全面感知技术在工程施工管理中的应用

2021-04-27彭晓鹏熊英

中国港湾建设 2021年4期

彭晓鹏，熊英

（中交机电工程局有限公司，北京100035）

0 引言

建筑施工工地是一个环境复杂、人员密集、安全环保隐患多的场所。随着工程建设规模不断扩大，工艺流程更加复杂，政府监管力度加大，对建设工程质量、安全、施工管理提出了更高的要求。

建筑工程质量与施工管理水平有着密切的关系，通过精细化管理提高工程施工质量，提高企业竞争力。大型工程涉及到的专业技术多，物资设备种类多，对运维人员素质要求高，对于使用频率高的照明、网络、空调等专业，需要匹配智能化的运维手段，提高管理能力，减少管理人员的数量[1-2]。

通过构建集中式信息化处平台，提升工程施工及运营管理效率以及安全环保水平，已成为亟待解决的重要课题。

1 系统框架组成

随着通讯平台、5G技术、物联芯片技术的发展和成熟，物联网IOT技术为工程建设、管理及运维提供了一种高效智能的途径，通过构建物联网云平台，将各处的图像、环境情况、设备运行情况等直接与管理人员进行衔接。利用监控摄像头、各类传感器、门禁、定位设备等工具，收集特定区域内人员、机械、设备、环境的状态和数据，为工程建设管理和决策提供支持和依据。

目前，在各类大型工程建设中均开展了基于全面感知技术的应用研究，主要集中于视频感知、人员定位、设备自控等技术。本文从视频监控及分析、出入口管理、人员定位、环境监测、照明自控、智慧停车、3D全息展示几个方面介绍物联网技术在建设项目施工和运维管理中的运用。

2 功能设计

2.1 视频监控及分析

施工现场视频监控系统的使用，是实现工程项目管理最直观的监管手段之一。通过全天候、全方位的高清视频监控，及时掌握施工动态，提高施工生产进度、质量、安全、文明管控能力。同时对施工现场的异常状况即时响应，第一时间解决存在问题，为工程高标准、高质量的完成提供了先进的科技手段和强有力的技术保障。该系统主要实现以下功能：

1）建立现场电子地图，在电子地图上标示各处摄像机的位置，随时对摄像机画面进行调用和追溯。

2）在实现传统视频监控功能的基础上，增加图像识别分析的功能，建立与门禁系统、报警系统、智能照明系统、停车场管理系统的有机联动平台。

3）利用视频识别分析技术主动捕捉各类事件信息，智能分析、整理、查询图像信息（图1）。

图1 监控画面分析Fig.1 Monitoring screen analysis

视频行为分析主要有3种，分别是个体行为、群体行为和场景行为。行为捕捉有行为描述和行为建模两个关键步骤。行为描述是从视频中提取如颜色、纹理、状态等易于判别和描述的特征，行为建模则对视觉特征的时空分布和演变进行建模，再将模型的变化和预先存储的关键行为模板相比较，对行为的类别进行判断，结合预设的行为描述进行匹配，实现行为识别的功能[3]。

行为识别功能让平台自动捕捉画面并进行识别判断，提供需要的信息，例如捕捉到人脸后自动判断是否有安全帽，人员位置是否进入预设的危险区域，未戴安全帽或进入危险区域自动报警等。

2.2 出入口管理

人脸识别出入口管理系统是视频分析与门禁相结合的应用，是实现平台智慧管理的基础，它的主要作用是进行人员信息管理和记录。系统预录施工人员基本情况、照片、指纹等各类信息，施工人员在门禁前刷脸或核对指纹，与预存信息一致才能进入工地，既可以杜绝外来人员随意进入工地，也可以有效记录所有人员的考勤，并随时查询现场人员数量，避免在下班后或特定时间内人员逗留在施工区域[4]。

出入口管理系统的关键技术在于能够准确高效地进行人脸识别，特别是当人员佩戴安全帽或有部分遮挡时也能够进行快速比对。现有多种人脸识别方法，难以用统一标准分类，总体包括基于外观的人脸识别、特征人脸识别和基于神经网络的人脸识别等。

基于外观的人脸识别法，对采集人员面部信息进行识别，将图像的灰度值转换为二维数组，实时检测图像和系统预存信息相关性进行对比和分类。由于这种方法具备一定维数，图像分类置于高维空间中开展，易于理解和实现，但计算过程耗时耗力，无法满足现场快速识别的需要。

基于面部特征的识别法，需要掌握面部五官形状特征信息，计算并分析面部特征间距离和面积等参数的关系，通过欧式算法分类识别。该方法操作简单，不受光照变化影响，鲁棒性强等特点。在现场实际测试中，当入场人员戴安全帽或面部有污垢时，特征提取难度会显著提高，并且对于脸部的表情敏感度较高，无法满足高精准识别的需求。

基于神经网络的人脸识别法，根据动物中枢神经，尤其是大脑启发的模型自动进行机器学习，估计特定功能，需要输入大量数据作为支持，通常表现为彼此相关联的神经元单元，在神经元中进行信息交换。研究证明将神经网络应用于人脸识别系统中，能够解决面部特征问题，具有很强的鲁棒性，识别范围广泛，错误率低，在现场实测中取得良好的效果[5-6]。

2.3 人员定位系统

人员定位系统主要通过监控区域内施工或工作人员配备定位标签设备，以实现实时跟踪和记录绑定标签的人员位置信息的功能。系统逻辑框架如图2，定位标签（例如定位胸牌）通过无线脉冲向定位基站发送UWB超宽带信号。

图2 定位系统逻辑框架Fig.2 Logical framework of positioning system

定位基站架设在需要提供定位服务的区域实时捕获UWB信号，定位基站之间通过同步控制器链接并同步，同步控制器接入服务器，由定位引擎解算，同时向上层应用软件输出定位数据，由上层应用软件实现各种基于高精度定位的应用。例如根据位置信息调用站内原有视频监控，并在管理软件进行查看与自动播放，实现视频联动[7]。

人员定位技术与视频系统结合后即可实现视频联动功能，当定位人员触发报警时，系统根据其精确位置自动调用视频设备，对触发报警区域实现视频提示。随着触发报警人员的移动（图3），视频设备将自动切换保持对触发人员的监视。系统支持对触发报警前后视频的自动存档，以备后续业务需要。

图3 人员定位监控Fig.3 Personnel positioning monitoring

2.4 环境监测及控制

环境监测系统依托自动化监测设备，对施工现场区域环境的空气及噪声进行实时监测，其中室外环境的监测设备可以对噪声、颗粒物浓度（PM2.5、PM10）、风向、风速、湿度、温度、大气压等多项环境参数要素进行全天候现场精确测量与LED屏实时显示。

同时，室外监控设备使用远程传输模块把颗粒物浓度、噪音、温度、湿度、风向风速等数据通过网络上传到数据中心，室内监控设备利用有线网络将采集的CO2、PM2.5、PM10、温度、湿度、甲醛、TVOC等数据上传到数据中心，实现数据的远程访问与监控。

管理系统支持环境监测数据集成，根据相应的阈值进行预警，并在模型中查看环境监测数据。当环境监测设备发生报警时，能在模型中呈现高亮以显示报警位置，并记录相应的报警信息[8]。

在建筑运维管理中，环境监测能与楼宇自控系统相结合，形成智能楼宇自控系统：

1）根据用户在不同的使用场景下对环境的具体要求，拟定多套配置方案供用户选择，并结合用户日程安排实现自动启停和自动切换。

2）利用传感器与环境监测技术，与视频分析和出入口管理系统相结合，收集建筑各部分的环境温湿度数据、人员密度及使用频率，自动配置优化空调方案，降低使用能耗。

3）从智能电表中读取数据，智能计算出各种情景模式下的能耗指标，并能够在系统中进行对比分析，为用户选择最为合适的模式。

在已经实施的智能楼宇项目自控案例中，选取图书馆区域作为实验区域，在该区域配置独立服务器，并在一、二层大厅、阅览室、儿童阅览室、多功能教室、存书库、电子阅览厅等部位研发并设置了“传感器-控制器”集成模块。通过收集温湿度、CO2浓度等信息，与区域内摄像头配合，收集人员分布情况，优化暖通空调系统的过程控制方案，提升用户的舒适度，提高能源的利用效率。优化过程主要有：

1）在系统中预设4个环控模式：全效、经济、新风和待机。

2）将图书馆划分为4类区域：主营区、通道区、后台区和恒温区，将所有风管风机的控制设备划分到归属区域。主营区包括二楼大厅、阅览室、儿童阅览室、电子阅览厅；通道区包括一楼大厅、各处通道、楼梯等区域；后台区包括办公室、接待室、书籍清理室等区域；恒温区主要包括恒温机房和恒温库房等区域。

3）利用智慧楼宇系统将不同区域按时段与环控模式匹配起来，对场馆高峰和低谷人流情况进行自动调整。例如：主营区域在9时进入全效模式，11时进入经济模式，14时进入全效模式，16时30分进入经济模式，18时转入待机模式；后台通道区域9时进入经济模式，12时进入新风模式，14时进入经济模式，17时进入新风模式，18时转入待机模式等。

4）利用率相对较低的多媒体教室、大型会议室等区域采用预约开启或手动开关模式，并在监控摄像头无事件捕捉且画面静止达到10 min后进入经济模式，30 min后进入待机模式。

2.5 照明自控系统

在照明自控系统中，管理用户可以使用自动管理模式，建筑中不同区域的灯光根据时段、场景、经营情况或管理用户输入的日程安排等自动进行切换和调控。

与视频分析系统和智慧停车相结合，自动减少建筑中低频率区域的光源配置，对停车场照明采用分区控制技术，当某些区域使用频率较低时，减少该区域的光源数量。

在已实施项目的照明自控系统中，选择了图书馆及地下室停车场区域作为研究对象，在原有智能照明控制系统的基础上进行改造，研发独立的控制模块。

在图书馆区域，通过预设日程和场景，使相应区域中灯光在到达指定时段时自动切换到预设模式。在地下室停车场区域则与视频监控系统进行联动，将地下室停车场的灯光划分为8个片区，将每台摄像机编号并绑定到相应片区。

在片区摄像机画面静止无捕捉时，默认仅开启最低亮度（1/5灯管点亮），在摄像机捕捉到有人员进入停车场或有车辆经过时，开启该片区所有灯光；在车辆或行人离开1 min后，摄像机画面静止时，该片区灯光切换到经济模式（1/3灯管点亮）；在摄像机画面静止达到10 min后，该片区灯光切换到最低亮度（1/5灯管点亮）[9]。

2.6 智慧停车系统

智慧停车系统通过车牌自动识别设备，在车辆经过门禁时，系统可自动识别车辆的车牌信息，并由出入口嵌入式智能控制机通过网络将其传送至后台管理中心服务器数据库中，查找与该车牌相关联的车辆信息，控制自动栏杆的起降以拦阻或放行车辆。

监控系统与视频分析系统相结合具有实时查询和分析功能，普通用户可以随时在移动端应用上查看车辆所在区域的监控及安防情况[10]。

系统也能够与目前主流的应用程序进行集成，让普通用户通过微信、支付宝等软件查看车辆入场时间、停车时长、停车位置、最佳取车路线等信息并进行停车费支付，全方位提高普通用户的用车感受。管理人员也可以通过管理系统，实时查看停车场区域的停车情况，并查阅所有的停车记录信息和统计分析数据。

2.7 3D全息展示系统

在工程中使用BIM模型3D全息展示系统，将工程结构的三维画面悬浮在成像系统中，不需要佩戴任何设备，实现裸眼3D立体显示特效，并可以进行人机互动，随意将该三维图像放大缩小或旋转。可在现场根据模型提出修改完善意见，并经过BIM小组现场修改调整完成后再进行展示。也可以组织施工人员进行观看，从各个角度展示设备安装状态，讲解施工流程。也可以根据BIM模型制作精美展示画面，观看项目介绍及全景3D演示动画，在展示各子系统的3D模型时进行功能介绍，让用户全面深入了解项目基本情况。也可以建立用户管理及服务平台，所有维保人员通过观看展示画面了解各系统的使用要点。整个项目的所有设计及施工的文件和资料留存其中，在需要进行展示或者维护时方便快捷查阅信息（图4）。