大藤峽水利樞紐施工過程智能視頻監(jiān)控與應(yīng)用

牟 舵 ，劉 斌

（1.水利部珠江水利委員會(huì)珠江水利綜合技術(shù)中心，廣東 廣州 510000；2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系黔江干流大藤峽出口弩灘上，是具有防洪、航運(yùn)、發(fā)電、補(bǔ)水壓咸、灌溉等綜合效益的大（一）型水利樞紐工程[1]79。目前，大藤峽水利樞紐工程已進(jìn)入全面施工建設(shè)階段，隨著工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工藝流程紛繁復(fù)雜，投入的施工設(shè)施、設(shè)備及人員越來越多，因此，做好工程施工監(jiān)管，保障工程建設(shè)順利進(jìn)行顯得尤為重要，為此在施工現(xiàn)場建設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對現(xiàn)場施工過程進(jìn)行有效監(jiān)控。

1 施工過程問題分析

大藤峽水利樞紐工程規(guī)模大，施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，參建單位多，施工工藝要求高，使得整個(gè)施工現(xiàn)場管理難度較大，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜。a.大藤峽水利樞紐工程地處華南，夏季降雨頻繁，施工道路濕滑，由于是施工高峰期，進(jìn)出施工現(xiàn)場車輛頻繁，極易發(fā)生超速、剮蹭等交通事故；b.施工現(xiàn)場爆破、開挖等工作較多，在開展相關(guān)工作時(shí)缺少有效手段對現(xiàn)場進(jìn)行全方位監(jiān)控，工程的安全生產(chǎn)存在一定隱患；c.現(xiàn)場施工機(jī)具種類繁多，缺少有效手段對各類機(jī)具的使用、調(diào)配進(jìn)行有效監(jiān)管。

2）施工人員素質(zhì)良莠不齊。大藤峽水利樞紐工程規(guī)模大，參建人員多。在施工中，存在部分一線施工人員安全意識(shí)、思想認(rèn)識(shí)不到位，不按要求佩戴安全帽、安全帶等問題，材料失竊、違規(guī)作業(yè)、不按規(guī)定時(shí)間進(jìn)出施工現(xiàn)場的行為時(shí)有發(fā)生，缺少有效手段對整個(gè)施工現(xiàn)場人員行為進(jìn)行監(jiān)管。

3）混凝土溫控施工管控難度大。大藤峽水利樞紐工程為混凝土重力壩，施工區(qū)全年 30° 以上氣溫天數(shù)為 100～150 d，占全年天數(shù)的 1/3，持續(xù)高溫對混凝土溫控防裂不利，為確保大壩不出現(xiàn)危害性裂縫，需要對澆筑的混凝土進(jìn)行溫控。混凝土溫控涉及到骨料預(yù)冷、運(yùn)輸、入倉、通水冷卻等諸多環(huán)節(jié)，任何一道環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)影響大壩的溫控效果，進(jìn)而影響到整個(gè)工程的質(zhì)量?，F(xiàn)有溫控施工過程監(jiān)管主要通過現(xiàn)場監(jiān)理完成，但人工監(jiān)管無法確保在 24 h 內(nèi)整個(gè)溫控流程均為合規(guī)，缺少有效手段對整個(gè)混凝土溫控施工過程進(jìn)行不間斷監(jiān)管。

2 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)分析

目前視頻信號傳輸方式分為有線和無線網(wǎng)絡(luò)2 種類型，在選擇網(wǎng)絡(luò)接入類型時(shí)需要綜合考慮傳輸帶寬、穩(wěn)定性及成本等多種因素。

1）有線傳輸。建設(shè)的視頻監(jiān)控點(diǎn)部署在施工現(xiàn)場的基坑塔吊區(qū)、船閘施工區(qū)、砂石區(qū)、混凝土拌合樓等多個(gè)重點(diǎn)區(qū)域，位置較為分散。如果采用有線方式，要開挖布線 5 km 左右，存在補(bǔ)償、供電等問題，情況復(fù)雜且困難大。無論是自建的還是運(yùn)營商的線路，往往都容易被挖斷，而且由于監(jiān)控點(diǎn)分散，線路租賃價(jià)格比較高，施工難度、建設(shè)成本、后期維護(hù)的費(fèi)用都比較高。

2）無線傳輸。由于施工現(xiàn)場位置較為偏遠(yuǎn)，運(yùn)營商的 4G 網(wǎng)絡(luò)信號較差，高清視頻信號無法通過運(yùn)營商的 4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行回傳，為此提出一種無線智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。目前，大藤峽水利樞紐工程管理單位（以下簡稱管理單位）已在施工現(xiàn)場布設(shè)完成一套無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)施工現(xiàn)場全覆蓋，無線骨干鏈路帶寬為 300 Mbit/s，單路 1080P 高清視頻信號帶寬為 4～6 Mbit/s，300 Mbit/s 網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn) 50 路高清視頻信號回傳，滿足管理單位對施工現(xiàn)場的監(jiān)控需求[1]112。由此可見，采用施工現(xiàn)場已有的無線網(wǎng)絡(luò)回傳數(shù)據(jù)方式比有線網(wǎng)絡(luò)和 4G 傳輸方式有更好、更廣泛的適應(yīng)性，且便于施工。當(dāng)信號傳輸中斷時(shí)，只需維護(hù)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，就能準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，快速恢復(fù)線路正常運(yùn)行。

綜上所述，建設(shè)的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用施工現(xiàn)場已有的無線網(wǎng)絡(luò)。前端視頻監(jiān)控信號通過雙絞線傳輸至接入層交換機(jī)，經(jīng)接入交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)至無線網(wǎng)橋，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)橋接回傳至管理單位監(jiān)控中心。施工現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1 所示。

圖1 施工現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)示意圖

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

大藤峽水利樞紐工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端監(jiān)控設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)陣列、視頻管理平臺(tái)和展示大屏等部分組成?？傮w結(jié)構(gòu)體現(xiàn)為前端監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過無線橋接回傳至監(jiān)控中心機(jī)房的視頻監(jiān)控管理平臺(tái)，為平臺(tái)提供數(shù)據(jù)資源，管理單位工程管理人員通過監(jiān)控終端及展示大屏實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場監(jiān)控情況。視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖2 所示。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

3.2 點(diǎn)位布置

點(diǎn)位布置設(shè)計(jì)包括現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控區(qū)域、設(shè)備防雷及供電條件等內(nèi)容的分析設(shè)計(jì)，分析結(jié)果作為點(diǎn)位布設(shè)依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場踏勘和平面布置圖，可基本確定監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)位置和數(shù)量，部分有特殊監(jiān)控要求的點(diǎn)需到現(xiàn)場復(fù)核。根據(jù)點(diǎn)位布置分析并接合施工現(xiàn)場的實(shí)際需求，監(jiān)控點(diǎn)位主要分布在基坑塔吊區(qū)、船閘施工區(qū)、砂石區(qū)、混凝土拌合樓、黔江副壩、南木江副壩等區(qū)域。

綜合考慮施工便利及施工期與運(yùn)行期視頻監(jiān)控系統(tǒng)的合理轉(zhuǎn)換，建設(shè)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端攝像頭與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署在同一桿位上。工程竣工后，如需調(diào)整監(jiān)控區(qū)域，只需調(diào)整桿位和調(diào)試網(wǎng)絡(luò)即可，避免重復(fù)購買前端設(shè)備及配套設(shè)施，有效節(jié)約投資。

4 視頻智能分析與處置

本視頻智能分析主要采用幀間、背景差分法，以及車速檢測等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域入侵、遺留物品、車輛超速/逆行檢測及視頻質(zhì)量診斷等功能。

4.1 區(qū)域入侵檢測報(bào)警

采用幀間差分法實(shí)現(xiàn)區(qū)域入侵檢測報(bào)警，該算法對前端視頻攝像頭采集的視頻圖像進(jìn)行逐幀處理，當(dāng)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)有物體非法闖入時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警[2]。

在實(shí)際應(yīng)用中，工程管理人員可以通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置警戒區(qū)域和線，當(dāng)有運(yùn)動(dòng)物體（人、動(dòng)物、施工車輛等）進(jìn)入警戒區(qū)域，會(huì)觸發(fā)設(shè)置的報(bào)警機(jī)制，同時(shí)監(jiān)控畫面可以實(shí)時(shí)顯示進(jìn)入警戒區(qū)的運(yùn)動(dòng)物體，為管理單位加強(qiáng)施工現(xiàn)場監(jiān)管提供支持。

4.2 遺留物品檢測

采用背景差分法實(shí)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域遺留物品的檢測，該算法通過前端視頻攝像頭采集的視頻圖像與背景圖像的差分檢測監(jiān)控區(qū)域是否存在遺留物品[3]。

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋的各工作面，工程管理人員可以通過系統(tǒng)設(shè)置遺留物品停留時(shí)間，如果發(fā)現(xiàn)某物品（施工機(jī)具、物品等）超過設(shè)置的停留時(shí)間的閾值，將自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，監(jiān)控畫面可以實(shí)時(shí)顯示工作面遺留的物品。

4.3 車輛超速檢測

采用 Harris 角點(diǎn)檢測算法實(shí)現(xiàn)車輛超速檢測，通過該算法確定車輛角點(diǎn)，角點(diǎn)在每個(gè)連續(xù)幀中的位置隨著車輛的行進(jìn)而改變，當(dāng)車輛進(jìn)入視頻監(jiān)控區(qū)域后，根據(jù)角點(diǎn)的位置和位移實(shí)時(shí)計(jì)算車速。

在實(shí)際應(yīng)用中，如果出現(xiàn)進(jìn)出施工現(xiàn)場的車輛存在超速行為，將會(huì)自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警，并在系統(tǒng)上顯示超速車輛的車牌、發(fā)生時(shí)間等信息，為管理單位加強(qiáng)施工區(qū)的車輛管理提供支持。

4.4 視頻質(zhì)量診斷

采用圖像分析算法對前端攝像頭采集的視頻圖像進(jìn)行分析，將采集的視頻圖像輸入到已經(jīng)建立好的視頻分析模型中進(jìn)行分析，分析結(jié)果按照設(shè)置好的判定標(biāo)準(zhǔn)，判斷當(dāng)前視頻圖片質(zhì)量情況。

工程管理人員可以對視頻顯示質(zhì)量設(shè)置視頻診斷預(yù)案，實(shí)現(xiàn)對雪花、滾屏、模糊、畫面凍結(jié)、增益失衡、視頻信號丟失等視頻顯示質(zhì)量問題的準(zhǔn)確分析，判斷和預(yù)警，并可以結(jié)合故障嚴(yán)重程度設(shè)置不同的預(yù)警級別。

5 部署及應(yīng)用效果分析

本研究提出的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在大藤峽水利樞紐左岸施工現(xiàn)場。前端監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過施工現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳至管理單位前方臨時(shí)營地監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了高清視頻圖像的實(shí)時(shí)回傳，滿足了管理單位對施工現(xiàn)場監(jiān)管的需求，效益顯著。

5.1 有效提升了施工現(xiàn)場現(xiàn)代化管理水平

視頻監(jiān)控系統(tǒng)建成應(yīng)用以來，管理、監(jiān)理、施工等單位相關(guān)人員可實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場施工情況，并依據(jù)系統(tǒng)做出有關(guān)應(yīng)對措施，施工現(xiàn)場管理水平得到顯著提升。主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1）事件告警。管理單位管理人員通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)的入侵檢測、遺留物報(bào)警、車輛超速報(bào)警等功能模塊，第一時(shí)間掌握現(xiàn)場違規(guī)作業(yè)、安全隱患等情況，并根據(jù)系統(tǒng)告警類型及時(shí)協(xié)調(diào)參建各方做出相關(guān)應(yīng)對措施，將安全隱患扼殺在萌芽狀態(tài)，對施工現(xiàn)場正常開展各項(xiàng)工作提供了有力支撐。

2）事件追溯。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過視頻監(jiān)控中心配置的存儲(chǔ)陣列進(jìn)行保存，配置陣列可存儲(chǔ) 3 個(gè)月的視頻信息，滾動(dòng)覆蓋。當(dāng)施工現(xiàn)場出現(xiàn)物品遺失、事故糾紛等事件時(shí)，各方人員可及時(shí)通過系統(tǒng)進(jìn)行事件的追蹤溯源，還原事件經(jīng)過，有利于參建各方及時(shí)掌握事件原因，有效避免推諉扯皮、工期延誤等事件的發(fā)生。

3）監(jiān)督震懾。視頻監(jiān)控系統(tǒng)建成后，管理、監(jiān)理單位人員可通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)對施工現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，全程掌握施工人員行為、流程，以及安全與文明施工各個(gè)方面，對施工人員起到一定震懾作用。系統(tǒng)上線運(yùn)行以來，施工人員未佩戴安全防護(hù)設(shè)施、材料失竊及違規(guī)作業(yè)等事件得到有效遏制，未發(fā)生 1 起安全生產(chǎn)事故。

5.2 有效支撐了大體積混凝土溫控施工

大藤峽水利樞紐工程大體積混凝土溫控涉及到的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要嚴(yán)格按照溫控標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，參建各方人員遠(yuǎn)程掌握現(xiàn)場溫控施工情況，規(guī)范溫控施工流程，對溫控施工工藝、混凝土溫度超標(biāo)、溫控效果不佳等情況進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)。自視頻監(jiān)控系統(tǒng)上線運(yùn)行以來，現(xiàn)場混凝土施工質(zhì)量得到顯著提升，溫控合格率達(dá) 98% 以上，沒有出現(xiàn)危害性裂縫，溫控效益顯著。

6 結(jié)語

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在大藤峽水利樞紐左岸施工現(xiàn)場的應(yīng)用表明：視頻監(jiān)控系統(tǒng)能較好地解決位置偏遠(yuǎn)、信號較差、供電困難的施工區(qū)域無法實(shí)現(xiàn)高清視頻監(jiān)控的問題，能顯著提升現(xiàn)場施工監(jiān)管水平和質(zhì)量，對地處偏遠(yuǎn)的施工現(xiàn)場管理有一定的借鑒意義。

同時(shí)，無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能分析采用后端計(jì)算，當(dāng)應(yīng)用于攝像頭較多的場景時(shí)，會(huì)出現(xiàn)服務(wù)器運(yùn)算量較大，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長的問題，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)的逐步應(yīng)用，后期可以在施工現(xiàn)場采用5G + 邊緣計(jì)算的模式部署視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可進(jìn)一步提升系統(tǒng)的視頻智能分析效率。