基于幾何控制的公路施工智能監控系統設計

楊志華，李曉龍

(云南省建設投資控股集團有限公司，昆明 650000)

基于幾何控制的公路施工智能監控系統設計

楊志華，李曉龍

(云南省建設投資控股集團有限公司，昆明 650000)

為了更好地保證公路施工質量，保障施工人員的生命財產安全，建設平安和諧社會，為廣大群眾提供一個便利、舒適、安全地空間，需要對公路施工監控系統進行設計;當前的公路施工監控系統設計方法是利用圖像處理板對其進行監控，監控過程中圖像處理板的體積太大，沒有設置隱蔽性屏障，導致監控盲點多，存在監控整體性能低，監控系統效果差的問題;為此，提出一種基于幾何控制的公路施工智能監控系統設計方法;該方法首先確定公路施工監控類型，并對公路施工監控系統進行構造，然后以公路施工監控系統的構造為基礎，利用編碼感知路由，將各個終端監控的數據信息傳輸至監控系統中心，最后采用蛇形時隙數據存儲算法將公路施工終端的監控信息數據全部存儲，由此完成對公路施工的智能監控的系統設計;實驗結果證明，所提方法可以對公路施工進行全方位，安全可靠地智能監控，減少了突發事件發生處理時間和監控盲點，增加了公路施工速度，更大程度地保障了施工人員的人身安全，為該領域的研究發展提供了強有力的依據。

幾何控制；公路施工；智能監控；系統設計

0 引言

當前，隨著社會經濟的迅速發展和人們生活水平的不斷提高，公路施工情況隨處可見，例如銀行、超市、商場、工廠、網吧、學校、十字路口交通等公共領域[1]。公路施工作為社會建設的基礎，為人們出行便利做出了杰出的貢獻，但是在施工過程中，經常出現突發狀況，為了保證施工質量，更好地保障施工人員的安全，需要利用智能監控對施工現場進行監控。智能監控不僅可以作為視頻舉證還原現場情況，而且還可以保護人們的財產和安全[2-3]。因此，公路施工智能監控系統的設計受到了廣大專家學者的高度重視和深度鉆研[4-5]。多數公路施工智能監控系統設計方法在監控時，無法對公路施工進行低成本、低誤差，全面穩定地智能監控，導致施工過程出現問題不能及時得到反饋，出現大量財產及安全受損的問題[6]。在這種情況下，如何減少公路施工監控成本和監控信息所占存儲空間，提高監控質量成為了待以解決的問題。而基于幾何控制的公路施工智能監控系統設計方法，對公路施工進行全面、高效地智能監控，是解決上述問題的可行途徑，成為了該領域專家的研究課題，同時也得出很多優秀的成果[7]。

文獻[8]提出了一種基于無線網絡的公路施工智能監控系統設計方法。該方法首先通過公路施工視頻監控與無線網絡技術的介紹，依據公路施工的實際情況，對公路施工現場進行網絡性地覆蓋，然后針對覆蓋特點設計無線網絡監控系統，調整監控設備的準確位置，最后利用無線網絡的測試，建設滿足公路施工監控系統所需求的無線網絡信息傳輸平臺，由此完成對公路施工監控系統的設計。該方法在操作過程中耗時較短，但是存在監控視頻不清晰的問題。文獻[9]提出了一種基于嵌入式的公路施工智能監控系統設計方法。該方法利用C/S模式將嵌入式技術與現代網絡傳輸技術結合，采用Linux多線編程，對公路施工智能監控系統進行硬件構造，依據Gtk+/Gnome技術將公路施工監控信息進行統計整理，最后以整理過的信息為基礎，完成對公路施工監控系統的設計。該方法較為簡單，但是在監控信息整理過程中經常出現信息丟失的問題。文獻[10]提出了一種基于數字地圖的公路施工智能監控系統設計方法。該方法針對公路施工的具體情況，分析監控系統的監控指標，使用SQLserver數據庫對監控數據進行存儲，最后在VisualStudio平臺上利用C語言實現對公路施工智能監控系統的設計。該方法的監控質量良好，但是存在C語言運用較復雜的問題。

針對上述問題，提出一種基于幾何控制的公路施工智能監控系統設計方法。該方法首先對公路施工智能監控類型進行劃分，對智能監控系統進行硬件構造，方便監控系統的設計更清晰化地展現出來，然后利用編碼感知路由，將各終端監控信息傳輸至監控系統中心，最后采用蛇形時隙數據存儲算法對傳輸來的監控數據信息進行存儲。仿真實驗證明，本文所提方法可以多方位，全面有效地對公路施工進行智能監控。

1 基于幾何控制的公路施工智能監控系統設計方法

1.1 公路施工智能監控系統硬件設計

公路施工具有靈活，工程量大等特性，所以針對公路施工這種復雜情況，對公路施工智能監控類型進行分類，便于公路施工智能監控系統的設計，圖1是公路施工智能監控類型。

圖1 公路施工智能監控類型

從圖1可以看出，公路施工智能監控類型主要由橋面施工監控、隧道施工監控、公共場所施工監控以及其他方面的施工監控組成。在該圖中針對每種施工場地具體情況對其監控系統進行設計，例如在隧道中進行施工，燈光昏暗而且容易發生地陷等問題，所以對該地點的監控系統設計應當考慮到此方面。以此類推，具體問題具體分析，盡量將所有方面進行妥善安排，由此便可以更好地保障施工現場的監控效果。圖2是公路施工智能監控系統構造。

圖2 公路施工智能監控系統構造

分析圖2可知，公路施工智能監控系統大致分為：監控錄像存儲、監控信息數據傳輸、監控音頻保存、監控報警子系統和呼叫中心五部分。在整個公路施工智能監控系統中，各個監控終端通過這五部分將各個監控終端的信息數據傳輸至監控系統中心，如果發生意外情況，監控報警子系統會發出警報，工作人員可以及時勘察和處理，也可以利用呼叫中心對監控系統中心發出請求，解決突發狀況。

1.2 監控信息數據傳輸模塊

以2.1中各項信息為基礎，利用編碼感知路由，將各終端監控信息低延時高效率地傳輸至監控系統中心。假設，ni代表編碼節點的對應閾值i，在采集監控錄像樣本間隔x內傳輸的監控數據個數，其中，有nbi個編碼監控數據，M代表編碼節點的隊列長度，qij代表編碼節點的對應閾值i，在采集監控錄像樣本間隔x內收到的第j個監控數據，D(qij)與E(qij)分別代表監控數據qij在編碼對列中，出隊用時和入隊用時。

(1)

其中，Fi代表編碼隊列長度中每一個閾值i的監控數據傳輸的平均延時值。對閾值i進行初始化，初始化值為0，由監控終端傳輸的監控信息數據編碼節點通過隊列長度的緩存方式，將來自不同監控終端的監控數據進行高效傳輸或者等待，當監控數據傳輸穩定時，在固定的采集監控錄像樣本間隔x內，記錄每個監控終端的傳輸數據q0j，在編碼緩存隊列中入隊時間E(q0j)以及出隊時間D(q0j)，對傳輸的監控數據個數n0和編碼個數nc0進行統計，根據式(1)計算閾值i為0時，監控數據傳輸的平均延時為：

(2)

其中：F0代表閾值i為0時，監控數據傳輸的平均延時值，將閾值i加1，對上式進行迭代計算，編碼節點對應的閾值i在間隔x內的監控數據傳輸延時均值F0,F1,…FM-1。經過上述得到的F0,F1,…FM-1中找到監控數據傳輸最小的元素下標，并稱為最優閾值，則最優閾值的尋找方式為：

Fε=(F0,F1…,FM-1)?

(3)

其中，Fε代表找到的最優閾值。以該閾值為依據，假設，M*代表監控數據信息傳輸延時訓練時，編碼節點獲取的隊列長度最優閾值。在編碼的中間節點，當接收到的監控數據為編碼時，則該編碼的中間節點檢測緩存解碼中，是否有可以對此編碼進行解碼的監控數據流信息，如果有，則將解碼的信息流分離出來；如果沒有，則將此編碼刪除。刪除函數為：

(4)

其中，Ai,j代表編碼刪除函數值，對分離出來的監控數據信息流進行判斷，判斷其中間節點是否為編碼的節點，假如不是編碼節點，則將此數據流利用路由進行轉發傳輸，假如是編碼節點，則觀察該編碼節點中是否有其他監控終端的監控數據到達，如果有，則對來自不同監控終端的監控數據進行編碼傳輸，本文不對沒有監控數據到達的情況做分析。為了使進行編碼傳輸的監控信息延時達到最低，設置了監控信息數據傳輸延時控制參數f，則：

(5)

綜上所述，通過監控數據傳輸延時控制參數的影響，使公路施工過程的監控數據可以低延時地傳輸至監控系統中心。

1.3 監控信息數據存儲模塊

以1.2中各項數據為依據，采用蛇形時隙數據存儲算法對傳輸來的各個終端監控數據進行存儲。

假設，將傳輸過來的各個終端的監控信息數據放在網格內進行存儲，那么它的橫縱坐標分別為：

(6)

(7)

其中，Xl代表橫坐標在l處的坐標點，Yl代表縱坐標在l處的坐標點，X和Y分別代表網格的橫縱坐標。網格的橫縱坐標建立后，具體監控信息數據存儲流程如下。

1)根據監控區域的大小和突發事件類型，為每個監控數據的節點分配一個真實坐標和一個虛擬坐標，分別為UP和UQ，設定其初始值UQ=UP；

2)對網格內的監控數據節點個數，以及各個監控信息數據節點到網格中心點的距離進行計算，按照距離的大小將數據節點進行編號，為每個數據節點分配睡眠時隙；

3)對網格內的各個存儲節點剩余存儲空間進行查詢，達到數據存儲閾值節點的虛擬坐標為(∞,∞)時，為編號后的監控信息數據選擇存儲節點，并進行存儲，其公式為：

(8)

其中，(Xl,Yl)代表編號后的監控信息數據存儲函數值。

4)對于漏掉的監控信息數據，在網格中找不到正確地存儲位置，便在網格中從上至下，從左至右開始分配時隙，如果遇到網格矩陣邊界，則垂直到下一行，以反方向繼續分配時隙，這種存儲方式就是蛇形時隙數據存儲算法，重復此步驟，直到將公路施工終端的監控信息數據全部存儲為止，由此完成了對監控信息數據的有效存儲。

2 仿真實驗結果與分析

為了證明基于幾何控制的公路施工智能監控系統設計方法的整體可行性，需要進行一次仿真實驗。在matlab7.x的環境下搭建公路施工智能監控實驗仿真平臺。實驗數據取自于北京東三環公路施工現場，將本文所提方法應用到實驗數據中，觀察本文所提方法的可行性和可靠性。表1是不同方法下的監控數據傳輸耗時(s)對比。

表1 不同方法下監控數據傳輸耗時對比

分析表1可知，文獻[8]所提方法監控數據傳輸耗時在一定程度上略優于文獻[9]所提方法，而本文所提基于幾何控制的公路施工智能監控系統設計方法，在進行監控信息數據傳輸時，利用了編碼感知路由將各終端監控數據傳輸至監控系統中心，提升了數據傳輸速度，減少了數據傳輸耗時，證明了本文方法是可靠有效的。表2是同一時間段公路施工突發事件(個)，不同方法下的監控系統報警器反應時間(s)對比。

表2 不同方法下監控報警器反應時間對比

通過表2得知，在同一時間段內公路施工突發事件數量的多少，或多或少都在影響著監控報警器的反應速度，也就是反應時間。依據表2中各項數據的對比，本文所提方法明顯優于文獻[10]所提方法，這主要是因為利用本文方法在公路施工監控系統設計之前，針對施工環境的不同，監控器設計的類型就不同，報警器的設計也就不同，所以在突發事件發生時，本文所提方法下的監控報警器反應速度相對較快。圖3是不同方法下監控信息數據存儲功率(%)的對比。監控信息數據存儲功率(%)的表達公式為：

(9)

圖3中各項數據顯示出，本文方法在監控信息數據存儲中存在絕對地優越性，在監控數據相同的情況下，文獻[9]所提方法和文獻[10]所提方法的監控數據存儲功率相對較低，文獻[9]所提方法存儲功率曲線前半部分較為平緩，有上升趨勢，但隨著監控數據量增加，存儲功率呈下降狀態；文獻[10]所提方法整體存儲功率較低，而且存儲功率曲線波動起伏較大，應用效率低；綜上所述，進一步證明了本文所提方法的可實踐性較強。圖4是不同方法下監控數據存儲覆蓋率(%)的對比描述，監控數據存儲覆蓋率公式為：

(10)

由圖4可知，文獻[8]所提方法和文獻[10]所提方法

圖3 不同方法下監控信息數據存儲功率對比

圖4 不同方法下監控數據存儲覆蓋率對比

對監控數據的存儲，沒有基于幾何控制的公路施工智能監控系統數據存儲覆蓋率高，這表示文獻[8]、文獻[10]所提方法在數據存儲過程中丟包率很高。因為在利用本文方法對監控數據進行存儲時，采用了蛇形時隙數據存儲算法對傳輸來的監控數據進行存儲，存儲中重復蛇形時隙過程，直到將公路施工終端的監控信息數據全部存儲到監控系統中心。證明了本文所提方法在進行數據存儲時，數據丟失率低，穩健性強，是切實可行的公路施工智能監控系統設計方法。

仿真實驗證明，所提方法可以穩定高效地對公路施工監控系統進行設計，成為了公路施工安全因素的重要體現形式，在公路區間測速、公路施工突發事件檢測分析、施工質量等方面有著重要意義，減少了公路施工誤報警率，提高了監控夜視性能，魯棒性較好，為公路施工監控系統的設計開辟了新路徑。

3 結束語

采用當前方法對公路施工監控系統進行設計時，無法監測到施工盲點，導致監控效果誤差大，存在公路施工質量低，施工人員人身安全無法得到保障的問題，提出一種基于幾何控制的公路施工智能監控系統設計方法。并通過仿真實驗證明，所提方法可以低延時，高精度地對公路施工監控系統進行設計，具有良好的應用價值，為該領域的發展指明了方向，可借鑒意義較強。

[1]余建輝,林榮安,習艷會.公路路面施工監測信息化管理系統研究[J].筑路機械與施工機械化,2015,32(5):34-39.

[2]張偉龍,李 剛,王雨翔.高速公路高清智能視頻監控系統架構與功能設計[J].小型微型計算機系統,2014,35(7):1667-1670.

[3]李佳祎.某地鐵延伸線視頻監控系統設計方案研究[J].鐵道工程學報,2015,32(2):97-102.

[4]王江麗,劉德強,王 俊,等.高速公路綜合監控管理系統實現[J].測繪科學,2015,40(1):117-121.

[5]張顯偉,薛 曄,楊 杰.豐滿水電站重建工程三期獨立運行計算機監控系統設計方案[J].水利水電技術,2016,47(6):111-114.

[6]沈葉飛,陳一馨,董華祥,等.壓路機施工過程監控信息化管理系統研究[J].筑路機械與施工機械化,2014,31(12):103-106.

[7]劉東海,孫源澤,鞏樹濤,等.水電工程進場公路路基壓實質量實時監控系統[J].水力發電,2015,41(6):81-85.

[8]劉 洋,韓泉泉,趙 娜.無人機地面綜合監控系統設計與實現[J].電子設計工程,2016,24(14):110-112.

[9]李智慧,劉衛景,劉文峰,等.地鐵施工對上部建筑結構安全性影響的在線監測系統設計與實踐[J].隧道建設,2014,34(10):990-996.

[10]張曉峰,黃林沖.黃土隧道施工過程自動化監測系統構建與安全性分析[J].鐵道科學與工程學報,2016,13(5):914-920.

Based on the Geometric Control of Highway Construction Intelligent Monitoring System Design

Yang Zhihua

(Yunnan Construction and Investment Holding Group Co.,LTD.,Kunming 650000,China)

In order to better ensure the quality of road construction, construction personnel's life and property security, peace and harmonious society construction, for the masses to provide a convenient, comfortable and safe space, need for highway construction monitoring and control system design. The current highway construction monitoring and control system design method is to use image processing surface monitoring, monitoring the process of image processing board size is too big, no concealment barriers, lead to monitor the blind spots, more is to monitor the overall performance is low, problem of poor effect of monitoring and control system. For this, put forward a kind of highway construction intelligent monitoring system based on the geometric control design method. Types, this method first determine highway construction monitoring and monitoring system for construction of highway construction, and then on the basis of the structure of the highway construction monitoring and control system, using code awareness routing, each terminal monitoring data information transmission to monitor and control system center, finally USES the serpentine time slot data storage algorithm of highway construction to the terminal monitoring information data storage, thus complete the system design of the intelligent monitoring of highway construction. Experimental results show that the proposed method can be full of highway construction, safe and reliable intelligent monitoring, reduce the processing time and monitoring blind spots and emergencies, increased the speed of road construction, a greater degree to the protection of the personal safety of the construction personnel, in the field of research and development provides a strong basis.

The geometric control; Highway construction;Intelligent monitoring;The system design;

2017-04-13；

2017-04-28。

楊志華(1978-)，男，云南大理人，高級工程師，主要從事道橋技術與管理方向的研究。

1671-4598(2017)07-0129-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.032

TP277

A