一种层状围岩钻爆法隧道智能优化装药控制方法、系统及其存储介质与流程

本发明涉及地下工程，特别是一种层状围岩钻爆法隧道智能优化装药控制方法、系统及其存储介质。

背景技术：

1、在层状围岩中，由于爆破所产生的应力和气体会沿着层理面的裂隙扩展，导致隧道掌子面爆破后极易出现超欠挖现象，超挖部分需要喷射混凝土进行回填，而欠挖处则通常需要人工二次爆破作业，会显著增加项目的建设成本，并影响施工进度以及人员作业安全。目前，由于现行的隧道爆破设计方法中尚未考虑围岩层理面对起爆效果的影响，因此无论是采用人工钻爆还是机械化钻爆，在层状围岩中仍主要依赖人工经验，通过现场反复试爆来优化调整装药参数来达到较好的爆破效果，存在施作效率低，调整准确度不高，以及围岩一旦变化，需要反复试爆调整等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术存在的传统施工通过现场反复试爆来优化调整装药参数导致施作效率低，调整的准确度不高的问题，提供一种层状围岩钻爆法隧道智能优化装药控制方法及其系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种层状围岩钻爆法隧道智能优化装药控制方法，具体方法如下：

4、s1、基于图像识别获得掌子面轮廓线与层理面；

5、s2、得到掌子面轮廓线与层理面后，导入炮孔布置图，对各个炮孔位置进行判断，并计算各个炮孔与层理面的距离以及层理面与掌子面轮廓线的夹角；

6、s3、基于炮孔与层理面的距离参数以及层理面与掌子面轮廓线的夹角参数对各个炮孔进行划分，若判断该处炮孔无需进行装药参数的优化，则命名为一类炮孔，若判断该炮孔需要进行装药参数的优化，则命名为二类炮孔并对其进行标号；

7、s4、将各个炮孔经过判断并划分后，依据二类炮孔的炮孔位置，以及二类炮孔与层理面之间的距离和层理面与隧道掌子面轮廓线的夹角来对装药参数的调整范围进行确定；

8、s5、对二类炮孔的装药参数进行判断完成并确定装药参数的调整范围后，对二类炮孔重新进行编号，导入常规装药参数，对一类炮孔采用常规装药参数进行装药，对进行标记的二类炮孔按照优化后各自的装药参数进行装药，爆破后通过图像识别获得掌子面轮廓线，并对爆破开挖效果进评估，将结果反馈给处理器，对装药参数进行校正。

9、本发明为一种层状围岩钻爆法隧道智能优化装药控制方法，相较于传统方式依靠人工经验对装药参数进行判断调整，本方案率先通过对隧道掌子面的图像识别得到掌子面轮廓线与层理面，随后依据现场环境进行常规的炮孔布置，并对各个炮孔与附近层理面的距离进行计算、以及对层理面与掌子面轮廓线的夹角进行计算，得出计算数值后依据得到的数值对各个炮孔进行划分归类，从而得到按常规装药参数进行装药的一类炮孔和需要进行装药参数优化的二类炮孔，随后再通过二类炮孔的位置参数、二类炮孔距离层理面的距离参数以及隧道掌子面轮廓线与层理面的夹角参数来对各个二类炮孔装药参数的调整范围进行确定，随后依据确认后的装药参数对各个炮孔进行装药，通过图像识别以及对炮孔与层理面距离的计算还有对层理面和掌子面轮廓线夹角的计算将各个炮孔划分为需要进行装药优化(二类炮孔)以及不需要进行装药优化的炮孔(一类炮孔)，再通过对各个二类炮孔的装药参数调整范围进行计算得到各个二类炮孔的准确装药范围，随后再进行装药，实现了提高层状围岩中隧道爆破的效率和准确率，提升隧道爆破开挖效果，达到节约隧道建设成本，加快施工进度以及提升作业安全性的目的。

10、作为本发明的优选方案，所述方法还包括将计算优化后得到的装药参数转译为数字信号，通过数据通信模块将装药参数传输至控制模块，所述控制模块连接有装药台车，所述装药台车通过控制模块对所述二类炮孔以及所述一类炮孔进行装药，这样设置使得装药时无需通过人工进行装药，保证了施工效率。

11、作为本发明的优选方案，所述一类炮孔与所述二类炮孔均装药完成后，进行爆炸评估，并通过爆炸效果评估模块判定此次爆炸是否满足要求，若是则完成装药优化，若不是则返回s3重新进行装药参数调整，这样设置使得该装药参数优化准确度提高。

12、作为本发明的优选方案，所述s1中基于图像识别获得掌子面轮廓线与层理面的过程为：通过摄像装置获取隧道掌子面图像，并对所述隧道掌子面图像进行修复与双边滤波去噪处理得到层理面，所述双边滤波去噪处理计算原理如下：

13、

14、

15、

16、式中：x,y-当前被卷积像素的坐标点；

17、k,l-领域像素的坐标点；

18、f(k,l)-原隧道掌子面图像像素值；

19、d(x,y,k,l)-掌子面图像空间距离函数；

20、r(x,y,k,l)-图像像素值域核；

21、ω(x,y,k,l)-d(x,y,k,l)与r(x,y,k,l)乘积所得；

22、σr-空间距离函数的高斯标准差；

23、σd-领域范围内空间灰度相似度；

24、这样设置能够更好的提取掌子面图像的结构面边界。

25、作为本发明的优选方案，所述隧道掌子面轮廓线的计算过程为：通过像素差异网络边缘检测模型架构的搭建，随后创建边缘映射，再将每个边缘映射通过鲁棒性损失函数进行损失计算以及模型结果分析，这样设置能够更好的捕获梯度信息有利于对掌子面图像进行边缘检测。

26、作为本发明的优选方案，通过像素差异网络边缘检测模型架构的搭建过程如下：模型结构主要包括有骨干结构、侧面结构以及损失函数三个方面，整个骨干结构的主干网络有4个阶段，每个阶段有4个残差块，对于侧面结构的建立则是构建一个膨胀卷积模块(cdcm)丰富多尺度边缘信息，其次是一个紧凑的空间滤波器模块(csam)来消除背景噪声，随后采用1×1的卷积层进一步将特征体积减少为单通道映射，然后插值到原始大小，最后使用sigmoid函数来创建边缘映射，随后对每个生成的边缘映射(包括最终的边缘映射)，采用鲁棒性损失函数对于值为第j个边缘映射中的第i个像素，其损失计算方法为：

27、

28、

29、式中：yi-真实边缘的概率；

30、η-定义的阈值；

31、β-负像素样本的百分比；

32、l-模型最后总损失。

33、作为本发明的优选方案，s2中对各个炮孔位置进行判断后采用点与直线之间的距离公式对各个炮孔到附近层理面的距离进行计算，再对各个炮孔到附近层理面的距离计算完毕后，再采用直线之间的夹角公式对隧道掌子面轮廓线与层理面夹角进行计算。

34、作为本发明的优选方案，炮孔与附件层理面的距离计算过程如下：假设直线的方程为ax+by+c＝0，点的坐标为(x0,y0)，点到直线的距离d用以下公式来计算，具体公式如下：

35、

36、作为本发明的优选方案，层理面与隧道轮廓线夹角的计算步骤如下：由于层理面与隧道轮廓线的夹角为锐角，所以假设直线的方程为l1：a1x+b1y+c1＝0；l2：a2x+b2y+c2＝0，则夹角的公式如下：

37、

38、作为本发明的优选方案，s3中对装药参数的判断过程如下：

39、s71、依据隧道掌子面轮廓线以及层理面得出装药参数需要优化的条件，条

40、件如下：

41、s711、首先，当炮孔位于隧道掌子面轮廓线上时，即对该炮孔进行下一步条件判断是否需要进行装药参数的优化，否则不进行优化；

42、进一步地，

43、当层理面厚度小于70cm时，则该处的炮孔装药参数需要进行优化，否则不进行优化；

44、或者，

45、当炮孔离最近层理面的距离小于50mm时，该炮孔需要进行装药参数优化；

46、s72、将需要进行优化的炮孔标记为二类炮孔，并计算出层理面与隧道掌子面轮廓线夹角的取值范围以及层理面对光爆影响最不利的夹角取值；

47、s73、依据层理面与隧道掌子面轮廓线夹角的取值范围和层理面对光爆影响最不利的夹角取值来制定不同炮孔位置的优化措施。

48、作为本发明的优选方案，s72中计算层理面与隧道掌子面轮廓线夹角的取值范围具体步骤为：先对及层理面应力进行计算，计算公式为：

49、

50、

51、式中：σθ-岩体层理面的正应力；

52、τθ-岩石层理面的剪应力；

53、σx-围岩单元体在x轴上的正应力；

54、σy-围岩单元体在y轴上的正应力；

55、随后依据莫尔一库仑强度理论及其破坏准则结合θ的定义域进行计算，得到如下公式：

56、

57、式中：代指θmin；

58、代指θmax；

59、即θmin＜θ＜θmax；

60、莫尔一库仑强度理论及其破坏准则公式如下：

61、

62、-σy≥[σ]。

63、作为本发明的优选方案，s72中对层理面对光爆影响最不利的夹角的计算过程为：通过对层理面的应力进行计算，计算公式如下：

64、

65、

66、式中：σθ-岩体层理面的正应力；

67、τθ-岩石层理面的剪应力；

68、σx-围岩单元体在x轴上的正应力；

69、σy-围岩单元体在y轴上的正应力；

70、随后依据莫尔一库仑强度理论及其破坏准则得到公式：

71、-σy≥[σ]；

72、

73、由于在炮孔装药爆炸后，环向应力最大幅值约为径向最大幅值的一半，则在相邻周边孔连心线上的任意一点均有：

74、

75、随后得到下式：

76、

77、即

78、由上式可知，右边值越大，表示越容易取得理想的光爆效果，反之右边值越小，则越难取得理想的光爆效果，即层理面的不利影响越大；

79、则可令：

80、式中：f(θ)-[σ]；

81、

82、上式可知g(θ)取得最大值时，f(θ)取最小值，随后对g(θ)进行变换得到：

83、

84、若上式取最大值，则得到层理面对光爆影响最不利的夹角θ1：

85、

86、即：

87、式中：θ1-层理面对光爆影响最不利的夹角。

88、作为本发明的优选方案，依据层理面对光爆影响最不利的夹角取值以及层理面与隧道掌子面轮廓线夹角的取值范围对每个二类炮孔的装药参数进行优化。

89、作为本发明的优选方案，s3中在导入常规装药参数后，对一类炮孔采用常规装药参数，而对进行标记的二类炮孔采用计算后优化的数值进行装药，且在装药后对二类炮孔进行重新标号，并生成装药参数。

90、作为本发明的优选方案，所述装药台车通过控制模块识别二类炮孔的标号，在识别标号后依据不同标号的二类炮孔的装药参数进行装药。

91、作为本发明的优选方案，对装药参数进行调整的详细过程为：装药爆破后，采用图像识别模块获取光爆后隧道掌子面的二维轮廓线，与导入的设计轮廓线进行对比，将处于设计轮廓线之内的范围标记为欠挖部位，将处于设计轮廓线之外的范围标记为超挖部位，计算超挖和欠挖部位面积之和与隧道截面积之比，以此评估本次爆破效果，并将评估结果反馈给装药参数优化模块，实时进行参数纠正。

92、一种层状围岩钻爆法隧道智能优化装药控制系统，其特征在于，该系统包括图像识别模块，所述图像识别模块通信连接有优化条件判断模块，所述优化条件判断模块通信连接有装药参数优化模块，所述装药阐述优化模块通信连接有数据通信模块，所述数据通信模块通信连接有控制模块，所述控制模块连接有执行机构，具体如下：

93、图像识别模块：用于基于对掌子面图像进行图像识别与像素差异网络边缘检测模型识别获得掌子面轮廓线与层理面；

94、优化条件判断模块：用于判断各个炮孔是否需要进行装药参数优化；

95、装药参数优化模块：用于对装药参数优化范围进行判断确定；

96、数据通信模块：用于导入装药参数；

97、控制模块：用于装药；

98、执行机构：用于装药；

99、爆破效果评估模块：用于爆破开挖效果评估，爆破效果评估模块分别与隧道掌子面、图像识别模块、装药参数优化模块进行通信连接。

100、本发明为一种层状围岩钻爆法隧道智能优化装药控制系统，这种层状围岩钻爆法隧道智能优化装药控制系统通过图像识别模块精准识别掌子面轮廓线与层理面，优化条件判断模块实时判断装药参数优化的需要，数据通信模块实现实时参数导入，控制模块和执行机构确保装药过程的精确控制，爆破效果评估模块监测爆破效果。这样的系统能够提高隧道爆破作业的效率、安全性和精确性，降低施工成本，提高工程质量。

101、一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述的一种层状围岩钻爆法隧道智能优化装药控制方法的步骤。

102、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

103、1、本发明为一种层状围岩钻爆法隧道智能优化装药控制方法，相较于传统方式通过经验对装药参数进行判断调整，本方案率先通过对隧道掌子面的图像识别得到掌子面轮廓线与层理面，随后依据现场环境进行常规的炮孔布置，并对各个炮孔与附近层理面的距离进行计算、以及对层理面与掌子面轮廓线的夹角进行计算，得出计算数值后依据得到的数值对各个炮孔进行划分归类，从而得到按常规装药参数进行装药的一类炮孔和需要进行装药参数优化的二类炮孔，随后再通过二类炮孔的位置参数、二类炮孔距离层理面的距离参数以及隧道掌子面轮廓线与层理面的夹角参数来对各个二类炮孔装药参数的调整范围进行确定，随后依据确认后的装药参数对各个炮孔进行装药，通过图像识别以及对炮孔与层理面距离的计算还有对层理面和掌子面轮廓线夹角的计算将各个炮孔划分为需要进行装药优化(二类炮孔)以及不需要进行装药优化的炮孔(一类炮孔)，再通过对各个二类炮孔的装药参数调整范围进行计算得到各个二类炮孔的准确装药范围，随后再进行装药，实现了提高层状围岩中隧道爆破的效率和准确率，提升隧道爆破开挖效果，达到节约隧道建设成本，加快施工进度以及提升作业安全性的目的。