許開(kāi)瑜
攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司 攀枝花 617000

　　摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的加強(qiáng)，深度學(xué)習(xí)在人們社會(huì)生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。而隨著城市的發(fā)展，土地資源越來(lái)越緊張，迫切需要高層和超高層的建筑。在高層和超高層建筑的建造時(shí)，起重機(jī)發(fā)揮著不可替代的作用，如何確保起重機(jī)周圍環(huán)境的安全成了人們密切關(guān)注的問(wèn)題。結(jié)合深度學(xué)習(xí)，對(duì)起重機(jī)周圍環(huán)境安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證人員與起重機(jī)和建筑與起重機(jī)之間的安全，可有效地避免事故的產(chǎn)生。

　　關(guān)鍵詞：起重機(jī)；深度學(xué)習(xí)；安全監(jiān)測(cè)；事故

　　中圖分類號(hào)：TH21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-0785（2020）07-0084-03

　　0 引言
起重機(jī)械在高層和超高層建筑的建造中發(fā)揮著不可替代的作用，極大地減輕了施工人員的負(fù)擔(dān)，加快了施工的進(jìn)度。但由于施工的周期長(zhǎng)，起重機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間使用，如何確保起重機(jī)周圍環(huán)境的安全不僅是確保施工能夠順利按時(shí)完成的關(guān)鍵，也是保障施工人員及周圍建筑安全的重要方面。隨著時(shí)代的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)在不斷地影響著人們的學(xué)習(xí)和生活。本文結(jié)合深度學(xué)習(xí)，對(duì)起重機(jī)周圍環(huán)境進(jìn)行了建模，通過(guò)使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的模型，能夠有效地避免不安全事件的發(fā)生，包括起重機(jī)吊鉤與建筑之間的碰撞和起重機(jī)吊鉤與工程人員之間的碰撞。

　　1 采集數(shù)據(jù)
由于使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)需要數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，故要在起重機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。利用施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)，將起重機(jī)周圍環(huán)境中的視頻進(jìn)行保存。為了方便處理，可將保存下來(lái)的一段段連續(xù)的視頻拆分成一幀一幀的圖像，獲得起重機(jī)周圍環(huán)境的信息。同時(shí)，由于對(duì)采集到的圖像不能直接放入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)注。標(biāo)注的信息由兩大部分構(gòu)成，一部分是類別信息，包括人、建筑物和起重機(jī)吊鉤，另一部分是位置信息，包括人的定位、建筑的定位和起重機(jī)吊鉤的定位。其中類別信息用于判別起重機(jī)環(huán)境中的對(duì)象，定位信息用于確認(rèn)環(huán)境中對(duì)象所處的位置。有了對(duì)象的類別信息和位置信息，就可以計(jì)算出起重機(jī)和其他對(duì)象之間的距離。

　　2 網(wǎng)絡(luò)建模思路
如圖1 所示，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建模起重機(jī)與其它對(duì)象之間的距離主要步驟有：首先獲取標(biāo)注的數(shù)據(jù)集，然后將數(shù)據(jù)集放入到目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練，利用訓(xùn)練好的模型獲取視頻圖像中的對(duì)象在視頻中的二維坐標(biāo)，最后將二維坐標(biāo)映射到具體物理世界中的三維坐標(biāo)，計(jì)算出起重機(jī)吊鉤和工程人員、建筑物之間的距離，當(dāng)距離少于某一閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。

　　圖 1 建模思路示意圖

　　3 建模中的難點(diǎn)
1）由于起重機(jī)一般比較龐大，當(dāng)起重機(jī)吊鉤的位置和工程人員以及建筑的距離較遠(yuǎn)時(shí)，此時(shí)在視頻圖像中，工程人員和建筑物的尺寸就相對(duì)較小，尤其是工程人員，如何正確的識(shí)別出工程人員以及準(zhǔn)確地對(duì)其位置進(jìn)行定位，需要一個(gè)對(duì)小目標(biāo)檢測(cè)效果較好的深度學(xué)習(xí)模型。
2）在得到了目標(biāo)對(duì)象在視頻圖像中的二維坐標(biāo)之后，如何確定其在物理世界的三維坐標(biāo)，從而計(jì)算出起重機(jī)吊鉤對(duì)象和工程人員及建筑物之間的距離，同樣決定了最后報(bào)警的準(zhǔn)確率。

　　4 網(wǎng)絡(luò)建模中的關(guān)鍵點(diǎn)
1）對(duì)視頻圖像幀進(jìn)行標(biāo)注時(shí)，需要準(zhǔn)確標(biāo)注對(duì)象在圖像中的位置，包括對(duì)象左上角、左下角、右上角和右下角的坐標(biāo)，避免由于標(biāo)注錯(cuò)誤影響網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。
2）利用一個(gè)對(duì)小目標(biāo)魯棒的目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確定位出起重機(jī)吊鉤、工程人員和建筑物。
3）得到的視頻圖像中對(duì)象的二維位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維位置坐標(biāo)，確定對(duì)象之間的位置關(guān)系，進(jìn)而利用三維坐標(biāo)計(jì)算起重機(jī)吊鉤對(duì)象和工程人員、建筑物之間的距離。當(dāng)距離少于一定閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒。

　　5 利用目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模
圖2 所示的是基于faster-rcnn 的目標(biāo)檢測(cè)方法。首先視頻進(jìn)行分幀處理，得到標(biāo)注后的圖像輸入到網(wǎng)絡(luò)中。然后將生成的候選框與特征圖進(jìn)行匹配，最后有兩個(gè)支路，一條支路用于區(qū)分不同的對(duì)象，另一條支路用于進(jìn)行定位。由于faster-rcnn 有生成候選框的過(guò)程，即在圖像上隨機(jī)生成許多個(gè)由四個(gè)坐標(biāo)值（左上角、左下角、右上角、右下角）構(gòu)成的矩形，所以能夠有效地識(shí)別出小物體并對(duì)其進(jìn)行定位。

　　圖 2 faster-rcnn 檢測(cè)示意圖

　　5.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)
訓(xùn)練的模型需要相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行衡量。在目標(biāo)檢測(cè)中，通常使用mAP 的高低來(lái)衡量一個(gè)模型。mAP 的值越高，說(shuō)明模型的分類和檢測(cè)的能力越好，mAP 的值越低，說(shuō)明模型的分類和檢測(cè)的能力一般。由于檢測(cè)的對(duì)象只有三類，所以模型mAP 可以達(dá)到較高值，當(dāng)mAP 大于97% 時(shí)，就認(rèn)為該模型達(dá)標(biāo)，能夠進(jìn)行下一步處理。

　　5.2 分類和檢測(cè)結(jié)果
圖3 顯示了部分圖像的分類和檢測(cè)結(jié)果。結(jié)果顯示，目標(biāo)檢測(cè)模型能夠有效地識(shí)別出圖像中的起重機(jī)吊鉤、工程人員以及建筑物。而起重機(jī)吊鉤、工程人員以及建筑物的定位信息則用位置坐標(biāo)將其囊括起來(lái)。雖然目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)z像頭鏡頭前的對(duì)象檢測(cè)出來(lái)，但對(duì)于較遠(yuǎn)的對(duì)象檢測(cè)有一定難度。

　　圖3 分類和檢測(cè)結(jié)果

　　5.3 進(jìn)行距離轉(zhuǎn)換
在有了目標(biāo)檢測(cè)模型得到的類別信息和位置信息后，需要將其轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)位置。具體計(jì)算規(guī)則如圖4 所示，以地面為參考系，對(duì)于起重機(jī)吊鉤和起重機(jī)吊鉤、起重機(jī)吊鉤和工程人員之間計(jì)算距離，可以將吊鉤以及工程人員視為一個(gè)點(diǎn)。以起重機(jī)和工程人員為例：視頻圖像中對(duì)象所屬的類別和定位信息已知，因此可以明確不同的對(duì)象位于圖像中的何處、對(duì)于起重機(jī)吊鉤以及工程人員，以其中心點(diǎn)的位置表示該對(duì)象，通過(guò)攝像頭計(jì)算攝像頭到工程人員的距離，記為h1，通過(guò)攝像頭計(jì)算攝像頭到起重機(jī)吊鉤的距離記h2，再計(jì)算兩邊之間的夾角記為α，那么最終起重機(jī)吊鉤和工程人員之間的距離為

　　同理，可以計(jì)算起重機(jī)吊鉤到建筑物之間的距離，但需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于建筑物不能視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，因此需要將建筑物視為一個(gè)矩形，即由矩形左上角、左下角、右上角和右下角包圍而成。首先將起重機(jī)吊鉤和攝像頭都映射到同一個(gè)參考平面，以地面為例，然后再計(jì)算這兩個(gè)點(diǎn)之間的距離記為h1，接著計(jì)算攝像頭的映射點(diǎn)到建筑矩形的垂直距離, 記為h2，再計(jì)算h1 和h2 之間的夾角，最后就可以根據(jù)式（1）計(jì)算出起重機(jī)吊鉤到建筑物的垂直距離。

　　獲得了不同起重機(jī)吊鉤與吊鉤之間的距離、吊鉤與工程人員之間的距離和吊鉤與建筑物之間的垂直距離之后，可以設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)距離小于一定值時(shí)，如1 m，即進(jìn)行報(bào)警并進(jìn)行提醒。

　　圖 4 對(duì)象之間的距離計(jì)算

　　6 結(jié)論
隨著時(shí)代和社會(huì)的不斷進(jìn)步，科技正逐漸地改變世界。深度學(xué)習(xí)的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的許多任務(wù)都得到了進(jìn)一步解決。本文結(jié)合深度學(xué)習(xí)中的目標(biāo)檢測(cè)，對(duì)起重機(jī)周圍環(huán)境安全進(jìn)行了檢測(cè)，有效地避免了起重機(jī)與其它對(duì)象之間的碰撞。來(lái)源: 起重運(yùn)輸機(jī)械