[發明專利]基于機器視覺的巖石隧道工程開挖面圍巖智能分級系統

在審

• 申請號: 202210918647.7
• 申請日: 2022-08-01
• 公開（公告）號: CN115393709A
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 周鳴亮;黃宏偉;陳佳耀;張東明
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G06V20/10
• 分類號: G06V20/10;G06V10/141;G06V10/26;G06V10/44;G06V10/764;G06V10/82;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 北京金蓄專利代理有限公司 11544
• 代理人: 洪濤

本發明具體涉及一種基于機器視覺的巖石隧道工程開挖面圍巖智能分級系統，該智能分級系統包括圖像采集系統、照明系統、輸入輸出系統、數據采集分析軟件系統和工控系統；圖像采集系統用于獲取巖體地下工程工作面的圖像信息；照明系統用于為工作面提供足夠光源；輸入輸出系統用于在人機交互過程中執行數值或指令的輸入功能與分析結果的可視化輸出；數據采集分析軟件系統將采集的圖像數據和輸入參數進行處理得到工作面關鍵信息的提取、識別和量化分析結果；工控系統用于巖石隧道工作面特征信息的高性能圖像深度學習計算、圖像存儲、數據驅動算法計算。本發明的智能分級系統對于巖石隧道開挖面圍巖信息的快速獲取、提取、判定具有重要的意義。

技術領域

本發明屬于土木工程技術領域，具體涉及一種基于機器視覺的巖石隧道工程開挖面圍巖智能分級系統。

背景技術

我國70％位于山嶺地帶，各類基礎設施都需要涉及到巖石隧道工程，巖石開挖面圍巖等級直接影響地下工程安全與開挖、支護參數。雖然開挖面蘊含的信息量巨大，但長期以來，仍依賴現場工程師的經驗來判斷圍巖分級，為開挖面施工安全及施工參數判斷提供直接服務。然而，由于巖石開挖面的非均質性、不連續性和不確定性，以及地下工程中不良地質的隱蔽性、不可預見性，通常難以準確預測開挖面圍巖的力學性態和工程狀態。同時受限于巖石隧道工程工期及信息采集技術等原因，工作面的信息并沒有得到充分提取、分析和利用，更不能形成及時有效的反饋作用。因此，在實際工程中，由于經驗的豐富程度及人力等因素，往往導致對開挖面的圍巖等級判斷不及時、不準確，引起塌方、滑坡等各種不良后果。

目前在巖石隧道工程現場，地質技術人員采用皮尺、地質羅盤等傳統工具以接觸方式測量仍占主導。工程師在數據采集過程中需直接暴露在不穩定的巖體下，地質素描十分耗時、危險，甚至很大程度受主觀判斷及經驗影響，常不能滿足工程快速施工的需要。近年來國際上已逐步從接觸式測量向基于機器視覺的巖體信息采集和識別的技術發展。其中數字攝影技術是機器視覺的典型代表，其不僅能瞬間捕捉大量的幾何信息，還能作為基礎數據用于重構三維模型，具有輕巧便捷的優勢。盡管如此，建設期巖體工作面中采集樣本仍挑戰重重，如施工過程長期受限于粉塵顆粒、照明強度和均勻度、溫濕度、及施工工序交替循環導致的可利用攝影時間短等挑戰。研究表明，數字圖像技術雖然具有處理速度快、自動化程度高等優勢，但其識別精度、效率及魯棒性受拍攝外部環境、工作面自身特征等的干擾顯著。因此迫切需要新的技術方法能揭示并克服樣本獲取的復雜環境，同時能快速識別隧道工作面的主要特征，并對各個特征進行量化提取。

眾所周知，圍巖分級判別是基于多源異構數據的非線性融合，且即時判別圍巖等級對于現場的應急管理和施工組織意義重大。隧道圍巖分級經歷了從單因素到多因素指標綜合分級、從定性到半定量判定分級的逐步發展的過程。分級指標中往往含有定量化和定性化的多源異構數據指標，經典的分級系統一定程度上能合理實現圍巖分級，但由于受限于適用性、判別靈活性以及多源參數的獲取手段，往往難以全面揭示每個參數影響圍巖級別的權重。

數據驅動方法是基于數據建立的統計模型，可借助模型進行分析和預測，其不僅能結合不同地域的多源輸入數據，且能適應區域特征參數提供客觀的目標輸出。因此，需探索一種適用于掘進數據的新方法，構建實時、快速的山嶺隧道圍巖分級系統，應用于現場科學評價圍巖分級結果，對于現場的應急管理和施工組織意義重大，并可大量減少施工方案改動、搶險救援、和專家咨詢所產生的費用。

綜上所訴，現有巖石隧道工程工作面圍巖分級主要存在三個方面的問題：(1)地下工程開挖面關鍵信息提取效率低和量化分析困難的問題；(2)巖石隧道工程開挖面地質素描危險、耗時、精度低的問題；(3)開挖面圍巖分級主觀性強、即時性弱的問題。

鑒于此，目前有一些方案，嘗試現場獲取圖像信息和工程信息后，在遠程工作室內進行分析計算，但是缺少實效性。也有方案嘗試在隧道工作面前方假設攝像頭，通過現場視頻資料，讓工程師遠程進行研判，但由于攝像條件受現場施工環境干擾，遠程工程師對現場信息了解匱乏，不能給出準確的圍巖分級判定。

發明內容