基于AR技术的现场施工自动监控系统

摘要：在现场施工常规视觉监控中，工作面数据缺少驱动过程，监控与真实场景有割裂感、监测数据来源较为单一。为了实现施工现场监控中，协同运行状态的深度感知，提出基于AR技术的现场施工监控系统。采用施工现场监控系统的硬件平台体系结构，设计监控系统的总体结构，由施工场景重构、运动学求解和通信服务器端组成现场施工监控模块；根据现场施工监控系统的结构，将各终端的现场施工监控数据通过监控中心传输，引入数据存储算法将现场施工数据全部AR重构。实验结果表明，系统数据传输压力小，延迟低，操作流畅无卡顿，在保留VR监控已有优势的基础上进一步提升了沉浸感、便捷性与虚实融合程度。

关键词：AR技术延迟控制现场施工监控数据采集监控系统 加入收藏

施工现场为房屋建筑、土木工程、装修装饰等，属于复杂环境，且存在一定的安全隐患[1]。复杂的施工现场，人工监督存在效率低、安全隐患较多等弊端。如何对施工现场进行安全有效的管理，一直是施工企业和政府十分关心的问题[2]。随着计算机技术的兴起和互联网的普及，对于AR技术与视觉处理技术的研究均有了新的突破，通过AR技术与人工智能的结合，为监控领域开辟了一条新道路，逐渐应用在各个行业中。目前AR技术监控系统技术还处于发展阶段，得到了国内外相关领域研究者的关注，也取得了一定的成就[3]。国内还在初始阶段，这种方法还没有在现实中得到应用，现实中还是以视觉监控技术为主。

王千星等人[4]针对施工现场人工监察效率低等问题，研究了一种自动化现场施工监控系统，对施工现场进行管理，对安全隐患自动过滤预警。远程监控并实时记录数据，将采集的现场施工进程数据与目标进程进行对比，实现对施工现场的自动化监控。牛雪婷等人[5]提出了一种基于人工智能的施工现场监控系统，实现对现场施工的实时监控，解决人工监管排查慢和预防性差等问题。该系统的硬件通过解析器和系统结构进行搭建，结合人工智能对施工现场进行实时监控和缓存工程项目，实现对施工现场的多目标安全数据监控。但以上两种方法存在工作面数据缺少驱动过程，监控与真实场景有割裂感、监测数据来源较为单一的问题。

针对视觉监控中存在的问题，本文提出基于AR技术对现场施工监控系统进行设计和分析，为智能监控应用领域提供重要的参考价值。

1、AR技术下的现场施工监控系统总体结构

现场施工监控系统的总体结构包括四个部分，分别为光纤通信设备（CAN/DeviceNet/CANOpen总线光纤转换器）、高清摄像探头（海康威视JH-DM-601-C双目球形摄像机）、计算机（PC机）和监控传感硬件设备（中科米点品牌六维力传感器MIOS-Y80-H32传感器）[6]，整个现场施工监控系统的平面架构图如图1所示。

图1现场施工监控系统的硬件平台架构图  

现场施工监控系统通过高清双目摄像头和计算机完成图像信息的采集任务；通过光纤通信设备将高清摄像头采集的图像信息传输到超级计算机，避免信息的延迟与人工监察遗漏信息等问题[7]；监控系统与信息采集系统是相互独立的，最终在超级计算机内进行融合，完成数据的交互与传输；通过高清摄像探头采集的图像信息，通过光纤通信设备传输给监控系统；计算机对监控系统的数据进行分析与操作，实现AR重组。

监控系统通过采集现场施工的信息状态发送到计算机上，得到现场施工每个环节的信息，利用AR技术对施工现场进行实景模型，通过计算机实现施工现场三维环境的实时可视化监控。在对施工现场进行监控过程中，操作人员根据AR模拟出的施工现场三维虚拟图像，判断施工现场内的施工机械的运行状态[8]，根据运行状态判断其安全性能，随时作出决策；当监控进行实时自主监控时，通过超级计算机分析检验结果，对施工现场实时控制决策。

2、现场施工监控硬件模块组成

在现场施工的总体结构下，各个模块的功能是相对独立的，最后通过光纤通信设备将这些模块功能汇集在一起，通过超级计算机进行协同调控。基于AR技术，对现场施工监控系统的各个模块进行设计，其设计的现场施工监控工作原理如图2所示。

图2现场施工监控模块逻辑组成

图2中，基于AR技术，利用超级计算机完成对参数、采集信息,以及服务的通信机制，通过各个独立的模块实现信息的传输，通过交互作用，最终完成现场施工监控的各个模块的设计。

(1）施工现场系统通信模块。

利用AR技术实现施工现场的三维图像模拟，完成与监控系统的实时对接，实现对高清摄像探头的角度及角速度的实时控制，实时发布控制指令。

(2）监控布局硬件设备模块。

通过硬件设备组建监控设备网，根据运动学的角度进行分析，对各个高清摄像探头的位姿进行布局，实现对现场施工的空间与时间的实时监控。

(3)AR视觉系统通信模块。

监控系统与AR视觉系统通信模块进行连接，实现二者信息的交互与传输，保证监控系统获取实时的施工现场的各个位置信息。

(4）施工现场可视化模块。

通过对施工现场监控进行AR视觉模拟，构建三维数据模型，根据参数的变化对各个高清摄像探头位置进行调整[9]，实现AR三维模拟场景的可视化。

(5）超级计算机配置模块。

通过AR技术的参数[10]，配置与其匹配及融合的超级计算机参数，完成施工现场的三维数据信息存储与分析。

(6）服务器端功能模块设计

依据AR视觉系统的逻辑框架，服务器端的功能依据服务划分为定位服务模块、监控服务模块和系统业务服务模块。每个服务分别对应相应的服务组件，并通过服务访问代理对服务组件提供的功能服务进行访问。

1）定位服务模块主要提供位置的加载、实时渲染、基本操作、空间分析以及态势投射等服务；

2）监控服务模块主要包括位置监控服务和通信服务两大功能。是监控指挥的核心内容与重要环节；

3）系统业务服务模块主要针对系统运行和具体业务所提供的功能服务，如：信息访问、用户管理等。

利用现场施工监控系统的模块架构的组成，设计了现场施工监控系统总体结构，由施工场景重建、运动学求解以及通信服务器端构成了现场施工监控模块，实现了系统的硬件设计。

3、软件设计

3.1监控信息数据采集与延迟控制

利用传感器将高清摄像探头采集的监控数据传输到超级计算机中心。设传感器节点i的阈值为ni，在对施工现场进行监控信息采集过程中，间隔时间为x，那么会得到nbi个现场施工监控数据，监控数据的路由传感器长度为nbi，传感器路由节点对应的阈值为qij，在采集施工现场x间隔时间内的第j个数据时，qij传感器路由列队的起始数据信息分别为D(qij)与E(qij)，得到现场施工监控的出入队用时。

在对施工现场进行监控过程中，传感器本身带有原始的施工现场监控信息[11]，因此在采集监控样本过程中，当间隔为x内时，传感器节点对应阈值i的传输监控数据量为ni+nbi。其中D(qij)-E(qij)代表施工现场监控数据qij在传感器队列的等待时长。当时，说明传感器在对应阈值i的列队等待时长为间隔x内所有等待时长的总和。以上述信息为出发点，传感器节点的阈值i的现场施工监控数据传输延迟为：

式中，现场施工监控数据每个延迟数据i的传输延时值为Fi。设阈值i=0，将现场监控数据信息利用传感器传输的信息进行列队缓存，将多个高清摄像探头采集的监控数据信息进行传输与等待[12]，当现场施工监控数据传输接近平缓时，记录每个现场监控数据间隔为x的传输数据，在高清摄像探头采集的数据信息进行列队等待时，对入队时间E(qij)和出队时间D(qij)进行传输时长统计，得到现场施工监控系统的数据传输平均时长为：

式中，当阈值i=0时，得到现场施工监控数据传输的平均时长为F0。将i+1，对上式进行迭代运算，传感器节点对应的阈值i在间隔x内的传输时长为F0,F1,…,FM-1。通过上述得到监控传输数据为F0,F1,…,FM-1的数据下标，将其称之为最优阈值，计算公式为：

式中，Fε为最优阈值。以最优阈值为基础，设M*为现场施工监控数据的信息传输延时值，获得传感器节点的列队最优阈值。在传感器的最优节点，接收监控数据传输时，该传感器的最优节点进行缓存时，对此传感器节点的数据进行控制处理，得到的处理函数为：

式中，Ai,j为现场施工监控信息的处理函数值，对列队的传感器监控信息进行信息流判断，满足传感器最优节点的阈值表示该监控信息正常传达，如果不是传感器的最优节点，那么说明传输信息出现延迟或者丢失。对现场施工监控设备进行多模块监控信息传输，将收到的监控信息进行分析，为了将传输现场施工监控信息数据的传输时长降到最低，设f为现场施工监控信息的延迟控制参数，则：

通过现场施工监控数据传输延时控制参数对数据传输的影响，使得现场施工监控数据可以在低延时状态下将监控数据传输到监控系统中心。

3.2现场施工监控信息数据AR重构

根据现场施工监测数据的传输结果，采用数据重构算法对各终端传输的监测数据进行三维AR重构。假定各终端传输的现场施工监测数据信息统一放入网格内重构，将其横纵坐标表示为：

式中，Xl表示监控数据横坐标在l处的坐标，Yl表示监控数据纵坐标在l处的坐标，X表示网格的横坐标，Y表示网格的纵坐标。当建立完成网格的横坐标之后，现场施工监控信息数据的重构流程如下：

Step1：根据现场施工监控区域的大小以及工程类型，为每一个现场施工监控数据的节点分别分配一个真实的位置坐标UP和AR虚拟坐标UQ，设定现场施工监控的初始值UP=UQ;

Step2：计算现场施工监控数据节点在网格内的个数，监控信息节点到网格中心的距离，将现场施工监控数据节点按计算结果编号；

Step3：查询数据重构节点的剩余重构空间情况，当节点的AR虚拟坐标为(∞,∞)时，将监控信息重构，即：

式中，(Xl,Yl)表示编号之后的现场施工监控信息数据的重构函数值；

Step4：由于以上步骤重构的施工监控信息会出现遗漏的现象，在网格中找不到遗漏监控信息的重构位置，需要在网格中分配时间间隔，如果在分配的过程中遇到网格矩阵边界，将其垂直于下一行，继续从反方向对其进行分类，不断重复此步骤，直到施工监控信息的施工端点数据都重构在AR设备中。

根据以上步骤，完成系统的软件设计，实现了现场施工的监控。

4、实验分析

为了验证基于AR技术的现场施工监控系统在实际应用中具有一定的可行性，需要进行系统测试。实验所用数据选取某一工程项目的施工现场，引入文献[4]的现场施工监控系统和文献[5]的现场施工监控系统作为对比，从监控数据传输效率和监控数据延迟率两个方面进行测试，结果如下。施工现场采集数据如图3所示。

图3采集得到的现场监控图像  

经过文本系统的得到的AR监控图像如图4所示。

图4 AR重构图像  

三个现场施工监控系统的现场施工监控数据传输效率对比结果如图5所示

图5现场施工监控数据传输效率对比结果

从图5的结果可以看出，基于AR技术的现场施工监控系统在传输现场施工监控数据时具有很大优越性，监控数据量相同时，文献[4]的现场施工监控系统和文献[5]的现场施工监控系统经过测试得到的现场施工监控数据传输效率比较低，文献[4]的现场施工监控系统得到的传输效率曲线在前半部分是平稳的，但是随着监控数据量的逐渐增加，现场施工监控数据传输效率逐渐下降；文献[5]的现场施工监控系统出现了现场施工监控数据传输效率下降的趋势，且曲线波动幅度比较大，更进一步证明了基于AR技术的现场施工监控系统在实践中的性能更好。

三个现场施工监控系统的监控数据延迟率对比结果如图6所示。

图6现场施工监控数据延迟率对比结果  

从图6的结果可以看出，文献[4]的现场施工监控系统和文献[5]的现场施工监控系统在存储现场施工监控数据时，比基于AR技术的现场施工监控系统得到的现场施工监控数据延迟率低，说明其他两个现场施工监控系统在现场施工监控数据存储过程中非常容易出现丢包的现象，原因是本文设计的监控系统利用数据存储算法对现场施工监控数据进行了存储，降低监控数据丢包率的同时，增强了现场施工监控数据的稳健性。

以上实验结果表明，基于AR技术的现场施工监控系统可以稳定地对现场施工进行监控，具有一定的实用性和可行性。

5、结束语

本文提出了基于AR技术的现场施工监控系统设计分析，利用AR技术对现场施工监控系统的硬件和软件进行设计，实现了现场施工的监控，该监控系统在监控数据传输效率和监控数据延迟率两个方面具有更好的性能。由于本文的研究内容有限，在今后的研究中，还要加强对监控系统报警率方面的研究，提高系统的应用价值。

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文章来源:刘成峰,吴荣基,许智贤,等.基于AR技术的现场施工自动监控系统[J].自动化技术与应用,2024,43(06):166-170.