基于视频摘要的地铁工程施工项目安全培训素材获取方法_余宏亮.pdf

第 1 期应用技术*国家自然科学基金项目(71701155);住房和城乡建设部研究开发项目(2020-K-129);武汉地铁集团有限公司科技攻关项目(2019AFB532)基于视频摘要的地铁工程施工项目安全培训素材获取方法*余宏亮1，2彭震1金媛1黄金艳1(1武汉科技大学恒大管理学院，430065，武汉;2华中科技大学 BIM 工程中心，430074，武汉第一作者，高级工程师)摘要利用地铁工程施工现场的监控视频作为培训素材来源，对视频中发生险兆事件的危险区域进行识别划分，检测运动目标并根据跟踪算法识别工人轨迹。基于视频摘要提取技术提取现场险兆事件的视频关键帧，进而生成动态和静态视频摘要。利用武汉某地铁车站施工现场基坑临边高处坠落险兆案例生成动态视频摘要，更新施工工人个性化培训案例素材库，解决传统安全培训图片式、漫画式素材单一及获取困难等问题。关键词地铁;施工安全培训;视频摘要中图分类号C975U2313DOI:1016037/j1007869x202301042Acquisition Method of Metro Construction ProjectSafety Training Materials Based on Video Summa-rizationYU Hongliang，PENG Zhen，JIN Yuan，HUANGJinyanAbstractThe monitoring video of metro construction site isused as the source of training materials The dangerous areaswhere near-miss events occur in the video are identified and di-vided Moving targets are detected and workers tracks areidentified according to the tracking algorithm Based on videosummarization extraction technology，the video key frames ofon-site near-miss events are extracted，and then dynamic andstatic video summarizations are generated Taking the near-misscase offallingatthefoundationpitedgeofametroconstruction site in Wuhan，the dynamic video summarizationis generated and the case material library of personalizedtraining for construction workers is updated，solving the prob-lems in conventional safety training such as simple and boringpicture or comic materials and difficulty in acquisitionKey wordsmetro;construction safety training;video sum-marizationFirst-authors addressEvergrande School of Management，Wuhan UniversityofScienceandTechnology，430065，Wuhan，China0引言施工工人(以下简称“工人”)的不安全行为是导致地铁车站施工项目安全事故发生的主要原因，对工人进行安全培训是降低不安全行为的重要手段。目前，在地铁工程的施工过程中，工人的安全培训效果并不理想。究其原因主要有以下几点:现场工人文化程度普遍不高，对传统纸质教材难以吸收消化;开展培训的方式多采用课堂集中教学，培训内容主要来源于操作规程和安全规范，存在学习内容枯燥等问题;安全培训重视程度不高，培训内容和形式更新不及时。针对现有安全培训中的培训内容脱离实际、难以吸收消化、培训方式枯燥等问题，文献 1 认为培训材料需要以多样化、图形化的表现形式呈现，用多媒体或图片等计算机辅助手段可以提升培训效果。文献 2根据培训图片的内容特征，利用相似度算法个性化推送给相应地铁项目中进行该环节施工的工人。文献 3 开发了一个图示语言安全培训系统，该系统从施工现场照片中获取工人的危险动作，并将其作为培训素材，以更趣味的形式改编和转化为工人施工法则规范，极大地增添了参与者的培训积极性。文献 4以武汉地铁双墩站为例，利用漫画和图片的形式建立图示语言培训库，研究结果表明其具有高实用性，能够有效改善工人的危险行为，提高施工安全管理水平。但上述研究的实施效果均依赖于高质量的培训照片，而现场安全培训照片素材收集难度较大，若通过人工从海量巡查照片中筛选出合适的素材，工作量极大且效率极5022023 年低，这就造成了安全培训照片库更新较慢，不能及时反映各工地的实际安全状况。同时，安全培训照片库更新较慢还会导致经过几轮培训的工人反复抽取到已培训过的测试题等情况。因此，安全培训素材需要更有针对性的个性化数据库。视频摘要是利用近似算法和计算机技术从海量多媒体视频中筛选典型的、有利用价值的帧，对原始视频进行浓缩概括的一项技术。随着视频摘要技术在监控领域的广泛应用，可以借助该技术筛选出地铁车站施工项目中工人的不安全行为。视频摘要分为静态视频摘要和动态视频摘要。静态视频摘要通过原始多媒体图像摘选典型视频帧形成关键帧。动态视频摘要是由一些图像序列及其对应的音频组成的一个视频片断。视频摘要提取技术有助于直接从地铁工程施工项目现场获取反映工人不安全行为的图像数据，相比于传统的培训素材，该技术的应用具有极高的工程价值和实用性。本文提出在地铁工程施工项目现场的视频监控图像中，根据工人的不安全行为特征抽取典型视频帧和视频段，分别形成静态视频摘要和动态视频摘要。利用动态视频摘要获取地铁车站施工项目的不安全行为视频，极大地丰富了安全培训素材，解决了素材单一及获取困难等问题。本研究可为接受安全培训的工人提供更加生动的培训体验，提高实际培训效果。1地铁工程施工安全培训素材获取方法11地铁工程施工远程监控及视频图像管理远程视频监控是加强地铁工程施工现场安全监管的有力措施，因此国家和地方安全监管部门颁布了各种法规大力推行远程视频监控。2012 年，中华人民共和国住建部发布了 JGJ/T 2922012建筑工程施工现场视频监控技术规范，随之天津、北京、南京和上海等地也出台了相应的施工现场远程视频监控管理实施办法，其中上海轨道交通施工现场视频监控管理办法 对监控区域范围、监控视频保存与备份等具体问题进行了规定。视频监控系统在北京、上海、广州、深圳和武汉等城市的地铁工程项目施工现场获得了广泛应用。国内许多学者对地铁工程施工视频监控系统的总体架构、主要功能、关键技术等方面进行了研究。用于施工安全培训的素材往往是 Near-miss 事件(或称为险兆事件)，为了能捕捉这些事件，地铁车站视频监控应实现施工区域全覆盖，包括出入大门、各类车辆出入区域、材料堆放加工区域和施工作业面。文献 5制定了施工阶段施工层、施工现场空间视频监控全覆盖、视频监控点最少等布设原则，并开发了施工视频监控点动态布置模型。文献 6 通过专家调查和层次分析法，得出了地铁盾构区间视频监控摄像头最优布设位置为盾构机出土口、吊装井口、盾构尾端、管片拼装区、吊装运输区和盾构机操作室的结论。基于上述研究可知，地铁工程现场施工视频监控系统部署是识别和提取基于视频摘要险兆事件图像及数据的基础。12险兆事件危险区域监控视频图像的辨识为了获取险兆事件的视频图像或照片作为安全培训素材，必须对险兆事件发生的危险区域进行识别和划分，总结发生此类不安全行为的监控视频图像特征并生成所需的安全培训素材。121险兆事件危险区域的识别与划分地铁工程施工技术难度高、施工环境复杂、施工人员安全意识参差不齐，现场安全管理难度较大。当工人进入易发生安全事故的危险区域时，发生安全事故的概率会相应增大。文献 7-8的研究发现:地铁工程施工现场易发生安全事故的危险区域主要分布在基坑工程、脚手架工程、模板工程、混凝土工程、起重吊装作业、动火作业、用电作业、运输作业、施工机械作业和地下施工作业等区域，这些危险区域也是险兆事件高发区域，所以对这些危险区域实施重点监控是预防事故发生的有效技术手段。分析地铁工程施工现场危险区域的识别条件、划分规则和事故类型，结果如表 1所示。122险兆事件危险区域的监控视频图像特征监控视频是由一系列相关的图像帧组成，除了具有图像的一般特征外，由于拍摄设备、手段、目的及内容的不同，还具有一些显著特征:1)静态特征:颜色、纹理、形状和空间关系等特征。2)运动特征:反映监控视频的动态信息，如运动目标的位置、大小、速度等变化。靠近或进入危险区域工人的运动特征可通过跟踪工人所在危险区域的行为来反映。3)结构特征:监控视频是对某个固定地点长时间连续拍摄形成的，主要记录特定空间内(即险兆事件危险区域)运动对象的活动情况。602第 1 期应用技术表 1地铁工程施工现场危险区域的识别与划分Tab1Identification and division of dangerous areas in metro project construction site危险区域识别条件划分规则事故类型深度5 m基坑槽边 1 m 内坍塌或高处坠落深基坑土方开挖施工机械作业半径机械伤害临边高度2 m临边边缘以内 1 m 或无防护区域高处坠落基坑开挖场景与支撑体系碰撞区域坍塌基坑钢支撑钢支撑搭设高处作业区高处坠落钢支撑拆除强度突变区坍塌脚手架架体搭设或拆除作业层或脚手架平面投影区域高处坠落或坍塌2 m 高处作业区高处坠落或物体打击模板施工区支拆模板材料堆放集中区坍塌施工临时通道区高处坠落混凝土施工区混凝土泵车作业泵车作业区坍塌混凝土罐车作业罐车作业区机械伤害焊接施工区电焊作业电焊明火区火灾或爆炸其他机械工作状态施工机械轮廓外扩 2 m机械伤害施工机械桩工机械工作状态距离桩锤中心 5 m机械伤害电源线路老化、破损缺乏最新安全检查记录的视为危险区域触电或火灾电气设备电源配电箱内电器元件损坏缺乏最新安全检查记录的视为危险区域触电或火灾未设置漏电保护器装置缺乏最新安全检查记录的视为危险区域触电或火灾悬吊状态悬吊物轮廓外扩 2 m机械伤害旋转状态机身为圆心，悬臂长为半径的圆形区域外扩 2 m机械伤害起重吊装吊装作业以悬吊物垂直投影为圆心、5 m 为半径的圆形区域物体打击塔吊安拆架体或其平面投影区域高处坠落或物体打击运输车辆工作状态车辆周围 2 m 或车辆运行线路上机械伤害4)视频内容特征:背景变化较小、监控场景相对稳定、信息密度低，存在大量无险兆事件发生的片段，且处于险兆状态的目标对象相对较少。13险兆事件视频摘要的生成算法险兆事件视频摘要生成的基本步骤为:基于险兆事件危险区域划分规则，通过施工现场的摄像头聚焦预先划分好的险兆事件危险区域，对其进行重点监控，并将监控视频中划分的危险区域范围在视频中框选出来，围绕着框选的危险区域进行险兆事件识别和处理;通过背景建模获得视频背景图像，当检测到运动目标进入险兆事件危险区域的行为时，自动开始进行运动目标识别，并跟踪运动目标的运动轨迹信息;运用关键帧提取算法生成视频摘要。131运动目标检测检测监控视频框选险兆事件危险区域中的所有运动目标，是险兆事件识别的关键工作。基于混合高斯背景建模和背景差分运动目标检测方法对复杂的监控场景有良好的适应性，运动目标检测包括两个主要步骤:背景建模和背景差分法运动目标检测。1)背景建模。背景图像中的每个像素由k(3k5)个高斯分布构成混合