徐秀杰，任國(guó)智，談旭杰

(1.山東建筑大學(xué)管理工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101;2.萊州市建筑科學(xué)研究所，山東 萊州 261400;3.濟(jì)南沃爾電子有限公司，山東 濟(jì)南 250108)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的建筑施工現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)事故頻頻發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損失。目前，仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)隱患的有效控制。單純的起火判定可以采用煙感或視頻圖像處理的方式[1]，但這些方法并不適用于施工現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)預(yù)防，施工過(guò)程中的用火并不一定會(huì)引發(fā)火災(zāi)。從施工現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)起因來(lái)看，電氣、用火不慎是火災(zāi)頻繁發(fā)生的主要直接原因。這就需要在使用電、火、熱源設(shè)備時(shí)與施工區(qū)域的可燃物保持一定的安全距離，或需采取相應(yīng)防護(hù)措施，如對(duì)可燃物覆蓋耐火隔離罩、焊接時(shí)下方使用接火盆等。由于電、火、熱源經(jīng)常需要移動(dòng)使用，使用者在忙碌中可能會(huì)疏忽與可燃物的距離。因此，自動(dòng)感知獲取移動(dòng)火源設(shè)備的當(dāng)前位置，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)智能判定與可燃物的安全距離，排除了人工判定的不可靠性，對(duì)施工火災(zāi)預(yù)防具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

定位感知無(wú)線目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置是物聯(lián)網(wǎng)智能環(huán)境的一個(gè)重要組成部分。利用無(wú)線信號(hào)定位在通信和導(dǎo)航領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。文獻(xiàn)[2]中通過(guò)雙頻GPS(Global Positioning System)接收機(jī)對(duì)水庫(kù)大壩的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得水平及垂直位移量可以達(dá)到毫米級(jí)的精度，從而可對(duì)大壩的較大變形進(jìn)行預(yù)警。但GPS定位僅適用于無(wú)遮擋的環(huán)境，且用戶節(jié)點(diǎn)通常功耗大，成本高，不適用于低成本自組織的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域中已經(jīng)成為一個(gè)有用的通用技術(shù)，獲得了相當(dāng)?shù)年P(guān)注。RFID系統(tǒng)可用于目標(biāo)對(duì)象感知定位，它通常是通過(guò)部署若干RFID標(biāo)簽和/或讀者在固定位置，根據(jù)測(cè)得的各固定節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)對(duì)象間的距離計(jì)算其位置[3]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前都已經(jīng)相當(dāng)成熟，但主要應(yīng)用于娛樂(lè)、效果展示及培訓(xùn)等。也有部分文獻(xiàn)將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]提出了三維激光掃描技術(shù)在古建保護(hù)中深層次的應(yīng)用，將掃描結(jié)果用于逆向重建、模擬修復(fù);文獻(xiàn)[5]通過(guò)開(kāi)發(fā)的行人過(guò)街行為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)大連路與飛虹路交叉口的實(shí)驗(yàn)分析，判定出等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)是誘發(fā)行人違章的重要因素，因而需要縮短信號(hào)周期和行人等待時(shí)間，減少行人違章過(guò)街的概率。然而將RFID定位技術(shù)和三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合用于解決實(shí)際移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與大體積物體之間的距離問(wèn)題在現(xiàn)有文獻(xiàn)中尚不多見(jiàn)。

1 火災(zāi)預(yù)防總體架構(gòu)方案

在施工現(xiàn)場(chǎng)，可移動(dòng)火源設(shè)備相對(duì)較小，其位置可以用三維坐標(biāo)點(diǎn)表示，采用RFID的定位算法是計(jì)算定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)是可行的。而可燃物通常體積較大，如施工中的保溫層、堆積的木料等，占據(jù)較大空間，僅以一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)不足以標(biāo)識(shí)其位置。為了實(shí)現(xiàn)使用中的火源設(shè)備與可燃物之間保持安全距離的自動(dòng)判定，提出了RFID移動(dòng)目標(biāo)定位與虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)相結(jié)合的方法。在服務(wù)器上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的可燃物進(jìn)行快速的三維建模，同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)對(duì)各類火源設(shè)備的建模，火源設(shè)備的建模要包括其最大熱輻射區(qū)域。所有模型導(dǎo)入虛擬場(chǎng)景，通過(guò)RFID技術(shù)實(shí)時(shí)定位移動(dòng)火源設(shè)備位置坐標(biāo)并更新虛擬場(chǎng)景中模型的位置，通過(guò)碰撞檢測(cè)保證火源設(shè)備移動(dòng)使用時(shí)一旦與可燃物突破安全距離，立即產(chǎn)生警報(bào)信息通知相關(guān)人員采取措施預(yù)防火災(zāi)發(fā)生。

火災(zāi)預(yù)防總體架構(gòu)方案由施工現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)RF節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)服務(wù)器組成(如圖1所示)。圖中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)即為可移動(dòng)的火源設(shè)備，參考節(jié)點(diǎn)用于輔助目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位，服務(wù)器中間件用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)通信接口及數(shù)據(jù)處理，虛擬場(chǎng)景為施工現(xiàn)場(chǎng)在計(jì)算機(jī)中的虛擬再現(xiàn)。

圖1 火災(zāi)預(yù)防系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 移動(dòng)火源設(shè)備定位實(shí)現(xiàn)方法

RFID是一種基于電磁信號(hào)檢測(cè)和無(wú)線傳感器技術(shù)，一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)包括兩個(gè)基本的組件類型:讀卡器Reader和標(biāo)簽Tag，Reader能夠按照要求讀取Tag的信息，讀取距離取決于輸出功率和射頻強(qiáng)度。目標(biāo)定位是RFID系統(tǒng)的最重要的應(yīng)用之一[3]。

2.1 基本二維定位方法

定位技術(shù)一般利用接收無(wú)線信號(hào)的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行定位，最傳統(tǒng)的度量方式是基于測(cè)量多個(gè)參考點(diǎn)接收信號(hào)的到達(dá)角度(AOA)、到達(dá)時(shí)間(TOA)、到達(dá)時(shí)間差(TDOA)或接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)，應(yīng)用最為廣泛且易于實(shí)現(xiàn)的是基于 RSS。有名的LANDMARC系統(tǒng)是一種基于有源RFID技術(shù)的二維動(dòng)態(tài)定位識(shí)別系統(tǒng)，基于最近鄰居定位思想，在地表部署若干位置固定的參考Tag作為輔助定位基準(zhǔn)，使用的Reader可以提供多個(gè)等級(jí)的信號(hào)強(qiáng)度，通過(guò)比較Reader測(cè)得目標(biāo)Tag與鄰近參考Tag的場(chǎng)強(qiáng)值匹配程度來(lái)對(duì)目標(biāo)Tag進(jìn)行定位[2]。

因?yàn)閷?shí)際測(cè)量環(huán)境的復(fù)雜性，不同時(shí)刻不同條件測(cè)量出的同一位置RSS總會(huì)有差異，換算出的錨節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離也必然不夠精確，尚需要采取一些措施進(jìn)行修正。在二維平面中的定位精度問(wèn)題已被廣泛研究，如三角剖分中的近似點(diǎn)測(cè)試法(APIT)、基于RSSI的三角形質(zhì)心定位算法、最小二乘優(yōu)化的對(duì)象位置估計(jì)算法等[6－7]。這些算法在二位平面中已經(jīng)可以得到相當(dāng)高的定位精度。

2.2 三維定位實(shí)現(xiàn)

由于施工過(guò)程并不僅限于地表，必須要實(shí)現(xiàn)三維空間的定位。目前，在三維空間中的相對(duì)定位也開(kāi)始受到廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[8]首先通過(guò)建立在部署區(qū)域基于有源標(biāo)簽Tag的稀疏三維標(biāo)簽陣列及兩個(gè)帶有兩個(gè)天線的讀卡器Reader，然后由各Reader收集初始化系統(tǒng)后的射頻信號(hào)強(qiáng)度及其ID號(hào)，進(jìn)一步由線性插值算法得到虛擬的稠密陣列射頻信號(hào)的強(qiáng)度分布及其對(duì)應(yīng)的各Tag的ID號(hào)和坐標(biāo)信息存入與Reader相連服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)。附著有源標(biāo)簽的移動(dòng)火源對(duì)象在三維區(qū)域的坐標(biāo)軌跡可以通過(guò)每一時(shí)刻的信號(hào)強(qiáng)度去檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，得到目標(biāo)對(duì)象可能所在網(wǎng)格的坐標(biāo)，然后多個(gè)Reader的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一得到唯一網(wǎng)格，最后使用一個(gè)簡(jiǎn)單而有效幾何平均計(jì)算得到目標(biāo)對(duì)象位置坐標(biāo)。文獻(xiàn)[9]類似地部署若干Tag，但依據(jù)Reader部署的不同方式及目標(biāo)對(duì)象附著tag或Reader又提出了三種不同方案。文獻(xiàn)[10]基于RSSI的計(jì)算距離進(jìn)一步定位基礎(chǔ)上提出了用梯度下降法提高定位精度。RF傳輸距離主要受到發(fā)送功率和信號(hào)頻率的影響，考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的工作區(qū)域的變動(dòng)性，需要選用有源Tag和較高的帶寬實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息傳輸。

RF節(jié)點(diǎn)通常具有受限的感知、通信和計(jì)算能力，為加強(qiáng)實(shí)時(shí)性，從信號(hào)強(qiáng)度到距離再到坐標(biāo)的計(jì)算可以遷移到服務(wù)器上完成。同一時(shí)間可能會(huì)有多個(gè)火源設(shè)備處于移動(dòng)使用狀態(tài)，也就是有多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，為避免同時(shí)發(fā)生信號(hào)的碰撞，可以采用劃分時(shí)間片的方式輪流發(fā)送。在允許的時(shí)間周期上，服務(wù)器中間件讀取測(cè)距信息，輪流計(jì)算每個(gè)目標(biāo)對(duì)象的定位坐標(biāo)，這樣就可以確定每個(gè)目標(biāo)對(duì)象的粗糙移動(dòng)軌跡或是否還存在與施工現(xiàn)場(chǎng)。

3 移動(dòng)火源設(shè)備與虛擬場(chǎng)景的交互

3.1 三維模型構(gòu)建

根據(jù)條件及需求，三維模型構(gòu)建可以采用不同的方法。基于Strata Foto 3D三維重構(gòu)的原理可以實(shí)現(xiàn)快速的建模，首先對(duì)施工場(chǎng)景中各火源對(duì)象及可燃物對(duì)象選擇從不同的角度拍攝連續(xù)的平面圖像，并根據(jù)要建模物體的不同，使背景顏色與建模對(duì)象顏色對(duì)比明顯，便于后期影像合成中的處理。然后將連續(xù)拍攝的圖片導(dǎo)入Strata Foto 3D中進(jìn)行算圖，根據(jù)圖片中建模對(duì)象的形狀和顏色，完成建立線框、遮罩等處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平面影像向立體影像的轉(zhuǎn)換[11－12]。構(gòu)建的三維模型可以用3ds的格式保存，最后可以導(dǎo)入到3dsMax，對(duì)模型做進(jìn)一步修正。另外，也可導(dǎo)入到BIM中完成施工場(chǎng)景中各火源對(duì)象及可燃物對(duì)象的構(gòu)建[13]。對(duì)所有實(shí)體可拍攝對(duì)象完成建模后，還要根據(jù)各類火源的擴(kuò)散范圍建模，將所有移動(dòng)火源設(shè)備在根據(jù)實(shí)際使用時(shí)的最大的擴(kuò)散范圍大小建模，針對(duì)加防護(hù)或未加防護(hù)措施時(shí)擴(kuò)散范圍的完全不同，采用不同的三維模型，默認(rèn)狀態(tài)下使用未加防護(hù)的最大的3D模型，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程時(shí)根據(jù)是否添加了防護(hù)措施動(dòng)態(tài)調(diào)用不同模型。若條件不具備，也可以通過(guò)測(cè)量建立粗糙的簡(jiǎn)單模型，只要模型的范圍能包容要建模對(duì)象，也可達(dá)到系統(tǒng)的需求。

所有靜態(tài)模型構(gòu)建完畢，還需要實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中的漫游移動(dòng)及實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)，這時(shí)可以將所有模型導(dǎo)入到Unity 3D場(chǎng)景。Unity 3D作為一款成熟的游戲引擎，在Windows平臺(tái)調(diào)用Direct3D高度優(yōu)化的圖形渲染，能夠利用低端硬件流暢的運(yùn)行虛擬場(chǎng)景，快捷的實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的交互漫游及碰撞檢測(cè)。由于在場(chǎng)景中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)不同ID的相同火源設(shè)備，可以對(duì)所有三維模型采用Instantiate(實(shí)例化)、Prefabs(預(yù)制)方式，只需建立一個(gè)Prefabs原型，程序運(yùn)行時(shí)，動(dòng)態(tài)Instantiate多個(gè)Prefabs對(duì)象。這樣也方便將來(lái)添加相同設(shè)備，只需通過(guò)界面交互方式新的實(shí)例對(duì)象。

3.2 移動(dòng)火源設(shè)備擴(kuò)散區(qū)與可燃物碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)算法可以從時(shí)間和空間的角度進(jìn)行劃分，按照是否考慮時(shí)間參數(shù)可以分為連續(xù)碰撞檢測(cè)和離散碰撞檢測(cè)兩類，按照空間結(jié)構(gòu)的碰撞檢測(cè)算法又分為層次包圍盒檢測(cè)(如 OBB、Sphere、AABB盒)和空間剖分(如BSP樹(shù))檢測(cè)的方法，其中層次包圍盒檢測(cè)算法以其高效的特征應(yīng)用更為廣泛[14－15]。當(dāng)前流行的游戲引擎一般都是基于層次包圍盒的碰撞檢測(cè)算法，包圍方式分為多種，不管采用哪種包圍體，代碼結(jié)構(gòu)都是類似的。Unity 3D也是采用了層次包圍盒的碰撞檢測(cè)方式，具有較好的檢測(cè)精度。Unity 3D包括一般的剛體之間碰撞和范圍觸發(fā)碰撞檢測(cè)兩類，前者要求碰撞雙方都是剛性的Collider(碰撞體)，后者也要求雙方是Collider，同時(shí)被撞的一方還要開(kāi)啟is trigger屬性，另外每一類從時(shí)間上都分為三種狀態(tài):開(kāi)始接觸到其他Collider、持續(xù)接觸其他Collider、停止接觸其他Collider。用于實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)的函數(shù)主要有:OnCollisionEnter()、OnCollisionExit()、OnCollisionStay()和 OnTriggerEnter()、OnTriggerExit()、OnTriggerStay()。

在Unity 3D中，為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入模型的碰撞，應(yīng)首先將所有的三維模型對(duì)象添加Collider并設(shè)置為剛體RigidBody。然而，從BIM或3ds Max導(dǎo)入的場(chǎng)景對(duì)象模型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，開(kāi)始并沒(méi)有產(chǎn)生Collider包圍盒，手工創(chuàng)建Collider較為復(fù)雜且不精確，可以在Project中選中場(chǎng)景模型，在 Inspector中勾選Generate Colliders，應(yīng)用即可生成模型所需的網(wǎng)格碰撞器(Mesh Collider)

對(duì)于某一可燃物模型A，其對(duì)應(yīng)碰撞檢測(cè)測(cè)試?yán)倘缦?

theCollision.gameObject.name 表示當(dāng)前突破了與可燃物模型A的安全距離那個(gè)移動(dòng)火源設(shè)備模型名稱。

只有移動(dòng)對(duì)象才會(huì)出現(xiàn)碰撞，虛擬場(chǎng)景中對(duì)象的移動(dòng)是實(shí)際火源設(shè)備的實(shí)時(shí)反饋，通過(guò)周期性判定采集一系列RFID的RSSI計(jì)算火源所得坐標(biāo)是否發(fā)生變化，若有變化，對(duì)應(yīng)只需每次將目標(biāo)對(duì)象移動(dòng)到所求新坐標(biāo)點(diǎn)位置。實(shí)現(xiàn)代碼如下:

場(chǎng)景中實(shí)際移動(dòng)的目標(biāo)對(duì)象可能有多個(gè)，需要在主場(chǎng)景中輪流遍歷所有可移動(dòng)對(duì)象獲取新的坐標(biāo)點(diǎn)。

3.3 碰撞結(jié)果反饋

一旦虛擬場(chǎng)景中檢測(cè)到碰撞，可認(rèn)定對(duì)應(yīng)移動(dòng)火源設(shè)備與可燃物之間突破安全距離，服務(wù)器端應(yīng)給出警告信息，并立即發(fā)送警報(bào)信息給移動(dòng)火源設(shè)備附近的Reader，由其通知智能模塊給出閃燈或者語(yǔ)音提示，如“請(qǐng)注意:附近有可燃物”。警報(bào)發(fā)出后，若操作員采取了對(duì)應(yīng)措施，應(yīng)通知服務(wù)器修改虛擬場(chǎng)景狀態(tài)變?yōu)椴辉倥鲎?。如操作員在正要使用的焊接機(jī)下方增加了接火盆，對(duì)應(yīng)虛擬場(chǎng)景模型要做Scaling(縮放)變換，大模型變?yōu)樾∧Ｐ?，碰撞不再出現(xiàn)。若是對(duì)當(dāng)前可燃物做了隔離處理，可采用Unity 3D分層碰撞策略，暫時(shí)將場(chǎng)景中可燃物模型的移入其他層，撤掉隔離后再恢復(fù)到與火源設(shè)備同一層次。

如果要完全實(shí)現(xiàn)上述的智能化判定，必須在施工現(xiàn)場(chǎng)另外增加智能化模塊，使現(xiàn)場(chǎng)操作員能夠輸入哪個(gè)ID號(hào)設(shè)備針對(duì)哪個(gè)可燃物做了何種預(yù)防措施，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送信息到服務(wù)器，修改場(chǎng)景中各模型狀態(tài)使得采取預(yù)防措施后自動(dòng)中止警報(bào)。若考慮到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本，也可不增加硬件，由操作員通知信息員基于頁(yè)面交互方式對(duì)模型對(duì)象狀態(tài)做出修改，這樣信息員將不可遠(yuǎn)距離維護(hù)頁(yè)面，隨時(shí)需要根據(jù)反饋信息維護(hù)虛擬場(chǎng)景狀態(tài)，增加了人力成本。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的研究與融合，提出了對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)預(yù)防的RFID技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的智能化解決方案，基于對(duì)火源設(shè)備擴(kuò)散范圍進(jìn)行建模的設(shè)想可以實(shí)現(xiàn)以碰撞檢測(cè)方式對(duì)火災(zāi)的預(yù)警，并全面分析了其可行性。這一方案的實(shí)施，可以進(jìn)一步擴(kuò)展出更多的應(yīng)用。比如施工現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)員工佩戴RFID卡，定位員工當(dāng)前位置及是否離開(kāi)施工現(xiàn)場(chǎng)等，也可以給現(xiàn)場(chǎng)所有非可燃材料及非火源設(shè)備進(jìn)行標(biāo)識(shí)，提高管理效率及安全，有效監(jiān)測(cè)材料和施工設(shè)備的位置。對(duì)于服務(wù)器端，可以構(gòu)建整個(gè)施工工程進(jìn)度的虛擬模型，嵌入Web頁(yè)面，便于業(yè)主或領(lǐng)導(dǎo)遠(yuǎn)程了解工程施工進(jìn)度。

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