过来的三维姿态信息后，机器人控制设备对三维姿态信息进行分析解算，获取并预测水下机器人的当前时刻的运动轨迹和下一时刻的运动轨迹，若下一时刻的运动轨迹偏离预设的航线方向，机器人控制设备发送姿态纠偏指令，修正水下机器人的三维姿态，使水下机器人保持在隧洞中线沿预设航线方向前进。

其中，如图2示出的，水下机器人还可在本体表面配置照明装置，以照明水下机器人的周围环境，为水下阴暗环境提供充足的光线和视野。

示例性的，参阅图4示出的本申请照明装置的一种结构示意图，该照明装置，在实际应用中可环向布置于本体前端靠近摄像装置处，具体可包括透光仓和四块弧形发光板，每块发光板上设有安装槽和多颗高亮LED灯珠，采用低压直流供电方式，光亮强度连续5级可调，用于水下环境的摄像照明。采用环向带状布置形式的照明装置，相比于传统的点、线状布置形式的照明装置，具有更均匀和更广阔的视野，更便于视频图像的采集。

继续查阅图2，可看出的是，水下机器人还可在本体的底部设有支撑装置，用于提供水下机器人可停止航行，固定在水下地面。

该支撑装置，可包括中空结构(可减少重量以及阻力，保证机身的轻便性以及灵活性)设置的第一支撑架以及第二支撑架，第一支撑架以及第二支撑架两者的顶部都与本体的底部连接。其中，第一支撑架、第二支撑架可通过螺旋、焊接、卡扣等连接方式固定于水下机器人的本体的底部。

在实际应用中，水下机器人可随需要，在内部或者表面配置相关的传感器，以采集到探测所需的数据，采集的数据，可传输至机器人控制设备，供数据分析。

例如，水下机器人可配置水压传感器，用于采集水下机器人所处环境的水压数据；或者，水下机器人可配置温度传感器，可采集水下机器人所处环境的水温数据或者水下机器人内部的温度数据；又或者，水下机器人可配置定位传感器，以采集水下机器人的定位数据；又或者，水下机器人可配置姿态传感器，例如3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁力计等，以采集水下机器人自身的三维姿态数据，为调整修正水下机器人的姿态提供数据支持。

其中，水下机器人还可配置预警机制，当采集到的数据超过预设警戒值时，例如水压过高、温度过高、电池电量过低等，则可向机器人控制设备发出预警提示，又或者触发水下机器人的机身上配置的预警指示灯。

可以理解，传感器的类型，具体可随实际需要调整，具体在此不做限定。

上述是本申请提供的水下机器人的硬件结构内容的说明，下面则介绍机器人控制设备涉及的数据处理内容的说明。

在本申请中，当机器人控制设备获取到水下机器人由摄像装置采集到的隧洞衬砌图像数据，以及由三维声呐装置采集到的隧洞衬砌三维超声数据后，则可基于这两者，生成隧洞衬砌三维结构模型。

可以理解，隧洞衬砌图像数据对应的是图像采集方面，隧洞衬砌三维超声数据对应的是扫描结构方面，本申请则将两者进行融合，将摄影测量和声呐扫描相结合，利用摄影测量原理和超声测距原理获取水下结构的影像数据和超声数据，并依此拟合引水隧洞的隧洞衬砌水下结构的三维结构模型，并作结构损伤分析，从而在引水隧洞不放空条件下完成对引水隧洞的隧洞衬砌结构损伤演化特征的高精度自动化探测。

其中，该数据处理，具体可通过神经网络模型实现。可针对不同样本引水隧洞，采集样本隧洞衬砌图像数据以及样本隧洞衬砌三维超声数据，并标注其对应的隧洞衬砌三维结构模型(为数据处理后得到的静态数据，用于表示对应样本引水隧洞的隧洞衬砌结构)，依次将样本引水隧洞的样本隧洞衬砌图像数据以及样本隧洞衬砌三维超声数据输入神经网络模型，进行正向转播，并提取模型融合输入图像后输出的隧洞衬砌三维结构模型的数据，结合当前模型输出的隧洞衬砌三维结构模型的数据以及之前标注的隧洞衬砌三维结构模型的数据计算损失函数，并根据损失函数计算结果对模型进行反向传播，调整、优化模型的参数，如此经过多轮的训练，达到训练次数、训练时间、调度精度等模型训练要求时，可完成模型的训练，训练完成的模型则可内置于工程应用，投入实际应用以及推广。

其中，其模型类型，具体可以采用如SSD模型、YOLOv3模型、R-CNN模型、Fast R-CNN模型、Faster R-CNN模型、Mask R-CNN模型、ResNet模型等不同类型的模型；损失函数示例性的，可以为交叉熵损失函数、Triplet损失函数、中心损失函数等类型的损失函数。

示例性的，隧洞衬砌三维结构模型的生成处理，具体可结合隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据两者，分别生成引水隧洞对应的DSM以及DOM，接着再将DSM以及DOM融合，得到三维结构模型。

DSM，数字表面模型，可用于真实地表达衬砌表面实际情况。

DOM，数字正射影像图，为同时具有几何精度和影像特征的图像，具有精度高、信息丰富、直观逼真、获取快捷等优点，可为损伤分析提供可靠、有力的数据支持。

通过融合两者所得到的隧洞衬砌三维结构模型，可兼具DSM以及DOM两者的优点，高精度地反映引水隧洞的隧洞衬砌结构。

举例而言，所处理得到的隧洞衬砌三维结构模型，不仅可从地形因素来反应引水隧洞的隧洞衬砌结构，还可结合水下机器人采集到的除隧洞衬砌图像数据、隧洞衬砌三维超声数据以外的数据，丰富该隧洞衬砌三维结构模型的数据内容，以更为丰富、真实地还原引水隧洞的隧洞衬砌结构。

例如，当机器人控制设备接收到水下机器人传输过来的水压数据以及温度数据后，还可融合隧洞衬砌图像数据、隧洞衬砌三维超声数据、水压数据以及温度数据四者，得到引水隧洞的隧洞衬砌三维结构模型，如此，隧洞衬砌三维结构模型中，除了反应引水隧洞的隧洞衬砌三维结构特征，还可反应引水隧洞的水压以及水温，提供更为强大的数据支持。

在得到反映引水隧洞的隧洞衬砌结构的隧洞衬砌三维结构模型后，则可基于该模型进行不同时间的测试结果对比分析或者不同时间下的损伤模拟分析，以确定对隧洞衬砌在不同时间点(包括过去时间点、当前时间点甚至未来时间点)下的损伤探测结果。

损损伤探测结果，或者说隧洞衬砌表面的破坏和开裂随时间变化的演化特征，具体可以从类型、区域以及程度三种方面进行具体的体现，以开裂特征为例，可包括开裂类型、开裂地点、开裂宽度以及开裂深度。

确定了破坏和开裂随时间变化的演化特征，或者说，确定了损伤探测结果后，可为引水隧洞的维护提供具体的数据支持，方便工作人员了解隧洞衬砌表面结构的老化、损坏情况，及时安排相应的结构补救措施、人员撤离措施、人员抢救措施等应对措施。

对应于上述提供的引水隧洞衬砌结构损伤探测系统中机器人控制设备进行的数据处理，本申请还提供了一种引水隧洞衬砌结构损伤探测方法，如图5示出的本申请引水隧洞衬砌结构损伤探测方法的一种流程示意图，本申请提供的探测方法，具体可包括如下步骤：

步骤S501，获取水下机器人采集到的隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，其中，图像数据为水下机器人进入引水隧洞后通过自身的摄像装置采集自身周围环境得到的数据，隧洞衬砌三维超声数据为水下机器人进入引水隧洞后通过自身的三维声呐装置采集自身周围环境得到的数据；

步骤S502，基于隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，生成引水隧洞的隧洞衬砌三维结构模型；

步骤S503，根据隧洞衬砌三维结构模型进行不同时间的测试结果对比分析和损伤模拟分析，获得隧洞衬砌表面的破坏和开裂随时间变化的演化特征。

在一种示例性的实现方式中，基于隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，生成引水隧洞的隧洞衬砌三维结构模型可包括：

基于隧洞衬砌图像数据以及三维超声数据，分别生成引水隧洞对应的DSM以及DOM；

将DSM以及DOM融合，得到隧洞衬砌三维结构模型。

上述方法各步骤的说明，具体可参考前面引水隧洞衬砌结构损伤探测系统涉及的数据处理部分的说明，具体在此不再赘述。

其中，应当理解的是，该探测方法，不仅可用于机器人控制设备上，还可用于其他设备，当服务器设备、主机设备或者UE等不同类型的处理设备调取到水下机器人从引水隧洞采集到的隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，即可通过应用本申请提供的引水隧洞衬砌结构损伤探测方法，处理得到引水隧洞的隧洞衬砌三维结构模型，并可基于该隧洞衬砌三维结构模型进行进行不同时间的测试结果对比分析，或者进行不同时间下的损伤模拟分析，以确定对隧洞衬砌在不同时间点(包括过去时间点、当前时间点甚至未来时间点)下的损伤探测结果，获得隧洞衬砌表面的破坏和开裂随时间变化的演化特征。

进一步的，本申请还提供了一种引水隧洞衬砌结构损伤探测装置，参阅图6，图6为本申请引水隧洞衬砌结构损伤探测装置的一种结构示意图，在本申请中，引水隧洞衬砌结构损伤探测装置600具体可包括如下结构：

获取单元601，用于获取水下机器人采集到的隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，其中，图像数据为水下机器人进入引水隧洞后通过自身的摄像装置采集自身周围环境得到的数据，隧洞衬砌三维超声数据为水下机器人进入引水隧洞后通过自身的三维声呐装置采集自身周围环境得到的数据；

生成单元602，用于基于隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，生成引水隧洞的隧洞衬砌三维结构模型；

分析单元603，用于根据隧洞衬砌三维结构模型进行不同时间的测试结果对比分析和损伤模拟分析，获得隧洞衬砌表面的破坏和开裂随时间变化的演化特征。

在一种示例性的实现方式中，生成单元602，具体用于：

基于隧洞衬砌图像数据以及三维超声数据，分别生成引水隧洞对应的DSM以及DOM；

将DSM以及DOM融合，得到隧洞衬砌三维结构模型。

进一步的，本申请还提供了一种处理设备，该处理设备具体可以为引水隧洞衬砌结构损伤探测系统中的机器人控制设备或者其他设备，参阅图7，图7示出了本申请处理设备的一种结构示意图，具体的，本申请处理设备可包括处理器701、存储器702以及输入输出设备703，处理器701用于执行存储器702中存储的计算机程序时实现如图5对应实施例中引水隧洞衬砌结构损伤探测方法的各步骤；或者，处理器701用于执行存储器702中存储的计算机程序时实现如图6对应实施例中各单元的功能，存储器702用于存储处理器701执行上述图5对应实施例中引水隧洞衬砌结构损伤探测方法所需的计算机程序。

示例性的，计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器702中，并由处理器701执行，以完成本申请。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序在计算机装置中的执行过程。

处理设备可包括，但不仅限于处理器701、存储器702、输入输出设备703。本领域技术人员可以理解，示意仅仅是处理设备的示例，并不构成对处理设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如处理设备还可以包括网络接入设备、总线等，处理器701、存储器702、输入输出设备703以及网络接入设备等通过总线相连。

处理器701可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是处理设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个设备的各个部分。

存储器702可用于存储计算机程序和/或模块，处理器701通过运行或执行存储在存储器702内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器702内的数据，实现计算机装置的各种功能。存储器702可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据处理设备的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(SecureDigital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

处理器701用于执行存储器702中存储的计算机程序时，具体可实现以下功能：

获取水下机器人采集到的隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，其中，图像数据为水下机器人进入引水隧洞后通过自身的摄像装置采集自身周围环境得到的数据，隧洞衬砌三维超声数据为水下机器人进入引水隧洞后通过自身的三维声呐装置采集自身周围环境得到的数据；

基于隧洞衬砌图像数据以及隧洞衬砌三维超声数据，生成引水隧洞的隧洞衬砌三维结构模型；

根据隧洞衬砌三维结构模型进行不同时间的测试结果对比分析和损伤模拟分析，获得隧洞衬砌表面的破坏和开裂随时间变化的演化特征。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的引水隧洞衬砌结构损伤探测装置、处理设备及其相应单元的具体工作过程，可以参考如图5对应实施例中引水隧洞衬砌结构损伤探测方法的说明，具体在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。

为此，本申请提供一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本申请如图5对应实施例中引水隧洞衬砌结构损伤探测方法中的步骤，具体操作可参考如图5对应实施例中引水隧洞衬砌结构损伤探测方法的说明，在此不再赘述。

其中，该计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(Read Only Memory，ROM)、随机存取记忆体(Random Access Memory，RAM)、磁盘或光盘等。

由于该计算机可读存储介质中所存储的指令，可以执行本申请如图5对应实施例中引水隧洞衬砌结构损伤探测方法中的步骤，因此，可以实现本申请如图5对应实施例中引水隧洞衬砌结构损伤探测方法所能实现的有益效果，详见前面的说明，在此不再赘述。

以上对本申请提供的引水隧洞衬砌结构损伤探测系统、方法、装置、处理设备以及计算机可读存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。