基于計算機視覺的城建智能化管理平臺設計

□ 文/王偉

作者單位:上海智能交通有限公司

城市基礎設施建設是我國城市發展的重要過程和支柱行業之一，在改善居住條件、完善基礎設施、吸納勞動力就業、推動經濟增長等方面發揮著重要作用。與此同時，基建行業也是一個安全事故多發的高危行業。近年來，在國家、各級地方政府建設主管部門和行業參與主體的高度關注和共同努力下，建設施工安全生產事故逐年下降，質量水平大幅提升，但不可否認，城市基礎設施建設過程中的施工安全形勢依然較為嚴峻，尤其是隨著我國城市化進程的不斷推進，建設工程規模和速度仍在逐年擴大，建設施工質量安全依然是政府部門及民眾最為關心的社會內容之一[1]。如何加強基建過程中施工現場安全管理、降低事故發生頻率、杜絕各種違規操作和不文明施工、提高建設工程質量，仍將是擺在各級政府部門、建設單位、施工單位以及院校研究的一項重要課題。

而隨著人工智能、互聯網和計算機技術的快速發展，打造基于計算機視覺的城建智能化管理平臺，推動人工智能技術在城市基礎設施建設過程中實現全方位、智能化、全壽命周期的管理應用顯得越發重要。

建設行業應用管理系統現狀

目前用于城建過程中的管理及應用軟件還是比較多，但多使用的單一系統或者是比較傳統的監測設備，比較成熟的系統主要有：

數字化工程管理系統（PMS）

基于BIM+數字化施工管理理念，對建設工程從中標到總包結算各階段實施差異化管控，對一般項目采用全生命期重大節點實時管理模式，對重大項目采用精確到施工部位的BIM施工管理模式，結合數字化工地各類套件、移動辦公技術和物聯網技術，精確采集項目各類生產要素和生產數據，實現對工程項目的數字化管理、多維度記錄和智能分析。

預制構件智能制造執行系統（MES）

根據標準化工業制造流水線管理模式建立的智能制造執行系統（MES），把各類產品劃分為鋼筋半成品制作、鋼筋籠制作及構件預制等三個生產階段，主要工藝和質檢節點采用數字化監管，對原材料采購、庫存管理，標準生產線崗位職能管理，生產工藝程序管理，半成品和成品場內駁運庫存管理，出庫送貨管理等環節實現數據記錄、數據分析和智能優化，實現工業化智慧生產，預制構件用于工程建設的各個階段。

安防管理系統（SMS）

工程建設期全貌和重點施工區域視頻監控管理，覆蓋項目主要施工作業面，可遠程操控清晰瀏覽工程風險源及進度等信息，實現視頻信號回傳公司總部服務器并在本地保留高清視頻存檔。同時通過門禁系統，實現項目級人員實名制+門禁套件全員實名制登記管理，通過人員門禁通道登記人員進出場信息，實現人員出入工地的信息化管理。

基于計算機視覺的城建智能化管理平臺設計

平臺總體構架及設計

平臺總體設計定位在綜合性、智能化的信息整合、業務管理與決策支持平臺。平臺綜合運用通訊、計算機技術、信息處理、圖像處理及人工智能等技術，實現多元信息錄入，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。系統按照多元異構體系進行設計，這樣不僅能滿足本系統的建設要求，而且也充分考慮了城市基建后續幾年的信息化發展趨勢，預留接口。同時，作為涉及人員和施工過程管理的綜合信息管理平臺，其總體框架設計包括感知層、基礎層、數據層、應用層、服務層和用戶層六個層次[2]，整個系統各層設計采用通用信息化標準協議及接口方式，各功能層描述如下：

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

基礎層：主要負責感知層傳感數據、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，負責實時視頻圖像和傳感數據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。

系統總體架構圖設計如圖1：

▲圖1 基于計算機視覺的城建智能化管理平臺總體架構圖

網絡體系設計

平臺的網絡體系設計利用互聯網資源，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。具體如圖2所示：

▲圖2. 平臺網絡架構圖

系統功能設計

進度管理

施工計劃管理：可查看建設單位所轄或下屬區域部門所管轄區域內施工項目的施工計劃。對于具體工程項目，可制定及維護該施工項目的具體工程進度計劃。用戶可在云平臺上將整個施工任務進行分解和排期，然后對該施工工期進行更新和補充，從而方便項目管理人員了解施工進度。

工程進度檢查：根據施工各分部、分項工程進度情況自動編制進度檢查計劃，對實際工程進度檢查情況進行記錄，并根據檢查結果更新進度信息。

勞務管理

智能人臉識別通道：建設現場大門安裝閘機、LED屏，工人刷卡或者通過人工智能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，系統可將建設現場劃分為不同區域，配合各區域的安保要求，通過計算機視覺技術監視相應區域，控制訪客的活動范圍，提高建設現場安全管理水平。

安全交底會議簽到：在安全交底會議上，可以依托計算機視覺識別技術，通過對人臉識別和檢測，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，可查詢選擇檢查對象，或者現場掃描人員、設備或檢查點對應的二維碼，或者通過攝像頭的視覺智能分析，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。

智能化監控

通過網絡傳輸，可將作業場景傳送到平臺Web界面或移動終端APP，系統在建設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建設現場的WIFI、3G/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，通過視覺檢測和分析，構成報警聯動機制[3]。

安全隱患智能預警

工程建設現場是復雜且不斷變化的環境，為確保建設施工過程中的人員、設施安全，需要部署大量的視頻監視點位，基于計算機視覺的智能化監控技術，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，包括視覺分析及檢測攝像頭，對建設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。環境監測系統支持與空調、風機、除濕機、噴淋設備等實現聯動，在檢測值超過預警值時自動啟動相關設備，進行自動化、智能化的響應，監測的多個參數實時數據可以在現場LED大屏和云平臺上實時顯示。

應用及探討

根據平臺的設計方案，目前主要在一些建設施工現場試驗性的使用了該平臺，通過采用窄帶物聯網和高清攝像頭進行視覺立體感知，使用人工智能進行思考理解，使用大數據對項目現場的施工人員實時行為進行監控和預測。計算機視覺部分的功能重點實現了如下內容：

對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建設施工區域的情況，以及建設現場起火等情況，一旦出現違規及時報警。

對建設現場的工作人員進行人臉識別，實現現場人員考勤的自動化、智能化。

對進入建設工地的車輛進行身份識別，并跟蹤軌跡，發現異常車輛，進入非指定區域，以及工地內行駛軌跡異常等現象，及時報警。

對工地現場設備及環境安全進行計算機視覺的分析，通過設備狀態比對及環境監測，對異常情況及時報警。

項目很好的運用基于計算機視覺的人工智能識別系統代替管理人員對基礎建設現場的巡檢，并將原有每月一次巡檢頻率上升至每天實時監控管理，發現問題實時報警、取證，提高建設現場工作人員安全意識。

結論

基于計算機視覺的城建智能化管理平臺能夠有效對城市基礎設施建設過程進行管理、監督，實現全方位實時監控、取證與管理，改變了原有的傳統基礎建設現場管理模式，極大地提高城市基礎設施建設的安全性。通過項目的實際使用也證明了本系統建設是可行的。

本文重點在平臺的整體功能和系統架構、計算機視覺處理和分析方面的功能進行了重點研究和設計，而平臺與其他系統的融合應用后期進一步研究的重點。