视频融合与智能监控技术在施工现场安全管理中的应用

应潇斐 魏富强

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

1 施工现场安全管理的现状

国家统计局报告显示，中国的城镇化进程是世界历史上速度最快且规模最大的，中国的城镇化进程已成为建筑行业快速发展的前置有利条件，同时它也对施工行业设定了更高的准入门槛并提出了更严格的管理要求。作为施工管理工作的重要环节，施工现场安全的管理工作一方面需要勇于迎接新的挑战，另一方面新挑战对现场安全管理工作的提效升级提供了新的机遇和宽广的发展空间。通过现场安全管理从业人员数十年的经验累积和科研机构的研究探索，施工现场的安全管理工作已经达到了相当的水平并取得了一定的成效，然而也必须正确认识新形势下存在的诸多问题。

首先，大部分拥有施工总承包特级和一级资质的施工企业已演变成智力密集型的纯管理企业。虽然它们具有相当的管理能力和水平，但这些公司并不像传统施工企业那样拥有技术过硬的劳务施工队伍。因此这些公司一旦中标相关项目后，现场管理工作仅依靠公司委派的几名技术人员负责。在此情况下，人员配备的数量和专业类别均无法满足管理要求，从而导致安全管理难以达到要求。

其次，由于我国城镇化速度加快，大量农村人口涌入城市，农村进城务工人员在建筑从业人员中的比例逐年攀升，现已超过80%。但农村进城务工人员缺乏相关的施工经验，专业施工技能的培训往往也跟不上，导致进城务工人员缺乏扎实的专业技能。另外进城务工人员受教育水平普遍较低、安全意识不强，这些不利因素对施工现场安全管理工作的顺利推进造成了较大的阻碍。

最后，由于工程项目本身的风险源较多，导致施工项目在实施过程中容易遇到各种变数，往往需要根据实际情况作出施工步骤、施工内容、施工时间、施工设备、施工地点和施工人员等方面的调整，这些无法预见的变化以及相应的调整正是安全管理工作的主要风险来源。

2 传统视频监控技术的问题

工程施工安全事故不仅对人民群众的生命和财产安全造成直接的危害，同时也给社会带来直接和间接的经济损失，一些重大的安全事故甚至对社会稳定产生不利的影响。因而从中央到地方各级建设行政主管部门都非常重视建筑施工安全，建筑施工安全的监管力度也逐年增强。为此，除了强化落实建设各方安全生产管理主体责任，完善安全管理制度体系，加强建筑施工领域安全生产教育培训工作，提高从业人员，尤其是一线班组长、危险岗位操作人员以及进城务工人员、外包工、临时工等人员的安全素质等手段以外，借助技术手段加强对施工现场的安全监管，已成为安全管理不可或缺的工具。视频监控系统是目前施工现场安全监管最常用的技术手段之一，其数字化远程操控的优点提高了安全管理工作的便利性。然而，随着安全管理要求的提高，传统视频监控技术的弊病不断暴露，越来越难以满足安全管理的现实要求。

在传统的视频监控系统中，仅仅能观察到一些周边的情况，而且画面的清晰度也受到监控设备相关技术参数的限制，并不能清晰地观察到对应物体的具体情况，视线较为狭窄，水平方向和垂直方向仅仅是在30°～60°之间。如果选用传统的视频监控系统来进行工作，相关的视频监控管理人员需要对多个屏幕进行观察分析，有些视频中的图像间的区别很小，无形中增加了工作人员的工作负担；另外，长时间监看视频会对人脑造成巨大的压力，美国桑迪亚国家实验室专门研究结果表明，人眼在盯着视频画面超过22 min后，人脑将忽视视频画面里95%以上的活动信息，表现为人眼对这些视频信息视而不见[1]。最关键的是，视频监控的管理人员不能及时观察到对应的具体事物有变化情况，可能有些安全隐患已经存在，但是管理人员无法及时地发现问题、解决问题，导致安全事故的发生，不利于企业的发展。

3 视频融合与智能视频监控技术的原理

3.1视频融合技术原理

在传统的视频监控系统中，监管人员需要同时观看多个不同位置摄像头拍摄的画面，并且很难将零散的不同位置的视频内容与其实际地理位置相对应，因此大场景实时全局监测成为监管人员的难题，也无法对历史事件进行快速回溯查找，海量零散监控视频资源既“看不过来”又“看不太懂”。借助视频融合技术，可以将摄像头实时画面投射到三维实景模型或者VR全景设备上，并可将相邻的画面进行拼接融合，拼接后形成一幅更大分辨率的画面，这种融合不会随着对三维模型的倾斜、旋转等操作而产生变形或者错位。平台中视频与实景三维模型融合技术需要经过后台视频配准和前端视频融合显示2个流程得以实现，如图1、图2所示。预处理阶段对视频数据进行预处理，并进行几何校正、噪声消除、色彩和亮度调整、配准、裁剪有效区域等；前端视频融合显示阶段则进行视频融合投影操作，基于视频与三维场景之间的空间位置关系、用户视角、相机视角，并根据透视投影算法进行投影计算，从而实现在三维实景模型上无缝投射视频图像。当用户视角发生改变时，通过特有的算法实现视频渲染，并且随着用户视角的变化而变化，从而避免画面出现畸变的情况。

图1 后台视频配准流程

图2 前端WebGL融合显示

3.2智能视频监控技术原理

智能视频监控技术研究的主要内容就是如何从原始的视频数据中提取出符合人类认知的语义理解，即希望计算机能和人一样自动分析理解视频数据。比如，判断场景中有哪些感兴趣目标，历史运动轨迹，从事什么行为，以及目标之间的关系等。一般而言，智能视频监控中对视频图像的处理可以分为底层、中层和高层共3个层次，如图3所示。

图3 智能视频监控算法流程

该流程中、底层主要是从视频图像采集终端获取图像序列，对感兴趣目标进行检测和跟踪，以便对目标进行后续处理分析，主要解决“目标在哪里”的问题。本文中目标检测部分可分为目标建模和背景建模。目标跟踪是为了获得运动目标的活动时间、位置、运动方向、运动速度、大小、表观（颜色、形状、纹理）等，可分为单场景目标跟踪和跨场景目标跟踪。中层主要是在底层的基础上提取运动目标的各种信息并进行相关判断。这部分内容包括目标识别。目标识别是为了对目标进行分类，进而识别目标的身份，可分为目标分类和个体识别。中层的分析为底层处理到高层行为理解搭建了一座桥梁，填补了底层与高层之间的语义间隔。主要是为了解决“目标是什么”的问题。高层处理完成对目标的行为进行分析和理解。高层的语义蕴含着特定的语义场景，往往和具体的应用紧密相关。行为分析可以分为姿态识别、行为识别和事件分析，主要为了解决“目标在干什么”的问题[2]。

4 视频融合与智能视频监控系统的研究内容

4.1三维的全景摄像装置

根据当前传统的视频监控系统中存在的视野盲区，同时结合当前的科学技术，研究三维的全景摄像装置，进而解决了传统视频监控摄像中存在的视野盲区，具体就是将在传统视频监控摄像中的监控图像镜头分隔的缺陷进行了改进与设计，进而能够在整体的监控视野区域中进行全景的监控管理，能够实时多方位、多角度地进行监控管理。此外，传统的视频监控摄像机中所能监控到的角度仅仅是某一个方向，能够观察到的范围较小，而三维的全景摄像装置能够实现摄像机的多角度无缝的结合，进而避免了工作人员要对多个视频的监控图像的观察分析，节约了一定的时间，使得工作人员能够快速准确地观察到视频中的异常情况，从而根据实时观察来分析出原因，并进行及时的管理[3]。

4.2三维全景融合软件系统

三维全景融合软件系统主要是借助三维建模和视频重构技术，对视频监控信息以及三维全景摄像装置所收集到的数据进行处理，进一步建立出对应的三维全景模型，从而实现由单一的视图来显示出对应的全景三维视图，同时能够对某一个局部进行放大和缩小，以及能够实现远程的操控与管理。简单来说，首先是能够实现全景和局部视图的有机结合，借助三维球机协同追视系统来对全景融合监控范围中的目标情况进行准确的追踪查看。再者是在全景三维模型和全景视频的基础上，实现区域的自动巡航，对关键区域的准确定位与处理。

4.3预设路径融合视频自动巡检

在设定路线进行自动巡航过程中，首先是以场景的二维平面图作为基础，再将摄像机点位标绘在二维地图中。因而，操作人员可以根据地图手动调取任意摄像机的视频。同时，操作人员也可以设置自动巡航模式，也就是在二维平面图或三维地图中设定路径节点后，系统路径节点根据设定顺序，创建巡航路径，并基于此巡航路径将相关的视频进行关联匹配。当开启漫游巡航功能后，系统从当前所处的位置开始依次显示视频。在巡航过程中，画面边角处显示鹰眼地图，提示当前摄像机位置和方位指向。

4.4全景多路低点视频关联显示

全景多路低点视频关联显示，是指事先将部署在场景内的多路低点视频与全景视频建立关联关系。在开启时，低点枪机的图标就会显示在全景画面中，通过点击图标，就可以在独立窗口中调看对应摄像机的实时视频监控。在操作的过程中，操作人员不需要记住每个摄像机的编号就可以快速准确定位到目标视频，极大地减轻了操作负担。

4.5全景监控的球机协同追视

全景视频球机联动协同追视，是指事先将场景内的球机进行标定，进而建立起球机姿态、最佳焦距与全景画面像素位置的对应关系，之后由操作人员在全景视频画面中点击或框选目标区域，系统则驱动球机对准目标区域并进行变倍放大，进一步减轻了操作人员的工作负担。如图4所示，监控人员在三维场景中点击所需要检测的目标人员，系统即调用周边三个不同方向的球机协同追视，并且通过与其他系统联动，关联显示目标的属性信息。

图4 球机协同追视示例

4.6全景历史视频同步回放

根据回放请求，来对任意时刻的全景视频及选定的低点视频进行整体同步回放。该功能适用于大范围区域内事件发生全过程的回放，能够直观地、全景式地呈现历史事件的发生始末，解决了传统视频监控需要针对多个分镜头进行逐一回放，且画面支离破碎的问题。

4.7安全帽识别

利用场地内布置的摄像机，可对进入作业区域的人员进行自动识别，如图5所示。若检测到人员未佩戴安全帽，可立即报警，将报警截图和视频保存到数据库内，并利用自动报表系统生成报表留档，同时利用微信小程序等将报警信息推送给相关管理人员，可根据时间段对报警记录和报警截图、视频进行查询点播，极大提升了作业区域的管理效率，保障了作业人员的安全。

图5 安全帽佩戴识别

4.8围栏入侵检测

围栏入侵模式允许用户设定任意数量的虚拟围栏，每条围栏的厚度、长度和宽度皆可独立设置，围栏外形可以是任意形状。此外，还可指定攀越（或穿越）某虚拟围栏的非法方向（2个单向或者双向）。当入侵者在非法方向上攀越（或穿越）围栏时将触发报警。如图6所示，利用在基坑边缘布置的摄像机图像，画出人员入侵报警边界，当有人员异常进入则进行事件报警推送。

图6 基坑边界入侵识别

5 结语

借助视频融合及智能监控技术，施工现场安全管理不再单靠人工实施，而是实现对现场的各类情况的数字化的记录、处理和反馈，从而将施工现场传统的安全管理提升到数字化管理的新阶段，最终实现建设项目的智慧施工管理，在管理能效提升的同时，管理的成本也将大大降低。