塔吊施工安全监测系统及方法
【专利摘要】一种塔吊施工安全监测系统，包括摄像头、图像采集处理模块、塔臂检测与跟踪模块、塔吊施工安全判断模块，从摄像头获取的视频信息中捕获目标区域图像并处理以获得有效目标区域图像，在判断出有效目标区域图像中有塔臂时，开始以逐帧方式捕获目标区域当前图像并处理以获得有效目标区域当前图像，从有效目标区域当前图像中获得塔臂在有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息，根据摄像头参数信息、现场环境参数信息和塔臂位置信息，建立从图像空间到笛卡尔空间之间的坐标映射，根据塔臂在笛卡尔空间的坐标值来判断出塔臂进入危险角度后输出警告信息，如此在不使用传感器的情况下，实现对塔吊的塔臂进行监测。本发明还提供一种塔吊施工安全监测方法。
【专利说明】塔吊施工安全监测系统及方法【技术领域】
[0001]本发明涉及塔吊施工安全监测【技术领域】，特别涉及一种塔吊施工安全监测系统及方法。
【背景技术】
[0002]建筑工地塔吊的安全运行一直以来是施工安全防范的重点，尽管如此由于种种主观或者客观的原因仍然事故频出，而且一旦发生事故往往就是恶性事故。因此，塔吊的安全运行重点在于检测和防范，内容包括塔吊设备状态、操控人员状态、现场环境状况和最重要的一是否严格按照安全操作规范来操控。长期的工程实践也证实了，塔吊安全运行并不缺乏科学合理的安全规范和制度，首要的安全隐患还是在于操控人员的执行情况。往往由于一些偶然的原因，如大意、图方便或者赶进度等等主观或者客观的原因，没有按照安全规范要求来操控，造成极大的安全隐患，有可能引发恶性事故导致人身财产严重损失。
[0003]现有的塔吊安全监测技术，大部分采用在塔吊吊臂上安装各类传感器，包括高度传感器、风速传感器、测重传感器、转角传感器、变幅传感器等，通过这些传感器采集吊臂上的信息，将数据进行综合分析，推测出塔吊的运行状态，从而做到对塔吊的安全监测。然而，现有的技术存在以下缺点:传感器本身存在数据的抖动，有一定失真；传感器极易受外部环境干扰，造成数据大幅失真；数据回传通信易受干扰 。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，有必要提供一种采集数据稳定、不受外部环境干扰的塔吊施工安全监测系统。
[0005]还有必要提供一种采集数据稳定、不受外部环境干扰的塔吊施工安全监测方法。
[0006]一种塔吊施工安全监测系统，包括设置在塔吊工作现场的摄像头、图像采集处理模块、塔臂检测与跟踪模块、塔吊施工安全判断模块，摄像头用于采集反映塔吊运行的视频信息；图像采集处理模块用于接收设置在工作现场的摄像头所产生的反映塔吊的塔臂在预定目标区域运动的视频信息，获取预设的现场环境参数信息及摄像头参数信息，从获取的视频信息中捕获目标区域图像，根据现场环境参数信息及摄像头参数信息对捕获的目标区域图像进行畸变校正处理，及对进行畸变校正处理后的目标区域图像进行归一化及预处理以获得有效目标区域图像；塔臂检测与跟踪模块用于根据预存的基准图像判断有效目标区域图像中是否有塔臂，在判断出有效目标比较图像中有塔臂时，输出预设的第一执行命令给图像采集处理模块，图像采集处理模块还用于响应第一执行命令，开始以逐帧方式捕获视频信息中目标区域当前图像，根据现场环境参数信息及摄像头参数信息对捕获的目标区域当前图像进行畸变校正处理，及对进行畸变校正处理后的目标区域当前图像进行归一化及预处理以获得有效目标区域当前图像；塔臂检测与跟踪模块还用于从有效目标区域当前图像中获得塔臂在有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息；塔吊施工安全判断模块用于根据摄像头参数信息中的标定信息、现场环境参数信息中的塔臂高度信息和塔臂位置信息，建立从图像空间到笛卡尔空间之间的坐标映射，塔吊施工安全判断模块根据塔臂在笛卡尔空间的坐标值来判断塔臂是否进入危险角度，并在判断出塔臂进入危险角度时输出警告信息给塔吊操作人员。
[0007]—种塔吊施工安全监测方法，包括如下步骤:
接收设置在工作现场的摄像头所产生的反映塔吊的塔臂在预定目标区域运动的视频信息；
获取预设的现场环境参数信息及摄像头参数信息；
从获取的视频信息中捕获目标区域图像，根据现场环境参数信息及摄像头参数信息对捕获的目标区域图像进行畸变校正处理，对进行畸变校正处理后的目标区域图像进行归一化及预处理以获得有效目标区域图像；
根据预存的基准图像判断有效目标区域图像中是否有塔臂；
在判断出有效目标区域图像中有塔臂时，开始以逐帧方式捕获视频信息中的目标区域当前图像，并根据现场环境参数信息及摄像头参数信息对捕获的目标区域当前图像进行畸变校正处理，对进行畸变校正处理后的目标区域当前图像进行归一化及预处理以获得有效目标区域当前图像；
从有效目标区域当前图像中获得塔臂在有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息；根据摄像头参数信息中的标定信息、现场环境参数信息中的塔臂高度信息和塔臂位置信息，建立从图像空间到笛卡尔空间之间的坐标映射；
根据塔臂在笛卡尔空间的坐标值来判断塔臂是否进入危险角度，并在判断出塔臂进入危险角度时输出警告信息给塔吊操作人员。
[0008]上述塔吊施工安全监测系统及方法，通过视频监控实时智能监测塔吊的塔臂运动轨迹，当塔臂运动到非安全区域时自动发出警报，具体的讲:从摄像头获取的视频信息中捕获目标区域图像，并进行畸变校正、归一化及预处理以获得有效目标区域图像，根据预存的基准图像判断有效目标区域图像中是否有塔臂，在判断出有效目标区域图像中有塔臂时，开始以逐帧方式捕获视频信息中的目标区域当前图像，并根据现场环境参数信息及摄像头参数信息对捕获的目标区域当前图像进行畸变校正归一化及预处理以获得有效目标区域当前图像，从有效目标区域当前图像中获得塔臂在有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息，根据摄像头参数信息中的标定信息、现场环境参数信息中的塔臂高度信息和塔臂位置信息，建立从图像空间到笛卡尔空间之间的坐标映射，根据塔臂在笛卡尔空间的坐标值来判断塔臂是否进入危险角度，并在判断出塔臂进入危险角度时输出警告信息给塔吊操作人员，如此在不使用传感器的情况下，实时、可靠地对塔吊的塔臂进行监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]附图1是一较佳实施方式的塔吊施工安全监测系统的功能模块图。
[0010]附图2是附图1中塔臂检测与跟踪模块的功能模块图。
[0011]附图3是一较佳实施方式的塔吊施工安全监测方法的步骤流程图。
[0012]图中:塔吊施工安全监测系统10、摄像头20、输入模块30、图像采集处理模块40、塔臂检测与跟踪模块50、判断单元51、塔臂检测单元52、塔臂跟踪单元53、塔臂运动范围判断单元54、塔臂遮挡判断单元55、塔吊施工安全判断模块60、塔吊施工安全监测方法步骤S301 ?S308。
【具体实施方式】
[0013]如图1所示，塔吊施工安全监测系统10包括设置在塔吊工作现场的摄像头20、输入模块30、图像采集处理模块40、塔臂检测与跟踪模块50、塔吊施工安全判断模块60。
[0014]摄像头20用于采集反映塔吊运行的视频信息。
[0015]输入模块30用于响应操作者的设定操作，产生对应的现场环境参数信息及摄像头参数信息。摄像头参数信息包括镜头焦距、分辨率、帧率、图像格式、曝光量；现场环境参数信息包括塔吊吊臂高度、天气状况、摄像头与塔吊相对角度、图像监控区域、白天夜晚。
[0016]图像采集处理模块40用于接收设置在工作现场的摄像头20所产生的反映塔吊的塔臂在预定目标区域运动的视频信息，获取预设的现场环境参数信息及摄像头20的参数信息，从获取的视频信息中捕获目标区域图像，根据现场环境参数信息及摄像头参数信息对捕获的目标区域图像进行畸变校正处理，及对进行畸变校正处理后的目标区域图像进行归一化及预处理以获得有效目标区域图像；图像采集处理模块40还用于响应塔臂检测与跟踪模块50提供的第一执行命令，开始以逐帧方式捕获视频信息中目标区域当前图像，根据现场环境参数信息及摄像头参数信息对捕获的目标区域当前图像进行畸变校正处理，及对进行畸变校正处理后的目标区域当前图像进行归一化及预处理以获得有效目标区域当前图像。
[0017]塔臂检测与跟踪模块50用于根据预存的基准图像判断有效目标区域图像中是否有塔臂，在判断出有效目标比较图像中有塔臂时，输出预设的第一执行命令给图像采集处理模块40 ;塔臂检测与跟踪模块50还用于从有效目标区域当前图像中获得塔臂在有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息。
[0018]塔吊施工安全判断模块60用于根据摄像头20的参数信息中的标定信息、现场环境参数信息中的塔臂高度信息和塔臂位置信息，建立从图像空间到笛卡尔空间之间的坐标映射，塔吊施工安全判断模块根据塔臂在笛卡尔空间的坐标值及预存的安全坐标范围值来判断塔臂是否进入危险角度，并在判断出塔臂进入危险角度时输出警告信息给塔吊操作人员。
[0019]上述图像采集处理模块40、塔臂检测与跟踪模块50、塔吊施工安全判断模块60可以是具有数据出功能的计算机设备，或者是有数据处理能力的芯片模组，图像采集处理模块40、塔臂检测与跟踪模块50、塔吊施工安全判断模块60彼此之间电性连接已实现协同工作，而最终完成塔吊的施工安全监测。其中，本实施方式中所提到的预存的标准图像是 申请人:通过测量塔臂正常运动的数据后建立的标准模型，建立从图像空间到笛卡尔空间之间的坐标映射的方式可以是建立图像空间与笛卡尔空间坐标的对应表，然后根据根据摄像头20的参数信息中的标定信息、现场环境参数信息中的塔臂高度信息和塔臂位置信息从对应表中确定对应的笛卡尔空间坐标值，将查找到的笛卡尔空间坐标值与预存的安全坐标范围值比较来完成塔臂位于安全区域的判断；其中，摄像头20的使用个数可以根据实际情况来确定，例如，如果是两个摄像头协同对塔臂360度的运动进行监控，则根据图像关键点或者摄像头自己的标定信息进行图像拼接，从而获得无失真的全景图像，之后再对对图像进行自适应的对比度调整。[0020]例如，塔臂检测与跟踪模块50运行一组用于完成塔吊的施工安全监测功能的计算机软件后，塔臂检测与跟踪模块50产生对应的功能单元以实现塔吊的施工安全监测，具体的讲:请同时参看图2，塔臂检测与跟踪模块50产生判断单元51、塔臂检测单元52、塔臂跟踪单元53，判断单元51用于判断有效目标区域图像是否是初始第一帧图像，在判断出有效目标区域图像是第一帧图像时，输出第一启动命令给塔臂检测单元52，塔臂检测单元52用于响应第一启动命令，根据预存的基准图像中塔臂数据在有效目标区域图像中查找对应的塔臂数据，在有效目标区域图像中查找到对应的塔臂数据时，输出预设的第一执行命令给图像采集处理模块40，图像采集处理模块40用于根据第一执行命令，开始以逐帧方式捕获视频信息中目标区域当前图像；塔臂跟踪单元53用于从图像采集处理模块提供的有效目标区域当前图像中获得塔臂在有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息。
[0021]进一步的，塔臂检测与跟踪模块50还产生塔臂运动范围判断单元54，塔臂运动范围判断单元54在判断出前一帧捕获的有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息与后一帧捕获的有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息相同时，将预设第二启动命令及塔臂位置信息提供给塔臂检测单元52，塔臂检测单元52还用于响应第二启动命令，并在再次捕获的有效目标区域当前图像中的与接收的塔臂位置信息相对应的区域判断是否有塔臂数据，在判断出有塔臂数据时，第一执行命令给图像采集处理模块40。
[0022]进一步的，塔臂检测与跟踪模块50还产生塔臂遮挡判断单元55，塔臂遮挡判断单元55在判断出前一帧捕获的目标区域当前图像中具有遮挡物数据时，获得遮挡物位置信息，并将预设的第三启动命令及遮挡物位置信息提供给塔臂检测单元52，塔臂检测单元52还用于响应第三启动命令，在后一帧捕获的有效目标区域当前图像中的与接收的遮挡物位置信息相对应的区域判断是否有塔臂数据，在判断出有塔臂数据时，第一执行命令给图像采集处理模块40。搜索塔臂是指根据预存的基准图像中塔臂数据在有效目标区域当前图像中查找对应的塔臂数据，在有效目标区域当前图像中查找到对应的塔臂数据时，判断为搜索到塔臂。
[0023]请参看图3，其为一较佳实施方式的塔吊施工安全监测方法流程图，该塔吊施工安全监测方法，包括如下步骤:
步骤S301，接收设置在工作现场的摄像头所产生的反映塔吊的塔臂在预定目标区域运动的视频息。
[0024]步骤S302，获取预设的现场环境参数信息及摄像头参数信息。
[0025]步骤S303，从获取的视频信息中捕获目标区域图像，根据现场环境参数信息及摄像头参数信息对捕获的目标区域图像进行畸变校正处理，对进行畸变校正处理后的目标区域图像进行归一化及预处理以获得有效目标区域图像。
[0026]步骤S304，根据预存的基准图像判断有效目标区域图像中是否有塔臂。其中该步骤具体为:判断有效目标区域图像是否是初始第一帧图像，在判断出有效目标区域图像是第一帧图像时，根据预存的基准图像中塔臂数据在有效目标区域图像中查找对应的塔臂数据，在有效目标区域图像中查找到对应的塔臂数据时，执行“在判断出目标比较图像中有塔臂时，开始以逐帧方式捕获视频信息中的目标区域当前图像”步骤。
[0027]步骤S305，在判断出有效目标区域图像中有塔臂时，开始以逐帧方式捕获视频信息中的目标区域当前图像，并根据现场环境参数信息及摄像头参数信息对捕获的目标区域当前图像进行畸变校正处理，对进行畸变校正处理后的目标区域当前图像进行归一化及预处理以获得有效目标区域当前图像。
[0028]步骤S306，从有效目标区域当前图像中获得塔臂在有效目标区域当前图像中的塔
臂位置信息。
[0029]步骤S307，根据摄像头参数信息中的标定信息、现场环境参数信息中的塔臂高度信息和塔臂位置信息，建立从图像空间到笛卡尔空间之间的坐标映射。
[0030]步骤S308，根据塔臂在笛卡尔空间的坐标值来判断塔臂是否进入危险角度，并在判断出塔臂进入危险角度时输出警告信息给塔吊操作人员。
[0031]进一步的，上述塔吊施工安全监测方法还包括以下步骤:
在塔吊的工作现场设置信标；例如，可以采用“下监测”方式，亦即地面安装摄像头，吊车臂安装信标；也可以采用“上监测”，亦即地面安装信标，吊车臂安装摄像头；也可以选择“附着式”，亦即塔身安装摄像头，吊车臂安装信标，信标的安装是可选的，安装信标可以降低图像处理算法的识别难度，增强可靠性。
[0032]启动设置在工作现场的摄像头，并利用摄像头搜索信标所在区域，在搜索到信标时，摄像头所拍摄的区域为目标区域。
[0033]在判断出前一帧捕获的有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息与后一帧捕获的有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息相同时，在再次捕获的有效目标区域当前图像中的与前次获得的塔臂位置信息相对应的区域开始搜索塔臂；在判断出前一帧捕获的有效目标区域当前图像中具有遮挡物数据时，获得遮挡物位置信息，在后一帧捕获的有效目标区域当前图像中的与前次获得的遮挡物位置信息相对应的区域开始搜索塔臂。搜索塔臂是指根据预存的基准图像中塔臂数据在有效目标区域当前图像中查找对应的塔臂数据，在有效目标区域当前图像中查找到对应的塔臂数据时，判断为搜索到塔臂，然后执行步骤S305，如此以完成塔臂的动态检测及跟踪。
【权利要求】
1.一种塔吊施工安全监测系统，其特征在于:包括设置在塔吊工作现场的摄像头、图像采集处理模块、塔臂检测与跟踪模块、塔吊施工安全判断模块，摄像头用于采集反映塔吊运行的视频信息；图像采集处理模块用于接收设置在工作现场的摄像头所产生的反映塔吊的塔臂在预定目标区域运动的视频信息，获取预设的现场环境参数信息及摄像头参数信息，从获取的视频信息中捕获目标区域图像，根据现场环境参数信息及摄像头参数信息对捕获的目标区域图像进行畸变校正处理，及对进行畸变校正处理后的目标区域图像进行归一化及预处理以获得有效目标区域图像；塔臂检测与跟踪模块用于根据预存的基准图像判断有效目标区域图像中是否有塔臂，在判断出有效目标比较图像中有塔臂时，输出预设的第一执行命令给图像采集处理模块，图像采集处理模块还用于响应第一执行命令，开始以逐帧方式捕获视频信息中目标区域当前图像，根据现场环境参数信息及摄像头参数信息对捕获的目标区域当前图像进行畸变校正处理，及对进行畸变校正处理后的目标区域当前图像进行归一化及预处理以获得 有效目标区域当前图像；塔臂检测与跟踪模块还用于从有效目标区域当前图像中获得塔臂在有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息；塔吊施工安全判断模块用于根据摄像头参数信息中的标定信息、现场环境参数信息中的塔臂高度信息和塔臂位置信息，建立从图像空间到笛卡尔空间之间的坐标映射，塔吊施工安全判断模块根据塔臂在笛卡尔空间的坐标值来判断塔臂是否进入危险角度，并在判断出塔臂进入危险角度时输出警告信息给塔吊操作人员。
2.根据权利要求1所述的塔吊施工安全监测系统，其特征在于:摄像头参数信息包括镜头焦距、分辨率、帧率、图像格式、曝光量；现场环境参数信息包括塔吊吊臂高度、天气状况、摄像头与塔吊相对角度、图像监控区域、白天夜晚。
3.根据权利要求1所述的塔吊施工安全监测系统，其特征在于:塔吊施工安全监测系统还包括输入模块，输入模块用于响应操作者的设定操作，产生对应的现场环境参数信息及摄像头参数信息。
4.根据权利要求3所述的塔吊施工安全监测系统，其特征在于:塔臂检测与跟踪模块包括判断单元、塔臂检测单元、塔臂跟踪单元，判断单元用于判断有效目标区域图像是否是初始第一帧图像，在判断出有效目标区域图像是第一帧图像时，输出第一启动命令给塔臂检测单元，塔臂检测单元用于响应第一启动命令，根据预存的基准图像中塔臂数据在有效目标区域图像中查找对应的塔臂数据，在有效目标区域图像中查找到对应的塔臂数据时，输出预设的第一执行命令给图像采集处理模块，图像采集处理模块用于根据第一执行命令，开始以逐帧方式捕获视频信息中目标区域当前图像；塔臂跟踪单元用于从图像采集处理模块提供的有效目标区域当前图像中获得塔臂在有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息。
5.根据权利要求4所述的塔吊施工安全监测系统，其特征在于:塔臂检测与跟踪模块还包括塔臂运动范围判断单元，塔臂运动范围判断单元在判断出前一帧捕获的有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息与后一帧捕获的有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息相同时，将预设第二启动命令及塔臂位置信息提供给塔臂检测单元，塔臂检测单元还用于响应第二启动命令，并在再次捕获的有效目标区域当前图像中的与接收的塔臂位置信息相对应的区域判断是否有塔臂数据，在判断出有塔臂数据时，第一执行命令给图像采集处理模块。
6.根据权利要求5所述的塔吊施工安全监测系统，其特征在于:塔臂检测与跟踪模块还包括塔臂遮挡判断单元，塔臂遮挡判断单元在判断出前一帧捕获的目标区域当前图像中具有遮挡物数据时，获得遮挡物位置信息，并将预设的第三启动命令及遮挡物位置信息提供给塔臂检测单元，塔臂检测单元还用于响应第三启动命令，在后一帧捕获的有效目标区域当前图像中的与接收的遮挡物位置信息相对应的区域判断是否有塔臂数据，在判断出有塔臂数据时，第一执行命令给图像采集处理模块。
7.一种塔吊施工安全监测方法，包括如下步骤: 接收设置在工作现场的摄像头所产生的反映塔吊的塔臂在预定目标区域运动的视频信息； 获取预设的现场环境参数信息及摄像头参数信息； 从获取的视频信息中捕获目标区域图像，根据现场环境参数信息及摄像头参数信息对捕获的目标区域图像进行畸变校正处理，对进行畸变校正处理后的目标区域图像进行归一化及预处理以获得有效目标区域图像； 根据预存的基准图像判断有效目标区域图像中是否有塔臂； 在判断出有效目标区域图像中有塔臂时，开始以逐帧方式捕获视频信息中的目标区域当前图像，并根据现场环境参数信息及摄像头参数信息对捕获的目标区域当前图像进行畸变校正处理，对进行畸变校正处理后的目标区域当前图像进行归一化及预处理以获得有效目标区域当前图像； 从有效目标区域当前图像中获得塔臂在有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息； 根据摄像头参数信息中的标定信息、现场环境参数信息中的塔臂高度信息和塔臂位置信息，建立从图像空间到笛卡尔空间之间的坐标映射； 根据塔臂在笛卡尔空间的坐标值来判断塔臂是否进入危险角度，并在判断出塔臂进入危险角度时输出警告信息给塔吊操作人员。
8.根据权利要求7所述的塔吊施工安全监测方法，其特征在于，“根据预存的基准图像判断有效目标区域图像中是否有塔臂”步骤具体为: 判断有效目标区域图像是否是初始第一帧图像，在判断出有效目标区域图像是第一帧图像时，根据预存的基准图像中塔臂数据在有效目标区域图像中查找对应的塔臂数据，在有效目标区域图像中查找到对应的塔臂数据时，执行“在判断出目标比较图像中有塔臂时，开始以逐帧方式捕获视频信息中的目标区域当前图像”步骤。
9.根据权利要求7所述的塔吊施工安全监测方法，其特征在于，还包括以下步骤:在判断出前一帧捕获的有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息与后一帧捕获的有效目标区域当前图像中的塔臂位置信息相同时，在再次捕获的有效目标区域当前图像中的与前次获得的塔臂位置信息相对应的区域开始搜索塔臂。
10.根据权利要求7或9所述的塔吊施工安全监测方法，其特征在于，还包括以下步骤:在判断出前一帧捕获的有效目标区域当前图像中具有遮挡物数据时，获得遮挡物位置信息，在后一帧捕获的有效目标区域当前图像中的与前次获得的遮挡物位置信息相对应的区域开始搜索塔臂。
【文档编号】B66C23/88GK103613013SQ201310558957
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】王瑞, 周立强, 蔡琛, 黄浩, 郑德金, 吴国庆, 韩利钧, 张优, 徐亮 申请人:宁夏电通物联网科技有限公司