基于“BIM+仿真模擬”的地鐵車站攝像機監控盲區問題研究

江文化 江偉偉 劉玉振 劉林婕

(1.中鐵云網信息科技有限公司,北京 100039; 2.天津城建大學能源與安全工程學院,天津 300384)

引言

隨著我國經濟不斷發展,地鐵客流量迅猛上升,也對地鐵監控系統提出了更多、更高的要求。一般情況下,地鐵監控系統主要有視頻監控、門禁管控和入侵報警三大部分,無論從重要性還是從所需的資金費用來說,視頻監控都是最重要的,約占地鐵安防建設總成本的70%～80%[1-2]。因此,許多城市地鐵系統都要求車站視頻監控“無死角”[3-4]。根據對目前我國地鐵車站安防監控攝像機施工驗收的調查,存在以下問題：攝像機受梁、柱等遮擋情況突出;PIS屏和導向標識牌之間相互遮擋;攝像機被導向、標識牌、PIS屏等設備遮擋;由于攝像機布置位置不合理導致監控缺失,出現盲區;由于攝像機布置的位置不合理,導致監控重疊現象嚴重,嚴重浪費資源。如何優化車站攝像機部署位置,在盡可能不增加攝像機的前提下,解決攝像機的監控盲區問題變得尤為重要。

目前,國內外學者對城市軌道交通工程中監控攝像機的布置已有許多研究,主要分為施工和運維兩方面。施工方面主要考慮施工階段的人員安全、設備安全以及施工進度,CHEN等提出一種使用建筑信息模型(BIM)的攝像機位置優化框架,該框架考慮不同施工階段的遮擋物的改變和工作區域的變化,進而提升攝像機總的覆蓋范圍[5];ARIF等提出一種基于BIM技術并考慮建設成本和容易實現的監控框架,以便更好了解施工進度[6];ZHANG等提出一種新的方法,在考慮地鐵項目施工過程中側壁和支撐引起的遮擋的情況下,優化攝像機的布局,使站點覆蓋率達到100%[7];TRAN等提出一種考慮不同場地布局與時間的攝像機安裝方案,來解決高空活動的工作空間和建筑工地的動態特性等難題[8];謝逸等提出一套針對地鐵施工環境中不安全施工行為的檢測框架,對施工不安全行為進行實時檢測,以達到預警的效果[9]。

然而,以往研究主要集中在施工場地,在運營層面,早期的研究使用二維(2D)或三維(3D)方法來優化攝像機的位置[10-11]。然而,采用這些方法在實際應用中還存在著位置布局不合理、監控盲區廣泛、監測效率不高等諸多問題。

與傳統的方法相比,建筑信息模型(BIM)在集成的信息環境中對建筑構件的幾何表現更加精確,包括空間屬性、物理特征、功能特性、幾何屬性等特性,可以更加生動地反映車站監控區域精確的布局。因此,BIM可以自動收集一些重要的信息元素,為攝像機布局優化過程提供精確的室內建筑布置場景,使得攝像機部署更加經濟合理。另外,還可以使優化的部署結果三維可視化,避免在施工過程中的變更和拆改。ALBAHRI等提出一種利用建筑信息模型的新方法,為利用模型中豐富的信息更好地優化攝像機的個數和布局提供新的機會,但僅局限于有靜態遮擋物和建筑內部[12]。此外,CHEN等利用3D BIM模型在建筑現場模擬真實的閉路電視(CCTV)現場視圖,使BIM模型能夠評估和進一步改善影響現場視圖的一系列有關參數,但是只能以二維的方式呈現,難以達到監控全覆蓋的設計要求[13]。XIE等基于BIM技術,開發一種基于改進遺傳算法的量化攝像機布局優化方法,其攝像機覆蓋率提高27.2%[14]。PULIGANDLA等提出一種大型真實世界相機放置優化問題的多分辨率方法,能提供較好的相機覆蓋率[15];甘超瑩等設計一套采用智能視頻算法、基于圖像識別技術的智能視頻監控系統,可有效提升車站運營管理能力和對突發事件的處置應對能力[16]。以上研究表明, BIM技術具有可視化、可模擬、可分析等特點,不僅在施工領域得到了廣泛的應用,也成為運營安全管理的必要環節之一[17]。隨著BIM技術的深入應用,通過研究BIM+技術解決城市軌道交通工程建設中的難題成為一種必然趨勢[18]。以下提出一種BIM+仿真模擬技術對攝像機監控區域進行仿真模擬和盲區分析,以期有效解決監控攝像機的盲區問題,實現降本增效的目的。

1 技術原理

1.1 創建目標建筑BIM模型

通過建立地鐵車站和公共區裝修末端設備(裝修末端設備包括：照明燈具、消防設施末端的自動噴淋、消火栓箱、FAS系統的火災報警電話等末端設備、通風設備末端風口、風機盤管出風口、自動扶梯、指示牌、自動售檢票系統、乘客信息系統顯示器、安防監控攝像機、通信監控攝像機等相關專業設備)BIM模型,記錄相關構件的三維坐標。若項目處于設計階段,根據相關專業施工圖,創建BIM模型;若為已建成項目且需要新部署或修改已部署的監控攝像機,則可通過激光點云或實景建模,創建BIM模型。

1.2 部署監控攝像機

基于上述創建的BIM模型,根據監控攝像機布置施工圖,部署監控攝像機。其中,部署監控攝像機包括：確定監控攝像機部署的空間坐標及監控攝像機的視場區域。

(1)確定攝像機的最大和最小物距

根據攝像機原理,攝像機傳感器成像尺寸與實際成像尺寸的比例關系[19]為

(1)

式中,L為被攝物體至鏡頭的距離即物距;H為被攝物體高度;h為CCD/CMOS靶面高度;f為攝像機焦距。

被攝物體尺寸取一固定值,再根據攝像機靶面尺寸、攝像機焦距范圍,通過BIM仿真模擬,確定攝像機至看清物體的最大距離Lmax和最小距離Lmin,即攝像機的最大和最小物距。

(2)確定攝像機的視場區域

2個坐標系之間轉換的布爾莎模型為

(2)

通過布爾莎模型轉換,獲取對應的WGS-84坐標,完成監控攝像機視場坐標,形成視場區域。

(3)確定監控攝像機的合理監控區域

根據部署的監控攝像機生成各個監控攝像機的監控區域包括：根據模擬生成的各個監控攝像機的監控區域,調整各個監控攝像機的監控區域直至每個監控攝像機的監控區域在預設的理想區域內(即最優監控區域)。調整各個監控攝像機的監控區域,主要內容如下。

①根據攝像機的焦距和需要監控的范圍,調整被攝物體至鏡頭的距離L,確定視場角Q(視場角包括水平視場角Qw和垂直視場Qh)的大小及物距L,有

(3)

(4)

式中,Qw為水平視場角;Qh為垂直視場角;W為被攝物體的寬度;H為被攝物體的高度;L為物距。

②根據監控攝像機的焦距f,視場角Q及物距L,通過模擬分析,確定監控攝像機的合理監控區域。

1.3 計算被遮擋情況并分析盲區

將監控攝像機的視場角最外邊緣看做射線,并假定周邊物體的三維模型的不規則包圍體由n個面組成。可以使用射線與面是否相交的算法來完成計算,如果相交,說明攝像機視野被遮擋,產生了沖突。

平面表示為

XndotX=d

(5)

式中,Xn為平面的法線;dot為點積;X為平面上的一個點;d為平面到原點的距離。

現在得到射線和平面的兩個方程[20]

(6)

若彼此相交,則上述方程組有解,有

(7)

t=d-XndotRaystart/XndotPointOnRay

(8)

式中,PointOnRay為射線上的點;Raystart為射線的原點;t為射線上的點距離原點的位置,Raydirection為射線的方向。

把t代入原方程組,得到射線與平面的碰撞點。如果XndotRaydirection=0,則說明射線與平面平行,將不產生碰撞;如果t為負值,則說明交點在射線的相反方向,也不會產生碰撞。

2 技術驗證

天津地鐵5號線淮河道站原安防監控施工圖采用二維設計,全站共有107個監控攝像機,其中,通信監控攝像機15個,安防監控攝像機92個(安防標清半球攝像機41個,安防高清半球攝像機26個;安防高清快球攝像機9個,安防隱蔽快球4個,安防高清槍機12個)。由于二維設計只能考慮本專業的安防要求,當其他專業設備遮擋攝像機并產生監控盲區時,設計人員沒有辦法計算分析,特別是導向牌、PIS屏和結構梁柱對攝像機監控范圍的遮擋。當在施工過程中或者公安驗收時發現此問題,就需要拆改或增加攝像機,嚴重影響施工進度和增加建設成本。

2.1 模型創建

為了實現攝像機監控盲區的分析,需要根據相關專業施工圖,創建地鐵車站建筑、結構、裝修及車站公共區裝修末端設備(包含照明燈具、自動噴水、風口、指示牌、乘客信息系統顯示器、監控攝像機等)BIM模型。若項目處于設計階段,可根據相關專業施工圖,創建BIM模型;若項目為已建成的建筑,則可通過激光點云或實景建模,創建BIM模型。

2.2 PIS屏和導向牌遮擋通信監控攝像機的模擬和分析

將通信監控攝像機參數輸入到BIM模型中,根據施工圖設計要求,調整攝像機空間坐標和視角,再經模擬和盲區分析,發現有通信攝像機被導向牌遮擋現象,全站共有9處,其中站廳層有5處,站臺層有4處。通信攝像機與導向牌位置關系見圖1,通信攝像機被導向牌遮擋BIM仿真模擬見圖2。經優化設計,將負責監控樓扶梯口的通信監控攝像機調整到指示牌的上方,調整后的效果見圖3、圖4。

圖1 通信攝像機與導向牌位置關系Fig.1 Position relationship of communication camera and guide plate

圖2 通信攝像機被導向牌遮擋BIM仿真模擬Fig.2 BIM simulation of communication camera blocked by guide plate

圖3 調整攝像機與導向牌位置后關系Fig.3 The relationship after adjusting the position of the camera and the guide plate

圖4 優化后通信攝像機監控范圍BIM仿真Fig.4 BIM simulation of optimized communication camera monitoring range

2.3 盲區分析

將安防監控攝像機參數輸入BIM模型中,根據施工圖設計要求,調整攝像機空間坐標和視場角,再經模擬和盲區分析,發現全站有安防攝像機被導向牌遮擋共7處。如站臺層的攝像機被2.7 m長導向牌遮擋,見圖5、圖6。經重新計算分析,因該導向牌只需服務1個電扶梯,故將導向牌由原設計長度為2.7 m改為1.5 m,并向左移動至電扶梯的正中央,修改后的監控效果見圖7、圖8。

圖5 安防攝像機與導向牌位置關系Fig.5 The position relationship between the security surveillance camera and the guide plate

圖6 安防攝像機被導向牌遮擋BIM仿真Fig.6 BIM simulation of security camera blocked by guide plate

圖7 攝像機與優化后的導向牌位置關系Fig.7 The position relationship of the camera and the optimized guide plate

圖8 優化后安防攝像機監控范圍BIM仿真Fig.8 BIM simulation of optimized security surveillance camera range

2.4 結構柱后方的監控盲區分析

對公共區結構柱附近的安防監控攝像機進行BIM+仿真模擬和盲區分析,發現結構柱后方安防監控攝像機存在4處盲區。其中：2個柱子后方由于沒有攝像機,會產生部分盲區,盲區范圍見圖9、圖10。經仿真模擬和盲區分析,將站臺負責左端的攝像機移動到左側,將右端的攝像機移動至導向牌上方就可以解決此結構柱后方的盲區問題,見圖11、圖12。

圖9 攝像機與結構柱間的相對位置關系Fig.9 The relative position relationship between the camera and the structural column

圖10 安防監控攝像機被結構柱遮擋BIM仿真Fig.10 BIM simulation of security surveillance camera blocked by structural column

圖11 結構柱與調整后的攝像機位置關系Fig.11 The position relationship of the structural column and the adjusted camera

圖12 優化后安防監控攝像機無盲區BIM仿真Fig.12 Optimised BIM simulation of security surveillance camera without blind zone

2.5 攝像機部署優化原則

在解決攝像機盲區問題時,原則上不得增加攝像機數量,應通過優化攝像機位置來解決攝像機的監控盲區問題,當遇到確需調整其他專業設備時,可以會同相關專業協調配合,調整相關專業設備。

應用以上技術,對車站公共區每個攝像機的監控區域進行仿真模型和盲區分析,最終形成車站的監控攝像機盲區分布,根據站廳層原安防監控攝像機施工圖進行監控盲區分析后的監控盲區分布見圖13。圖13中,玫紅色為盲區范圍,黃色區域為通信監控攝像機監控范圍,灰白色區域為安防標清半球攝像機監控范圍,紅色區域為安防高清半球攝像機監控范圍,青色為安防高清槍機攝像機監控范圍,綠色為安防高清快球攝像機監控范圍,藍色區域為安防隱蔽快球攝像機監控范圍。應用本技術解決攝像機監控盲區后的站廳層安防監控攝像機無盲區分布見圖14。

圖13 站廳層安防監控攝像機盲區分布Fig.13 Blind zone distribution of security monitoring camera on the station hall layer

圖14 站廳層安防監控攝像機無盲區分布Fig.14 Distribution of security monitoring cameras on the station hall layer without blind zone

2.6 監控無盲區的確認

通過應用前述BIM+仿真模擬技術,對車站公共區所有的監控攝像機進行監控范圍的仿真模擬和盲區分析,并繪制攝像機監控范圍分布。經分析確認無盲區后,形成監控攝像機部署施工圖優化方案。該方案經安防監控設計工程師確認后,形成監控攝像機部署施工圖,再經公安機關確認無誤后,完成監控攝像機施工圖的設計。

3 結論

對攝像機監控范圍進行仿真模擬和盲區分析的技術原理,并以天津地鐵5號線淮河道站車站公共區攝像機的監控盲區分析為案例進行了技術驗證,得出結論如下。

(1)利用“BIM+仿真模擬”技術對攝像機的監控區域進行仿真模擬,并對攝像機監控盲區進行分析,可以有效解決在二維設計中無法徹底避免的攝像機監控盲區問題。

(2)將BIM技術和安防監控專業進行技術上的融合應用,為實現監控“無死角,全覆蓋”的安防要求提供技術保障。

(3)可以避免因安防驗收發現盲區問題時出現的施工拆改或者過度增加攝像機現象,從而有效提高施工速度,降低建造成本,起到降本增效的目的。