基于计算机视觉的城建智能化管理平台设计

□ 文/王伟

作者单位:上海智能交通有限公司

城市基础设施建设是我国城市发展的重要过程和支柱行业之一，在改善居住条件、完善基础设施、吸纳劳动力就业、推动经济增长等方面发挥着重要作用。与此同时，基建行业也是一个安全事故多发的高危行业。近年来，在国家、各级地方政府建设主管部门和行业参与主体的高度关注和共同努力下，建设施工安全生产事故逐年下降，质量水平大幅提升，但不可否认，城市基础设施建设过程中的施工安全形势依然较为严峻，尤其是随着我国城市化进程的不断推进，建设工程规模和速度仍在逐年扩大，建设施工质量安全依然是政府部门及民众最为关心的社会内容之一[1]。如何加强基建过程中施工现场安全管理、降低事故发生频率、杜绝各种违规操作和不文明施工、提高建设工程质量，仍将是摆在各级政府部门、建设单位、施工单位以及院校研究的一项重要课题。

而随着人工智能、互联网和计算机技术的快速发展，打造基于计算机视觉的城建智能化管理平台，推动人工智能技术在城市基础设施建设过程中实现全方位、智能化、全寿命周期的管理应用显得越发重要。

建设行业应用管理系统现状

目前用于城建过程中的管理及应用软件还是比较多，但多使用的单一系统或者是比较传统的监测设备，比较成熟的系统主要有：

数字化工程管理系统（PMS）

基于BIM+数字化施工管理理念，对建设工程从中标到总包结算各阶段实施差异化管控，对一般项目采用全生命期重大节点实时管理模式，对重大项目采用精确到施工部位的BIM施工管理模式，结合数字化工地各类套件、移动办公技术和物联网技术，精确采集项目各类生产要素和生产数据，实现对工程项目的数字化管理、多维度记录和智能分析。

预制构件智能制造执行系统（MES）

根据标准化工业制造流水线管理模式建立的智能制造执行系统（MES），把各类产品划分为钢筋半成品制作、钢筋笼制作及构件预制等三个生产阶段，主要工艺和质检节点采用数字化监管，对原材料采购、库存管理，标准生产线岗位职能管理，生产工艺程序管理，半成品和成品场内驳运库存管理，出库送货管理等环节实现数据记录、数据分析和智能优化，实现工业化智慧生产，预制构件用于工程建设的各个阶段。

安防管理系统（SMS）

工程建设期全貌和重点施工区域视频监控管理，覆盖项目主要施工作业面，可远程操控清晰浏览工程风险源及进度等信息，实现视频信号回传公司总部服务器并在本地保留高清视频存档。同时通过门禁系统，实现项目级人员实名制+门禁套件全员实名制登记管理，通过人员门禁通道登记人员进出场信息，实现人员出入工地的信息化管理。

基于计算机视觉的城建智能化管理平台设计

平台总体构架及设计

平台总体设计定位在综合性、智能化的信息整合、业务管理与决策支持平台。平台综合运用通讯、计算机技术、信息处理、图像处理及人工智能等技术，实现多元信息录入，信息资源管理、设备管理、用户管理、网络管理、安全管理等业务功能。系统按照多元异构体系进行设计，这样不仅能满足本系统的建设要求，而且也充分考虑了城市基建后续几年的信息化发展趋势，预留接口。同时，作为涉及人员和施工过程管理的综合信息管理平台，其总体框架设计包括感知层、基础层、数据层、应用层、服务层和用户层六个层次[2]，整个系统各层设计采用通用信息化标准协议及接口方式，各功能层描述如下：

感知层：主要负责与外场设备、中心系统进行数据交互；完成采集图片及其他传感数据的入库存储、数据协议转换、数据预处理及控制信息发送功能。

基础层：主要负责感知层传感数据、视频等信息的接入，以及系统中心平台相关软硬件的搭建及布置。

数据层：主要负责业务数据以及录像文件的存储和管理，负责实时视频图像和传感数据的转发和历史图像的存储，数据库软件采用ORACLE，采用负载均衡的策略，将转发、存储、比对、查询任务分配到多台服务器上。

应用层：是基于基础层和数据层进行的各种业务处理、运算和管理服务层，包括实时监控、监测预警、信息导入、查询统计、系统校时等业务处理功能，同时提供丰富的系统配置管理功能。

服务层：主要通过微信公众号、门户网站、移动APP等途径，发布系统信息，以更好服务相关业务部门。

用户层：提供友好、易用的人机交互界面。

系统总体架构图设计如图1：

▲图1 基于计算机视觉的城建智能化管理平台总体架构图

网络体系设计

平台的网络体系设计利用互联网资源，建立智能化的视频信息传输交换平台，视频信息传输交换平台中选用TCP/IP协议作为主要网络协议，同时支持UDP方式。具体如图2所示：

▲图2. 平台网络架构图

系统功能设计

进度管理

施工计划管理：可查看建设单位所辖或下属区域部门所管辖区域内施工项目的施工计划。对于具体工程项目，可制定及维护该施工项目的具体工程进度计划。用户可在云平台上将整个施工任务进行分解和排期，然后对该施工工期进行更新和补充，从而方便项目管理人员了解施工进度。

工程进度检查：根据施工各分部、分项工程进度情况自动编制进度检查计划，对实际工程进度检查情况进行记录，并根据检查结果更新进度信息。

劳务管理

智能人脸识别通道：建设现场大门安装闸机、LED屏，工人刷卡或者通过人工智能人脸识别相机上下班，LED屏实时统计在场上岗人数。管理人员通过手机APP即可查看。

考勤管理：依托门禁刷卡记录，实现人员考勤过程的自动化，方便人员的出勤管理。系统能够利用快捷注册设备对访客进行拍照，实现访客的快速识别和登记，对访客进行统一管理和访问控制，系统可将建设现场划分为不同区域，配合各区域的安保要求，通过计算机视觉技术监视相应区域，控制访客的活动范围，提高建设现场安全管理水平。

安全交底会议签到：在安全交底会议上，可以依托计算机视觉识别技术，通过对人脸识别和检测，进行安全培训会议现场刷卡签到。

安全质量管理

安全管理人员在对大型机械、设备器械、人员安全防护用品、危险源、临火临电、起重吊装等检查点进行现场检查的过程中，当发现问题时，可查询选择检查对象，或者现场扫描人员、设备或检查点对应的二维码，或者通过摄像头的视觉智能分析，录入巡检问题，并即刻上传至综合管理平台，以此反馈安全隐患，并通知相关人员整改。

智能化监控

通过网络传输，可将作业场景传送到平台Web界面或移动终端APP，系统在建设现场的监控网络可采用多种布网方式，在无法布设有线传输线路的情况下，可将各监控点摄像机经由建设现场的WIFI、3G/4G蜂窝网络或者微波无线信号接入到互联网。如需要添加新的监控点，只要在网络上添加新的监控摄像机即可；同时系统可增加红外，烟感等安防探测器，以及声光报警设备，通过视觉检测和分析，构成报警联动机制[3]。

安全隐患智能预警

工程建设现场是复杂且不断变化的环境，为确保建设施工过程中的人员、设施安全，需要部署大量的视频监视点位，基于计算机视觉的智能化监控技术，能够在图像及图像描述之间建立映射关系，从而使计算机能够通过数字图像处理和分析来理解视频画面中的内容。安全隐患智能分析系统基于智能视频分析技术，辅助视频监控系统对监控图像进行分析、判断、识别，从而自动检测施工项目现场安全隐患的系统。

环境监测

环境监测系统依托自动化监测传感器，包括视觉分析及检测摄像头，对建设现场扬尘及噪声进行实时监测，系统可对PM2.5、PM10、噪声、风向、风速、温度、湿度、大气压等环境参数进行全天候现场测量。环境监测系统支持与空调、风机、除湿机、喷淋设备等实现联动，在检测值超过预警值时自动启动相关设备，进行自动化、智能化的响应，监测的多个参数实时数据可以在现场LED大屏和云平台上实时显示。

应用及探讨

根据平台的设计方案，目前主要在一些建设施工现场试验性的使用了该平台，通过采用窄带物联网和高清摄像头进行视觉立体感知，使用人工智能进行思考理解，使用大数据对项目现场的施工人员实时行为进行监控和预测。计算机视觉部分的功能重点实现了如下内容：

对重点违规行为进行监控。重点盯防工作人员不戴安全帽进入建设施工区域的情况，以及建设现场起火等情况，一旦出现违规及时报警。

对建设现场的工作人员进行人脸识别，实现现场人员考勤的自动化、智能化。

对进入建设工地的车辆进行身份识别，并跟踪轨迹，发现异常车辆，进入非指定区域，以及工地内行驶轨迹异常等现象，及时报警。

对工地现场设备及环境安全进行计算机视觉的分析，通过设备状态比对及环境监测，对异常情况及时报警。

项目很好的运用基于计算机视觉的人工智能识别系统代替管理人员对基础建设现场的巡检，并将原有每月一次巡检频率上升至每天实时监控管理，发现问题实时报警、取证，提高建设现场工作人员安全意识。

结论

基于计算机视觉的城建智能化管理平台能够有效对城市基础设施建设过程进行管理、监督，实现全方位实时监控、取证与管理，改变了原有的传统基础建设现场管理模式，极大地提高城市基础设施建设的安全性。通过项目的实际使用也证明了本系统建设是可行的。

本文重点在平台的整体功能和系统架构、计算机视觉处理和分析方面的功能进行了重点研究和设计，而平台与其他系统的融合应用后期进一步研究的重点。