大藤峡水利枢纽施工过程智能视频监控与应用

牟 舵 ，刘 斌

（1.水利部珠江水利委员会珠江水利综合技术中心，广东 广州 510000；2.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 南宁 530000）

0 引言

大藤峡水利枢纽工程位于珠江流域西江水系黔江干流大藤峡出口弩滩上，是具有防洪、航运、发电、补水压咸、灌溉等综合效益的大（一）型水利枢纽工程[1]79。目前，大藤峡水利枢纽工程已进入全面施工建设阶段，随着工程建设规模的不断扩大，工艺流程纷繁复杂，投入的施工设施、设备及人员越来越多，因此，做好工程施工监管，保障工程建设顺利进行显得尤为重要，为此在施工现场建设视频监控系统，对现场施工过程进行有效监控。

1 施工过程问题分析

大藤峡水利枢纽工程规模大，施工现场环境复杂，参建单位多，施工工艺要求高，使得整个施工现场管理难度较大，主要体现在以下几个方面：

1）施工现场环境复杂。a.大藤峡水利枢纽工程地处华南，夏季降雨频繁，施工道路湿滑，由于是施工高峰期，进出施工现场车辆频繁，极易发生超速、剐蹭等交通事故；b.施工现场爆破、开挖等工作较多，在开展相关工作时缺少有效手段对现场进行全方位监控，工程的安全生产存在一定隐患；c.现场施工机具种类繁多，缺少有效手段对各类机具的使用、调配进行有效监管。

2）施工人员素质良莠不齐。大藤峡水利枢纽工程规模大，参建人员多。在施工中，存在部分一线施工人员安全意识、思想认识不到位，不按要求佩戴安全帽、安全带等问题，材料失窃、违规作业、不按规定时间进出施工现场的行为时有发生，缺少有效手段对整个施工现场人员行为进行监管。

3）混凝土温控施工管控难度大。大藤峡水利枢纽工程为混凝土重力坝，施工区全年 30° 以上气温天数为 100～150 d，占全年天数的 1/3，持续高温对混凝土温控防裂不利，为确保大坝不出现危害性裂缝，需要对浇筑的混凝土进行温控。混凝土温控涉及到骨料预冷、运输、入仓、通水冷却等诸多环节，任何一道环节出现问题都会影响大坝的温控效果，进而影响到整个工程的质量。现有温控施工过程监管主要通过现场监理完成，但人工监管无法确保在 24 h 内整个温控流程均为合规，缺少有效手段对整个混凝土温控施工过程进行不间断监管。

2 现场网络分析

目前视频信号传输方式分为有线和无线网络2 种类型，在选择网络接入类型时需要综合考虑传输带宽、稳定性及成本等多种因素。

1）有线传输。建设的视频监控点部署在施工现场的基坑塔吊区、船闸施工区、砂石区、混凝土拌合楼等多个重点区域，位置较为分散。如果采用有线方式，要开挖布线 5 km 左右，存在补偿、供电等问题，情况复杂且困难大。无论是自建的还是运营商的线路，往往都容易被挖断，而且由于监控点分散，线路租赁价格比较高，施工难度、建设成本、后期维护的费用都比较高。

2）无线传输。由于施工现场位置较为偏远，运营商的 4G 网络信号较差，高清视频信号无法通过运营商的 4G 网络进行回传，为此提出一种无线智能视频监控系统设计方案。目前，大藤峡水利枢纽工程管理单位（以下简称管理单位）已在施工现场布设完成一套无线网络，实现对整个施工现场全覆盖，无线骨干链路带宽为 300 Mbit/s，单路 1080P 高清视频信号带宽为 4～6 Mbit/s，300 Mbit/s 网络可实现 50 路高清视频信号回传，满足管理单位对施工现场的监控需求[1]112。由此可见，采用施工现场已有的无线网络回传数据方式比有线网络和 4G 传输方式有更好、更广泛的适应性，且便于施工。当信号传输中断时，只需维护相应的网络设备，就能准确定位故障点，快速恢复线路正常运行。

综上所述，建设的视频监控数据传输系统采用施工现场已有的无线网络。前端视频监控信号通过双绞线传输至接入层交换机，经接入交换机转发至无线网桥，数据通过无线网桥接回传至管理单位监控中心。施工现场无线网络示意图如图1 所示。

图1 施工现场无线网络示意图

3 视频监控系统总体设计

3.1 总体结构

大藤峡水利枢纽工程视频监控系统主要由前端监控设备、传输网络、存储阵列、视频管理平台和展示大屏等部分组成。总体结构体现为前端监控设备的监控数据通过无线桥接回传至监控中心机房的视频监控管理平台，为平台提供数据资源，管理单位工程管理人员通过监控终端及展示大屏实时查看现场监控情况。视频监控系统总体构架如图2 所示。

图2 视频监控系统总体架构

3.2 点位布置

点位布置设计包括现场网络、监控区域、设备防雷及供电条件等内容的分析设计，分析结果作为点位布设依据。根据现场踏勘和平面布置图，可基本确定监控点布设位置和数量，部分有特殊监控要求的点需到现场复核。根据点位布置分析并接合施工现场的实际需求，监控点位主要分布在基坑塔吊区、船闸施工区、砂石区、混凝土拌合楼、黔江副坝、南木江副坝等区域。

综合考虑施工便利及施工期与运行期视频监控系统的合理转换，建设的视频监控系统前端摄像头与网络设备部署在同一杆位上。工程竣工后，如需调整监控区域，只需调整杆位和调试网络即可，避免重复购买前端设备及配套设施，有效节约投资。

4 视频智能分析与处置

本视频智能分析主要采用帧间、背景差分法，以及车速检测等技术，实现监控区域入侵、遗留物品、车辆超速/逆行检测及视频质量诊断等功能。

4.1 区域入侵检测报警

采用帧间差分法实现区域入侵检测报警，该算法对前端视频摄像头采集的视频图像进行逐帧处理，当监控区域内有物体非法闯入时会触发报警[2]。

在实际应用中，工程管理人员可以通过视频监控系统设置警戒区域和线，当有运动物体（人、动物、施工车辆等）进入警戒区域，会触发设置的报警机制，同时监控画面可以实时显示进入警戒区的运动物体，为管理单位加强施工现场监管提供支持。

4.2 遗留物品检测

采用背景差分法实现监控区域遗留物品的检测，该算法通过前端视频摄像头采集的视频图像与背景图像的差分检测监控区域是否存在遗留物品[3]。

在视频监控系统覆盖的各工作面，工程管理人员可以通过系统设置遗留物品停留时间，如果发现某物品（施工机具、物品等）超过设置的停留时间的阈值，将自动触发报警，监控画面可以实时显示工作面遗留的物品。

4.3 车辆超速检测

采用 Harris 角点检测算法实现车辆超速检测，通过该算法确定车辆角点，角点在每个连续帧中的位置随着车辆的行进而改变，当车辆进入视频监控区域后，根据角点的位置和位移实时计算车速。

在实际应用中，如果出现进出施工现场的车辆存在超速行为，将会自动触发预警，并在系统上显示超速车辆的车牌、发生时间等信息，为管理单位加强施工区的车辆管理提供支持。

4.4 视频质量诊断

采用图像分析算法对前端摄像头采集的视频图像进行分析，将采集的视频图像输入到已经建立好的视频分析模型中进行分析，分析结果按照设置好的判定标准，判断当前视频图片质量情况。

工程管理人员可以对视频显示质量设置视频诊断预案，实现对雪花、滚屏、模糊、画面冻结、增益失衡、视频信号丢失等视频显示质量问题的准确分析，判断和预警，并可以结合故障严重程度设置不同的预警级别。

5 部署及应用效果分析

本研究提出的无线视频监控系统已经成功应用在大藤峡水利枢纽左岸施工现场。前端监控设备的监控数据通过施工现场无线网络实时回传至管理单位前方临时营地监控中心，实现了高清视频图像的实时回传，满足了管理单位对施工现场监管的需求，效益显著。

5.1 有效提升了施工现场现代化管理水平

视频监控系统建成应用以来，管理、监理、施工等单位相关人员可实时查看现场施工情况，并依据系统做出有关应对措施，施工现场管理水平得到显著提升。主要体现在如下几个方面：

1）事件告警。管理单位管理人员通过视频监控系统的入侵检测、遗留物报警、车辆超速报警等功能模块，第一时间掌握现场违规作业、安全隐患等情况，并根据系统告警类型及时协调参建各方做出相关应对措施，将安全隐患扼杀在萌芽状态，对施工现场正常开展各项工作提供了有力支撑。

2）事件追溯。视频监控系统的监控数据通过视频监控中心配置的存储阵列进行保存，配置阵列可存储 3 个月的视频信息，滚动覆盖。当施工现场出现物品遗失、事故纠纷等事件时，各方人员可及时通过系统进行事件的追踪溯源，还原事件经过，有利于参建各方及时掌握事件原因，有效避免推诿扯皮、工期延误等事件的发生。

3）监督震慑。视频监控系统建成后，管理、监理单位人员可通过系统实时对施工现场进行远程监控，全程掌握施工人员行为、流程，以及安全与文明施工各个方面，对施工人员起到一定震慑作用。系统上线运行以来，施工人员未佩戴安全防护设施、材料失窃及违规作业等事件得到有效遏制，未发生 1 起安全生产事故。

5.2 有效支撑了大体积混凝土温控施工

大藤峡水利枢纽工程大体积混凝土温控涉及到的各个环节都需要严格按照温控标准实施，通过视频监控系统，参建各方人员远程掌握现场温控施工情况，规范温控施工流程，对温控施工工艺、混凝土温度超标、温控效果不佳等情况进行远程指导。自视频监控系统上线运行以来，现场混凝土施工质量得到显著提升，温控合格率达 98% 以上，没有出现危害性裂缝，温控效益显著。

6 结语

无线视频监控系统在大藤峡水利枢纽左岸施工现场的应用表明：视频监控系统能较好地解决位置偏远、信号较差、供电困难的施工区域无法实现高清视频监控的问题，能显著提升现场施工监管水平和质量，对地处偏远的施工现场管理有一定的借鉴意义。

同时，无线视频监控系统的智能分析采用后端计算，当应用于摄像头较多的场景时，会出现服务器运算量较大，系统响应时间较长的问题，随着5G、物联网的逐步应用，后期可以在施工现场采用5G + 边缘计算的模式部署视频监控系统，可进一步提升系统的视频智能分析效率。