張阿晉 裘 磊 王新新 沈 蓉

1. 上海建工集團工程研究總院 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)村住宅建設情況（如建造方式、場地條件、建造裝備及管理模式等）進行調研，發(fā)現(xiàn)我國新農(nóng)村住宅建設整體存在著統(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；自建模式主要應用于村民住宅的自主建設等情況。統(tǒng)建形式因其采用統(tǒng)一的規(guī)劃設計，建設空間較大，具備大型成套建筑施工設備作業(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，其相應建造裝備及工藝存在著主要依靠人力、專業(yè)化設備缺乏、既有設備簡易落后、操作人員水平較低、環(huán)境保護手段缺乏、配套工藝不成熟、信息化及智能化缺失、安全風險隱患較大等問題。

受限于建造裝備的發(fā)展水平，我國新農(nóng)村住宅建設面臨眾多安全風險管控難題，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，存在更為嚴重的人員安全風險管控難題，各類無關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)村住宅建設現(xiàn)狀，圍繞鄉(xiāng)村住宅小型化建造裝備的日常作業(yè)風險，開發(fā)基于人員入侵行為分級預警的鄉(xiāng)村住宅小型化建造裝備作業(yè)環(huán)境入侵預警系統(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 入侵預警系統(tǒng)設計目的

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

圖1 系統(tǒng)設計示意

2 入侵預警系統(tǒng)方案對比

2.1 激光雷達方案

激光雷達方案通過發(fā)射直線光粒子（激光束），被目標發(fā)射回來后，計算收發(fā)時間差來確定目標方位。該方案具有非常精準的測距能力，最高精度可達厘米級。但由于激光雷達通過發(fā)射光束進行入侵探測，受環(huán)境影響較大，適應性較差，且價格昂貴。

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），在目標周圍形成保護區(qū)域，當發(fā)生入侵行為時會立即觸發(fā)警報，啟動預警方案。該方案具有檢測靈敏度高、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，被廣泛應用于各種傳感器及機械自動化加工等領域，但受限于其工作原理，存在檢測距離短、誤報警率高及環(huán)境適應能力差等缺點。同時，受限于其紅外直線傳播的缺點，無法實現(xiàn)作業(yè)區(qū)域的自由化定義，且無法進行距離量測，入侵行為的軌跡跟蹤功能無法實現(xiàn)。

圖2 安全光柵方案示意

2.3 智能攝像機方案

智能攝像機方案通過布置多個智能攝像機實現(xiàn)全景覆蓋，通過軟件后臺算法實現(xiàn)預警區(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)，且無法實現(xiàn)精準測距及軌跡的實時跟蹤等功能。

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現(xiàn)建造裝備的周界報警，由電子圍欄主機及支撐桿和金屬導線組成的前端探測圍欄，可實現(xiàn)多級聯(lián)網(wǎng)。但由于該方案采用的是有形屏障，不適應傳統(tǒng)住宅建造工藝，且該方案無實時測距功能，無法實現(xiàn)入侵軌跡的即時跟蹤及入侵事件的提前預警功能。

2.5 毫米波雷達方案

毫米波雷達方案是通過將1～10 mm波長雷達發(fā)射出去，被目標發(fā)射回來后，雷達通過計算收發(fā)之間的時間差來進行目標位置的確定。該方案具有測距精度高、測距范圍廣、可實現(xiàn)多目標實時軌跡跟蹤、環(huán)境適應能力強、性能穩(wěn)定且易于集成、成本較低等優(yōu)點。其缺點主要表現(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，結合鄉(xiāng)村住宅建造裝備特殊的作業(yè)環(huán)境要求，本系統(tǒng)擬采用毫米波雷達結合可視化智能設備的新型融合方案，實現(xiàn)入侵行為的精準定位、入侵軌跡的實時跟蹤、入侵行為的智能分級、入侵事件的可視化跟蹤等功能。

3 雷視融合技術方案

3.1 雷視融合技術方案原理

雷視融合技術方案主要是利用毫米波雷達與可視化融合技術，通過毫米波雷達掃描系統(tǒng)對預設區(qū)域進行實時掃描，對入侵行為進行精準定位及軌跡跟蹤，并將入侵行為與預警/報警區(qū)域進行對比分析，同步將入侵行為信息傳輸給可視化設備，利用可視化設備對入侵行為進行實時跟蹤，最后通過后臺算法實現(xiàn)入侵行為的實時軌跡跟蹤、入侵行為分析及預判、智能安全預警等功能。

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

圖3 入侵行為分級預警示意

為了實現(xiàn)裝備作業(yè)區(qū)域入侵行為的智能化預警，實現(xiàn)入侵事件的智能化管理，本技術依據(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)域劃分為報警區(qū)域和預警區(qū)域，其中，報警區(qū)域嚴格按建造裝備的標準化管理規(guī)程進行劃分，該區(qū)域屬于嚴格禁止侵入?yún)^(qū)域；預警區(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）筑物情況等，以及裝備可能出現(xiàn)的各類危險進行劃分。同時，根據(jù)裝備安全作業(yè)的危險程度，將入侵行為劃分為4個等級，具體劃分規(guī)則如下：

1）1級預警：入侵行為侵入預警區(qū)域后穩(wěn)定、持續(xù)地逼近報警區(qū)域，對裝備報警區(qū)域的入侵風險較高。

2）2級預警：入侵行為侵入預警區(qū)域后位置不固定，且距離報警區(qū)域未達到安全閾值設定，對裝備報警區(qū)域的入侵風險高。

3）3級預警：入侵行為侵入預警區(qū)域后位置較為固定，且距離報警區(qū)域未達到安全閾值設定，對裝備報警區(qū)域的入侵風險低。

4）4級預警：入侵行為侵入預警區(qū)域短暫停留后，即退出預警區(qū)域，對裝備報警區(qū)域入侵風險很低。

3.2 雷視融合入侵預警實現(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)境入侵預警技術，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。當各類外界因素侵入到設定的警戒范圍時，預警信號基于無線傳輸系統(tǒng)傳送到上層應用軟件中，上層應用軟件根據(jù)對入侵行為數(shù)據(jù)的持續(xù)分析，給入侵行為進行等級判定并作出不同反應，如將報警信號推送到現(xiàn)場指揮人員手機中，提醒其進行相應處置，或在現(xiàn)場以警報燈的形式進行聲光提醒，從而達到入侵行為的閉環(huán)處置，為鄉(xiāng)村住宅建造裝備作業(yè)環(huán)境安全提供技術保障。

4 入侵預警系統(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)境入侵預警系統(tǒng)主要由以下4個部分組成：預警監(jiān)控模塊、規(guī)則配置模塊、預警配置模塊、數(shù)據(jù)分析模塊。

4.1 預警監(jiān)控模塊

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

以GIS地圖的形式直觀展示施工區(qū)域裝置設備安全作業(yè)環(huán)境，對GIS中顯示的設備作業(yè)感知范圍可以進行放大、縮小、平移、全圖查看等。通過裝備圖形化顯示裝備運行感知半徑；當有入侵事件時，通過視頻或雷達設備等感知設備將入侵類型以圖標方式標識，同時將入侵路徑進行分析、展示；同時在GIS地圖上方以文字滾動或彈窗的方式進行報警，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、入侵預警次數(shù)統(tǒng)計、入侵預警類型占比、入侵詳情展示、入侵預警級別占比、入侵預警規(guī)則概覽、入侵軌跡、入侵視頻展示等（圖4）。

圖4 預警監(jiān)控模塊示意

4.2 規(guī)則配置模塊

入侵預警的規(guī)則配置模塊展示了當前應用的入侵報警過濾規(guī)則，通過視頻、雷達等感知設備對入侵人、設備及其他等信息定制入侵報警規(guī)則條件?？梢栽O置感知設備探測范圍（0°～360°），并通過設備預警可以設置外圍預警和報警范圍，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行規(guī)則設置，并將篩查過的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)內的展示與告警等。該模塊主要包括設備展示列表、預警半徑配置、報警半徑配置、探測起始角度、探測結束角度、報警開始時間、報警結束時間等。

4.3 預警配置模塊

預警配置模塊主要是對入侵行為進行分級管理規(guī)定的設置，利用雷達實時感知入侵行為在預警范圍內的活動軌跡、與報警區(qū)域距離的遠近以及停留時長等，并對相關數(shù)據(jù)進行設置?？梢罁?jù)每個裝備的工作特性、周邊環(huán)境情況等，實現(xiàn)不同裝備不同預警規(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：入侵報警類型分析、入侵報警時間段分析、入侵報警位置分析和入侵報警持續(xù)時間的分析等。對歷史入侵報警數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和篩選，將不同類型的入侵報警數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計。對歷史入侵報警的時間點進行統(tǒng)計分析，按照入侵預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，從而展示入侵報警事件分布趨勢。對歷史入侵報警的位置進行統(tǒng)計分析，按照入侵預警信息錄入地點因素，可以研究常發(fā)性入侵報警位置分布情況。對歷史入侵報警持續(xù)時間進行統(tǒng)計，分析各類入侵預警響應時間。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)境入侵風險，提出了基于人員入侵行為分級預警的鄉(xiāng)村住宅小型化建造裝備作業(yè)環(huán)境入侵預警系統(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)境入侵預警系統(tǒng)設計目的系統(tǒng)論證及對現(xiàn)有入侵預警方案優(yōu)缺點對比分析，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)境入侵預警系統(tǒng)。

3）分析了該系統(tǒng)的技術方案原理，并在此基礎上詳細闡述了入侵行為分級預警配置規(guī)則及入侵預警實現(xiàn)過程，可實現(xiàn)入侵行為的精準化管控。

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險，提升我國鄉(xiāng)村住宅建造裝備的智能化管控水平。