基于雷视融合的乡村住宅小型化建造装备作业环境入侵预警系统研究

2022-09-06张阿晋王新新

建筑施工 2022年6期

张阿晋裘磊王新新沈蓉

1. 上海建工集团工程研究总院上海 201114；2. 上海建工房产有限公司上海 200080

通过对我国众多新农村住宅建设情况（如建造方式、场地条件、建造装备及管理模式等）进行调研，发现我国新农村住宅建设整体存在着统建模式与自建模式并存的局面。其中，统建模式主要应用于村庄异地整体搬迁、城镇集体征收等情况；自建模式主要应用于村民住宅的自主建设等情况。统建形式因其采用统一的规划设计，建设空间较大，具备大型成套建筑施工设备作业的各类条件；自建形式因其受到施工场地大小、作业人员水平等多方面因素制约，其相应建造装备及工艺存在着主要依靠人力、专业化设备缺乏、既有设备简易落后、操作人员水平较低、环境保护手段缺乏、配套工艺不成熟、信息化及智能化缺失、安全风险隐患较大等问题。

受限于建造装备的发展水平，我国新农村住宅建设面临众多安全风险管控难题，尤其是新农村住宅自建模式，由于作业人员水平较低、建造方法及装备落后、安全管理缺失等，存在更为严重的人员安全风险管控难题，各类无关人员入侵建造装备作业环境的事故常有发生。因此，立足于我国新农村住宅建设现状，围绕乡村住宅小型化建造装备的日常作业风险，开发基于人员入侵行为分级预警的乡村住宅小型化建造装备作业环境入侵预警系统，符合我国现阶段乡村住宅建造需求，对于未来新农村住宅建造装备的数字化、智能化发展具有重要的意义[1-5]。

1 入侵预警系统设计目的

乡村住宅小型化建造装备作业环境入侵预警系统的设计目的是：保证乡村住宅建造装备作业环境的安全，降低人员入侵风险，实现主动/无意识入侵行为的分级分类预警、轨迹化跟踪、可视化跟踪、预警事件的数字化处置、预警数据的智能化分析等功能。该系统设计原理如图1所示，即为降低入侵风险，通过在装备作业周边划定危险作业范围，通过信息化、智能化手段实现入侵行为的智能识别，并通过无线传输方式，将入侵行为实时传输给后台系统，并通过系统给设备管理人员及现场操作人员发送入侵预警信号（如声音报警、预警短信发送、系统提醒等）。

图1 系统设计示意

2 入侵预警系统方案对比

2.1 激光雷达方案

激光雷达方案通过发射直线光粒子（激光束），被目标发射回来后，计算收发时间差来确定目标方位。该方案具有非常精准的测距能力，最高精度可达厘米级。但由于激光雷达通过发射光束进行入侵探测，受环境影响较大，适应性较差，且价格昂贵。

2.2 安全光栅方案

安全光栅方案通过发射器和接收器之间的红外线信号（图2），在目标周围形成保护区域，当发生入侵行为时会立即触发警报，启动预警方案。该方案具有检测灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，被广泛应用于各种传感器及机械自动化加工等领域，但受限于其工作原理，存在检测距离短、误报警率高及环境适应能力差等缺点。同时，受限于其红外直线传播的缺点，无法实现作业区域的自由化定义，且无法进行距离量测，入侵行为的轨迹跟踪功能无法实现。

图2 安全光栅方案示意

2.3 智能摄像机方案

智能摄像机方案通过布置多个智能摄像机实现全景覆盖，通过软件后台算法实现预警区域的智能划分与入侵识别。该方案具有可视化识别及警戒区域智能划分等优势，但是由于其对入侵行为的探测主要依靠智能摄像头图像识别功能，受安装位置及角度的限制，必然存在一定的视野盲区，且无法实现精准测距及轨迹的实时跟踪等功能。

2.4 电子围栏方案

电子围栏方案主要是通过有形的探测围栏的脉冲信号来实现建造装备的周界报警，由电子围栏主机及支撑杆和金属导线组成的前端探测围栏，可实现多级联网。但由于该方案采用的是有形屏障，不适应传统住宅建造工艺，且该方案无实时测距功能，无法实现入侵轨迹的即时跟踪及入侵事件的提前预警功能。

2.5 毫米波雷达方案

毫米波雷达方案是通过将1～10 mm波长雷达发射出去，被目标发射回来后，雷达通过计算收发之间的时间差来进行目标位置的确定。该方案具有测距精度高、测距范围广、可实现多目标实时轨迹跟踪、环境适应能力强、性能稳定且易于集成、成本较低等优点。其缺点主要表现为可视化程度低、静态识别度低。

通过对比分析上述各方案的优缺点，结合乡村住宅建造装备特殊的作业环境要求，本系统拟采用毫米波雷达结合可视化智能设备的新型融合方案，实现入侵行为的精准定位、入侵轨迹的实时跟踪、入侵行为的智能分级、入侵事件的可视化跟踪等功能。

3 雷视融合技术方案

3.1 雷视融合技术方案原理

雷视融合技术方案主要是利用毫米波雷达与可视化融合技术，通过毫米波雷达扫描系统对预设区域进行实时扫描，对入侵行为进行精准定位及轨迹跟踪，并将入侵行为与预警/报警区域进行对比分析，同步将入侵行为信息传输给可视化设备，利用可视化设备对入侵行为进行实时跟踪，最后通过后台算法实现入侵行为的实时轨迹跟踪、入侵行为分析及预判、智能安全预警等功能。

以乡村住宅小型化垂直作业装备为例，为实现该装备作业环境的360°全景化智能入侵预警系统搭建，考虑到单个毫米波雷达的可检测角度范围为120°，该方案将采用3台毫米波雷达结合3台球形摄像机的布置方式来实现入侵行为的智能分级预警及报警功能，其预警技术原理如图3所示。

图3 入侵行为分级预警示意

为了实现装备作业区域入侵行为的智能化预警，实现入侵事件的智能化管理，本技术依据乡村垂直作业装备的吊装半径及日常操作范围将作业区域划分为报警区域和预警区域，其中，报警区域严格按建造装备的标准化管理规程进行划分，该区域属于严格禁止侵入区域；预警区域可依据建造装备周边环境，如作业人员数量、临时建（构）筑物情况等，以及装备可能出现的各类危险进行划分。同时，根据装备安全作业的危险程度，将入侵行为划分为4个等级，具体划分规则如下：

1）1级预警：入侵行为侵入预警区域后稳定、持续地逼近报警区域，对装备报警区域的入侵风险较高。

2）2级预警：入侵行为侵入预警区域后位置不固定，且距离报警区域未达到安全阈值设定，对装备报警区域的入侵风险高。

3）3级预警：入侵行为侵入预警区域后位置较为固定，且距离报警区域未达到安全阈值设定，对装备报警区域的入侵风险低。

4）4级预警：入侵行为侵入预警区域短暂停留后，即退出预警区域，对装备报警区域入侵风险很低。

3.2 雷视融合入侵预警实现过程

基于雷视融合的乡村住宅小型化建造装备作业环境入侵预警技术，首先基于雷视一体传感器对装备安全作业环境形成完整警戒范围。当各类外界因素侵入到设定的警戒范围时，预警信号基于无线传输系统传送到上层应用软件中，上层应用软件根据对入侵行为数据的持续分析，给入侵行为进行等级判定并作出不同反应，如将报警信号推送到现场指挥人员手机中，提醒其进行相应处置，或在现场以警报灯的形式进行声光提醒，从而达到入侵行为的闭环处置，为乡村住宅建造装备作业环境安全提供技术保障。

4 入侵预警系统功能

基于雷视融合的乡村住宅小型化建造装备作业环境入侵预警系统主要由以下4个部分组成：预警监控模块、规则配置模块、预警配置模块、数据分析模块。

4.1 预警监控模块

预警监控模块主要实现入侵信息与风险分析结果的汇集、相关信息的抽取，并据此进行智能分析，把分析结果直观地展现在决策者面前，作为预测预警或事件处理的依据。预警监控的主界面大量使用数据可视化图表元素进行数据的直观展示。

以GIS地图的形式直观展示施工区域装置设备安全作业环境，对GIS中显示的设备作业感知范围可以进行放大、缩小、平移、全图查看等。通过装备图形化显示装备运行感知半径；当有入侵事件时，通过视频或雷达设备等感知设备将入侵类型以图标方式标识，同时将入侵路径进行分析、展示；同时在GIS地图上方以文字滚动或弹窗的方式进行报警，及时提醒管理者，让管理者充分了解入侵情况，及时给出正确决策。该模块主要功能包括：GIS地图展示、入侵预警次数统计、入侵预警类型占比、入侵详情展示、入侵预警级别占比、入侵预警规则概览、入侵轨迹、入侵视频展示等（图4）。

图4 预警监控模块示意

4.2 规则配置模块

入侵预警的规则配置模块展示了当前应用的入侵报警过滤规则，通过视频、雷达等感知设备对入侵人、设备及其他等信息定制入侵报警规则条件。可以设置感知设备探测范围（0°～360°），并通过设备预警可以设置外围预警和报警范围，从而判断是否有入侵事件。同时，还可以根据作业时间选择不同时间段进行规则设置，并将筛查过的数据进行系统内的展示与告警等。该模块主要包括设备展示列表、预警半径配置、报警半径配置、探测起始角度、探测结束角度、报警开始时间、报警结束时间等。

4.3 预警配置模块

预警配置模块主要是对入侵行为进行分级管理规定的设置，利用雷达实时感知入侵行为在预警范围内的活动轨迹、与报警区域距离的远近以及停留时长等，并对相关数据进行设置。可依据每个装备的工作特性、周边环境情况等，实现不同装备不同预警规则的个性化配置。

4.4 数据分析模块

数据分析模块主要包括：入侵报警类型分析、入侵报警时间段分析、入侵报警位置分析和入侵报警持续时间的分析等。对历史入侵报警数据进行统计和筛选，将不同类型的入侵报警数据进行分类统计。对历史入侵报警的时间点进行统计分析，按照入侵预警信息录入时间因素，可以研究在一天中发生的时间分布，从而展示入侵报警事件分布趋势。对历史入侵报警的位置进行统计分析，按照入侵预警信息录入地点因素，可以研究常发性入侵报警位置分布情况。对历史入侵报警持续时间进行统计，分析各类入侵预警响应时间。数据分析模块详见图5。