一种基于改进VGG算法的隧道布孔装置及布孔方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，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

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。

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。

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。

发明内容

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。

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：

控制主机；

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；

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。

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。

更进一步地，图像处理器内部设置有：

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；

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；

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；

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；

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。

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。

更进一步地，训练掌子面图像的具体过程如下：

(1)初始化VGG-16模型的超参数；

(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；

(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；

(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。

更进一步地，步骤3中的优化算法如下：

a、移动公式：

式中，X

b、寻找最优值

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：

若第i个个体的位置为[X

则第i个个体从X

否则，第i个个体以X

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：

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F

D

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：

S

选择匹配高相似度隧道爆破案例，确定爆破炮孔设计方案。

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。

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。

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：

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；

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；

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；

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。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

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。

附图说明

图1为一种基于改进VGG算法的隧道布孔方法流程图；

图2为改进VGG算法的流程图；

图3为一种基于改进VGG算法的隧道布孔装置结构示意图；

图4为一种基于改进VGG算法的隧道布孔装置另一方向的结构示意图。

附图表号说明：

1-三脚架机构；11-伸缩固定杆；12-周边杆；13-连接铰链；14-伸缩套；

2-投影机构；21-投影仪；22-投影仪固定支架；

3-摄像机；

4-控制主机；41-图像处理器；42-主机固定支架；

5-投光机构；51-固定支架；52-角度调整器；53-投光灯。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

下面以具体实施方案进行详细描述：

如图3、4所示的一种基于改进VGG算法的隧道布孔装置，包括三脚架机构1、投影机构2、摄像机3、控制主机4和投光机构5；控制主机4别接电连接投影机构2、摄像机3；三脚架机构1用于调整摄像机3拍摄完整掌子面图像以及调整所述投影机构2将炮孔图像投影至掌子面上；投影机构2用于接受所述控制主机4所输出的掌子面炮孔分布图并投影至掌子面上；摄像机3用于获取隧道掌子面图像并发送至所述控制主机4；控制主机4用于接收摄像机3所拍摄的隧道掌子面图像，经过多重神经网络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2，控制其投影至隧道掌子面上；投光机构5可通过调整投光灯角度以及投光灯亮度为摄像机3拍摄隧道掌子面图片提供充足光源。

控制主机包括图像处理器41和主机固定支架41，图像处理器41安装于主机固定支架42内部，且图像处理器41与摄像机3和投影机构2电连接。图像处理器41内部设置有依次连接的图像接收模块、图像处理模块、参数匹配模块、输出模块，还设置有数据库模块，数据库模块与参数匹配模块相连。

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1和投光机构5配合控制主机4首先控制摄像机2拍摄完整掌子面图片。

随后图像接收模块接收图像后对图像进行预处理，对图像进行分隔处理，得到若干个实时的图像子图。

数据库模块，创建工程案例数据库和施工信息数据库，工程案例数据库包含100个隧道爆破炮孔设计的数据库，每个隧道爆破案例的隧道特征、地质条件、炮孔设计、监测资料都被详细记录，根据所述案例和对应的解决方案构建为标注数据组成的语料库；采集期刊中爆破相关论文数据、爆破相关书籍资料以及公开的对话语料库等，建立了一个检索系统数据库；所述施工信息数据库包括开挖隧道断面尺寸数据，施工方法数据、开挖进尺信息以及根据勘察资料和相似地质情况所提供的地质参数包括岩石单轴抗压强度、密度、节理、产状等信息。

图像处理模块，将图像尺寸参数统一调解为224*224*3，并将图像子图输入改进的VGG网络模型中，进行超参数优化；若不满足终止训练条件，将图像进行重新训练。若满足，输出图像中的地质参数等岩体信息。

在诸多发展的CNN模型中，VGG模型是较具有代表性的优质模型，VGGNET是由牛津大学的视觉几何组提出，通过改良AlexNet的层数得到。其主要思路是通过增加卷积神经网络的深度和宽度来提升模型的性能，通过持续性的添加小尺寸卷积核来代替大卷积核，当堆叠到一定层数之后，模型的性能可以得到进一步的提升。

VGG16网络是由13个卷积层和5个池化层组成，最后由3个全连接层作为分类层。VGG16网络的特点是采用连续的3×3的卷积核代替较大卷积核，相比直接使用大尺度卷积核训练，训练量大大减小，通过增加通道数提高了网络特征识别能力，并且VGG16网络的非线性能力增强，增加了卷积神经网络特征提取能力。

如图2所示，本发明对VGG16进行改进，在VGG16中嵌入一种优化算法，当训练结果不满足终止条件时，先用该算法对VGG-16模型的超参数进行优化，然后再训练直至满足终止条件，优化算法如下：

1)移动公式：用于更新位置

式中X

可以看出，直接采取最优个体引导机制，设置两种更新方式可以看做减小陷入局部最优值概率的一种操作。

2)寻找最优值问题

寻找最优值是该算法的主要目标，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，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。通过移动策略，算法能够在搜索空间中有效地探索和搜索。而寻优过程则利用这些移动策略来不断更新个体的解，从而找到最优解。在这个过程中，移动和寻优相互促进，共同提高算法的性能。

假定第i个个体的位置为[X

则第i个个体从X

否则的话第i个个体以X

该算法通过使用VGG来提取特征，使用超参数优化算法来提高模型的性能，提升优化效率。

参数匹配模块，根据超参数优化得到的断面地质信息与创建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。

数据库匹配具体步骤：

在隧道工程中，爆破炮孔的设计十分重要，它直接影响到爆破效果和隧道开挖的安全性。

为实现对隧道爆破时炮孔布置方案进行定量化的设计，将案例进行统计分析，按照隧道爆破的特征因素的特点，对隧道爆破的不同参数进行打分，称之为特征值，对每个爆破炮孔设计案例，形成特征向量Fi，目标隧道爆破的特征值向量为G。匹配向量为Di：

D

同时，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：

S

在我们的实际工程应用中，使用岩性、地形地貌、地质参数等条件在案例库中进行匹配，计算特征权重得到打分值，选择匹配高相似度隧道爆破案例，确定爆破炮孔设计方案。

输出模块，匹配结果最优的炮孔布置方案，将方案输入投影设备，投影至隧道掌子面上，根据炮孔位置在隧道掌子面上进行标记，完成后续钻孔装药工作。

控制主机还用于分辨照片是否符合识别标准，当图像符合识别标准时控制主机会进行下一步工作；当图像不符合识别标准时控制主机会要求重新拍摄并提供不符合原因，以便人员快速调整，拍得理想的图片。

投影机构2包括投影仪固定支架22、投影仪21，投影仪21位于投影仪固定支架22内部，投影仪固定支架22安装在主机固定支架42下方；投影仪21底部连接三脚架机构1，顶部电连控制主机4；投影机构2用于接收所述控制主机生成的炮孔布置图并将其投影至隧道掌子面上。

投光机构5包括投光灯固定支架51、投光灯53和角度调整器52，投光灯固定支,51置于控制主机41顶部，投光灯53与角度控制器52均安装在投光灯固定支架51上，投光灯53可沿竖直方向转动；投光机构5可通过调整投光灯角度以及投光灯亮度为所述摄像机拍摄隧道掌子面图片提供充足光源。

投光灯53包括灯架与若干灯源，各灯源均设置于灯架面向摄像机3的拍摄区域的一侧纵横排列，操作人员可手动开关灯源配合摄像机3拍摄清晰的掌子面图片。

三脚架机构1包括伸缩固定杆11、周边杆12、连接铰链13、伸缩套14，伸缩固定杆11顶部与投影机构2底部端螺纹连接，周边杆12顶部通过连接铰链13与伸缩固定杆11活动连接，伸缩套14设置在伸缩固定杆11上。具体的，伸缩固定杆顶部与投影仪固定支架底部连接。

如图1所示，本发明还提供了一种基于改进VGG算法的隧道布孔方法，包括以下步骤：

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；

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；

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；

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。

当投影机构将掌子面炮孔布置图投影至掌子面上后辅助人员应及时将炮孔标记至掌子面上，避免后续钻孔人员及设备施工遮挡光源。