房建施工塔機防碰撞的機器視覺監(jiān)測預(yù)警方法

王凱

摘要：簡要介紹傳統(tǒng)的塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警方法及其不足之處，詳細(xì)闡述了房建施工塔機基于機器視覺技術(shù)的監(jiān)測預(yù)警方法的技術(shù)特點、基礎(chǔ)監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)的設(shè)置、布設(shè)多層級監(jiān)測預(yù)警節(jié)點、建立塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警模型、監(jiān)測鎖定與監(jiān)測預(yù)警等主要內(nèi)容，闡述了對該監(jiān)測預(yù)警方法進行測試的目的、測試準(zhǔn)備、測試過程及其結(jié)果。測試結(jié)果表明，采用機器視覺技術(shù)對塔機防碰撞進行監(jiān)測預(yù)警方法，效果好、針對性強、誤差可控，具有一定的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：房建工程；塔機施工；防碰撞；機器視覺；監(jiān)測預(yù)警

0? ?引言

在房建等工程施工中，塔機是十分重要且關(guān)鍵的設(shè)備，塔機的使用頻率很高。但是在塔機使用過程中，會出現(xiàn)一些操作控制方面的問題，例如塔機碰撞引起塔臂斷裂以及操控系統(tǒng)失靈等。塔機碰撞會引發(fā)塔機損壞、材料損失甚至人員傷亡，在一定程度上阻礙了工程進度、影響了工程質(zhì)量和企業(yè)效益。因此塔機必須配備防碰撞監(jiān)測預(yù)警裝置。

1? ?傳統(tǒng)的塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警方法

傳統(tǒng)的塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警方法，如北斗定位塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警方法，塔機與建筑物等周邊物體交會防碰撞監(jiān)測預(yù)警方法等，雖然可以實現(xiàn)預(yù)期的任務(wù)及目標(biāo)，但是缺乏針對性與穩(wěn)定性，在不同的施工環(huán)境下，較難進行預(yù)警的搭接與點位的鎖定，較容易受到外部環(huán)境及特定因素的影響[1]。不僅如此，當(dāng)前所設(shè)計的防碰撞監(jiān)測預(yù)警方法一般是單向的，實際應(yīng)用測定時的效率較低，可控度不高，影響最終的監(jiān)測預(yù)警結(jié)果。

2? ?基于機器視覺技術(shù)的監(jiān)測預(yù)警方法

2.1? ?技術(shù)特點

為克服上述塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警方法的不足，設(shè)計了基于機器視覺技術(shù)的房建施工塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警方法并進行了驗證分析。所謂機器視覺技術(shù)，主要指的是利用機器代替人眼來做測量和判斷。

將機器視覺技術(shù)與塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警方法相融合，擴大了實際預(yù)警范圍，形成了更加靈活、多變的預(yù)警結(jié)構(gòu)，可從多個角度進行實際監(jiān)測，推動相關(guān)技術(shù)和行業(yè)邁入一個新的臺階[2]。

2.2? ?基礎(chǔ)監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)的設(shè)置

通常情況下，在進行房建施工過程中，塔機的監(jiān)測預(yù)警裝置可以保障其施工過程中的穩(wěn)定性與可靠性，但是需要進行基礎(chǔ)監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)的設(shè)置[3]。這就需要對塔機的實際防撞位置和定向點位進行標(biāo)定處理，并計算出碰撞的可控制距離，該距離一般設(shè)置在0.25～0.3m之間[4]。以此為基礎(chǔ)，依據(jù)監(jiān)測預(yù)警的實際需求及標(biāo)準(zhǔn)，進行預(yù)警指標(biāo)與參數(shù)的設(shè)置。階段性基礎(chǔ)監(jiān)測預(yù)警數(shù)值的設(shè)置如表1所示。

根據(jù)表1完成對階段性基礎(chǔ)監(jiān)測預(yù)警數(shù)值的設(shè)置，然后以此為基礎(chǔ)，對當(dāng)前的監(jiān)測預(yù)警環(huán)境和條件進行調(diào)整調(diào)度。需要注意的是，所設(shè)計的監(jiān)測預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)并不是固定的，可以依據(jù)自身的施工需求作出調(diào)整，具有較強的靈活性[5]。

2.3? ?布設(shè)多層級監(jiān)測預(yù)警節(jié)點

傳統(tǒng)的塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警節(jié)點設(shè)置方式大多是單向，雖然可以實現(xiàn)預(yù)期的預(yù)警任務(wù)，但是缺乏針對性和穩(wěn)定性，獲取的預(yù)警數(shù)值也并不精準(zhǔn)可靠[6]。為解決這一問題，結(jié)合實際預(yù)警需求和標(biāo)準(zhǔn)，將所設(shè)計的節(jié)點預(yù)警方式分為多層級，這樣可以加強對監(jiān)測情況的多維控制，進一步滿足實際的預(yù)警要求。為此，需計算出監(jiān)測預(yù)警節(jié)點的布設(shè)間距，具體計算如公式（1）所示。

（1）

式中：P表示監(jiān)測預(yù)警節(jié)點布設(shè)間距， 表示轉(zhuǎn)換監(jiān)測均值，ε表示可控監(jiān)測差，σ表示預(yù)警次數(shù)，χ表示預(yù)警響應(yīng)時間，δ表示碰撞距離，ρ表示重復(fù)預(yù)警范圍。

結(jié)合當(dāng)前的測試結(jié)果，依據(jù)設(shè)置的間距，調(diào)整節(jié)點的具體位置。同時，根據(jù)監(jiān)測位置和預(yù)警方向的變化，需將當(dāng)前的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)劃分為多個層級，以便更好地將預(yù)警的目標(biāo)進行匹配，形成相對應(yīng)的預(yù)警關(guān)系，為后續(xù)數(shù)據(jù)、信息采集，甚至對異常碰撞位置的標(biāo)定提供參考。

2.4? ?建立塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警模型

采用機器視覺技術(shù)，構(gòu)建房建施工塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警模型。利用部署的監(jiān)測預(yù)警節(jié)點進行數(shù)據(jù)信息的采集，為此需要在當(dāng)前的模型中設(shè)計一個機器視覺監(jiān)測矩陣，進行預(yù)警限值的計算，并將其設(shè)定為預(yù)警的限制標(biāo)準(zhǔn)，以構(gòu)建對應(yīng)的預(yù)警模型結(jié)構(gòu)。機器視覺房建塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警模型設(shè)置程序如圖1所示。

根據(jù)圖1展示的設(shè)置程序，完成對機器視覺房建塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警模型的設(shè)計與驗證分析。然后以此為基礎(chǔ)，通過機器視覺技術(shù)，處理各個階層的防碰撞監(jiān)測預(yù)警目標(biāo)，并獲取模糊的預(yù)警結(jié)果，以待后續(xù)進行修正處理。

2.5? ?監(jiān)測鎖定與監(jiān)測預(yù)警

所謂監(jiān)測鎖定，主要指的是針對預(yù)警模型處理的結(jié)果進行修正的一種方式。當(dāng)前對于塔機防碰撞的位置以及距離進行標(biāo)定，作為初始鎖定的目標(biāo)，在實際建設(shè)施工的過程中，每一個階段均需要進行對應(yīng)的鎖定處理，將各個階段的監(jiān)測鎖定數(shù)值進行匯總整合，并利用預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)作出比對，以此來消除各個環(huán)節(jié)的預(yù)警誤差，強化預(yù)警結(jié)果的真實性與可靠性，進一步擴大實際的監(jiān)測預(yù)警范圍，從多個角度保證預(yù)警結(jié)果的穩(wěn)定與可靠，營造更為真實的監(jiān)測預(yù)警環(huán)境。

3? ?監(jiān)測預(yù)警方法測試

3.1? ?測試目的

此次主要是對基于機器視覺的房建施工塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警方法的實際應(yīng)用效果進行分析與驗證研究。考慮到最終測試結(jié)果的真實性與可靠性，采用對比的方式展開分析，并選定Q房建工程作為測試的主要目標(biāo)對象。根據(jù)當(dāng)前測定需求及標(biāo)準(zhǔn)的變化，對最終得出的測試結(jié)果比照研究。然后綜合機器視覺技術(shù)，進行測試環(huán)境的關(guān)聯(lián)與搭建。

3.2? ?測試準(zhǔn)備

設(shè)定了北斗定位塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警測試組、塔機與建筑物等周邊物體交會防碰撞監(jiān)測預(yù)警測試組，以及機器視覺塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警測試組。

結(jié)合機器視覺技術(shù)，對選定的Q房建工程作為測試的主要目標(biāo)，并建立對應(yīng)的測試環(huán)境與內(nèi)置搭接結(jié)構(gòu)。根據(jù)監(jiān)測預(yù)警的需求，可對塔機的應(yīng)用范圍進行劃定，并在可控的范圍之內(nèi)進行一定數(shù)量監(jiān)測節(jié)點的布設(shè)。需要注意的是，監(jiān)測節(jié)點的設(shè)定雖然是獨立的，但是實際應(yīng)用的過程中盡量將節(jié)點搭接在一起，以便于后續(xù)數(shù)據(jù)、信息的采集與匯總。

在當(dāng)前的檢測系統(tǒng)之中接入一個定向的承接識別程序，并在塔機的操控系統(tǒng)之中增設(shè)傳感器、聲光報警器、記錄儀以及外側(cè)傳感器等輔助設(shè)備。接下來，進行預(yù)警監(jiān)測指標(biāo)及參數(shù)的設(shè)置，如表2所示。

根據(jù)表2，完成對預(yù)警監(jiān)測指標(biāo)及參數(shù)的設(shè)置與分析。以此為基礎(chǔ)，通過機器視覺技術(shù)設(shè)計一個多層級的監(jiān)測預(yù)警結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)入制定的預(yù)警目標(biāo)，完成基礎(chǔ)測試環(huán)境及條件的設(shè)置，然后綜合機器視覺技術(shù)，進行具體的測試與驗證。

3.3? ?測試過程及結(jié)果分析

在上述搭建的測試環(huán)境之中，結(jié)合機器視覺技術(shù)，對選定的Q房建工程進行測試與驗證。因為該工程的覆蓋面積較大，所以塔機的應(yīng)用范圍會更廣一些。將塔機的應(yīng)用測定區(qū)域劃分為4個，并利用各個區(qū)域設(shè)置的節(jié)點進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息的采集，預(yù)設(shè)監(jiān)測預(yù)警的對應(yīng)周期，以待后續(xù)使用。利用設(shè)定的傳感器及聲光報警器等裝置，首先進行防碰撞報警距離的測試，得出以下數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3，完成對塔機防碰撞報警距離的設(shè)置，依據(jù)上述情況，利用機器視覺技術(shù)，設(shè)置可控的視覺監(jiān)測預(yù)警范圍，并分析計算出最終的單元監(jiān)測預(yù)警耗時，具體如公式（2）所示：

（2）

式中：D表示單元監(jiān)測預(yù)警耗時，m表示可控監(jiān)測范圍，n表示視覺識別區(qū)域，u表示識別預(yù)警次數(shù)，χ表示機器視覺標(biāo)定距離。結(jié)合當(dāng)前的測定，完成對測試結(jié)果的分析，如圖2所示。

根據(jù)圖2完成對測試結(jié)果的分析。對塔機與建筑物等周邊物體交會進行防碰撞監(jiān)測預(yù)警測試對比，此次所設(shè)計的機器視覺塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警測試組，最終得出的單元監(jiān)測預(yù)警耗時被控制在0.2s以下，這說明在機器視覺技術(shù)的輔助下，所設(shè)計的監(jiān)測預(yù)警方法效果更佳、針對性更強、誤差可控，具有實際的應(yīng)用價值。

4? ?結(jié)束語

綜合上述分析可知，將設(shè)計的基于機器視覺的房建施工塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警模式，與傳統(tǒng)的塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警模式對比。前者在機器視覺技術(shù)的輔助與支持下，所設(shè)計的監(jiān)測預(yù)警結(jié)構(gòu)更為多元化、穩(wěn)定化，自身針對性得到了極大地提升。

基于機器視覺的房建施工塔機防碰撞監(jiān)測預(yù)警模式，可在不同的工程施工背景下，對塔機的可應(yīng)用位置進行多維標(biāo)定。利用過程中獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和位置信息，有利于優(yōu)化預(yù)警結(jié)構(gòu)，提升預(yù)警精度，給予塔機操作人員提供更為精準(zhǔn)可靠的預(yù)警信號，從多方面保證塔機群的安全作業(yè)。

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