人工智能技術在智慧工地管理系統中的應用

□ 文/張劉鋒

作者單位：上海智能交通有限公司

隨著科學技術的不斷發展，目前我公司提出的基于人工智能（AI）技術的智慧工地管理系統在項目施工現場的監控管理與應用方面的作用越來越大，它主要體現在能直觀的加強對項目的現場施工管理與應用，它的應用使領導和管理部門能隨時、隨地直觀地視察現場的施工生產狀況，促進并加強工程項目施工現場質量、安全與文明施工和環境衛生的管理。

智慧工地管理系統是建立在高度信息化基礎上的一種支持對人和物全面感知、施工技術全面智能、工作互通互聯、信息協同共享、決策科學分析、風險智慧預控的新型信息化手段。具體來說，主要有以下幾大需求：

利用人臉識別技術進行人員管理和區域管控；

利用圖像識別技術輔助施工安全管理——如安全帽佩戴、腳手架變形等；

利用后臺大數據智能分析代替傳統人工記錄報表；

利用系統智能輔助實時監管施工現場各項情況。

下面針對智慧工地管理系統與應用進行初步探討：

工程項目施工現場智慧化管理初探

采用人工智能（AI）手段對數字化工地進行管理、監督，實現全方位實時監控、取證與管理，將極大地推進智慧工地生產工程的建設。

本公司創造性的將工地現場視頻管理、建筑大型機械安全監控管理、現場從業人員（實名制）管理、揚塵噪聲監測管理等有機、高效、科學規范的結合起來，真正實現工地建設項目與現場各類監控源數據的有效結合與深度配合，實現了對各建設項目的集約式管理模式，大大提高了管理工作效率和管理力度，改變了原有的傳統施工現場現場管理模式。

打造全方位、全生命周期、智能化的智慧工地管理平臺，推動智能化技術在施工現場管理中的應用，將現場采集到的視頻信息匯集到智能分析平臺，通過數據分析，形成報表、圖片等進行綜合管理，利用新興物聯網和云計算技術，將施工現場的實際狀況，以可視化的形式在統一的數據共享協作平臺上進行實時展現。

智慧工地管理系統概述

智慧工地管理系統是綜合性、智能化很強的信息整合、業務管理與決策支持平臺。整個系統綜合運用了通訊、計算機、網絡、信息處理等技術，實現信息資源管理、設備管理、用戶管理、網絡管理、安全管理等業務功能。系統多元異構體系進行設計不僅能滿足本系統的建設要求，而且也充分考慮了后續幾年的信息化發展趨勢。作為信息應用系統的綜合信息管理平臺，其總體框架包括感知層、基礎層、數據層、應用層、服務層和用戶層六個層次，整個系統置于信息化標準，管理體系和信息系統安全保障體系保護之下。

感知層：主要負責與外場設備、中心系統進行數據交互；完成采集圖片數據的入庫存儲、數據協議轉換、數據預處理及控制信息發送功能。

基礎層：主要負責感知層數據、視頻等信息的接入，以及系統中心平臺相關軟硬件的搭建及布置。

數據層：主要負責業務數據以及錄像文件的存儲和管理，負責實時視頻圖像的轉發和歷史圖像的存儲，數據庫軟件采用ORACLE，采用負載均衡的策略將轉發、存儲、比對、查詢任務分配到多臺服務器上。

應用層：是基于基礎層和數據層進行的各種業務處理、運算和管理服務層，包括實時監控、監測預警、信息導入、查詢統計、系統校時等業務處理功能，同時提供豐富的系統配置管理功能。

服務層：主要通過微信公眾號、門戶網站、移動APP等途徑，發布系統信息，以更好服務相關業務部門。

用戶層：提供友好、易用的人機交互界面。

智慧工地管理系統的功能和特色

智慧工地管理系統的功能主要有：進度管理、實名制管理、安全質量管理、視頻監控、安全隱患智能預警、環境監測等。

進度管理

進度管理系統是為施工項目經理部提供的用于管控施工進度的信息化軟件系統。施工進度管理系統為用戶提供了施工計劃編制工具、圖形化的施工進度展現工具，以及工程進度檢查工具，項目管理人員可利用這些工具制定施工進度計劃，擬定各專業分部、分項工程的進度計劃安排；在施工過程中，利用工程進度檢查工具對各分部、分項工程進行進度檢查，并通過進度管理系統將當前進度即時反饋至施工進度檢查系統中，該系統可幫助用戶將工程進度管控流程形成閉環，為工程管理人員提供最直觀、有效的工程進度展現及管理手段。

實名制管理

人員實名制一卡通是利用射頻標簽以及人臉識別技術進行現場勞務管理的系統。通過為施工現場工作人員發放勞務實名制卡，依托閘機、手持機、人臉識別相機等硬件設備，實現持卡進場、考勤、參加安全會議等功能。

電子標簽管理：工人進場，依托發卡器、二代身份證讀卡器等設備，在系統中注冊登記，領取人員實名制卡。同時提供卡掛失、解掛、注銷等功能

實名制通道：工地大門安裝閘機、LED屏，工人刷卡或者通過人臉識別相機上下班，LED屏實時統計在場上崗人數。管理人員通過手機APP即可查看。

考勤管理：依托門禁刷卡記錄，實現人員考勤過程的自動化，方便人員的出勤管理。系統能夠利用快捷注冊設備對訪客進行拍照，實現訪客的快速識別和登記，對訪客進行統一管理和訪問控制，系統可將工地劃分為不同區域，配合各區域的安保要求，控制訪客的活動范圍，提高工地安全管理水平。

安全交底會議簽到：在安全交底會議上，可以依托手持機進行安全培訓會議現場刷卡簽到。

安全質量管理

安全管理人員在對大型機械、設備器械、人員安全防護用品、危險源、臨火臨電、起重吊裝等檢查點進行現場檢查的過程中，當發現問題時，現場掃描人員、設備對應的二維碼，或者通過安防視頻智能分析，錄入巡檢問題，并即刻上傳至綜合管理平臺，以此反饋安全隱患，并通知相關人員整改。

安全及質量管理員可利用手持智能終端在智慧工地APP中記錄人員的違規行為、記錄分部及分項工程的質量問題。同時可用手機拍照進行現場取證，當有需要時可向相應的施工隊伍下發整改通知發起整改流程。

需要進行整改的施工隊伍接收到整改通知后，當整改工作完成時可通過智慧工地APP向管理人員反饋整改情況，可手機拍照對整改情況進行取證，管理人員可直觀通過圖片查看、對比整改前后的變化。

視頻監控

智慧工地視頻監控系統是一套遠程監控系統，通過網絡傳輸，可將作業場景傳送到智慧工地Web界面或移動終端APP。傳輸網絡支持寬帶、專線、4G無線網等。

系統在工地現場的監控網絡可采用多種布網方式，在無法布設有線傳輸線路的情況下，可將各監控點攝像機經由工地現場的WIFI、4G蜂窩網絡或者微波無線信號接入到互聯網。

如需要添加新的監控點，只要在網絡上添加新的監控攝像機即可；同時系統可增加紅外，煙感等安防探測器，以及聲光報警設備，并與視頻監控構成報警聯動機制。

安全隱患智能預警

建筑工地是復雜且不斷變化的環境，為確保工地施工過程中的人員、設施安全，需要部署大量的視頻監視點位，傳統的安防監控工作方式需要由人工通過肉眼對隨之產生的大量視頻影像進行分析判斷，面對大量視頻資源，徹底無死角的安全隱患監測是不現實的。而利用智能視頻分析系統對視頻數據中的對象進行分析是必然，令計算機代替人工完成監視任務，可有效解決這一難題。

智能視頻分析技術源自計算機視覺技術，它能夠在圖像及圖像描述之間建立映射關系，從而使計算機能夠通過數字圖像處理和分析來理解視頻畫面中的內容。

安全隱患智能分析系統基于智能視頻分析技術，輔助視頻監控系統對監控圖像進行分析、判斷、識別，從而自動檢測施工項目現場安全隱患的系統。

環境監測

環境監測系統依托自動化監測傳感器，對工地現場揚塵及噪聲進行實時監測，系統可對PM2.5、PM10、噪聲、風向、風速、溫度、濕度、大氣壓等環境參數進行全天候現場測量。

智慧工地管理系統的特色

統一管理平臺

統一的可視化智慧工地管理應用云平臺，包括工程監督、項目進度、設備及人員的安全等綜合監控，預留多系統接口，系統可逐步升級，實現多子系統全面集成。

計算機視覺

將計算機視覺技術應用（圖像感知和智能識別）與本次智慧工地管理系統建設相結合，進一步實現計算機智能化管理，平臺將使得施工現場管理工作高效快捷，有效增強對重點要素的管控能力，有利于及時發現各類情況，為管理決策服務。

以建設管理為中心，實時、自動監測分析

項目從開工到竣工被納入管理系統實時監控，通過實時現場安全、質量監控數據結合傳統的監管模式，提升科學管理水平。

平臺對建設現場的各個監測點狀況進行實時跟蹤分析，原始數據采集和處理完全不用人工參與，避免人為因素操作造成錯誤分析。

易于拓展，復用便捷

前端設備、子系統及管理平臺間支持多種傳輸方式，具有工作頻段靈活、可擴展性好、網絡容量大、覆蓋范圍廣等特點。

智慧工地管理系統的組成部分

本平臺的軟件系統、硬件設備均可重復使用，可根據建設項目實際規模調整硬件數量，選擇軟件功能模塊，復用便捷，具備可復制性。

網絡系統

本系統將利用互聯網資源，建立智能化的視頻信息傳輸交換平臺，視頻信息傳輸交換平臺中選用TCP/IP協議作為主要網絡協議，同時支持UDP方式。具體如下圖所示：

▲系統網絡拓撲架構圖

服務器方案

可根據項目需求，視頻監控數據采用前端本地存儲，智慧工地數據及報警數據采用中心存儲。考慮數據庫服務器系統每分鐘實際處理的tpmc流量指標以及APP應用等應用相關tpmc流量的計算量，配置相應服務器。

前端采集視頻流通過網絡傳輸至中心，通過人工智能識別設備，對視頻流進行識別處理，然后分別將識別結果傳輸至人工智能控制設備和數據庫服務器進行存儲。人工智能識別控制設備提取取證幀，并進行結構化數據存儲。根據項目需求，在中心平臺配置一臺人工智能控制設備。

存儲方案

前端設備采集實時視頻流本地存儲；前端采集的數據、圖片，在中心數據庫進行存儲；智能識別后的結果化數據及圖片存儲于存儲設備中，根據數據量計算，配備大型存儲設備。

軟件選型

本項目系統軟件需要操作系統、數據庫等軟件。

應用服務器采用Windows2008操作系統，數據庫服務器采用Linux redhat 7.x系統。

人工智能系統（AI）技術的實現方式

人工智能識別系統，采用窄帶物聯網和高清攝像頭進行立體感知，使用人工智能進行思考理解，使用大數據分析進行行為預測。

智慧工地管理系統計劃采用的“窄帶物聯+人工智能+大數據”技術融合方案，在工地管理領域內具有應用領先性。

▲視頻智能識別整體架構圖

人工智能識別系統功能：

對一些重點違規行為進行監控。重點盯防工作人員不戴安全帽進入施工區域的情況，以及施工現場起火等情況。

對工地的工作人員進行人臉識別，實現工地人員考勤的自動化、智能化。

視頻結構化

每臺人工智能識別設備可同時對8路高清視頻進行異常狀態監測。其主要性能如下：

視頻編解碼及結構化

對8路1080P/25（FPS）視頻進行編解碼。主要目的是截取視頻流中的I幀，進行智能識別。支持輸出包含識別結果的視頻流功能。當智能識別設備下游串聯視頻輸出設備（如顯示器，遠程拉流程序，視頻存儲設備等）時，每臺智能識別設備可輸出一路含有識別結果的視頻。

智能中控AI

智能識別設備的中控AI。會自動學習視頻結構化所累積的數據，理解各場景的繁忙/空閑時間段。并根據時間段的不同來消除光照等外部條件對智能識別的影響，根據智能AI對視頻內容進行的深度識別及分析，如人臉識別AI、安全帽識別AI、場景自動識別AI等，并分別將識別結果及取證幀存入數據庫和識別結果服務器。

人臉智能識別AI

定義：識別在有效范圍內的人員信息。

有效識別數量：最高可同時對有效范圍內2個人員進行檢測。

識別效果：在有效范圍內，人臉單幀識別準確率高于98%，報警誤報率低于5%。

識別原理：當AI功能被激活后，會調取視頻解碼器中調取視頻關鍵幀。首先關鍵幀進行人員識別，抓取人物頭部位置。在檢測到關鍵幀畫面中人員頭部位置后，進行人臉識別。與人員數據庫的信息后進行比對，比對成功后則實現人員管理信息的自動更新。

工作人員安全帽智能識別AI

定義：識別在有效范圍內的人員，是否佩戴安全帽。

有效識別數量：最高可同時對有效范圍內3個人員進行檢測。

識別效果：在有效范圍內，事件單幀識別準確率高于95%，報警誤報率低于5%。

識別原理：當AI功能被激活后，會調取視頻解碼器中調取視頻關鍵幀。首先關鍵幀進行人員識別，抓取人物頭部位置。在檢測到關鍵幀畫面中人員頭部位置后，對人物頭頂進行識別定位。當定位到人臉頭部后，對相應位置靠上的安全帽進行識別。如果識別出畫面中存在未按規定佩戴安全帽情況，則對關鍵幀進行保存取證，與識別結果一起發送至中心服務器。

AI效果展示

▲AI應用效果展示

結束語

建立智慧工地管理應用平臺，可適當減少現場管理人員數量，用智能化、數字化手段解決重復繁雜的勞動，降低管理人員的勞動強度；對建設現場進行動態、實時地遠程監控、管理，提高監控和管理的廣度和深度，提升施工建設管理效率和水平。

同時，通過宏觀監控，優化建設場地布局，合理規劃，綜合調配人力物力。

加強安全管理，保障安全生產

通過實現全方位、全時段地實時監控，及時發現建設現場違規、危險等現象，提高掌握現場情況的速度和準確性，使管理人員快速反應，制定有針對性的管理措施，對違規、危險現象及時處理，保障建設、生產安全。

由事后追責、事中監督轉變為前置監控，形成“預防為主，防監融合”的全過程監督，減少人為因素的判斷差異，減少紙質成果的繁重與浪費，建立健全更為客觀、高效、集約的建設安全管理方法，以保證建設質量、保障建設現場的建筑材料與設備等財產和工作人員的人身安全，有效防止安全事故的發生。

落實崗位職責，便于調查和明確責任

建設施工人員文化層次參差不齊，責任心和積極性也存在差異，通過遠程監控管理，在很大程度上督促了建設人員責任心和工作積極性，促進規范建設意識，既提升建設效率和水平，又便于管理。

建設過程實時監控并錄像存儲備份，可隨時查看監控信息，實時監測建設過程中違規、火災等危險事件，即使發生了一些不可預測的突發事件，也可在事后第一時間查看事件發生過程，為查明事件發生原因、明確責任提供有力證據。

加強治安管理，維護建設現場穩定和諧

智慧工地管理應用平臺可以通過身份證比對、視頻檢測等手段進行實名制考勤，通過視頻監控24小時對建設現場進行自動、實時監測，從而有效解決建設現場人員、車輛及治安管理，威懾并遏制盜竊、斗毆等影響社會穩定的治安事件發生，保障建設人員安全與合法權益，維護社會穩定和諧。

加強環境監測，提高環境質量

運用先進的、前沿的監測儀器、物聯網、云計算等技術，對建設現場明火、噪音、顆粒物濃度及現場文明建設情況進行實時、遠程、自動監控，使城市建設造成的污染得以大大降低，提高建設現場環境質量。