江文化 江偉偉 劉玉振 劉林婕

(1.中鐵云網(wǎng)信息科技有限公司,北京 100039; 2.天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院,天津 300384)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,地鐵客流量迅猛上升,也對(duì)地鐵監(jiān)控系統(tǒng)提出了更多、更高的要求。一般情況下,地鐵監(jiān)控系統(tǒng)主要有視頻監(jiān)控、門(mén)禁管控和入侵報(bào)警三大部分,無(wú)論從重要性還是從所需的資金費(fèi)用來(lái)說(shuō),視頻監(jiān)控都是最重要的,約占地鐵安防建設(shè)總成本的70%～80%[1-2]。因此,許多城市地鐵系統(tǒng)都要求車站視頻監(jiān)控“無(wú)死角”[3-4]。根據(jù)對(duì)目前我國(guó)地鐵車站安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)施工驗(yàn)收的調(diào)查,存在以下問(wèn)題：攝像機(jī)受梁、柱等遮擋情況突出;PIS屏和導(dǎo)向標(biāo)識(shí)牌之間相互遮擋;攝像機(jī)被導(dǎo)向、標(biāo)識(shí)牌、PIS屏等設(shè)備遮擋;由于攝像機(jī)布置位置不合理導(dǎo)致監(jiān)控缺失,出現(xiàn)盲區(qū);由于攝像機(jī)布置的位置不合理,導(dǎo)致監(jiān)控重疊現(xiàn)象嚴(yán)重,嚴(yán)重浪費(fèi)資源。如何優(yōu)化車站攝像機(jī)部署位置,在盡可能不增加攝像機(jī)的前提下,解決攝像機(jī)的監(jiān)控盲區(qū)問(wèn)題變得尤為重要。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市軌道交通工程中監(jiān)控?cái)z像機(jī)的布置已有許多研究,主要分為施工和運(yùn)維兩方面。施工方面主要考慮施工階段的人員安全、設(shè)備安全以及施工進(jìn)度,CHEN等提出一種使用建筑信息模型(BIM)的攝像機(jī)位置優(yōu)化框架,該框架考慮不同施工階段的遮擋物的改變和工作區(qū)域的變化,進(jìn)而提升攝像機(jī)總的覆蓋范圍[5];ARIF等提出一種基于BIM技術(shù)并考慮建設(shè)成本和容易實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控框架,以便更好了解施工進(jìn)度[6];ZHANG等提出一種新的方法,在考慮地鐵項(xiàng)目施工過(guò)程中側(cè)壁和支撐引起的遮擋的情況下,優(yōu)化攝像機(jī)的布局,使站點(diǎn)覆蓋率達(dá)到100%[7];TRAN等提出一種考慮不同場(chǎng)地布局與時(shí)間的攝像機(jī)安裝方案,來(lái)解決高空活動(dòng)的工作空間和建筑工地的動(dòng)態(tài)特性等難題[8];謝逸等提出一套針對(duì)地鐵施工環(huán)境中不安全施工行為的檢測(cè)框架,對(duì)施工不安全行為進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),以達(dá)到預(yù)警的效果[9]。

然而,以往研究主要集中在施工場(chǎng)地,在運(yùn)營(yíng)層面,早期的研究使用二維(2D)或三維(3D)方法來(lái)優(yōu)化攝像機(jī)的位置[10-11]。然而,采用這些方法在實(shí)際應(yīng)用中還存在著位置布局不合理、監(jiān)控盲區(qū)廣泛、監(jiān)測(cè)效率不高等諸多問(wèn)題。

與傳統(tǒng)的方法相比,建筑信息模型(BIM)在集成的信息環(huán)境中對(duì)建筑構(gòu)件的幾何表現(xiàn)更加精確,包括空間屬性、物理特征、功能特性、幾何屬性等特性,可以更加生動(dòng)地反映車站監(jiān)控區(qū)域精確的布局。因此,BIM可以自動(dòng)收集一些重要的信息元素,為攝像機(jī)布局優(yōu)化過(guò)程提供精確的室內(nèi)建筑布置場(chǎng)景,使得攝像機(jī)部署更加經(jīng)濟(jì)合理。另外,還可以使優(yōu)化的部署結(jié)果三維可視化,避免在施工過(guò)程中的變更和拆改。ALBAHRI等提出一種利用建筑信息模型的新方法,為利用模型中豐富的信息更好地優(yōu)化攝像機(jī)的個(gè)數(shù)和布局提供新的機(jī)會(huì),但僅局限于有靜態(tài)遮擋物和建筑內(nèi)部[12]。此外,CHEN等利用3D BIM模型在建筑現(xiàn)場(chǎng)模擬真實(shí)的閉路電視(CCTV)現(xiàn)場(chǎng)視圖,使BIM模型能夠評(píng)估和進(jìn)一步改善影響現(xiàn)場(chǎng)視圖的一系列有關(guān)參數(shù),但是只能以二維的方式呈現(xiàn),難以達(dá)到監(jiān)控全覆蓋的設(shè)計(jì)要求[13]。XIE等基于BIM技術(shù),開(kāi)發(fā)一種基于改進(jìn)遺傳算法的量化攝像機(jī)布局優(yōu)化方法,其攝像機(jī)覆蓋率提高27.2%[14]。PULIGANDLA等提出一種大型真實(shí)世界相機(jī)放置優(yōu)化問(wèn)題的多分辨率方法,能提供較好的相機(jī)覆蓋率[15];甘超瑩等設(shè)計(jì)一套采用智能視頻算法、基于圖像識(shí)別技術(shù)的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng),可有效提升車站運(yùn)營(yíng)管理能力和對(duì)突發(fā)事件的處置應(yīng)對(duì)能力[16]。以上研究表明, BIM技術(shù)具有可視化、可模擬、可分析等特點(diǎn),不僅在施工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,也成為運(yùn)營(yíng)安全管理的必要環(huán)節(jié)之一[17]。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的深入應(yīng)用,通過(guò)研究BIM+技術(shù)解決城市軌道交通工程建設(shè)中的難題成為一種必然趨勢(shì)[18]。以下提出一種BIM+仿真模擬技術(shù)對(duì)攝像機(jī)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行仿真模擬和盲區(qū)分析,以期有效解決監(jiān)控?cái)z像機(jī)的盲區(qū)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)降本增效的目的。

1 技術(shù)原理

1.1 創(chuàng)建目標(biāo)建筑BIM模型

通過(guò)建立地鐵車站和公共區(qū)裝修末端設(shè)備(裝修末端設(shè)備包括：照明燈具、消防設(shè)施末端的自動(dòng)噴淋、消火栓箱、FAS系統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警電話等末端設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備末端風(fēng)口、風(fēng)機(jī)盤(pán)管出風(fēng)口、自動(dòng)扶梯、指示牌、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)顯示器、安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)、通信監(jiān)控?cái)z像機(jī)等相關(guān)專業(yè)設(shè)備)BIM模型,記錄相關(guān)構(gòu)件的三維坐標(biāo)。若項(xiàng)目處于設(shè)計(jì)階段,根據(jù)相關(guān)專業(yè)施工圖,創(chuàng)建BIM模型;若為已建成項(xiàng)目且需要新部署或修改已部署的監(jiān)控?cái)z像機(jī),則可通過(guò)激光點(diǎn)云或?qū)嵕敖?創(chuàng)建BIM模型。

1.2 部署監(jiān)控?cái)z像機(jī)

基于上述創(chuàng)建的BIM模型,根據(jù)監(jiān)控?cái)z像機(jī)布置施工圖,部署監(jiān)控?cái)z像機(jī)。其中,部署監(jiān)控?cái)z像機(jī)包括：確定監(jiān)控?cái)z像機(jī)部署的空間坐標(biāo)及監(jiān)控?cái)z像機(jī)的視場(chǎng)區(qū)域。

(1)確定攝像機(jī)的最大和最小物距

根據(jù)攝像機(jī)原理,攝像機(jī)傳感器成像尺寸與實(shí)際成像尺寸的比例關(guān)系[19]為

(1)

式中,L為被攝物體至鏡頭的距離即物距;H為被攝物體高度;h為CCD/CMOS靶面高度;f為攝像機(jī)焦距。

被攝物體尺寸取一固定值,再根據(jù)攝像機(jī)靶面尺寸、攝像機(jī)焦距范圍,通過(guò)BIM仿真模擬,確定攝像機(jī)至看清物體的最大距離Lmax和最小距離Lmin,即攝像機(jī)的最大和最小物距。

(2)確定攝像機(jī)的視場(chǎng)區(qū)域

2個(gè)坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換的布爾莎模型為

(2)

通過(guò)布爾莎模型轉(zhuǎn)換,獲取對(duì)應(yīng)的WGS-84坐標(biāo),完成監(jiān)控?cái)z像機(jī)視場(chǎng)坐標(biāo),形成視場(chǎng)區(qū)域。

(3)確定監(jiān)控?cái)z像機(jī)的合理監(jiān)控區(qū)域

根據(jù)部署的監(jiān)控?cái)z像機(jī)生成各個(gè)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的監(jiān)控區(qū)域包括：根據(jù)模擬生成的各個(gè)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的監(jiān)控區(qū)域,調(diào)整各個(gè)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的監(jiān)控區(qū)域直至每個(gè)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的監(jiān)控區(qū)域在預(yù)設(shè)的理想?yún)^(qū)域內(nèi)(即最優(yōu)監(jiān)控區(qū)域)。調(diào)整各個(gè)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的監(jiān)控區(qū)域,主要內(nèi)容如下。

①根據(jù)攝像機(jī)的焦距和需要監(jiān)控的范圍,調(diào)整被攝物體至鏡頭的距離L,確定視場(chǎng)角Q(視場(chǎng)角包括水平視場(chǎng)角Qw和垂直視場(chǎng)Qh)的大小及物距L,有

(3)

(4)

式中,Qw為水平視場(chǎng)角;Qh為垂直視場(chǎng)角;W為被攝物體的寬度;H為被攝物體的高度;L為物距。

②根據(jù)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的焦距f,視場(chǎng)角Q及物距L,通過(guò)模擬分析,確定監(jiān)控?cái)z像機(jī)的合理監(jiān)控區(qū)域。

1.3 計(jì)算被遮擋情況并分析盲區(qū)

將監(jiān)控?cái)z像機(jī)的視場(chǎng)角最外邊緣看做射線,并假定周邊物體的三維模型的不規(guī)則包圍體由n個(gè)面組成?？梢允褂蒙渚€與面是否相交的算法來(lái)完成計(jì)算,如果相交,說(shuō)明攝像機(jī)視野被遮擋,產(chǎn)生了沖突。

平面表示為

XndotX=d

(5)

式中,Xn為平面的法線;dot為點(diǎn)積;X為平面上的一個(gè)點(diǎn);d為平面到原點(diǎn)的距離。

現(xiàn)在得到射線和平面的兩個(gè)方程[20]

(6)

若彼此相交,則上述方程組有解,有

(7)

t=d-XndotRaystart/XndotPointOnRay

(8)

式中,PointOnRay為射線上的點(diǎn);Raystart為射線的原點(diǎn);t為射線上的點(diǎn)距離原點(diǎn)的位置,Raydirection為射線的方向。

把t代入原方程組,得到射線與平面的碰撞點(diǎn)。如果XndotRaydirection=0,則說(shuō)明射線與平面平行,將不產(chǎn)生碰撞;如果t為負(fù)值,則說(shuō)明交點(diǎn)在射線的相反方向,也不會(huì)產(chǎn)生碰撞。

2 技術(shù)驗(yàn)證

天津地鐵5號(hào)線淮河道站原安防監(jiān)控施工圖采用二維設(shè)計(jì),全站共有107個(gè)監(jiān)控?cái)z像機(jī),其中,通信監(jiān)控?cái)z像機(jī)15個(gè),安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)92個(gè)(安防標(biāo)清半球攝像機(jī)41個(gè),安防高清半球攝像機(jī)26個(gè);安防高清快球攝像機(jī)9個(gè),安防隱蔽快球4個(gè),安防高清槍機(jī)12個(gè))。由于二維設(shè)計(jì)只能考慮本專業(yè)的安防要求,當(dāng)其他專業(yè)設(shè)備遮擋攝像機(jī)并產(chǎn)生監(jiān)控盲區(qū)時(shí),設(shè)計(jì)人員沒(méi)有辦法計(jì)算分析,特別是導(dǎo)向牌、PIS屏和結(jié)構(gòu)梁柱對(duì)攝像機(jī)監(jiān)控范圍的遮擋。當(dāng)在施工過(guò)程中或者公安驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題,就需要拆改或增加攝像機(jī),嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和增加建設(shè)成本。

2.1 模型創(chuàng)建

為了實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)監(jiān)控盲區(qū)的分析,需要根據(jù)相關(guān)專業(yè)施工圖,創(chuàng)建地鐵車站建筑、結(jié)構(gòu)、裝修及車站公共區(qū)裝修末端設(shè)備(包含照明燈具、自動(dòng)噴水、風(fēng)口、指示牌、乘客信息系統(tǒng)顯示器、監(jiān)控?cái)z像機(jī)等)BIM模型。若項(xiàng)目處于設(shè)計(jì)階段,可根據(jù)相關(guān)專業(yè)施工圖,創(chuàng)建BIM模型;若項(xiàng)目為已建成的建筑,則可通過(guò)激光點(diǎn)云或?qū)嵕敖?創(chuàng)建BIM模型。

2.2 PIS屏和導(dǎo)向牌遮擋通信監(jiān)控?cái)z像機(jī)的模擬和分析

將通信監(jiān)控?cái)z像機(jī)參數(shù)輸入到BIM模型中,根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)要求,調(diào)整攝像機(jī)空間坐標(biāo)和視角,再經(jīng)模擬和盲區(qū)分析,發(fā)現(xiàn)有通信攝像機(jī)被導(dǎo)向牌遮擋現(xiàn)象,全站共有9處,其中站廳層有5處,站臺(tái)層有4處。通信攝像機(jī)與導(dǎo)向牌位置關(guān)系見(jiàn)圖1,通信攝像機(jī)被導(dǎo)向牌遮擋BIM仿真模擬見(jiàn)圖2。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì),將負(fù)責(zé)監(jiān)控樓扶梯口的通信監(jiān)控?cái)z像機(jī)調(diào)整到指示牌的上方,調(diào)整后的效果見(jiàn)圖3、圖4。

圖1 通信攝像機(jī)與導(dǎo)向牌位置關(guān)系Fig.1 Position relationship of communication camera and guide plate

圖2 通信攝像機(jī)被導(dǎo)向牌遮擋BIM仿真模擬Fig.2 BIM simulation of communication camera blocked by guide plate

圖3 調(diào)整攝像機(jī)與導(dǎo)向牌位置后關(guān)系Fig.3 The relationship after adjusting the position of the camera and the guide plate

圖4 優(yōu)化后通信攝像機(jī)監(jiān)控范圍BIM仿真Fig.4 BIM simulation of optimized communication camera monitoring range

2.3 盲區(qū)分析

將安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)參數(shù)輸入BIM模型中,根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)要求,調(diào)整攝像機(jī)空間坐標(biāo)和視場(chǎng)角,再經(jīng)模擬和盲區(qū)分析,發(fā)現(xiàn)全站有安防攝像機(jī)被導(dǎo)向牌遮擋共7處。如站臺(tái)層的攝像機(jī)被2.7 m長(zhǎng)導(dǎo)向牌遮擋,見(jiàn)圖5、圖6。經(jīng)重新計(jì)算分析,因該導(dǎo)向牌只需服務(wù)1個(gè)電扶梯,故將導(dǎo)向牌由原設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2.7 m改為1.5 m,并向左移動(dòng)至電扶梯的正中央,修改后的監(jiān)控效果見(jiàn)圖7、圖8。

圖5 安防攝像機(jī)與導(dǎo)向牌位置關(guān)系Fig.5 The position relationship between the security surveillance camera and the guide plate

圖6 安防攝像機(jī)被導(dǎo)向牌遮擋BIM仿真Fig.6 BIM simulation of security camera blocked by guide plate

圖7 攝像機(jī)與優(yōu)化后的導(dǎo)向牌位置關(guān)系Fig.7 The position relationship of the camera and the optimized guide plate

圖8 優(yōu)化后安防攝像機(jī)監(jiān)控范圍BIM仿真Fig.8 BIM simulation of optimized security surveillance camera range

2.4 結(jié)構(gòu)柱后方的監(jiān)控盲區(qū)分析

對(duì)公共區(qū)結(jié)構(gòu)柱附近的安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)進(jìn)行BIM+仿真模擬和盲區(qū)分析,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)柱后方安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)存在4處盲區(qū)。其中：2個(gè)柱子后方由于沒(méi)有攝像機(jī),會(huì)產(chǎn)生部分盲區(qū),盲區(qū)范圍見(jiàn)圖9、圖10。經(jīng)仿真模擬和盲區(qū)分析,將站臺(tái)負(fù)責(zé)左端的攝像機(jī)移動(dòng)到左側(cè),將右端的攝像機(jī)移動(dòng)至導(dǎo)向牌上方就可以解決此結(jié)構(gòu)柱后方的盲區(qū)問(wèn)題,見(jiàn)圖11、圖12。

圖9 攝像機(jī)與結(jié)構(gòu)柱間的相對(duì)位置關(guān)系Fig.9 The relative position relationship between the camera and the structural column

圖10 安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)被結(jié)構(gòu)柱遮擋BIM仿真Fig.10 BIM simulation of security surveillance camera blocked by structural column

圖11 結(jié)構(gòu)柱與調(diào)整后的攝像機(jī)位置關(guān)系Fig.11 The position relationship of the structural column and the adjusted camera

圖12 優(yōu)化后安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)無(wú)盲區(qū)BIM仿真Fig.12 Optimised BIM simulation of security surveillance camera without blind zone

2.5 攝像機(jī)部署優(yōu)化原則

在解決攝像機(jī)盲區(qū)問(wèn)題時(shí),原則上不得增加攝像機(jī)數(shù)量,應(yīng)通過(guò)優(yōu)化攝像機(jī)位置來(lái)解決攝像機(jī)的監(jiān)控盲區(qū)問(wèn)題,當(dāng)遇到確需調(diào)整其他專業(yè)設(shè)備時(shí),可以會(huì)同相關(guān)專業(yè)協(xié)調(diào)配合,調(diào)整相關(guān)專業(yè)設(shè)備。

應(yīng)用以上技術(shù),對(duì)車站公共區(qū)每個(gè)攝像機(jī)的監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行仿真模型和盲區(qū)分析,最終形成車站的監(jiān)控?cái)z像機(jī)盲區(qū)分布,根據(jù)站廳層原安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)施工圖進(jìn)行監(jiān)控盲區(qū)分析后的監(jiān)控盲區(qū)分布見(jiàn)圖13。圖13中,玫紅色為盲區(qū)范圍,黃色區(qū)域?yàn)橥ㄐ疟O(jiān)控?cái)z像機(jī)監(jiān)控范圍,灰白色區(qū)域?yàn)榘卜罉?biāo)清半球攝像機(jī)監(jiān)控范圍,紅色區(qū)域?yàn)榘卜栏咔灏肭驍z像機(jī)監(jiān)控范圍,青色為安防高清槍機(jī)攝像機(jī)監(jiān)控范圍,綠色為安防高清快球攝像機(jī)監(jiān)控范圍,藍(lán)色區(qū)域?yàn)榘卜离[蔽快球攝像機(jī)監(jiān)控范圍。應(yīng)用本技術(shù)解決攝像機(jī)監(jiān)控盲區(qū)后的站廳層安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)無(wú)盲區(qū)分布見(jiàn)圖14。

圖13 站廳層安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)盲區(qū)分布Fig.13 Blind zone distribution of security monitoring camera on the station hall layer

圖14 站廳層安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)無(wú)盲區(qū)分布Fig.14 Distribution of security monitoring cameras on the station hall layer without blind zone

2.6 監(jiān)控?zé)o盲區(qū)的確認(rèn)

通過(guò)應(yīng)用前述BIM+仿真模擬技術(shù),對(duì)車站公共區(qū)所有的監(jiān)控?cái)z像機(jī)進(jìn)行監(jiān)控范圍的仿真模擬和盲區(qū)分析,并繪制攝像機(jī)監(jiān)控范圍分布。經(jīng)分析確認(rèn)無(wú)盲區(qū)后,形成監(jiān)控?cái)z像機(jī)部署施工圖優(yōu)化方案。該方案經(jīng)安防監(jiān)控設(shè)計(jì)工程師確認(rèn)后,形成監(jiān)控?cái)z像機(jī)部署施工圖,再經(jīng)公安機(jī)關(guān)確認(rèn)無(wú)誤后,完成監(jiān)控?cái)z像機(jī)施工圖的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

對(duì)攝像機(jī)監(jiān)控范圍進(jìn)行仿真模擬和盲區(qū)分析的技術(shù)原理,并以天津地鐵5號(hào)線淮河道站車站公共區(qū)攝像機(jī)的監(jiān)控盲區(qū)分析為案例進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證,得出結(jié)論如下。

(1)利用“BIM+仿真模擬”技術(shù)對(duì)攝像機(jī)的監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行仿真模擬,并對(duì)攝像機(jī)監(jiān)控盲區(qū)進(jìn)行分析,可以有效解決在二維設(shè)計(jì)中無(wú)法徹底避免的攝像機(jī)監(jiān)控盲區(qū)問(wèn)題。

(2)將BIM技術(shù)和安防監(jiān)控專業(yè)進(jìn)行技術(shù)上的融合應(yīng)用,為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控“無(wú)死角,全覆蓋”的安防要求提供技術(shù)保障。

(3)可以避免因安防驗(yàn)收發(fā)現(xiàn)盲區(qū)問(wèn)題時(shí)出現(xiàn)的施工拆改或者過(guò)度增加攝像機(jī)現(xiàn)象,從而有效提高施工速度,降低建造成本,起到降本增效的目的。