全面感知技術(shù)在工程施工管理中的應(yīng)用

彭曉鵬，熊英

（中交機電工程局有限公司，北京100035）

0 引言

建筑施工工地是一個環(huán)境復(fù)雜、人員密集、安全環(huán)保隱患多的場所。隨著工程建設(shè)規(guī)模不斷擴大，工藝流程更加復(fù)雜，政府監(jiān)管力度加大，對建設(shè)工程質(zhì)量、安全、施工管理提出了更高的要求。

建筑工程質(zhì)量與施工管理水平有著密切的關(guān)系，通過精細(xì)化管理提高工程施工質(zhì)量，提高企業(yè)競爭力。大型工程涉及到的專業(yè)技術(shù)多，物資設(shè)備種類多，對運維人員素質(zhì)要求高，對于使用頻率高的照明、網(wǎng)絡(luò)、空調(diào)等專業(yè)，需要匹配智能化的運維手段，提高管理能力，減少管理人員的數(shù)量[1-2]。

通過構(gòu)建集中式信息化處平臺，提升工程施工及運營管理效率以及安全環(huán)保水平，已成為亟待解決的重要課題。

1 系統(tǒng)框架組成

隨著通訊平臺、5G技術(shù)、物聯(lián)芯片技術(shù)的發(fā)展和成熟，物聯(lián)網(wǎng)IOT技術(shù)為工程建設(shè)、管理及運維提供了一種高效智能的途徑，通過構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)云平臺，將各處的圖像、環(huán)境情況、設(shè)備運行情況等直接與管理人員進行銜接。利用監(jiān)控攝像頭、各類傳感器、門禁、定位設(shè)備等工具，收集特定區(qū)域內(nèi)人員、機械、設(shè)備、環(huán)境的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，為工程建設(shè)管理和決策提供支持和依據(jù)。

目前，在各類大型工程建設(shè)中均開展了基于全面感知技術(shù)的應(yīng)用研究，主要集中于視頻感知、人員定位、設(shè)備自控等技術(shù)。本文從視頻監(jiān)控及分析、出入口管理、人員定位、環(huán)境監(jiān)測、照明自控、智慧停車、3D全息展示幾個方面介紹物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建設(shè)項目施工和運維管理中的運用。

2 功能設(shè)計

2.1 視頻監(jiān)控及分析

施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控系統(tǒng)的使用，是實現(xiàn)工程項目管理最直觀的監(jiān)管手段之一。通過全天候、全方位的高清視頻監(jiān)控，及時掌握施工動態(tài)，提高施工生產(chǎn)進度、質(zhì)量、安全、文明管控能力。同時對施工現(xiàn)場的異常狀況即時響應(yīng)，第一時間解決存在問題，為工程高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量的完成提供了先進的科技手段和強有力的技術(shù)保障。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

1）建立現(xiàn)場電子地圖，在電子地圖上標(biāo)示各處攝像機的位置，隨時對攝像機畫面進行調(diào)用和追溯。

2）在實現(xiàn)傳統(tǒng)視頻監(jiān)控功能的基礎(chǔ)上，增加圖像識別分析的功能，建立與門禁系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、停車場管理系統(tǒng)的有機聯(lián)動平臺。

3）利用視頻識別分析技術(shù)主動捕捉各類事件信息，智能分析、整理、查詢圖像信息（圖1）。

圖1 監(jiān)控畫面分析Fig.1 Monitoring screen analysis

視頻行為分析主要有3種，分別是個體行為、群體行為和場景行為。行為捕捉有行為描述和行為建模兩個關(guān)鍵步驟。行為描述是從視頻中提取如顏色、紋理、狀態(tài)等易于判別和描述的特征，行為建模則對視覺特征的時空分布和演變進行建模，再將模型的變化和預(yù)先存儲的關(guān)鍵行為模板相比較，對行為的類別進行判斷，結(jié)合預(yù)設(shè)的行為描述進行匹配，實現(xiàn)行為識別的功能[3]。

行為識別功能讓平臺自動捕捉畫面并進行識別判斷，提供需要的信息，例如捕捉到人臉后自動判斷是否有安全帽，人員位置是否進入預(yù)設(shè)的危險區(qū)域，未戴安全帽或進入危險區(qū)域自動報警等。

2.2 出入口管理

人臉識別出入口管理系統(tǒng)是視頻分析與門禁相結(jié)合的應(yīng)用，是實現(xiàn)平臺智慧管理的基礎(chǔ)，它的主要作用是進行人員信息管理和記錄。系統(tǒng)預(yù)錄施工人員基本情況、照片、指紋等各類信息，施工人員在門禁前刷臉或核對指紋，與預(yù)存信息一致才能進入工地，既可以杜絕外來人員隨意進入工地，也可以有效記錄所有人員的考勤，并隨時查詢現(xiàn)場人員數(shù)量，避免在下班后或特定時間內(nèi)人員逗留在施工區(qū)域[4]。

出入口管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于能夠準(zhǔn)確高效地進行人臉識別，特別是當(dāng)人員佩戴安全帽或有部分遮擋時也能夠進行快速比對。現(xiàn)有多種人臉識別方法，難以用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)分類，總體包括基于外觀的人臉識別、特征人臉識別和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉識別等。

基于外觀的人臉識別法，對采集人員面部信息進行識別，將圖像的灰度值轉(zhuǎn)換為二維數(shù)組，實時檢測圖像和系統(tǒng)預(yù)存信息相關(guān)性進行對比和分類。由于這種方法具備一定維數(shù)，圖像分類置于高維空間中開展，易于理解和實現(xiàn)，但計算過程耗時耗力，無法滿足現(xiàn)場快速識別的需要。

基于面部特征的識別法，需要掌握面部五官形狀特征信息，計算并分析面部特征間距離和面積等參數(shù)的關(guān)系，通過歐式算法分類識別。該方法操作簡單，不受光照變化影響，魯棒性強等特點。在現(xiàn)場實際測試中，當(dāng)入場人員戴安全帽或面部有污垢時，特征提取難度會顯著提高，并且對于臉部的表情敏感度較高，無法滿足高精準(zhǔn)識別的需求。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉識別法，根據(jù)動物中樞神經(jīng)，尤其是大腦啟發(fā)的模型自動進行機器學(xué)習(xí)，估計特定功能，需要輸入大量數(shù)據(jù)作為支持，通常表現(xiàn)為彼此相關(guān)聯(lián)的神經(jīng)元單元，在神經(jīng)元中進行信息交換。研究證明將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于人臉識別系統(tǒng)中，能夠解決面部特征問題，具有很強的魯棒性，識別范圍廣泛，錯誤率低，在現(xiàn)場實測中取得良好的效果[5-6]。

2.3 人員定位系統(tǒng)

人員定位系統(tǒng)主要通過監(jiān)控區(qū)域內(nèi)施工或工作人員配備定位標(biāo)簽設(shè)備，以實現(xiàn)實時跟蹤和記錄綁定標(biāo)簽的人員位置信息的功能。系統(tǒng)邏輯框架如圖2，定位標(biāo)簽（例如定位胸牌）通過無線脈沖向定位基站發(fā)送UWB超寬帶信號。

圖2 定位系統(tǒng)邏輯框架Fig.2 Logical framework of positioning system

定位基站架設(shè)在需要提供定位服務(wù)的區(qū)域?qū)崟r捕獲UWB信號，定位基站之間通過同步控制器鏈接并同步，同步控制器接入服務(wù)器，由定位引擎解算，同時向上層應(yīng)用軟件輸出定位數(shù)據(jù)，由上層應(yīng)用軟件實現(xiàn)各種基于高精度定位的應(yīng)用。例如根據(jù)位置信息調(diào)用站內(nèi)原有視頻監(jiān)控，并在管理軟件進行查看與自動播放，實現(xiàn)視頻聯(lián)動[7]。

人員定位技術(shù)與視頻系統(tǒng)結(jié)合后即可實現(xiàn)視頻聯(lián)動功能，當(dāng)定位人員觸發(fā)報警時，系統(tǒng)根據(jù)其精確位置自動調(diào)用視頻設(shè)備，對觸發(fā)報警區(qū)域?qū)崿F(xiàn)視頻提示。隨著觸發(fā)報警人員的移動（圖3），視頻設(shè)備將自動切換保持對觸發(fā)人員的監(jiān)視。系統(tǒng)支持對觸發(fā)報警前后視頻的自動存檔，以備后續(xù)業(yè)務(wù)需要。

圖3 人員定位監(jiān)控Fig.3 Personnel positioning monitoring

2.4 環(huán)境監(jiān)測及控制

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)依托自動化監(jiān)測設(shè)備，對施工現(xiàn)場區(qū)域環(huán)境的空氣及噪聲進行實時監(jiān)測，其中室外環(huán)境的監(jiān)測設(shè)備可以對噪聲、顆粒物濃度（PM2.5、PM10）、風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、溫度、大氣壓等多項環(huán)境參數(shù)要素進行全天候現(xiàn)場精確測量與LED屏實時顯示。

同時，室外監(jiān)控設(shè)備使用遠程傳輸模塊把顆粒物濃度、噪音、溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)中心，室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備利用有線網(wǎng)絡(luò)將采集的CO2、PM2.5、PM10、溫度、濕度、甲醛、TVOC等數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程訪問與監(jiān)控。

管理系統(tǒng)支持環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)集成，根據(jù)相應(yīng)的閾值進行預(yù)警，并在模型中查看環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備發(fā)生報警時，能在模型中呈現(xiàn)高亮以顯示報警位置，并記錄相應(yīng)的報警信息[8]。

在建筑運維管理中，環(huán)境監(jiān)測能與樓宇自控系統(tǒng)相結(jié)合，形成智能樓宇自控系統(tǒng)：

1）根據(jù)用戶在不同的使用場景下對環(huán)境的具體要求，擬定多套配置方案供用戶選擇，并結(jié)合用戶日程安排實現(xiàn)自動啟停和自動切換。

2）利用傳感器與環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，與視頻分析和出入口管理系統(tǒng)相結(jié)合，收集建筑各部分的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)、人員密度及使用頻率，自動配置優(yōu)化空調(diào)方案，降低使用能耗。

3）從智能電表中讀取數(shù)據(jù)，智能計算出各種情景模式下的能耗指標(biāo)，并能夠在系統(tǒng)中進行對比分析，為用戶選擇最為合適的模式。

在已經(jīng)實施的智能樓宇項目自控案例中，選取圖書館區(qū)域作為實驗區(qū)域，在該區(qū)域配置獨立服務(wù)器，并在一、二層大廳、閱覽室、兒童閱覽室、多功能教室、存書庫、電子閱覽廳等部位研發(fā)并設(shè)置了“傳感器-控制器”集成模塊。通過收集溫濕度、CO2濃度等信息，與區(qū)域內(nèi)攝像頭配合，收集人員分布情況，優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng)的過程控制方案，提升用戶的舒適度，提高能源的利用效率。優(yōu)化過程主要有：

1）在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)4個環(huán)控模式：全效、經(jīng)濟、新風(fēng)和待機。

2）將圖書館劃分為4類區(qū)域：主營區(qū)、通道區(qū)、后臺區(qū)和恒溫區(qū)，將所有風(fēng)管風(fēng)機的控制設(shè)備劃分到歸屬區(qū)域。主營區(qū)包括二樓大廳、閱覽室、兒童閱覽室、電子閱覽廳；通道區(qū)包括一樓大廳、各處通道、樓梯等區(qū)域；后臺區(qū)包括辦公室、接待室、書籍清理室等區(qū)域；恒溫區(qū)主要包括恒溫機房和恒溫庫房等區(qū)域。

3）利用智慧樓宇系統(tǒng)將不同區(qū)域按時段與環(huán)控模式匹配起來，對場館高峰和低谷人流情況進行自動調(diào)整。例如：主營區(qū)域在9時進入全效模式，11時進入經(jīng)濟模式，14時進入全效模式，16時30分進入經(jīng)濟模式，18時轉(zhuǎn)入待機模式；后臺通道區(qū)域9時進入經(jīng)濟模式，12時進入新風(fēng)模式，14時進入經(jīng)濟模式，17時進入新風(fēng)模式，18時轉(zhuǎn)入待機模式等。

4）利用率相對較低的多媒體教室、大型會議室等區(qū)域采用預(yù)約開啟或手動開關(guān)模式，并在監(jiān)控攝像頭無事件捕捉且畫面靜止達到10 min后進入經(jīng)濟模式，30 min后進入待機模式。

2.5 照明自控系統(tǒng)

在照明自控系統(tǒng)中，管理用戶可以使用自動管理模式，建筑中不同區(qū)域的燈光根據(jù)時段、場景、經(jīng)營情況或管理用戶輸入的日程安排等自動進行切換和調(diào)控。

與視頻分析系統(tǒng)和智慧停車相結(jié)合，自動減少建筑中低頻率區(qū)域的光源配置，對停車場照明采用分區(qū)控制技術(shù)，當(dāng)某些區(qū)域使用頻率較低時，減少該區(qū)域的光源數(shù)量。

在已實施項目的照明自控系統(tǒng)中，選擇了圖書館及地下室停車場區(qū)域作為研究對象，在原有智能照明控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改造，研發(fā)獨立的控制模塊。

在圖書館區(qū)域，通過預(yù)設(shè)日程和場景，使相應(yīng)區(qū)域中燈光在到達指定時段時自動切換到預(yù)設(shè)模式。在地下室停車場區(qū)域則與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行聯(lián)動，將地下室停車場的燈光劃分為8個片區(qū)，將每臺攝像機編號并綁定到相應(yīng)片區(qū)。

在片區(qū)攝像機畫面靜止無捕捉時，默認(rèn)僅開啟最低亮度（1/5燈管點亮），在攝像機捕捉到有人員進入停車場或有車輛經(jīng)過時，開啟該片區(qū)所有燈光；在車輛或行人離開1 min后，攝像機畫面靜止時，該片區(qū)燈光切換到經(jīng)濟模式（1/3燈管點亮）；在攝像機畫面靜止達到10 min后，該片區(qū)燈光切換到最低亮度（1/5燈管點亮）[9]。

2.6 智慧停車系統(tǒng)

智慧停車系統(tǒng)通過車牌自動識別設(shè)備，在車輛經(jīng)過門禁時，系統(tǒng)可自動識別車輛的車牌信息，并由出入口嵌入式智能控制機通過網(wǎng)絡(luò)將其傳送至后臺管理中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，查找與該車牌相關(guān)聯(lián)的車輛信息，控制自動欄桿的起降以攔阻或放行車輛。

監(jiān)控系統(tǒng)與視頻分析系統(tǒng)相結(jié)合具有實時查詢和分析功能，普通用戶可以隨時在移動端應(yīng)用上查看車輛所在區(qū)域的監(jiān)控及安防情況[10]。

系統(tǒng)也能夠與目前主流的應(yīng)用程序進行集成，讓普通用戶通過微信、支付寶等軟件查看車輛入場時間、停車時長、停車位置、最佳取車路線等信息并進行停車費支付，全方位提高普通用戶的用車感受。管理人員也可以通過管理系統(tǒng)，實時查看停車場區(qū)域的停車情況，并查閱所有的停車記錄信息和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。

2.7 3D全息展示系統(tǒng)

在工程中使用BIM模型3D全息展示系統(tǒng)，將工程結(jié)構(gòu)的三維畫面懸浮在成像系統(tǒng)中，不需要佩戴任何設(shè)備，實現(xiàn)裸眼3D立體顯示特效，并可以進行人機互動，隨意將該三維圖像放大縮小或旋轉(zhuǎn)。可在現(xiàn)場根據(jù)模型提出修改完善意見，并經(jīng)過BIM小組現(xiàn)場修改調(diào)整完成后再進行展示。也可以組織施工人員進行觀看，從各個角度展示設(shè)備安裝狀態(tài)，講解施工流程。也可以根據(jù)BIM模型制作精美展示畫面，觀看項目介紹及全景3D演示動畫，在展示各子系統(tǒng)的3D模型時進行功能介紹，讓用戶全面深入了解項目基本情況。也可以建立用戶管理及服務(wù)平臺，所有維保人員通過觀看展示畫面了解各系統(tǒng)的使用要點。整個項目的所有設(shè)計及施工的文件和資料留存其中，在需要進行展示或者維護時方便快捷查閱信息（圖4）。

圖4 文化中心感知技術(shù)運用案例Fig.4 Application cases of perception technology in cultural center

3 發(fā)展前景

有效利用物聯(lián)網(wǎng)及全面感知技術(shù)，構(gòu)造集自動監(jiān)控、安全管理、節(jié)能降耗于一體的多功能全過程管理平臺，施工管理人員或運維人員通過信息化技術(shù)及手段提高管理質(zhì)量和效率，降低安全隱患和人工成本。

物聯(lián)網(wǎng)及全面感知技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，構(gòu)建的模塊化平臺能利用現(xiàn)有硬件進行技術(shù)升級，增加功能，提高性能，滿足用戶日益增加的需求。

4 結(jié)語

綜上所述，為了滿足工程施工及運營過程中的日常監(jiān)控、安全環(huán)保管理和節(jié)能降耗要求，通過構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)和全面感知技術(shù)的集中式信息管理平臺，自動智能處理常規(guī)信息，提醒特殊信息，對關(guān)鍵過程信息進行精確控制。