隧道掌子面炮孔施工质量分析系统、分析方法及存储介质

1.一种隧道掌子面炮孔施工质量分析系统，其特征在于，包括载体(1)、掌子面轮廓图像采集组件、炮眼三维形态检测组件(3)以及数据处理中心，所述载体(1)、掌子面轮廓图像采集组件以及炮眼三维形态检测组件(3)均与数据处理中心连接；所述掌子面轮廓图像采集组件包括激光灯、激光指示仪以及图像采集器，所述激光指示仪与激光灯相对应设置，激光指向仪的激光指向线与隧道中轴线方向相同；所述图像采集器与激光灯相对应设置，用于获取掌子面轮廓图像；激光灯、激光指向仪和图像采集器均设置在所述载体(1)上；所述炮眼三维形态检测组件(3)包括靶标组件、第一测量组件(3.1)、第二测量组件(3.2)以及控制模块(3.3)；所述靶标组件包括一个及以上设置在所述载体(1)上的第一靶标(3.4)；所述第一测量组件(3.1)包括安装架(3.1.1)以及设置在安装架(3.1.1)上的激光测距传感器(3.1.2)和电子罗盘传感器(3.1.3)；安装架(3.1.1)通过调节件(3.1.4)可转动式设置，便于调节激光测距传感器(3.1.2)以及电子罗盘传感器(3.1.3)的位置；所述第二测量组件(3.2)包括动力源(3.2.1)、挡板(3.2.2)、伸缩杆(3.2.3)以及第二靶标(3.2.4)，所述动力源(3.2.1)与伸缩杆(3.2.3)连接用于调节伸缩杆的长度；所述挡板(3.2.2)用于与设有炮孔的隧道掌子面贴合进行限位，所述第二靶标(3.2.4)设置在所述挡板(3.2.2)上，用于为激光测距传感器(3.1.2)指示方向；激光测距传感器(3.1.2)、电子罗盘传感器(3.1.3)、调节件(3.1.4)以及动力源(3.2.1)均与所述控制模块(3.3)连接。 2.根据权利要求1所述的隧道掌子面炮孔施工质量分析系统，其特征在于，所述安装架(3.1.1)上设有安装槽(A1)，所述调节件(3.1.4)包括连接杆(A2)以及设置在所述连接杆(A2)的自由端且与所述安装槽(A1)转动式连接的球体(A3)；所述动力源(3.2.1)包括电机(B1)、牵引绳(B2)以及固定环(B3)；所述伸缩杆(3.2.3)包括串联设置的至少两段杆体，所述杆体包括P1端和P2端，第一段所述杆体的P1端与挡板(3.2.2)连接，第一段所述杆体的P2端套设或插入与其相邻的杆体的P1端；第i-1段杆体的P2端插入或套设在第i段所述杆体的P1端，i取大于等于3的自然数；最后一段所述杆体的P2端上设有所述固定环(B3)；所述电机(B1)的输出端设有收纳盘，所述牵引绳(B2)的一端固定在所述收纳盘上，且牵引绳的另外一端穿过所述固定环缠绕在所述收纳盘上；通过电机带动牵引绳动作继而实现伸缩杆的伸长和缩短。 3.根据权利要求2所述的隧道掌子面炮孔施工质量分析系统，其特征在于，相邻两段杆体之间通过滑轨和滚轮的结合实现可移动式连接；所述杆体上设有用于为所述牵引绳(B2)进行导向的滑轮；第i-1段杆体的P2端设有第一限位块，第i段所述杆体的P1端设有第二限位块，第一限位块和第二限位块之间设有压缩弹簧(B4)。 4.一种隧道掌子面炮孔施工质量分析方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任意一项所述的隧道掌子面炮孔施工质量分析系统进行分析，包括以下步骤：步骤一、布置隧道掌子面炮孔施工质量分析系统；获取隧道断面信息以及炮眼信息；步骤二、基于掌子面轮廓图像采集组件(2)获取掌子面轮廓图像；基于炮眼三维形态检测组件(3)获取第一靶标(3.4)的位置信息；基于炮眼三维形态检测组件(3)获取炮眼三维形态检测组件的相对位置信息；步骤三、基于步骤二所得第一靶标(3.4)的位置信息和炮眼三维形态检测组件的相对位置信息测定掌子面炮孔的相对位置信息，所述掌子面炮孔的相对位置信息包含炮孔入口处的相对位置信息和炮孔底部的相对位置信息；步骤四、根据步骤二所得掌子面轮廓图像以及步骤三所得掌子面炮孔的相对位置信息绘制掌子面全部炮孔分布形态；步骤五、基于步骤四中的掌子面全部炮孔分布形态获取隧道掌子面炮孔的平均坐标距离差值以及平均间距差值对炮孔进行分析。 5.根据权利要求4所述的隧道掌子面炮孔施工质量分析方法，其特征在于，所述步骤一中布置隧道掌子面炮孔施工质量分析系统具体是：将掌子面轮廓图像采集组件(2)中的激光灯设置在载体(1)上，并将激光指示仪和图像采集器与激光灯对应设置，利用激光灯布置出隧道设计断面轮廓线，确保激光指向仪的激光指向线与隧道中轴线方向相同；将炮眼三维形态检测组件(3)中的靶标布置在载体(1)上，具体是：在载体(1)的第二层前端两侧分别布置两个第一靶标，在载体(1)的最顶层前端中点下方布置一个第一靶标；在最顶层前端重点顶部布置一个第一靶标；每个第一靶标的后端布置有绿灯；所述步骤一中：隧道断面信息包括隧道方位角α0、隧道跨度B、围岩等级RL、围岩强度R c ；炮眼信息包括各个类型炮眼的对应的靶标编号、轴线夹角σ0、倾斜角度β0、炮孔深度D0以及装药量。 6.根据权利要求5所述的隧道掌子面炮孔施工质量分析方法，其特征在于，所述步骤二中：获取掌子面轮廓图像具体是：采用图像采集器拍摄掌子面轮廓图像；获取第一靶标(3.4)的位置信息具体是：利用全站仪测定激光灯坐标(a 0 ,b 0 ,c 0 )，以该点为原点，隧道中轴线方向为y方向，竖直方向为z轴方向，垂直yoz平面为x轴方向，构建局部坐标系；然后分别测定四个所述第一靶标的局部坐标(a 1 ,b 1 ,c 1 )、(a 2 ,b 2 ,c 2 )、(a 3 ,b 3 ,c 3 )和(a 4 ,b 4 ,c 4 )；获取炮眼三维形态检测组件的相对位置信息具体是：待全部炮孔钻进后，在各施工区域布置一个炮眼三维形态检测组件(3)，一个炮眼三维形态检测组件(3)对应一个第二靶标；利用动力源(3.2.1)将伸缩杆(3.2.3)压缩至d0后插入炮孔，调整插入深度和插入角度，直至激光测距传感器(3.1.2)的激光点落在对应的第二靶标上，记录本次测量所得测量距离L1、方位角度α1和倾角β1；然后计算激光发射点的坐标(X 0 ,Y 0 ,Z 0 )，即得炮眼三维形态检测组件的相对位置信息： 7.根据权利要求6所述的隧道掌子面炮孔施工质量分析方法，其特征在于，所述步骤三中：测定炮孔入口处的相对位置信息具体是：旋转第一测量组件(3.1)中的激光测距传感器(3.1.2)直至激光测距传感器的激光点穿过挡板上的第二靶标中间孔，记录本次测量所得测量距离L2、方位角度α2、倾角β2以及激光光线方向，激光光线朝上采用(上)进行标识，激光光线朝下采用(下)进行标识；然后计算对应的炮入口处的孔坐标(X 1 ,Y 1 ,Z 1 )：测定炮孔底部的相对位置信息具体是：将炮眼三维形态检测组件(3)插入炮孔，直至挡板抵至掌子面，启动动力源(3.2.1)放出牵引绳，使得伸缩杆伸出，同步清理炮孔内的沿线渣石，直至无法继续伸长；记录伸缩杆的伸出深度d1，测定能放入炸药药卷的深度；依据伸缩杆固定长度d0、伸出深度d1、方位角度α2和倾角β2计算炮孔底部坐标(X 2 ,Y 2 ,Z 2 )： 8.根据权利要求7所述的隧道掌子面炮孔施工质量分析方法，其特征在于，所述步骤四中绘制掌子面全部炮孔分布形态具体包括：采用数字图像处理技术处理掌子面轮廓投影图像，首先利用HSV空间阈算法提取绿色像素、红色像素，将隧道掌子面轮廓投影图转化为隧道轮廓线二值化图，其中绿色像素形成轮廓线，红色像素为激光灯中点的激光指向仪的激光点，之后利用zhang-suen算法对轮廓线二值化图进行细化处理，直至轮廓线、激光点的像素宽度为单个像素，计算轮廓线最大横向像素坐标与最小横向像素坐标以及激光点的坐标(m 0 ,n 0 )，计算得到单一像素实际尺寸λ 1 ：λ 1 ＝B/(轮廓最大横向像素坐标-轮廓最小横向像素坐标)；采用数字图像处理技术处理钻爆台车图像，首先利用HSV空间阈算法提取绿色像素、红色像素，将钻爆台车图转化为靶标二值化图，其中绿色像素为靶标，红色像素为激光灯中点的激光指向仪的激光点，之后利用圆拟合算法拟合靶标圆和激光点圆，计算各个第一靶标中心点像素坐标及激光点靶标，根据一个第一靶标的像素坐标(m 1 ,n 1 )和另一个第一靶标的像素坐标(m 2 ,n 2 )计算得到单一像素实际尺寸λ 2 为：λ 2 ＝[(a 1 -a 2 ) 2 +(b 1 -b 2 ) 2 ]/[(m 1 -m 2 ) 2 +(n 1 -n 2 ) 2 ]；根据λ 2 /λ 1 比值重新调整靶标二值化图中的各个第一靶标的像素坐标，然后计算各个第一靶标与激光点的像素坐标差值(Δm i ,Δn i )，在轮廓线二值化图中，以激光点为基准，根据各个第一靶标对应像素坐标差值绘制单像素靶标点(m 0 +Δm i ,n 0 +Δn i )，从而实现靶标二值化图叠加在轮廓线二值化图中；根据实际炮孔表面坐标、孔底坐标以及对应的第一靶标实际坐标、像素坐标计算轮廓二值化图中实际炮孔表面像素坐标(m i +(X 1 -a i )/λ 1 ,n i +(Y 1 -b i )/λ 1 )，进而计算实际炮孔孔底的像素坐标(m i +(X 2 -a i )/λ 1 ,n i +(Y 2 -b i )/λ 1 )。 9.根据权利要求8所述的隧道掌子面炮孔施工质量分析方法，其特征在于，所述步骤五具体是：采用数字图像处理技术处理对应桩段的爆破设计图，在爆破设计图中采用颜色区分掏槽孔、辅助孔和周边孔，然后利用HSV空间阈算法、细化算法、圆拟合算法以及质心计算算法可以获取三种类型炮孔中各个设计炮孔像素坐标，然后计算设计轮廓线最大横向像素坐标与最小横向像素坐标，根据跨度计算得到单一像素实际尺寸λ 3 ，然后根据计算轮廓二值化图中轮廓横坐标最小点的像素坐标(m min ,n a )，计算爆破设计二值化图中设计炮孔像素坐标与其轮廓横坐标最小点的像素坐标的差值(Δe i ,Δf i )，计算在轮廓线二值化图中的设计炮孔像素坐标(m min +λ 3 ·Δe i /λ 1 ,n a +λ 3 ·Δf i /λ 1 )；利用最小距离匹配设计炮孔和实际炮孔，首先将实际炮孔表面像素坐标集合、实际炮孔孔底像素坐标集合、设计炮孔表面像素坐标集合进一步按标定类型划分为掏槽孔、辅助孔和周边孔三类集合；按照炮孔类型，以隧道设计炮孔表面像素坐标为基准，从横向像素坐标最小的炮孔开始遍历同一类型的炮孔，计算设计炮孔表面像素坐标与对应类型的实际炮孔像素坐标集合中任意炮孔的像素距离差值，以最小像素距离差值的实际炮孔对应设计炮孔，并计算实际炮孔以及设计炮孔的表面坐标像素距离差值；按照实际炮孔测定过程中接收的设计参数计算出对应设计炮孔的孔底像素坐标以及实际炮孔与设计炮孔的孔底坐标像素距离差值；根据单一像素真实尺寸计算炮孔表面坐标距离差值、孔底坐标距离差值，两者距离的绝对值之和△S i 作为单一炮孔的施工质量评价标准，然后计算隧道掌子面全部炮孔的平均坐标距离差值 其中num为炮孔总数；对于同一类型炮孔的平均间距差值，首先遍历计算任意设计炮孔与剩余设计炮孔之间的间距，选定间距最小的四个近邻炮孔，然后计算对应的实际炮孔与近邻炮孔对应的实际炮孔的间距，计算对应炮孔的间距差值，以间距差值的平均值作为该炮孔的平均间距差值△J i ，然后计算隧道掌子面全部炮孔的平均间距差值 对于单一炮孔，其平均坐标距离差值越大，说明单一炮孔的施工质量越差，其值越小，说明单一炮孔的施工质量越好；对于隧道全断面炮孔施工质量而言，平均间距的差值越大，说明炮孔之间的间距偏差极大，说明施工质量越差；反之施工质量越好。 10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序适用于由处理器加载并执行权利要求4-9任何一项所述隧道掌子面炮孔施工质量分析方法。