智能工地可視化在管道施工管理上的應(yīng)用探討

鄭海爍 雷立輝 李慶 劉歡

（1.東北石油管道有限公司；2.中油龍慧自動(dòng)化工程有限公司）

0 引言

在石油工程建設(shè)中，施工安全的核心要素是施工人員的安全意識(shí)、施工環(huán)境和危險(xiǎn)源的控制。施工過(guò)程的合規(guī)操作也是保證施工安全和質(zhì)量的必要措施。視頻監(jiān)控的應(yīng)用，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控施工工地各個(gè)點(diǎn)位的現(xiàn)場(chǎng)情況，通過(guò)先進(jìn)管理手段實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)、避免事故發(fā)生、降低施工成本、提高施工質(zhì)量、加快施工進(jìn)度。通過(guò)采用精細(xì)化管理，將安全教育系統(tǒng)、人員信息管理系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)應(yīng)用在智能工地可視化的實(shí)踐中［1］，并在數(shù)字化工地地圖上繪制“紅、橙、黃、藍(lán)”四色安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分布圖，標(biāo)注施工點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)源分布和危險(xiǎn)等級(jí)，然后使用現(xiàn)場(chǎng)攝像頭和后方終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控［2］。

為全面落實(shí)中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司“大力推進(jìn)可視化監(jiān)控，盡快實(shí)現(xiàn)對(duì)輸油氣站場(chǎng)、管道高后果區(qū)和管道施工現(xiàn)場(chǎng)的視頻監(jiān)控全覆蓋”工作要求，確保工程質(zhì)量和安全，在西氣東輸管道工程建設(shè)中，逐步開(kāi)展了智能工地的探索與實(shí)踐［3］。

1 智能工地可視化開(kāi)展的必要性

油氣長(zhǎng)輸管道具有地域跨度和工程量大、信息數(shù)據(jù)傳輸效率較低、物資配送和管理難度較大的特點(diǎn)，使管道施工和管理風(fēng)險(xiǎn)大，施工安全管控成為重中之重［4］。強(qiáng)化施工建設(shè)過(guò)程中的監(jiān)督和檢查，增強(qiáng)參與人員的安全意識(shí)，健全施工制度是提高施工安全效率，正常推進(jìn)施工進(jìn)度，保障人身安全的必要措施［5］。

油氣管道施工建設(shè)中施工場(chǎng)地面積大，作業(yè)關(guān)鍵點(diǎn)多，雖然多路視頻同時(shí)拍攝記錄，施工過(guò)程和施工質(zhì)量可通過(guò)視頻記錄回溯及查證，但沒(méi)有智能可視化，造成人工實(shí)時(shí)判斷工作量巨大。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控可從多維角度展開(kāi)，智能工地的可視化建設(shè)實(shí)現(xiàn)了“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)流程，流程驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)”的模式。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作進(jìn)行全過(guò)程管控，為業(yè)務(wù)管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程協(xié)作、安全預(yù)警等提供技術(shù)支撐，達(dá)到施工過(guò)程可回溯、施工質(zhì)量可查證、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)可預(yù)警的管理目標(biāo)，實(shí)施體系化的施工過(guò)程管控。

西氣東輸管道建設(shè)中油氣場(chǎng)站施工較為復(fù)雜，涉及工藝、土建、設(shè)備、水暖電、自控、通信等十多個(gè)專業(yè)。通過(guò)智能工地可視化項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)作業(yè)人員培訓(xùn)、安全考核、安全監(jiān)督實(shí)施全方位的監(jiān)管，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的工器具和物資進(jìn)行精細(xì)化跟蹤管控，嚴(yán)格把控人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素的風(fēng)險(xiǎn)三要素，將施工進(jìn)度、質(zhì)量、物料、安全等進(jìn)行多維度集中管理和分析決策，確保了工程建設(shè)安全優(yōu)質(zhì)地完成。

2 智能工地可視化的應(yīng)用

2.1 人體多維特征及行為識(shí)別系統(tǒng)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明人類肉眼對(duì)視頻的監(jiān)視有效時(shí)間僅為20分鐘，海量監(jiān)視視頻通過(guò)人工監(jiān)視難以真正起到監(jiān)控作用，所以通過(guò)計(jì)算機(jī)智能分析視頻中的對(duì)象行為成了當(dāng)今的熱點(diǎn)研究課題?；谏疃葘W(xué)習(xí)的人體骨骼關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)，近年來(lái)也取得了顯著的突破。通過(guò)人體骨骼關(guān)鍵點(diǎn)描述人體姿態(tài)，預(yù)測(cè)人體行為能夠預(yù)警工地上很多安全問(wèn)題。人體骨骼關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)（Pose Estimation），主要是檢測(cè)人體的一些關(guān)鍵點(diǎn)，如關(guān)節(jié)，五官等。通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)描述人體骨骼信息，從而預(yù)測(cè)人的行為狀態(tài)?；谌梭w識(shí)別的應(yīng)用功能分為幾個(gè)大類：

（1）視頻結(jié)構(gòu)化分析。主要對(duì)視頻進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，提取與人有關(guān)的信息并進(jìn)行結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，便于后期查看、檢索和挖掘分析。

（2）人的統(tǒng)計(jì)識(shí)別分析。主要實(shí)現(xiàn)人數(shù)統(tǒng)計(jì)、人群密度、人體活躍度等統(tǒng)計(jì)分析。

（3）人的行為異常分析。主要實(shí)現(xiàn)入侵檢測(cè)、異常奔跑、非法尾隨、在崗離崗等異常行為分析。

（4）人的體態(tài)規(guī)范化分析。主要對(duì)一些指定規(guī)范動(dòng)作或著裝要求進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)不符合規(guī)范的行為提取和報(bào)警。

目前，適合油氣管道施工工程上的行為識(shí)別場(chǎng)景主要是人的統(tǒng)計(jì)識(shí)別分析、異常行為分析和體態(tài)規(guī)范化分析。具體識(shí)別有：識(shí)別工人人數(shù)、是否佩戴工帽、根據(jù)工帽識(shí)別工種、入侵檢測(cè)、異常奔跑、非法尾隨等。

2.2 智能工地可視化行為分析架構(gòu)

由于智能工地可視化發(fā)展時(shí)間短，受需求和現(xiàn)狀的約束，目前大多數(shù)工地的可視化系統(tǒng)應(yīng)用較零碎和孤立。例如，基于AI的行為分析系統(tǒng)并沒(méi)有和人員進(jìn)出控制閘機(jī)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，也就是說(shuō)行為系統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)的人如果沒(méi)有正面的人臉和特殊的工服辨認(rèn)，將無(wú)法識(shí)別該人的具體身份。同樣，當(dāng)前行為識(shí)別系統(tǒng)中的攝像頭之間無(wú)直接的溝通和聯(lián)系，由于建筑工地的障礙物和監(jiān)控?cái)z像機(jī)的機(jī)位變化造成人物軌跡跟蹤不能連續(xù)計(jì)算。這些困難造成了工地上人員的行為分析是片面的，嚴(yán)重的時(shí)候甚至?xí)斐烧`判，從而降低了行為分析的有效應(yīng)用和推廣。

構(gòu)建一個(gè)相對(duì)理想的智能工地可視化平臺(tái)應(yīng)該有這樣幾個(gè)條件：

（1）有數(shù)字工地的3維圖紙及2維圖紙的基礎(chǔ)支持，這個(gè)條件目前基本上都可以達(dá)到；

（2）有全工地的環(huán)境氣候傳感器、關(guān)鍵位置或者過(guò)程的環(huán)境傳感器的實(shí)時(shí)支持，這個(gè)條件在一些重點(diǎn)或試點(diǎn)項(xiàng)目中能夠?qū)崿F(xiàn)；

（3）有所有工地關(guān)鍵要素的實(shí)時(shí)地理位置數(shù)據(jù)采集，這個(gè)條件可能因?yàn)闆](méi)有意識(shí)到它的重要性，目前開(kāi)展不夠；

（4）有關(guān)鍵位置和關(guān)鍵過(guò)程的視頻化實(shí)時(shí)采集，這個(gè)條件在很多試點(diǎn)項(xiàng)目和關(guān)鍵施工工地上都得到了普及。

3維圖紙和 2維圖紙能夠讓可視化平臺(tái)的顯示具有一個(gè)數(shù)字化孿生體的基本支撐。工地的構(gòu)建過(guò)程通過(guò)在2維圖紙和3維圖紙的虛擬化展示下，變得立體和確定，容易想象和標(biāo)注。

布置于工地上的智能環(huán)境傳感器實(shí)時(shí)采集視頻中活物的GIS數(shù)據(jù)。視頻中正在發(fā)生的過(guò)程有了多維的支撐，讓視頻分析的對(duì)象更加容易判斷。綜合輔助行為分析讓可視化行為分析具有真正實(shí)用的功能。

2.3 智能工地可視化建設(shè)有效場(chǎng)景應(yīng)用

在工地的各個(gè)位置（室外和室內(nèi)）布置固定攝像頭，通過(guò)人工智能拼接或者通過(guò)鷹眼實(shí)時(shí)切換恰當(dāng)?shù)慕嵌?，將現(xiàn)場(chǎng)所有工作人員和機(jī)器的位置都實(shí)時(shí)反映在可視化監(jiān)控平臺(tái)中，工地現(xiàn)場(chǎng)一覽無(wú)余。

除了固定攝像頭記錄，實(shí)時(shí)追蹤人員活動(dòng)軌跡的GIS數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的跟蹤和記錄。通過(guò)安全管理員工帽上的攝像頭，從安全管理員進(jìn)入工地的閘機(jī)開(kāi)始，所到之處，都形成了動(dòng)態(tài)的跟蹤和記錄?，F(xiàn)場(chǎng)人員的實(shí)時(shí)地理位置分析，為判別工作人員操作是否合規(guī)提供了充分條件。

借助視頻，綜合反映出工地的實(shí)時(shí)情景并作出實(shí)時(shí)的預(yù)警和分析。諸如不明身份人員闖入，未經(jīng)批準(zhǔn)進(jìn)入禁區(qū)，違規(guī)操作等，都能作為可記錄、可監(jiān)控、可追蹤的對(duì)象。

舉例來(lái)講，管道焊接過(guò)程監(jiān)控是管道施工中的核心質(zhì)量控制點(diǎn)。可視化行為分析系統(tǒng)能夠識(shí)別每個(gè)人的具體身份及工作場(chǎng)景。如質(zhì)量監(jiān)督員是否在場(chǎng)、工作人員的位置、焊接工人身份及資質(zhì)確認(rèn)、焊接工人操作時(shí)的氣候狀況、工位、是否按照工序操作、焊機(jī)是否合規(guī)、電流電壓狀況、送絲速度是否正常、焊縫實(shí)時(shí)的物理狀態(tài)等都能通過(guò)傳感器去記錄和分析，從而有效地指導(dǎo)、預(yù)警管道焊接的質(zhì)量情況。行為分析系統(tǒng)對(duì)于工地施工行為的智能識(shí)別，是施工作業(yè)過(guò)程合理化管理的輔助，是避險(xiǎn)、安全生產(chǎn)的需要。

3 智能工地可視化的未來(lái)預(yù)測(cè)

智能工地可視化的發(fā)展分為三個(gè)階段。第一階段是在工地上布置攝像頭，在施工辦公室設(shè)置安全監(jiān)控室，配置專人進(jìn)行視頻監(jiān)控和安全管理。第二個(gè)階段是人工智能的發(fā)展階段，將一些簡(jiǎn)單的人臉識(shí)別技術(shù)、行為識(shí)別技術(shù)和自動(dòng)報(bào)警等應(yīng)用于智能工地可視化。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，還可以采用多種監(jiān)控方式，將視頻接入到監(jiān)理單位進(jìn)行異地監(jiān)控。第三個(gè)階段則是通過(guò)無(wú)線甚至衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控面覆蓋整個(gè)工程的所有工地。人工智能技術(shù)將工地的人員行為、機(jī)器作業(yè)的各種數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)等實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴霞?jí)中心或總部。各部門都可以實(shí)時(shí)的關(guān)注甚至介入管理，實(shí)現(xiàn)了真正的“運(yùn)籌帷幄之中，決勝千里之外”。

但是，在目前的智能工地的試點(diǎn)實(shí)踐中也存在著項(xiàng)目實(shí)施的難度。難度之一是油氣管道施工作業(yè)往往在野外，網(wǎng)絡(luò)覆蓋強(qiáng)度不一，視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)量比較大，且行為分析服務(wù)器需要較高的運(yùn)算能力，視頻行為分析的成本比較高，由于高成本原因不能在工地部署實(shí)施，實(shí)時(shí)性指導(dǎo)變得相對(duì)困難。難度之二是施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性。不一樣的施工任務(wù)、工地設(shè)施、視頻采集角度都會(huì)造成視頻中對(duì)象識(shí)別的困難。難度之三是深度學(xué)習(xí)的算法尚在優(yōu)化之中，綜合應(yīng)用各類系統(tǒng)、傳感器、GIS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)還不成熟，目前的行為分析只能做簡(jiǎn)單的應(yīng)用。

智能工地實(shí)施難正說(shuō)明了質(zhì)量監(jiān)控的必要性。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，衛(wèi)星通信、5G技術(shù)、更成熟的工地智能設(shè)備會(huì)為智能工地可視化提供技術(shù)支持，成為石油工程建設(shè)中施工過(guò)程的合規(guī)、安全、保質(zhì)高效的管理措施之一。