專利名稱：基于現(xiàn)場視覺差異的大型構(gòu)件施工安全性監(jiān)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及現(xiàn)場圖像自動采集與識別技 術(shù)，并根據(jù)大型構(gòu)件施工現(xiàn)場圖像的視覺差異信息和工程力學(xué)特性，對構(gòu)件施 工安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)智能識別。
技術(shù)背景在工程設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)單位對關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供了足夠的安全系數(shù)，在 工程竣工后的安全監(jiān)控往往是提供了運(yùn)行時(shí)的工程安全性狀，但重大工程安全 事故常常發(fā)生在施工過程中，此時(shí)很少有足夠的監(jiān)控手段為工程提供實(shí)時(shí)的安 全預(yù)警。由于現(xiàn)場施工條件及機(jī)械、人工等方面的條件限制，安全監(jiān)控人員很 難精準(zhǔn)地識別施工安全，同時(shí)現(xiàn)場施工人員由于注意力的問題，往往不能全面 的顧及現(xiàn)場的各個(gè)關(guān)鍵部位，從而造成安全監(jiān)控的缺失。大型構(gòu)件施工中的安全問題主要出現(xiàn)在以下兩個(gè)階段現(xiàn)場構(gòu)件的安裝定 位階段和安裝定位后的施工受力階段。在構(gòu)件的安裝定位階段，現(xiàn)場構(gòu)件安裝 定位時(shí)大多是施工人員憑肉眼看到的標(biāo)注在構(gòu)件和支座上定位線，指揮吊裝人 員定位操作，并由測量儀器測量安裝誤差，如不滿足要求再調(diào)整構(gòu)件位置。但 在很多情況下施工人員因施工條件限制不能靠近支座位置近距離觀察構(gòu)件安裝 定位線，不能保證精確的指揮，這就帶來了施工安裝的安全隱患，許多施工事 故證明了這一點(diǎn)。目前，大型建筑工程構(gòu)件的安全監(jiān)測大多是在工程施工完成后進(jìn)行的，只 對構(gòu)件在使用過程中的受力變形進(jìn)行監(jiān)測。而在構(gòu)件施工安裝定位后的施工受 力階段還沒有好的方法進(jìn)行安全監(jiān)測。實(shí)際上在施工過程中同樣會遇到各種荷 載，而此時(shí)的結(jié)構(gòu)施工還沒有完成，其它構(gòu)件的各種支撐作用還沒有完全形成， 很多的安全問題就出現(xiàn)在這一階段。因此，監(jiān)測施工過程中的大型構(gòu)件的安全 也是施工安全的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在隨著建筑工程施工現(xiàn)場信息化水平的不斷提高，多媒體設(shè)備、軟件處理 技術(shù)及傳輸技術(shù)都已比較成熟。由圖像或視頻的視覺感知特征(如顏色直方圖、紋 理、形狀、運(yùn)動矢量等)可以得到工程構(gòu)件的線條、形狀和空間位置等等信息，這 給我們采用圖像技術(shù)監(jiān)測施工過程中的大型構(gòu)件安裝誤差和施工中的構(gòu)件變形 提供了可能，即通過不同時(shí)刻的構(gòu)件現(xiàn)場圖像得到的構(gòu)件線條、形狀和空間位置 的對比，從而得到大型構(gòu)件的安裝誤差和受力變形情況，判斷構(gòu)件是否安全。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為確保建筑工程中大型構(gòu)件施工的安全問題，而提供一種 基于現(xiàn)場視覺差異的大型構(gòu)件施工安全性監(jiān)控的方法。本發(fā)明的基于現(xiàn)場視覺差異的大型構(gòu)件施工安全性監(jiān)控方法，包括以下步 驟1) 根據(jù)施工圖、施工環(huán)境以及構(gòu)件的現(xiàn)場狀態(tài)，在施工圖上確定構(gòu)件及支座 監(jiān)控特征點(diǎn)的位置，并對構(gòu)件及支座特征點(diǎn)編號，將特征點(diǎn)放入帶系統(tǒng)坐標(biāo)的 基準(zhǔn)平面內(nèi)，計(jì)算機(jī)自動獲得每個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值；2) 由特征點(diǎn)的坐標(biāo)值運(yùn)算得到安全控制參數(shù)，并給出控制參數(shù)的安全范圍；3) 將施工圖上的構(gòu)件及支座特征點(diǎn)標(biāo)注在現(xiàn)場的構(gòu)件和支座表面，并確定 監(jiān)測用照相機(jī)的拍攝位置；4) 利用計(jì)算機(jī)控制照相機(jī)按一定的時(shí)間間隔拍攝構(gòu)件安裝就位過程中的構(gòu) 件及支座特征點(diǎn)的圖像，將圖像經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后放入帶系統(tǒng)坐標(biāo)的基準(zhǔn)平面內(nèi)， 計(jì)算機(jī)自動獲得每個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值；5) 依據(jù)步驟4)得到的特征點(diǎn)的坐標(biāo)值求出構(gòu)件的安裝誤差的控制參數(shù)， 如果安裝誤差的控制參數(shù)在安全范圍內(nèi)，則構(gòu)件安裝就位結(jié)束，如果安裝誤差 的控制參數(shù)不在安全范圍內(nèi)，給出偏差的大小和方向，指示繼續(xù)調(diào)整構(gòu)件位置；6) 對安裝就位的構(gòu)件及支座特征點(diǎn)，用計(jì)算機(jī)控制照相機(jī)按設(shè)定的時(shí)間間 隔進(jìn)行拍攝，將圖像經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后放入帶系統(tǒng)坐標(biāo)的基準(zhǔn)平面內(nèi)，計(jì)算機(jī)自 動獲得不同時(shí)刻々每個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值，求出各個(gè)時(shí)刻構(gòu)件及支座的施工安全的 控制參數(shù)A ，實(shí)時(shí)判斷施工安全控制參數(shù)A是否在安全范圍內(nèi)；7)應(yīng)用指數(shù)平滑法對構(gòu)件受力變形的趨勢進(jìn)行預(yù)測，設(shè)//+1為^時(shí)刻施工 安全的控制參數(shù)的預(yù)測值，設(shè)L為^時(shí)亥鵬工安全的控制參數(shù)的實(shí)際值，如果 /"^//+1，則認(rèn)為安全，如果/^>//+1，則認(rèn)為不安全。所謂的特征點(diǎn)是指能夠表示構(gòu)件及支座形狀和空間位置的構(gòu)件及支座表面 上的設(shè)定點(diǎn)；所謂的施工安全控制參數(shù)是指由特征點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算得到的表示施工 誤差和構(gòu)件及支座的變形量。將特征點(diǎn)標(biāo)注在構(gòu)件及支座表面上，可使捕捉構(gòu)件及支座的空間位置和變 形更容易。帶系統(tǒng)坐標(biāo)的基準(zhǔn)平面是本發(fā)明方法中所有坐標(biāo)提取和計(jì)算的基本依據(jù)。 施工安全控制參數(shù)的安全范圍可根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范中的規(guī)定和施工的要求給 出。拍攝相機(jī)機(jī)位的確定要使相機(jī)能夠清晰地拍攝出計(jì)算施工安全控制參數(shù)所需的特征點(diǎn)的圖像。所謂的圖像經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后放入帶系統(tǒng)坐標(biāo)的基準(zhǔn)平面內(nèi)，是指從監(jiān)控相 機(jī)拍攝到的三維圖像中提取出特征點(diǎn)位置，并經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到帶系統(tǒng)坐標(biāo) 的基準(zhǔn)平面內(nèi)。安裝誤差的安全控制主要是給出構(gòu)件安裝時(shí)的吊裝就位信息，判斷構(gòu)件安 裝誤差是否超限，并給出構(gòu)件安裝就位調(diào)整量的大小和方向。步驟6)所說的設(shè)定的時(shí)間間隔是指設(shè)定照相機(jī)自動拍攝圖像的時(shí)間間隔， 此時(shí)間間隔是可變的，根據(jù)構(gòu)件變形的危險(xiǎn)程度自動調(diào)節(jié)時(shí)間間隔。根據(jù)每一次拍攝得到的圖像判斷實(shí)時(shí)的構(gòu)件變形是否超過安全范圍，并對 構(gòu)件變形的趨勢進(jìn)行預(yù)測，比較預(yù)測結(jié)果與實(shí)時(shí)結(jié)果，給出安全信息，使得施 工人員能夠預(yù)先得到安全警示。對施工安全控制參數(shù)的變化進(jìn)行預(yù)測可采用指數(shù)平滑法如果安全控制參 數(shù)的變化呈持續(xù)線性變化趨勢時(shí)，采用二次平滑模型；如果施工安全控制參數(shù) 的變化呈持續(xù)曲線變化趨勢時(shí)，采用三次平滑模型。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明使用計(jì)算機(jī)控制的監(jiān)控拍攝相機(jī)進(jìn)行大型構(gòu)件安裝圖像的采集與分 析，快速識別關(guān)鍵構(gòu)件的施工安全性，彌補(bǔ)了現(xiàn)場施工中無有效、直觀、快速 的安全監(jiān)測方法的缺陷，這對提高工程安全、施工環(huán)境的安全性具有較大的效1^.。


圖1是安裝前鋼梁構(gòu)件與支座示意圖；圖2是施工圖上確定的鋼梁構(gòu)件及支座特征點(diǎn)位置及編號的示意圖；其中圖 a)是鋼梁構(gòu)件及支座的正視圖，圖b)是鋼梁構(gòu)件下翼緣及支座的俯視圖；圖3是帶系統(tǒng)坐標(biāo)的基準(zhǔn)平面x-;;內(nèi)的特征點(diǎn)示意圖；圖4是監(jiān)測照相機(jī)位置示意圖。 具體實(shí)施方法如圖1所示，以10米長的工字型鋼梁構(gòu)件C安裝到支座A、 B的過程中對 安裝誤差監(jiān)控和施工過程中鋼梁構(gòu)件撓度監(jiān)控為例(D為已安裝就位好的鋼梁)。 基于現(xiàn)場視覺差異的大型構(gòu)件施工安全性監(jiān)控方法，具體實(shí)施包括以下步驟l)根據(jù)施工圖、施工環(huán)境以及構(gòu)件的現(xiàn)場狀態(tài)，在施工圖上確定監(jiān)控構(gòu)件及 支座特征點(diǎn)的位置，并對構(gòu)件及支座特征點(diǎn)編號，如圖2所示，圖中1， 2， 3 為鋼梁構(gòu)件正面下翼緣的特征點(diǎn)編號，圖中5， 7為支座上的特征點(diǎn)編號，圖中4， 6為與5， 7對應(yīng)的鋼梁構(gòu)件下翼緣上的特征點(diǎn)編號。將特征點(diǎn)放入帶系統(tǒng)坐 標(biāo)的基準(zhǔn)平面x-y內(nèi)，(見圖3)，計(jì)算機(jī)自動獲得每個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值(x,，x)。， / = 1，2，3，4,5，6，7， /對應(yīng)特征點(diǎn)編號。2) 本例要求監(jiān)測支座安裝誤差和施工過程中鋼梁撓度，由特征點(diǎn)的坐標(biāo)值 運(yùn)算得到安全控制參數(shù)，并給出控制參數(shù)的安全范圍。支座A沿梁長度方向的安裝誤差控制參數(shù)為^ = x4 -x5,支座A垂直梁長度方向的安裝誤差控制參數(shù)為w2 =力- A,，支座B沿梁長度方向的安裝誤差控制參數(shù)為w3 =x6-;c7 ，支座B垂直梁長度方向的安裝誤差控制參數(shù)為w4 =y6 -& -A2 ，A,為特征點(diǎn)4禾卩5在y軸方向的距離。八2為特征點(diǎn)6和7在y軸方向的距離。定義鋼梁構(gòu)件C撓度安全控制參數(shù)為/ = ，-_y2 。 根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范中的規(guī)定和施工的要求給出控制參數(shù)的安全范圍是3) 將施工圖上的構(gòu)件及支座特征點(diǎn)用醒目的標(biāo)記標(biāo)注在現(xiàn)場的構(gòu)件和支座 表面，并確定由監(jiān)測用照相機(jī)的拍攝位置，使相機(jī)能夠清晰地拍攝出計(jì)算施工 安全控制參數(shù)所需的特征點(diǎn)的圖像。如圖4所示，采用三個(gè)照相機(jī)E、 F、 G分別 固定在支座A、鋼梁構(gòu)件跨中和支座B側(cè)面的支架上，分別拍攝支座A處特征點(diǎn)1、 4、 5的圖像，鋼梁構(gòu)件跨中特征點(diǎn)2的圖像，支座B處特征點(diǎn)3、 6、 7的圖像。4) 利用計(jì)算機(jī)控制照相機(jī)按一定的時(shí)間間隔，如5秒時(shí)間間隔，拍攝構(gòu)件 安裝就位過程中的鋼梁構(gòu)件及支座特征點(diǎn)的圖像，從照相機(jī)拍攝到的三維圖像 中提取出特征點(diǎn)位置，并經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到帶系統(tǒng)坐標(biāo)的基準(zhǔn)平面x-;;內(nèi)， 計(jì)算機(jī)自動獲得每個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值(U丄，_/ = 1,2廣.，y表示拍攝順序。5) 依據(jù)步驟4)得到的特征點(diǎn)的坐標(biāo)值求出構(gòu)件的安裝誤差的控制參數(shù) (w,);、 (W),、 (W),、 (w4);。如果安裝誤差的控制參數(shù)在安全范圍內(nèi)，則通知構(gòu) 件^裝就^結(jié)束，如果安;裝誤差的控制參數(shù)不在安全范圍內(nèi)，給出偏差的大小 和方向，指示繼續(xù)調(diào)整構(gòu)件位置。6) 對安裝就位的構(gòu)件及支座特征點(diǎn)，用計(jì)算機(jī)控制照相機(jī)按設(shè)定的時(shí)間間 隔進(jìn)行拍攝，時(shí)間間隔由構(gòu)件變形的危險(xiǎn)程度確定，危險(xiǎn)程度大則時(shí)間間隔短，反之， 危險(xiǎn)程度小則時(shí)間間隔長。從相機(jī)拍攝到的三維圖像中提取出特征點(diǎn)位置，并經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到帶系統(tǒng)坐標(biāo)的基準(zhǔn)平面x-y內(nèi)，計(jì)算機(jī)自動獲得不同時(shí)刻^ 的每個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值(^;^， "1,2，…，A表示拍攝順序，求出各個(gè)時(shí)刻鋼梁 構(gòu)件C的撓度控制參數(shù)(/)4 ,實(shí)時(shí)判斷在^時(shí)刻鋼梁構(gòu)件C的撓度控制參數(shù)(/\ 是否在安全范圍內(nèi)；7)應(yīng)用指數(shù)平滑法對構(gòu)件受力變形的趨勢進(jìn)行預(yù)測，時(shí)刻"以前的鋼梁構(gòu) 件C的撓度控制參數(shù)實(shí)際值(/)p * = 1,2，一，用指數(shù)平滑法預(yù)測下一時(shí)刻^時(shí)鋼 梁構(gòu)件C的撓度控制參數(shù)(/人+1的值，在下一時(shí)刻^可以得到鋼梁構(gòu)件C撓度 安全控制參數(shù)的實(shí)際值(/),+1 ，如果(/)4+1 ，則認(rèn)為安全，如果(/L ，則認(rèn)為不安全。為了更具有普遍性，本例在計(jì)算鋼梁構(gòu)件C撓度安全控制參數(shù) 預(yù)測值(/)'4+1時(shí)采用三次平滑模型式中A/為^和^之間的時(shí)間間隔<formula>formula see original document page 7</formula>《"、《2)、 ^)分別為基于鋼梁構(gòu)件C撓度安全控制參數(shù)(/k在"時(shí)刻的預(yù)測值，<formula>formula see original document page 7</formula>0<"<1，距當(dāng)前時(shí)刻^越遠(yuǎn)的a取值越小， 一般可假定在0.01 ~ 0.3。
權(quán)利要求
1. 基于現(xiàn)場視覺差異的大型構(gòu)件施工安全性監(jiān)控方法，包括以下步驟1)根據(jù)施工圖、施工環(huán)境以及構(gòu)件的現(xiàn)場狀態(tài)，在施工圖上確定構(gòu)件及支座監(jiān)控特征點(diǎn)的位置，并對構(gòu)件及支座特征點(diǎn)編號，將特征點(diǎn)放入帶系統(tǒng)坐標(biāo)的基準(zhǔn)平面內(nèi)，計(jì)算機(jī)自動獲得每個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值；2)由特征點(diǎn)的坐標(biāo)值運(yùn)算得到安全控制參數(shù)，并給出控制參數(shù)的安全范圍；3)將施工圖上的構(gòu)件及支座特征點(diǎn)標(biāo)注在現(xiàn)場的構(gòu)件和支座表面，并確定監(jiān)測用照相機(jī)的拍攝位置；4)利用計(jì)算機(jī)控制照相機(jī)按一定的時(shí)間間隔拍攝構(gòu)件安裝就位過程中的構(gòu)件及支座特征點(diǎn)的圖像，將圖像經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后放入帶系統(tǒng)坐標(biāo)的基準(zhǔn)平面內(nèi)，計(jì)算機(jī)自動獲得每個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值；5)依據(jù)步驟4)得到的特征點(diǎn)的坐標(biāo)值求出構(gòu)件的安裝誤差的控制參數(shù)，如果安裝誤差的控制參數(shù)在安全范圍內(nèi)，則構(gòu)件安裝就位結(jié)束，如果安裝誤差的控制參數(shù)不在安全范圍內(nèi)，給出偏差的大小和方向，指示繼續(xù)調(diào)整構(gòu)件位置；6)對安裝就位的構(gòu)件及支座特征點(diǎn)，用計(jì)算機(jī)控制照相機(jī)按設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行拍攝，將圖像經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后放入帶系統(tǒng)坐標(biāo)的基準(zhǔn)平面內(nèi)，計(jì)算機(jī)自動獲得不同時(shí)刻tk每個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值，求出各個(gè)時(shí)刻構(gòu)件及支座的施工安全的控制參數(shù)fk，實(shí)時(shí)判斷施工安全控制參數(shù)fk是否在安全范圍內(nèi)；7)應(yīng)用指數(shù)平滑法對構(gòu)件受力變形的趨勢進(jìn)行預(yù)測，設(shè)fk+1′為tk+1時(shí)刻施工安全的控制參數(shù)的預(yù)測值，設(shè)fk+1為tk+1時(shí)刻施工安全的控制參數(shù)的實(shí)際值，如果fk+1≤fk+1′，則認(rèn)為安全，如果fk+1＞fk+1′，則認(rèn)為不安全。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于現(xiàn)場視覺差異的大型構(gòu)件施工安全性監(jiān)控方 法，其特征是所說的特征點(diǎn)是指能夠表示構(gòu)件及支座形狀和空間位置的構(gòu)件及 支座表面上的設(shè)定點(diǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于現(xiàn)場視覺差異的大型構(gòu)件施工安全性監(jiān)控方 法，其特征是所說的安全控制參數(shù)是指由特征點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算得到的表示施工誤差 和構(gòu)件及支座的變形量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于現(xiàn)場視覺差異的大型構(gòu)件施工安全性監(jiān)控方 法，其特征是步驟7)應(yīng)用指數(shù)平滑法對構(gòu)件受力變形的趨勢進(jìn)行預(yù)測時(shí)，如果 安全控制參數(shù)的變化呈持續(xù)線性變化，則采用二次平滑模型計(jì)算；如果施工安 全控制參數(shù)的變化呈持續(xù)曲線變化趨勢，則采用三次平滑模型計(jì)算。
全文摘要
本發(fā)明公開的基于現(xiàn)場視覺差異的大型構(gòu)件施工安全性監(jiān)控方法，用計(jì)算機(jī)控制照相機(jī)拍攝標(biāo)注在構(gòu)件和支座表面的特征點(diǎn)的圖像，將圖像經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后放入帶系統(tǒng)坐標(biāo)的基準(zhǔn)平面內(nèi)自動獲得每個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值。在構(gòu)件安裝定位階段，依據(jù)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值求出構(gòu)件的安裝誤差的控制參數(shù)，判斷構(gòu)件安裝是否到位，如不到位給出調(diào)整構(gòu)件位置的大小和方向。安裝定位后的施工受力階段，依據(jù)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值求出構(gòu)件的施工受力變形的控制參數(shù)，判斷構(gòu)件安裝施工受力變形是否安全，并預(yù)測構(gòu)件受力變形的趨勢。本發(fā)明可以快速識別關(guān)鍵構(gòu)件的施工安全性，彌補(bǔ)現(xiàn)場施工中無有效、直觀、快速的安全監(jiān)測方法的缺陷，對提高工程安全、施工環(huán)境的安全性具有較大的效益。
文檔編號G06T7/00GK101276466SQ20081006150
公開日2008年10月1日 申請日期2008年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月12日
發(fā)明者宋潔人, 林炎飛, 王建江, 鵬 程 申請人:廣廈建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司;浙江大學(xué)