王 普

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710000)

1 概 述

陜西省東莊水利樞紐工程壩址位于涇河干流最后一個(gè)峽谷段出口(張家山水文站)以上29km，距西安市約90km，工程任務(wù)以防洪減淤為主，兼顧供水、發(fā)電及改善生態(tài)等綜合利用。樞紐由混凝土雙曲拱壩、壩下消能防沖水墊塘和二道壩、左岸發(fā)電引水系統(tǒng)、供水洞、排沙洞、庫(kù)區(qū)防滲工程及碼頭等組成,規(guī)模為大(1)型。

利用物聯(lián)感知、人工智能、通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)人機(jī)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)東莊水利樞紐施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)控、智慧化管理。智慧工地監(jiān)控建設(shè)內(nèi)容主要包括無(wú)線自組通信網(wǎng)、智能視頻監(jiān)控、施工車輛人員監(jiān)控及施工工地安全管控等。

2 無(wú)線自組通信網(wǎng)

建設(shè)智慧工地，就需要實(shí)時(shí)感知施工現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)，因此需要解決好通信問題。東莊水利樞紐溝壑較多，地形復(fù)雜，無(wú)線公網(wǎng)信號(hào)覆蓋不足，且施工隧洞較多，隧洞內(nèi)基本沒有信號(hào)覆蓋，東莊水利樞紐2021年已建成施工區(qū)域光纖通信鏈路。根據(jù)以上情況，并考慮建設(shè)成本等因素，東莊水利樞紐智慧工地通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)采用基于無(wú)線公網(wǎng)延伸覆蓋和已建設(shè)的光纖通信傳輸網(wǎng)，采用無(wú)線自組網(wǎng)覆蓋基站、無(wú)線自組網(wǎng)定位基站建設(shè)覆蓋東莊水利樞紐施工區(qū)域的無(wú)線通信自組網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、車輛人員精準(zhǔn)定位、監(jiān)控中心與施工車輛人員可視化信息交互等功能。

以工程建設(shè)管理中心、110kV施工變電站、右壩肩纜機(jī)平臺(tái)交換機(jī)、電站及混凝土拌和系統(tǒng)2為主干通信節(jié)點(diǎn)，利用已建主干通信節(jié)點(diǎn)三層千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成的光纖環(huán)網(wǎng)，在樞紐施工各區(qū)域配置兩層工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，通過(guò)光纖串接至就近主干通信節(jié)點(diǎn)，滿足無(wú)線自組網(wǎng)覆蓋基站、無(wú)線自組網(wǎng)定位基站的網(wǎng)絡(luò)接入，見圖1。

圖1 無(wú)線自組通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為滿足對(duì)施工場(chǎng)地的安全和管理需求，建立東莊水利樞紐工程施工智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在大壩主體施工區(qū)域、電站廠房施工區(qū)域、水墊塘施工區(qū)域、混凝土拌和系統(tǒng)、砂石料加工系統(tǒng)、施工區(qū)域道路、大壩左右肩等區(qū)域，按照永臨結(jié)合的方案，選擇智能高清攝像機(jī)，構(gòu)建集約化視頻監(jiān)控、智能分析、預(yù)警發(fā)布軟硬件系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)施工人員、施工車輛、施工機(jī)械、危險(xiǎn)源等安全管控功能。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)基于無(wú)線自組通信網(wǎng)組網(wǎng)，采用IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，共布設(shè)智能槍機(jī)31臺(tái)，黑光智能分析球機(jī)59臺(tái)，智能警戒攝像球機(jī)8臺(tái)，全景球機(jī)6臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人員可疑行為自動(dòng)識(shí)別、工地安全隱患自動(dòng)識(shí)別、重要或危險(xiǎn)區(qū)域入侵報(bào)警等智能監(jiān)控功能。

4 施工車輛人員監(jiān)控

4.1 施工車輛人員跟蹤定位管理系統(tǒng)

4.1.1 功能及結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)施工人員及車輛軌跡的實(shí)時(shí)獲知、違章時(shí)段和具體人員的實(shí)時(shí)分析、施工考勤的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和信息智能發(fā)布的精準(zhǔn)管控，做到對(duì)施工人員和施工車輛的實(shí)時(shí)信息及安全作業(yè)情況進(jìn)行跟蹤。

施工區(qū)車輛跟蹤及人員定位系統(tǒng)功能包括施工區(qū)導(dǎo)航圖展示、車輛及人員定位、施工考勤自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、施工人員及車輛軌跡追查、違章時(shí)段和具體人員實(shí)時(shí)分析、統(tǒng)計(jì)報(bào)表分析等。

施工區(qū)車輛跟蹤及人員定位系統(tǒng)采用北斗與UWB定位結(jié)合技術(shù)，在大壩主體施工區(qū)域、水墊塘施工區(qū)域、場(chǎng)區(qū)道路等室外區(qū)域采用北斗定位技術(shù)，在交通隧洞、施工支洞等室內(nèi)區(qū)域采用UWB定位技術(shù)，當(dāng)車輛或人員由室外區(qū)域進(jìn)入室內(nèi)區(qū)域時(shí)實(shí)現(xiàn)北斗定位與UWB定位自動(dòng)切換。具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 車輛人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.1.2 室外定位

大壩主體施工區(qū)域、水墊塘施工區(qū)域、場(chǎng)區(qū)道路等室外區(qū)域采用北斗定位技術(shù)，在大壩右岸附近安裝RTK移動(dòng)基準(zhǔn)站，覆蓋半徑為30km，可覆蓋整個(gè)東莊水利樞紐施工區(qū)域，為施工車輛配置北斗定位終端，為施工人員配置含北斗定位功能的智能安全帽，定位精度小于5m。

4.1.3 洞室內(nèi)定位

在交通隧洞、施工支洞等室內(nèi)區(qū)域采用UWB定位技術(shù)，沿隧洞每400m布置一套UWB定位基站。施工車輛配置的北斗定位終端及施工人員配置的智能安全帽同時(shí)支持UWB定位功能，當(dāng)車輛由室外區(qū)域進(jìn)入室內(nèi)區(qū)域或由室內(nèi)區(qū)域進(jìn)入室外區(qū)域時(shí)實(shí)現(xiàn)北斗定位與UWB定位自動(dòng)切換。

4.2 施工交通車輛測(cè)速監(jiān)控

在2號(hào)道路、長(zhǎng)嶺隧道口、1號(hào)道路及6號(hào)道路等處布置道路監(jiān)控系統(tǒng)4處，用于監(jiān)視施工區(qū)域車輛超速，實(shí)現(xiàn)施工區(qū)域的交通安全管理。系統(tǒng)由窄帶測(cè)速雷達(dá)、高清智能攝像機(jī)、測(cè)速終端服務(wù)器等設(shè)備組成。

主要實(shí)現(xiàn)功能包括車輛捕獲、車輛測(cè)速、車輛及駕駛?cè)藛T面部特征高清拍照、車輛牌照自動(dòng)識(shí)別、車身顏色自動(dòng)識(shí)別、車輛型號(hào)判別、全景數(shù)字錄像、記錄及圖像存儲(chǔ)、前段設(shè)備管理維護(hù)、遠(yuǎn)程自動(dòng)更新等功能。數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至車輛人員安全監(jiān)管平臺(tái)，同時(shí)利用施工車輛配置的行駛軌跡定位、預(yù)警信息接收、語(yǔ)音交互等車載智能終端，測(cè)速點(diǎn)位LED顯示屏，自動(dòng)向駕駛員發(fā)出預(yù)警信息，提醒司乘人員安全行駛。

4.3 車輛人員安全監(jiān)管平臺(tái)

基于GIS地信基礎(chǔ)平臺(tái)，具備接收、存儲(chǔ)、處理、展示車輛人員定位軌跡信息功能；具備按施工車輛類型、施工企業(yè)人員、施工人員工種、施工區(qū)域等分類及條件組合查詢、展示、統(tǒng)計(jì)、分析功能；具備車輛超速、超載、偏離道路，施工人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)、主要監(jiān)控對(duì)象異常等報(bào)警功能，并自動(dòng)向相應(yīng)的司乘人員或施工人員發(fā)出警示信號(hào)或提醒指令功能；具備駕駛員或施工人員應(yīng)急呼叫應(yīng)答、上傳圖片或錄像存儲(chǔ)與查詢、某車或某人實(shí)時(shí)/歷史行進(jìn)軌跡查詢回放展示、多維度(油耗，物料運(yùn)輸次數(shù)、里程、噸位等)統(tǒng)計(jì)功能；具備與視頻智能監(jiān)控?cái)z像機(jī)關(guān)聯(lián)、異常聯(lián)動(dòng)與同步展示功能；具備大屏展示、桌面服務(wù)、智能手機(jī)等移動(dòng)終端查詢服務(wù)功能和高性能處理能力。系統(tǒng)部署在東莊監(jiān)控中心，服務(wù)器等設(shè)施由東莊監(jiān)控中心云平臺(tái)提供。

實(shí)現(xiàn)施工車輛、施工人員、施工區(qū)域門禁閘機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與BIM+GIS平臺(tái)接口的對(duì)接；提供車輛、人員登記、注冊(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)及管理功能，提供車牌識(shí)別、人臉識(shí)別、電磁感應(yīng)識(shí)別功能，配合施工現(xiàn)場(chǎng)智能門禁前端視頻監(jiān)視、電磁感應(yīng)等實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)智能化管控。系統(tǒng)部署在東莊監(jiān)控中心云平臺(tái)。

5 施工工地安全管控

5.1 施工工地智能門禁

在東莊水利樞紐施工區(qū)主出入口、次出入口、3號(hào)路及1號(hào)路等處設(shè)置人員通道和車牌識(shí)別系統(tǒng)，共計(jì)4處。對(duì)進(jìn)出施工區(qū)域以及往返施工區(qū)域與施工生活區(qū)之間的人員及車輛進(jìn)行視頻抓拍，通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)管理軟件記錄、統(tǒng)計(jì)施工區(qū)域人員及車輛的相關(guān)信息。

系統(tǒng)由出入口線圈、出入口控制機(jī)、車牌識(shí)別模塊及出入口雷達(dá)組成(見圖3)。

圖3 智能門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.2 施工安全預(yù)警設(shè)施

在施工區(qū)域重點(diǎn)位置共布設(shè)14處預(yù)警廣播站、5處室外LED預(yù)警大屏，用于安全文明宣傳、安全預(yù)警及通知通報(bào)。采用基于IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的數(shù)字廣播預(yù)警系統(tǒng)，利用無(wú)線自組網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心通信。

施工安全預(yù)警設(shè)施布置見表1。

6 施工工地智能巡檢

東莊水利樞紐工程采用無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)施工工地的智能巡檢，共配置2套無(wú)人機(jī)巡視系統(tǒng),1套無(wú)人機(jī)機(jī)艙。無(wú)人機(jī)能在指定場(chǎng)景穩(wěn)定拍攝圖像和錄像，并將前端圖像經(jīng)由地面站傳輸至后端平臺(tái)中心，接入視頻監(jiān)視系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)巡視系統(tǒng)主要由飛行器、掛載、地面站三大部件組成，飛行器可以通過(guò)遙控器手動(dòng)操控，也可以通過(guò)地面站設(shè)置航跡路徑和其他飛行任務(wù)，支持前后、左右、升降和旋轉(zhuǎn)等飛行動(dòng)作。飛行器可將位置信息、飛行數(shù)據(jù)及云臺(tái)采集到的視頻發(fā)送至地面站，地面站通過(guò)有線或無(wú)線WiFi通信方式將位置信息、飛行數(shù)據(jù)及云臺(tái)采集到的視頻發(fā)送至后端平臺(tái)。

6.1 系統(tǒng)功能

a.無(wú)人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)具備基于二、三維GIS地圖選擇目標(biāo)地點(diǎn)、巡邏區(qū)域和工作區(qū)域的功能，具備自動(dòng)規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行航線、目標(biāo)航點(diǎn)自動(dòng)飛行巡檢任務(wù)功能；可一鍵起飛，實(shí)現(xiàn)零基礎(chǔ)人員安全操作，并完成高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集。

b.無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)具備全自動(dòng)高頻次常態(tài)化施工人員監(jiān)視、工程進(jìn)度查看、施工安全巡查、工程進(jìn)度形象航拍、作業(yè)工區(qū)人員數(shù)量檢測(cè)、施工車輛行進(jìn)路線、施工設(shè)施擺放等工地巡檢基本功能。

c.無(wú)人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)能夠定時(shí)定點(diǎn)自動(dòng)巡檢，利用AI技術(shù)自動(dòng)識(shí)別危險(xiǎn)作業(yè)等異常情況；對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嵭兄攸c(diǎn)監(jiān)控拍攝，并實(shí)時(shí)傳回至東莊監(jiān)控中心。

d.具備無(wú)人機(jī)視角和地面監(jiān)控視角融合共享、地空聯(lián)動(dòng)、對(duì)比分析、異常發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)預(yù)警功能，為應(yīng)急事件決策會(huì)商、調(diào)度指揮提供全方位技術(shù)支撐。

e.具備7×24h待命、3min快速響應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)日常巡檢常態(tài)化作業(yè)。

6.2 數(shù)據(jù)采集與處理

無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)具備用高倍變焦熱紅外相機(jī)采集照片、視頻等影像資料的能力。

無(wú)人機(jī)搭載的傾斜攝影傳感器、機(jī)載雷達(dá)傳感器應(yīng)具備影像、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集功能；基于三維建模軟件，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)航拍影像DRG、DLG、DEM、DOM等4D成果和三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出及展示功能；為工程測(cè)量、地形測(cè)繪、施工進(jìn)度管理、施工質(zhì)量檢測(cè)、土方量計(jì)算、多期數(shù)據(jù)對(duì)比分析提供數(shù)據(jù)資源。

6.3 視頻監(jiān)視與報(bào)警

具有無(wú)人機(jī)航拍視頻、照片數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、違規(guī)作業(yè)人員及危險(xiǎn)行為自動(dòng)識(shí)別，通過(guò)智慧工地安管平臺(tái)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、語(yǔ)音提醒功能。

無(wú)人機(jī)具備搭載數(shù)字語(yǔ)音廣播、高亮探照燈、聲光報(bào)警器、物品拋投器四合一功能組件的能力，實(shí)現(xiàn)空中巡查和施工違規(guī)行為預(yù)警功能。

6.4 數(shù)據(jù)通信

無(wú)人機(jī)具備搭載4G/5G/微波通信終端和無(wú)人機(jī)圖傳的能力，實(shí)現(xiàn)視頻信息壓縮、編碼和實(shí)時(shí)高速回傳功能。

6.5 與其他系統(tǒng)集成

基于智慧工地安管平臺(tái)，集成無(wú)人機(jī)庫(kù)管理、無(wú)人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、圖傳網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)、視頻圖像數(shù)據(jù)回傳展示功能，實(shí)現(xiàn)一張圖管理。

7 結(jié) 語(yǔ)

智慧工地建設(shè)應(yīng)以工程建設(shè)實(shí)際需求為導(dǎo)向，以提高工地管理水平為核心，以施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理為重點(diǎn)，建設(shè)平安工地、高效工地、文明工地、規(guī)范工地。陜西省東莊水利樞紐工程智慧工地監(jiān)控建設(shè)實(shí)現(xiàn)了施工管理、安全管理、質(zhì)量管理的規(guī)范化和智能化，提高了管理水平和工作效率。為水利水電工程智慧工地監(jiān)控建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)，提供了借鑒的技術(shù)方法。