一种基于改进VGG算法的隧道布孔装置及布孔方法与流程

本发明涉及隧道施工，尤其涉及一种基于改进vgg算法的隧道布孔装置及布孔方法。

背景技术：

1、随着铁路和公路建设的快速推进,山区高速公路建设任务日益繁重。为适应山区复杂地形,节省土地资源,隧道已成为公路建设的重要组成部分。隧道的大力应用,对优化线路、缩短里程、节约投资、减少环境影响发挥了积极作用。由于多处于高山地区,山岭隧道具有埋深较大、地质条件复杂等特点。这样的状况下，选择适应性强的施工方法尤为重要。钻爆法操作灵活,可以根据实际情况变化爆破参数,更好地应对地质突发情况，同时钻爆法也因其价格低廉，适应环境能力强成为目前适用最广的山岭隧道开挖技术之一。

2、钻爆法是通过钻孔爆破实现对岩石的破碎和抛掷以达到开挖目的，具有经济、高效、适应性强的特点。然而由于岩体性质的复杂性、多变性，钻孔爆破时会对围岩造成损伤，若不能有效合理的控制，会造成极大的安全感隐患，同时由于隧道施工环境的限制，实际现场施工时炮孔布置难以达到与设计完全一致，造成爆破效果不能达到预期，产生超欠挖现象，因此如何根据岩石性质精准布设炮孔是目前国内外专家学者的研究重点对象之一。

3、目前，传统的隧道掌子面参数检测方式以人工观察描绘为主。该方法不仅效率低且主观影响显著，在实际工作过程中经常出现与实际情况不相符的现象。随着科学技术的快速发展，计算机图像处理方法率先应用在露天岩体地质信息的识别当中。随着人工智能的快速发展，传统的土木工程行业引入了众多智能识别算法，实现了工程任务的智能化发展。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种基于改进vgg算法的隧道布孔装置及布孔方法，能够根据隧道掌子面图像自动生成炮孔布置图并投影于隧道掌子面上，以达到精准布置炮孔的目的。

2、本发明的一个目的是提供一种基于改进vgg算法的隧道布孔装置，该装置包括：

3、控制主机；

4、摄像机，安装在控制主机的前端面，且与控制主机电连接，并将获取的隧道掌子面图像发送至控制主机；

5、投影机构，安装在控制主机的底部，且与控制主机电连接，控制主机将接收的隧道掌子面图像，经过处理得出适用于当前掌子面的炮孔布置图，并传输至投影机构，通过投影机构投影至隧道掌子面上。

6、进一步地，控制主机包括图像处理器和主机固定支架，图像处理器安装于主机固定支架内部，且图像处理器与摄像机和投影机构电连接。

7、更进一步地，图像处理器内部设置有：

8、图像接收模块，用于接收摄像机传输的掌子面图像并对图像进行预处理；

9、图像处理模块，用于接收预处理后的掌子面图像，输入到改进的vgg网络模型中进行训练得到断面地质参数且输出；

10、数据库模块，创建工程基础数据库和施工信息数据库，存储有地质参数以及图像和历史的爆破炮孔布置方案；

11、参数匹配模块，对断面地质参数与数据库模块内的地质参数进行匹配，输出相应的炮孔布置方案；

12、输出模块，将炮孔布置方案输出至投影机构，再由投影机构将布置图投影至掌子面上，达到精准布孔的目的。

13、更进一步地，图像接收模块在接收到摄像机传输的掌子面图像后，对图像进行分隔处理，得到若干个实时的图像子图。

14、更进一步地，训练掌子面图像的具体过程如下：

15、(1)初始化vgg-16模型的超参数；

16、(2)将图像子图作为数据集训练vgg-16模型，计算每个训练图像子图的适应度值；

17、(3)若适应度置不满足训练终止条件，则用优化算法对超参数进行优化，并重复步骤(2)-(3)直至满足训练终止条件；

18、(4)以岩石单轴抗压强度、岩石密度、岩石产状、节理裂隙这四个参数作为输出目标，选择最优适应度值输出断面地质参数信息。

19、更进一步地，步骤3中的优化算法如下：

20、a、移动公式：

21、式中，x*为当前最优个体位置，β、m分别为[-1,1]、[0.4,0.9]内的随机数，xr1为种群内随机选择的一个个体，xi(t+1)为更新之后的个体位置，x*(t)为当前最优个体位置，xi(t)为当前个体的位置，通过上述移动公式，个体的位置在每次迭代中都会发生改变，公式能够使个体在搜索空间中保持一定的随机性；

22、b、寻找最优值

23、寻找最优值是优化算法的主要目标，即在搜索过程中不断更新个体的解，以找到最优解及其对应的目标函数最小值，优化算法在搜索过程中不断更新个体的解，并逐步收敛到最优解，其操作如下：

24、若第i个个体的位置为[x1,x2,…xn]，n为维度及待求解个数，选取岩石单轴抗压强度、岩石密度、岩石产状、节理裂隙这四个参数作为输出目标，n则为4，第i个个体在xi位置处，以它本身为中心搜索它的感知距离内有多少条个体；假设以xi为中心，以感知距离为半径内个体的个数为nf，求出nf个个体的中心位置xc，同时根据目标函数和中心位置xc处的目标函数值yc，若目标函数值yc符合下式：

25、

26、则第i个个体从xi处往xc处移动一步，移动方式如下

27、

28、否则，第i个个体以xi为原点，以感知距离为半径，在圆中搜索随机一个点xj，比较xj处的目标函数值yj和xi处的函数值yi，若yj优于yi则个体从xi向xj处前进一步，否则朝任意方向前进一步。

29、更进一步地，参数匹配模块的将超参数优化得到的地质参数信息与数据库模块内的数据进行匹配，具体操作如下：

30、按照隧道爆破的特征因素特点，对隧道爆破的不同参数进行赋值，称之为特征值，对每个爆破炮孔设计案例，形成特征向量fi,j，目标隧道爆破的特征值向量为gj，匹配向量为di：

31、di＝min(gj,fi,j)/max(gj,fi,j)

32、考虑到特征因素对目标隧道爆破的炮孔设计的影响程度，确定权重向量μ，相似度定义为：

33、si＝μ*di

34、选择匹配高相似度隧道爆破案例，确定爆破炮孔设计方案。

35、更进一步地，还包括投光机构，投光机构包括投光灯固定支架、投光灯和角度调整器，投光灯固定支架安装于图像处理器的顶部，投光灯安装在角度调整器上，角度调整器安装在投光灯固定支架上，通过角度调整器调整投光灯角度为摄像机拍摄隧道掌子面提供充足光源。

36、更进一步地，还包括三脚架机构，其包括伸缩固定杆、周边杆、连接铰链、伸缩套，伸缩固定杆顶部与投影机构底部连接，周边杆顶部通过连接铰链与伸缩固定杆活动连接，伸缩套设置在伸缩固定杆上。

37、本发明的另一个目的是提供一种基于改进vgg算法的隧道布孔方法，包括以下步骤：

38、步骤1：在进行操作前，首先确保掌子面上渣土已清理干净，掌子面前方无遮挡，所有人员位于装置后方，人员通过调整三脚架机构和投光机构配合控制主机首先控制摄像机拍摄完整掌子面图片；

39、步骤2：图像接收模块获取隧道断面高清完整掌子面图像，并对掌子面图像进行预处理，得到若干个实时的图像子图；

40、步骤3：输入至图像处理模块内的改进vgg-16网络模型训练，进行超参数优化；

41、步骤4：根据超参数优化得到断面质地参数与数据库模块内的工程基础数据库和施工信息数据库进行匹配，输出相应的炮孔布置方案；步骤5：将炮孔布置方案输入到投影机构，投影机构将炮孔布置图投影到隧道掌子面上，工作人员将炮孔位置在隧道掌子面进行标记后，进行后续钻孔装药作业。

42、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

43、本发明基于改进vgg算法对图像进行处理，得到适用于当前地质情况的炮孔布置图，传输至投影机构并由投影机构投影至隧道掌子面上，施工人员可进行标记后进行钻孔。通过对vgg16算法的改进，可以更快速精确识别出断面地质参数，提高因地质情况变化可及时调整炮孔布置方案的机动性以及对掌子面投影确保钻孔的精确性，大大减少了施工经济成本与时间成本，且有效减少了爆破因钻孔方案调整不及时或人员施工不精确带来的问题，保证施工过程的安全与高效。