CN101276466B - 基于现场视觉差异的大型构件施工安全性监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于现场视觉差异的大型构件施工安全性监控方法，用计算机控制照相机拍摄标注在构件和支座表面的特征点的图像，将图像经计算机处理后放入带系统坐标的基准平面内自动获得每个特征点的坐标值。在构件安装定位阶段，依据特征点的坐标值求出构件的安装误差的控制参数，判断构件安装是否到位，如不到位给出调整构件位置的大小和方向。安装定位后的施工受力阶段，依据特征点的坐标值求出构件的施工受力变形的控制参数，判断构件安装施工受力变形是否安全，并预测构件受力变形的趋势。本发明可以快速识别关键构件的施工安全性，弥补现场施工中无有效、直观、快速的安全监测方法的缺陷，对提高工程安全、施工环境的安全性具有较大的效益。

Description

基于现场视觉差异的大型构件施工安全性监控方法

技术领域

本发明涉及计算机多媒体技术领域，尤其涉及现场图像自动采集与识别技术，并根据大型构件施工现场图像的视觉差异信息和工程力学特性，对构件施工安全性进行实时智能识别。

背景技术

在工程设计阶段，设计单位对关键构件的设计提供了足够的安全系数，在工程竣工后的安全监控往往是提供了运行时的工程安全性状，但重大工程安全事故常常发生在施工过程中，此时很少有足够的监控手段为工程提供实时的安全预警。由于现场施工条件及机械、人工等方面的条件限制，安全监控人员很难精准地识别施工安全，同时现场施工人员由于注意力的问题，往往不能全面的顾及现场的各个关键部位，从而造成安全监控的缺失。

大型构件施工中的安全问题主要出现在以下两个阶段：现场构件的安装定位阶段和安装定位后的施工受力阶段。在构件的安装定位阶段，现场构件安装定位时大多是施工人员凭肉眼看到的标注在构件和支座上定位线，指挥吊装人员定位操作，并由测量仪器测量安装误差，如不满足要求再调整构件位置。但在很多情况下施工人员因施工条件限制不能靠近支座位置近距离观察构件安装定位线，不能保证精确的指挥，这就带来了施工安装的安全隐患，许多施工事故证明了这一点。

目前，大型建筑工程构件的安全监测大多是在工程施工完成后进行的，只对构件在使用过程中的受力变形进行监测。而在构件施工安装定位后的施工受力阶段还没有好的方法进行安全监测。实际上在施工过程中同样会遇到各种荷载，而此时的结构施工还没有完成，其它构件的各种支撑作用还没有完全形成，很多的安全问题就出现在这一阶段。因此，监测施工过程中的大型构件的安全也是施工安全的重要环节。

现在随着建筑工程施工现场信息化水平的不断提高，多媒体设备、软件处理技术及传输技术都已比较成熟。由图像或视频的视觉感知特征(如颜色直方图、纹理、形状、运动矢量等)可以得到工程构件的线条、形状和空间位置等等信息，这给我们采用图像技术监测施工过程中的大型构件安装误差和施工中的构件变形提供了可能，即通过不同时刻的构件现场图像得到的构件线条、形状和空间位置的对比，从而得到大型构件的安装误差和受力变形情况，判断构件是否安全。

发明内容

本发明的目的是为确保建筑工程中大型构件施工的安全问题，而提供一种基于现场视觉差异的大型构件施工安全性监控的方法。

本发明的基于现场视觉差异的大型构件施工安全性监控方法，包括以下步骤：

1)根据施工图、施工环境以及构件的现场状态，在施工图上确定构件及支座监控特征点的位置，并对构件及支座特征点编号，将特征点放入带系统坐标的基准平面内，计算机自动获得每个特征点的坐标值；

2)由特征点的坐标值运算得到安全控制参数，并给出控制参数的安全范围；

3)将施工图上的构件及支座特征点标注在现场的构件和支座表面，并确定监测用照相机的拍摄位置；

4)利用计算机控制照相机按一定的时间间隔拍摄构件安装就位过程中的构件及支座特征点的图像，将图像经计算机处理后放入带系统坐标的基准平面内，计算机自动获得每个特征点的坐标值；

5)依据步骤4)得到的特征点的坐标值求出构件的安装误差的控制参数，如果安装误差的控制参数在安全范围内，则构件安装就位结束，如果安装误差的控制参数不在安全范围内，给出偏差的大小和方向，指示继续调整构件位置；

6)对安装就位的构件及支座特征点，用计算机控制照相机按设定的时间间隔进行拍摄，将图像经计算机处理后放入带系统坐标的基准平面内，计算机自动获得不同时刻t_k每个特征点的坐标值，求出各个时刻构件及支座的施工安全的控制参数f_k，实时判断施工安全控制参数f_k是否在安全范围内；

7)应用指数平滑法对构件受力变形的趋势进行预测，设f_k+1′为t_k+1时刻施工安全的控制参数的预测值，设f_k+1为t_k+1时刻施工安全的控制参数的实际值，如果f_k+1≤f_k+1′，则认为安全，如果f_k+1＞f_k+1′，则认为不安全。

所谓的特征点是指能够表示构件及支座形状和空间位置的构件及支座表面上的设定点；所谓的施工安全控制参数是指由特征点坐标计算得到的表示施工误差和构件及支座的变形量。

将特征点标注在构件及支座表面上，可使捕捉构件及支座的空间位置和变形更容易。

带系统坐标的基准平面是本发明方法中所有坐标提取和计算的基本依据。施工安全控制参数的安全范围可根据国家相关规范中的规定和施工的要求给出。拍摄相机机位的确定要使相机能够清晰地拍摄出计算施工安全控制参数所需的特征点的图像。

所谓的图像经计算机处理后放入带系统坐标的基准平面内，是指从监控相机拍摄到的三维图像中提取出特征点位置，并经坐标转换，转换到带系统坐标的基准平面内。

安装误差的安全控制主要是给出构件安装时的吊装就位信息，判断构件安装误差是否超限，并给出构件安装就位调整量的大小和方向。

步骤6)所说的设定的时间间隔是指设定照相机自动拍摄图像的时间间隔，此时间间隔是可变的，根据构件变形的危险程度自动调节时间间隔。

根据每一次拍摄得到的图像判断实时的构件变形是否超过安全范围，并对构件变形的趋势进行预测，比较预测结果与实时结果，给出安全信息，使得施工人员能够预先得到安全警示。

对施工安全控制参数的变化进行预测可采用指数平滑法：如果安全控制参数的变化呈持续线性变化趋势时，采用二次平滑模型；如果施工安全控制参数的变化呈持续曲线变化趋势时，采用三次平滑模型。

本发明的有益效果在于：

本发明使用计算机控制的监控拍摄相机进行大型构件安装图像的采集与分析，  快速识别关键构件的施工安全性，弥补了现场施工中无有效、直观、快速的安全监测方法的缺陷，这对提高工程安全、施工环境的安全性具有较大的效益。

附图说明

图1是安装前钢梁构件与支座示意图；

图2是施工图上确定的钢梁构件及支座特征点位置及编号的示意图；其中图a)是钢梁构件及支座的正视图，图b)是钢梁构件下翼缘及支座的俯视图；

图3是带系统坐标的基准平面x-y内的特征点示意图；

图4是监测照相机位置示意图。

具体实施方法

如图1所示，以10米长的工字型钢梁构件C安装到支座A、B的过程中对安装误差监控和施工过程中钢梁构件挠度监控为例(D为已安装就位好的钢梁)。基于现场视觉差异的大型构件施工安全性监控方法，具体实施包括以下步骤：

1)根据施工图、施工环境以及构件的现场状态，在施工图上确定监控构件及支座特征点的位置，并对构件及支座特征点编号，如图2所示，图中1，2，3为钢梁构件正面下翼缘的特征点编号，图中5，7为支座上的特征点编号，图中4，6为与5，7对应的钢梁构件下翼缘上的特征点编号。将特征点放入带系统坐标的基准平面x-y内，(见图3)，计算机自动获得每个特征点的坐标值(x_i，y_i)₀，i＝1，2，3，4，5，6，7，i对应特征点编号。

2)本例要求监测支座安装误差和施工过程中钢梁挠度，由特征点的坐标值运算得到安全控制参数，并给出控制参数的安全范围。

支座A沿梁长度方向的安装误差控制参数为w₁＝x₄-x₅，

支座A垂直梁长度方向的安装误差控制参数为w₂＝y₄-y₅-Δ₁，

支座B沿梁长度方向的安装误差控制参数为w₃＝x₆-x₇，

支座B垂直梁长度方向的安装误差控制参数为w₄＝y₆-y₇-Δ₂，

Δ₁为特征点4和5在y轴方向的距离。Δ₂为特征点6和7在y轴方向的距离。

定义钢梁构件C挠度安全控制参数为 $f=\frac{y_1+y_3}{2}-y_2.$

根据国家相关规范中的规定和施工的要求给出控制参数的安全范围是：-5mm≤w₁≤5mm，-5mm≤w₂≤5mm，-5mm≤w₃≤5mm，-5mm≤w₄≤5mm，-25mm≤f≤25mm。

3)将施工图上的构件及支座特征点用醒目的标记标注在现场的构件和支座表面，并确定由监测用照相机的拍摄位置，使相机能够清晰地拍摄出计算施工安全控制参数所需的特征点的图像。如图4所示，采用三个照相机E、F、G分别固定在支座A、钢梁构件跨中和支座B侧面的支架上，分别拍摄支座A处特征点1、4、5的图像，钢梁构件跨中特征点2的图像，支座B处特征点3、6、7的图像。

4)利用计算机控制照相机按一定的时间间隔，如5秒时间间隔，拍摄构件安装就位过程中的钢梁构件及支座特征点的图像，从照相机拍摄到的三维图像中提取出特征点位置，并经坐标转换，转换到带系统坐标的基准平面x-y内，计算机自动获得每个特征点的坐标值(x_i，y_i)_j，j＝1，2，…，j表示拍摄顺序。

5)依据步骤4)得到的特征点的坐标值求出构件的安装误差的控制参数(w₁)_j、(w₂)_j、(w₃)_j、(w₄)_j。如果安装误差的控制参数在安全范围内，则通知构件安装就位结束，如果安装误差的控制参数不在安全范围内，给出偏差的大小和方向，指示继续调整构件位置。

6)对安装就位的构件及支座特征点，用计算机控制照相机按设定的时间间隔进行拍摄，

时间间隔由构件变形的危险程度确定，危险程度大则时间间隔短，反之，危险程度小则时间间隔长。从相机拍摄到的三维图像中提取出特征点位置，并经坐标转换，转换到带系统坐标的基准平面x-y内，计算机自动获得不同时刻t_k的每个特征点的坐标值(x_i，y_i)_k，k＝1，2，…，k表示拍摄顺序，求出各个时刻钢梁构件C的挠度控制参数(f)_k，实时判断在t_k时刻钢梁构件C的挠度控制参数(f)_k是否在安全范围内；

7)应用指数平滑法对构件受力变形的趋势进行预测，时刻t_k以前的钢梁构件C的挠度控制参数实际值(f)_k，k＝1，2，…，用指数平滑法预测下一时刻t_k+1时钢梁构件C的挠度控制参数(f)_k+1′的值，在下一时刻t_k+1可以得到钢梁构件C挠度安全控制参数的实际值(f)_k+1，如果(f)_k+1≤(f)_k+1′，则认为安全，如果(f)_k+1＞(f)_k+1′，则认为不安全。为了更具有普遍性，本例在计算钢梁构件C挠度安全控制参数预测值(f)_k+1′时采用三次平滑模型：

(f)_k+1′＝a_k+b_kΔt+c_kΔt²

式中：Δt为t_k和t_k+1之间的时间间隔

$a_k=3S_k^{\left(1\right)}-3S_k^{\left(2\right)}+S_k^{\left(3\right)}$

$b_k=\frac{\mathrm{\α}}{2(1-\mathrm{\α})}[(6-5\mathrm{\α})S_k^{\left(1\right)}-2(5-4\mathrm{\α})S_k^{\left(2\right)}+(4-3\mathrm{\α})S_k^{\left(3\right)}]$

$c_k=\frac{{\mathrm{\α}}^2}{2{(1-\mathrm{\α})}^2}[S_k^{\left(1\right)}-2S_k^{\left(2\right)}+S_k^{\left(3\right)}]$

S_k ⁽¹⁾、S_k ⁽²⁾、S_K ⁽³⁾分别为基于钢梁构件C挠度安全控制参数(f)_k在t_k时刻的预测值，

$S_k^{\left(1\right)}=2{\left(f\right)}_k+(1-\mathrm{\α})S_{k-1}^{\left(1\right)},$

$S_k^{\left(2\right)}=2S_k^{\left(1\right)}+(1-\mathrm{\α})S_{k-1}^{\left(2\right)}$

$S_k^{\left(3\right)}=2S_k^{\left(2\right)}+(1-\mathrm{\α})S_{k-1}^{\left(3\right)}$

0＜α＜1，距当前时刻t_k越远的α取值越小，一般可假定在0.01～0.3。

Claims (1)

1.基于现场视觉差异的大型构件施工安全性监控方法，包括以下步骤：

1)根据施工图、施工环境以及构件的现场状态，在施工图上确定构件及支座监控特征点的位置，并对构件及支座特征点编号，将特征点放入带系统坐标的基准平面内，计算机自动获得每个特征点的坐标值，所说的特征点是指能够表示构件及支座形状和空间位置的构件及支座表面上的设定点；

2)由特征点的坐标值运算得到安全控制参数，并给出控制参数的安全范围，所说的安全控制参数是指由特征点坐标计算得到的表示施工误差和构件及支座的变形量；

3)将施工图上的构件及支座特征点标注在现场的构件和支座表面，并确定监测用照相机的拍摄位置；

4)利用计算机控制照相机按一定的时间间隔拍摄构件安装就位过程中的构件及支座特征点的图像，将图像经计算机处理后放入带系统坐标的基准平面内，计算机自动获得每个特征点的坐标值；

5)依据步骤4)得到的特征点的坐标值求出构件的安装误差的控制参数，如果安装误差的控制参数在安全范围内，则构件安装就位结束，如果安装误差的控制参数不在安全范围内，给出偏差的大小和方向，指示继续调整构件位置；

6)对安装就位的构件及支座特征点，用计算机控制照相机按设定的时间间隔进行拍摄，将图像经计算机处理后放入带系统坐标的基准平面内，计算机自动获得不同时刻t_k每个特征点的坐标值，求出各个时刻构件及支座的施工安全的控制参数f_k，实时判断施工安全控制参数f_k是否在安全范围内；

7)应用指数平滑法对构件受力变形的趋势进行预测，设f′_k+1为t_k+1时刻施工安全的控制参数的预测值，设f_k+1为t_k+1时刻施工安全的控制参数的实际值，如果f_k+1≤f′_k+1，则认为安全，如果f_k+1＞f′_k+1，则认为不安全，应用指数平滑法对构件受力变形的趋势进行预测时，如果安全控制参数的变化呈持续线性变化，则采用二次平滑模型计算；如果施工安全控制参数的变化呈持续曲线变化趋势，则采用三次平滑模型计算。

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