基于雷視融合的鄉(xiāng)村住宅小型化建造裝備作業(yè)環(huán)境入侵預(yù)警系統(tǒng)研究

張阿晉 裘 磊 王新新 沈 蓉

1. 上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114；2. 上海建工房產(chǎn)有限公司 上海 200080

通過對我國眾多新農(nóng)村住宅建設(shè)情況（如建造方式、場地條件、建造裝備及管理模式等）進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)我國新農(nóng)村住宅建設(shè)整體存在著統(tǒng)建模式與自建模式并存的局面。其中，統(tǒng)建模式主要應(yīng)用于村莊異地整體搬遷、城鎮(zhèn)集體征收等情況；自建模式主要應(yīng)用于村民住宅的自主建設(shè)等情況。統(tǒng)建形式因其采用統(tǒng)一的規(guī)劃設(shè)計(jì)，建設(shè)空間較大，具備大型成套建筑施工設(shè)備作業(yè)的各類條件；自建形式因其受到施工場地大小、作業(yè)人員水平等多方面因素制約，其相應(yīng)建造裝備及工藝存在著主要依靠人力、專業(yè)化設(shè)備缺乏、既有設(shè)備簡易落后、操作人員水平較低、環(huán)境保護(hù)手段缺乏、配套工藝不成熟、信息化及智能化缺失、安全風(fēng)險(xiǎn)隱患較大等問題。

受限于建造裝備的發(fā)展水平，我國新農(nóng)村住宅建設(shè)面臨眾多安全風(fēng)險(xiǎn)管控難題，尤其是新農(nóng)村住宅自建模式，由于作業(yè)人員水平較低、建造方法及裝備落后、安全管理缺失等，存在更為嚴(yán)重的人員安全風(fēng)險(xiǎn)管控難題，各類無關(guān)人員入侵建造裝備作業(yè)環(huán)境的事故常有發(fā)生。因此，立足于我國新農(nóng)村住宅建設(shè)現(xiàn)狀，圍繞鄉(xiāng)村住宅小型化建造裝備的日常作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，開發(fā)基于人員入侵行為分級預(yù)警的鄉(xiāng)村住宅小型化建造裝備作業(yè)環(huán)境入侵預(yù)警系統(tǒng)，符合我國現(xiàn)階段鄉(xiāng)村住宅建造需求，對于未來新農(nóng)村住宅建造裝備的數(shù)字化、智能化發(fā)展具有重要的意義[1-5]。

1 入侵預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的

鄉(xiāng)村住宅小型化建造裝備作業(yè)環(huán)境入侵預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是：保證鄉(xiāng)村住宅建造裝備作業(yè)環(huán)境的安全，降低人員入侵風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)主動/無意識入侵行為的分級分類預(yù)警、軌跡化跟蹤、可視化跟蹤、預(yù)警事件的數(shù)字化處置、預(yù)警數(shù)據(jù)的智能化分析等功能。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示，即為降低入侵風(fēng)險(xiǎn)，通過在裝備作業(yè)周邊劃定危險(xiǎn)作業(yè)范圍，通過信息化、智能化手段實(shí)現(xiàn)入侵行為的智能識別，并通過無線傳輸方式，將入侵行為實(shí)時傳輸給后臺系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)給設(shè)備管理人員及現(xiàn)場操作人員發(fā)送入侵預(yù)警信號（如聲音報(bào)警、預(yù)警短信發(fā)送、系統(tǒng)提醒等）。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意

2 入侵預(yù)警系統(tǒng)方案對比

2.1 激光雷達(dá)方案

激光雷達(dá)方案通過發(fā)射直線光粒子（激光束），被目標(biāo)發(fā)射回來后，計(jì)算收發(fā)時間差來確定目標(biāo)方位。該方案具有非常精準(zhǔn)的測距能力，最高精度可達(dá)厘米級。但由于激光雷達(dá)通過發(fā)射光束進(jìn)行入侵探測，受環(huán)境影響較大，適應(yīng)性較差，且價(jià)格昂貴。

2.2 安全光柵方案

安全光柵方案通過發(fā)射器和接收器之間的紅外線信號（圖2），在目標(biāo)周圍形成保護(hù)區(qū)域，當(dāng)發(fā)生入侵行為時會立即觸發(fā)警報(bào)，啟動預(yù)警方案。該方案具有檢測靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種傳感器及機(jī)械自動化加工等領(lǐng)域，但受限于其工作原理，存在檢測距離短、誤報(bào)警率高及環(huán)境適應(yīng)能力差等缺點(diǎn)。同時，受限于其紅外直線傳播的缺點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)域的自由化定義，且無法進(jìn)行距離量測，入侵行為的軌跡跟蹤功能無法實(shí)現(xiàn)。

圖2 安全光柵方案示意

2.3 智能攝像機(jī)方案

智能攝像機(jī)方案通過布置多個智能攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)全景覆蓋，通過軟件后臺算法實(shí)現(xiàn)預(yù)警區(qū)域的智能劃分與入侵識別。該方案具有可視化識別及警戒區(qū)域智能劃分等優(yōu)勢，但是由于其對入侵行為的探測主要依靠智能攝像頭圖像識別功能，受安裝位置及角度的限制，必然存在一定的視野盲區(qū)，且無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測距及軌跡的實(shí)時跟蹤等功能。

2.4 電子圍欄方案

電子圍欄方案主要是通過有形的探測圍欄的脈沖信號來實(shí)現(xiàn)建造裝備的周界報(bào)警，由電子圍欄主機(jī)及支撐桿和金屬導(dǎo)線組成的前端探測圍欄，可實(shí)現(xiàn)多級聯(lián)網(wǎng)。但由于該方案采用的是有形屏障，不適應(yīng)傳統(tǒng)住宅建造工藝，且該方案無實(shí)時測距功能，無法實(shí)現(xiàn)入侵軌跡的即時跟蹤及入侵事件的提前預(yù)警功能。

2.5 毫米波雷達(dá)方案

毫米波雷達(dá)方案是通過將1～10 mm波長雷達(dá)發(fā)射出去，被目標(biāo)發(fā)射回來后，雷達(dá)通過計(jì)算收發(fā)之間的時間差來進(jìn)行目標(biāo)位置的確定。該方案具有測距精度高、測距范圍廣、可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)實(shí)時軌跡跟蹤、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定且易于集成、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)為可視化程度低、靜態(tài)識別度低。

通過對比分析上述各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合鄉(xiāng)村住宅建造裝備特殊的作業(yè)環(huán)境要求，本系統(tǒng)擬采用毫米波雷達(dá)結(jié)合可視化智能設(shè)備的新型融合方案，實(shí)現(xiàn)入侵行為的精準(zhǔn)定位、入侵軌跡的實(shí)時跟蹤、入侵行為的智能分級、入侵事件的可視化跟蹤等功能。

3 雷視融合技術(shù)方案

3.1 雷視融合技術(shù)方案原理

雷視融合技術(shù)方案主要是利用毫米波雷達(dá)與可視化融合技術(shù)，通過毫米波雷達(dá)掃描系統(tǒng)對預(yù)設(shè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時掃描，對入侵行為進(jìn)行精準(zhǔn)定位及軌跡跟蹤，并將入侵行為與預(yù)警/報(bào)警區(qū)域進(jìn)行對比分析，同步將入侵行為信息傳輸給可視化設(shè)備，利用可視化設(shè)備對入侵行為進(jìn)行實(shí)時跟蹤，最后通過后臺算法實(shí)現(xiàn)入侵行為的實(shí)時軌跡跟蹤、入侵行為分析及預(yù)判、智能安全預(yù)警等功能。

以鄉(xiāng)村住宅小型化垂直作業(yè)裝備為例，為實(shí)現(xiàn)該裝備作業(yè)環(huán)境的360°全景化智能入侵預(yù)警系統(tǒng)搭建，考慮到單個毫米波雷達(dá)的可檢測角度范圍為120°，該方案將采用3臺毫米波雷達(dá)結(jié)合3臺球形攝像機(jī)的布置方式來實(shí)現(xiàn)入侵行為的智能分級預(yù)警及報(bào)警功能，其預(yù)警技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 入侵行為分級預(yù)警示意

為了實(shí)現(xiàn)裝備作業(yè)區(qū)域入侵行為的智能化預(yù)警，實(shí)現(xiàn)入侵事件的智能化管理，本技術(shù)依據(jù)鄉(xiāng)村垂直作業(yè)裝備的吊裝半徑及日常操作范圍將作業(yè)區(qū)域劃分為報(bào)警區(qū)域和預(yù)警區(qū)域，其中，報(bào)警區(qū)域嚴(yán)格按建造裝備的標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)程進(jìn)行劃分，該區(qū)域?qū)儆趪?yán)格禁止侵入?yún)^(qū)域；預(yù)警區(qū)域可依據(jù)建造裝備周邊環(huán)境，如作業(yè)人員數(shù)量、臨時建（構(gòu)）筑物情況等，以及裝備可能出現(xiàn)的各類危險(xiǎn)進(jìn)行劃分。同時，根據(jù)裝備安全作業(yè)的危險(xiǎn)程度，將入侵行為劃分為4個等級，具體劃分規(guī)則如下：

1）1級預(yù)警：入侵行為侵入預(yù)警區(qū)域后穩(wěn)定、持續(xù)地逼近報(bào)警區(qū)域，對裝備報(bào)警區(qū)域的入侵風(fēng)險(xiǎn)較高。

2）2級預(yù)警：入侵行為侵入預(yù)警區(qū)域后位置不固定，且距離報(bào)警區(qū)域未達(dá)到安全閾值設(shè)定，對裝備報(bào)警區(qū)域的入侵風(fēng)險(xiǎn)高。

3）3級預(yù)警：入侵行為侵入預(yù)警區(qū)域后位置較為固定，且距離報(bào)警區(qū)域未達(dá)到安全閾值設(shè)定，對裝備報(bào)警區(qū)域的入侵風(fēng)險(xiǎn)低。

4）4級預(yù)警：入侵行為侵入預(yù)警區(qū)域短暫停留后，即退出預(yù)警區(qū)域，對裝備報(bào)警區(qū)域入侵風(fēng)險(xiǎn)很低。

3.2 雷視融合入侵預(yù)警實(shí)現(xiàn)過程

基于雷視融合的鄉(xiāng)村住宅小型化建造裝備作業(yè)環(huán)境入侵預(yù)警技術(shù)，首先基于雷視一體傳感器對裝備安全作業(yè)環(huán)境形成完整警戒范圍。當(dāng)各類外界因素侵入到設(shè)定的警戒范圍時，預(yù)警信號基于無線傳輸系統(tǒng)傳送到上層應(yīng)用軟件中，上層應(yīng)用軟件根據(jù)對入侵行為數(shù)據(jù)的持續(xù)分析，給入侵行為進(jìn)行等級判定并作出不同反應(yīng)，如將報(bào)警信號推送到現(xiàn)場指揮人員手機(jī)中，提醒其進(jìn)行相應(yīng)處置，或在現(xiàn)場以警報(bào)燈的形式進(jìn)行聲光提醒，從而達(dá)到入侵行為的閉環(huán)處置，為鄉(xiāng)村住宅建造裝備作業(yè)環(huán)境安全提供技術(shù)保障。

4 入侵預(yù)警系統(tǒng)功能

基于雷視融合的鄉(xiāng)村住宅小型化建造裝備作業(yè)環(huán)境入侵預(yù)警系統(tǒng)主要由以下4個部分組成：預(yù)警監(jiān)控模塊、規(guī)則配置模塊、預(yù)警配置模塊、數(shù)據(jù)分析模塊。

4.1 預(yù)警監(jiān)控模塊

預(yù)警監(jiān)控模塊主要實(shí)現(xiàn)入侵信息與風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果的匯集、相關(guān)信息的抽取，并據(jù)此進(jìn)行智能分析，把分析結(jié)果直觀地展現(xiàn)在決策者面前，作為預(yù)測預(yù)警或事件處理的依據(jù)。預(yù)警監(jiān)控的主界面大量使用數(shù)據(jù)可視化圖表元素進(jìn)行數(shù)據(jù)的直觀展示。

以GIS地圖的形式直觀展示施工區(qū)域裝置設(shè)備安全作業(yè)環(huán)境，對GIS中顯示的設(shè)備作業(yè)感知范圍可以進(jìn)行放大、縮小、平移、全圖查看等。通過裝備圖形化顯示裝備運(yùn)行感知半徑；當(dāng)有入侵事件時，通過視頻或雷達(dá)設(shè)備等感知設(shè)備將入侵類型以圖標(biāo)方式標(biāo)識，同時將入侵路徑進(jìn)行分析、展示；同時在GIS地圖上方以文字滾動或彈窗的方式進(jìn)行報(bào)警，及時提醒管理者，讓管理者充分了解入侵情況，及時給出正確決策。該模塊主要功能包括：GIS地圖展示、入侵預(yù)警次數(shù)統(tǒng)計(jì)、入侵預(yù)警類型占比、入侵詳情展示、入侵預(yù)警級別占比、入侵預(yù)警規(guī)則概覽、入侵軌跡、入侵視頻展示等（圖4）。

圖4 預(yù)警監(jiān)控模塊示意

4.2 規(guī)則配置模塊

入侵預(yù)警的規(guī)則配置模塊展示了當(dāng)前應(yīng)用的入侵報(bào)警過濾規(guī)則，通過視頻、雷達(dá)等感知設(shè)備對入侵人、設(shè)備及其他等信息定制入侵報(bào)警規(guī)則條件?？梢栽O(shè)置感知設(shè)備探測范圍（0°～360°），并通過設(shè)備預(yù)警可以設(shè)置外圍預(yù)警和報(bào)警范圍，從而判斷是否有入侵事件。同時，還可以根據(jù)作業(yè)時間選擇不同時間段進(jìn)行規(guī)則設(shè)置，并將篩查過的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)的展示與告警等。該模塊主要包括設(shè)備展示列表、預(yù)警半徑配置、報(bào)警半徑配置、探測起始角度、探測結(jié)束角度、報(bào)警開始時間、報(bào)警結(jié)束時間等。

4.3 預(yù)警配置模塊

預(yù)警配置模塊主要是對入侵行為進(jìn)行分級管理規(guī)定的設(shè)置，利用雷達(dá)實(shí)時感知入侵行為在預(yù)警范圍內(nèi)的活動軌跡、與報(bào)警區(qū)域距離的遠(yuǎn)近以及停留時長等，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置?？梢罁?jù)每個裝備的工作特性、周邊環(huán)境情況等，實(shí)現(xiàn)不同裝備不同預(yù)警規(guī)則的個性化配置。

4.4 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊主要包括：入侵報(bào)警類型分析、入侵報(bào)警時間段分析、入侵報(bào)警位置分析和入侵報(bào)警持續(xù)時間的分析等。對歷史入侵報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和篩選，將不同類型的入侵報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。對歷史入侵報(bào)警的時間點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按照入侵預(yù)警信息錄入時間因素，可以研究在一天中發(fā)生的時間分布，從而展示入侵報(bào)警事件分布趨勢。對歷史入侵報(bào)警的位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按照入侵預(yù)警信息錄入地點(diǎn)因素，可以研究常發(fā)性入侵報(bào)警位置分布情況。對歷史入侵報(bào)警持續(xù)時間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析各類入侵預(yù)警響應(yīng)時間。數(shù)據(jù)分析模塊詳見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)分析模塊示意

5 結(jié)語

1）分析了我國鄉(xiāng)村住宅建造裝備管理過程中面臨的作業(yè)環(huán)境入侵風(fēng)險(xiǎn)，提出了基于人員入侵行為分級預(yù)警的鄉(xiāng)村住宅小型化建造裝備作業(yè)環(huán)境入侵預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)的必要性和迫切性。

2）通過對鄉(xiāng)村住宅小型化建造裝備作業(yè)環(huán)境入侵預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的系統(tǒng)論證及對現(xiàn)有入侵預(yù)警方案優(yōu)缺點(diǎn)對比分析，提出了基于雷視融合的鄉(xiāng)村住宅小型化建造裝備作業(yè)環(huán)境入侵預(yù)警系統(tǒng)。

3）分析了該系統(tǒng)的技術(shù)方案原理，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了入侵行為分級預(yù)警配置規(guī)則及入侵預(yù)警實(shí)現(xiàn)過程，可實(shí)現(xiàn)入侵行為的精準(zhǔn)化管控。

4）基于雷視融合的鄉(xiāng)村住宅小型化建造裝備作業(yè)環(huán)境入侵預(yù)警系統(tǒng)，有助于降低我國現(xiàn)有鄉(xiāng)村住宅建造裝備面臨的入侵安全風(fēng)險(xiǎn)，提升我國鄉(xiāng)村住宅建造裝備的智能化管控水平。