计算机视觉网络物理系统构建过程感知综述

计算机视觉网络物理系统构建过程感知综述

许云龙 高金越 张永杰

山东英才学院 250104

摘要：信息物理系统(CPS)通常被认为是下一代工程系统;然而，CPS在建筑、工程和施工（AEC）行业的实际应用仍处于较低水平。施工过程中的传感方法对CPS的建立起着非常重要的作用。因此，本文的目的是通过文献综述讨论基于计算机视觉的传感方法的应用潜力并提供实用建议。本文回顾了CPS在AEC行业中的当前应用，总结了当前的知识差距，并讨论了当前施工现场传感方法存在的问题。考虑到计算机视觉（CV）方法在施工现场的独特优势，回顾和总结了CV在不同施工实体中的应用，以实现基于CV的施工过程CPS施工现场传感方法。

关键词：计算机；视觉网络；物理系统构建

前言：通过使用CV方法提供来自现场传感的丰富信息，可以进一步激发CPS的潜力。据审查，这种方式在施工现场的特定环境中具有独特的优势。基于文献综述中发现的当前知识差距，本文提出了一种用于CPS应用的基于视觉的施工现场传感方法的新概念，并提出了一种基于CV的CPS架构作为该概念的实现。本文的主要贡献是在文献综述的基础上提出了一种以计算机视觉为主要信息获取方法的CPS架构。该架构创新性地引入了计算机视觉作为工地的感知方式，实现了复杂施工场景下的低成本、非侵入性信息获取。该方法可作为现场传感的重要补充，进一步促进施工过程的自动化和智能化。

一、计算机视觉网络物理系统构建过程感知技术的作用

随着计算机科学的不断发展，研究人员对数字虚拟技术在建筑行业的应用越来越感兴趣。由于对施工现场信息交换的需求不断增长，网络物理系统(CPS)架构已成为一种非常有前途的方法。信息物理系统(CPS)是指物理过程和计算的集成。CPS可以被视为分布式传感器系统和控制的汇合点。它是一种用于管理物理资产和计算能力之间互连系统的变革性技术，为了实现双向协调，需要计算资源来紧密集成虚拟和物理域。使用CPS可以带来巨大的社会和经济效益。以美国和欧盟为代表的许多工业发达国家已经将注意力转向CPS的研究，并提供了大量投资。然而，当前CPS架构在施工现场的应用仍面临诸多限制。尽管建筑信息模型（BIM）技术在建设项目中的广泛应用，极大地促进了CPS网络侧的建立，但如何基于多个传感器实现从物理侧到网络侧的数据交换和协调仍然是一个主要问题。由于建筑工地的分散性和复杂性而造成的问题。CPS在建筑工地的应用中，成本也是一个问题。承包商仍然怀疑他们在CPS层面的投资收益。另一方面，在研究人员、专业和机构层面，障碍导致了狭义的、科学和工程学科学术界特定学科的研究和教育场所。CPS的研究被划分为孤立的子学科。因此，需要提出一种新的CPS方法。这种方法应该应用于变化和复杂的场景，感知施工过程信息。基于这些观点，计算机视觉被认为是对CPS感知物理世界能力的补充。计算机视觉(CV)允许计算机从图像或视频中获取高级、抽象和可计算的信息。目前，基于深度学习的CV方法被广泛接受。自1998年用于图像分类任务的卷积神经网络(CNN)演示以来，这种方法一直在不断发展；2006年，深度学习的概念得到了显着发展^[1]。然后，在2012年ImageNet竞赛中，深度卷积网络几乎将最佳竞争方法的错误率减半。同时，计算性能的提升进一步刺激了基于CNN的计算机视觉方法的发展。已经针对计算机视觉中的主要任务开发了多种深度学习和基于CNN的算法，包括图像分类、对象检测、对象跟踪、实例分割、语义分割等。从工程角度来看，计算机视觉可以自动化需要人工完成的任务。想象。已经对基于视觉的视频或照片分析和图像处理技术进行了研究，用于进度监控和调度、跟踪设备运行以及区分施工设备^[2]。

CPS的创新和发展需要计算机科学家和网络专业人员与控制工程、信号处理、土木工程等各个工程学科的专家合作。这些技术层面的进步使基于CV的CPS成为可能，并为网络物理双向信息交换提供了一种新方法。与传统的CPS传感方法（例如，传感器网络、物联网、RFID-RTLS)、基于CV的传感技术为CPS提供了全新的可能性。这种方法一方面在成本层面具有优势，另一方面对于建筑工地的分散性有更好的解决方案。此外，计算机视觉方法旨在使人类视觉可以完成的工作自动化。对于传统的人工工地管理方式，CV方式可以为工地自动化、智能化提供基础。

二、CPS应用和发展现状

（一）CPS的概念和特点

CPS通常被认为是下一代工程系统。它是一个可控和可扩展的系统。计算、通信和控制能力在信息获取的基础上深度融合。CPS与其周围的物理世界及其正在进行的过程密切相关。“网络-物理系统”这一术语于2006年首次使用。“网络-物理系统”来自“控制论”。换句话说，今天的CPS是反馈控制技术的技术演进的延续，CPS的深度集成和实时交互是通过计算过程和物理过程之间的交互反馈来实现的，从而能够以安全、可靠、高效的方式检测或控制物理实体。信息物理系统将计算、通信、传感和驱动与物理系统集成在一起，以实现对时间敏感的功能以及与环境和人类的交互。CPS是对现有网络系统和物理系统的改造和整合，通过这种集成，CPS实现了与物理系统的实时协作。物理系统通过CPS采集数据，根据业务需求将数据传递给信息处理层，通过数据处理和反馈控制技术完成任务。因此，这个复杂的系统必须具备可信度，这是当今许多网络基础设施所缺乏的。

值得注意的是，CPS没有直接引用实现方法或应用程序，相反，它侧重于将网络和物理世界的工程传统相结合的基本知识问题。CPS的这种性质允许在不同的域中实现不同的实现。然而，这也导致需要重构和讨论CPS在不同领域应用时的实现。此外，一些研究人员认为，数字孪生也是CPS的一种特定形式，它指的是物理过程的实时数字副本，包括在所有生命周期阶段可能有用的所有信息。与CPS一致，数字孪生可以实现从数字模型到现实世界中的物理实体的反馈。目前，在制造业中，数字孪生可用于通过半物理仿真在CPS设计阶段有效验证系统性能。也可以将网络和物理系统结合起来，实现物理系统的快速变化和快速配置，数字孪生半实物仿真可以很好地与BIM结合，模拟施工阶段存在的问题，快速验证施工方案的有效性。

（二）CPS的通用架构

CPS架构有几个重要的组成部分：传感系统、物理世界、网络、执行器、虚拟模型、应用程序和用户。首先，CPS是一个在现有物理、网络和计算机系统架构基础上集成的系统。此外，需要对不同时间尺度和大小的通信、计算和物理动力学进行抽象和建模，以构建CPS架构。在建筑行业，为了获取有关施工过程和所涉及资源的信息，需要部署适当的传感设备，这些传感方法需要提供CPS应用所需的相关信息。CPS中的执行器网络应由多个执行器单元和控制节点组成。控制节点负责接收命令并将其发送到特定的执行器，以调整和控制物理世界的某些物理属性。在建筑行业，由于建筑过程缺乏自动化，执行器的选择需要特别注意，信息系统是CPS的核心。对于建筑行业来说，建筑的虚拟模型是信息系统的核心。数字模型和物理施工过程的集成现在显示出极大的希望通过资源跟踪和活动监控来提高施工过程的生产力和安全性。数字模型，或者更具体地说，建筑信息模型(BIM)，BIM能够存储设施的完整生命周期信息。它包含物理设施的数字表示，可用作可视化和监控施工活动状态的平台。CPS中的传感系统获得的信息在BIM中可视化并存储在相应的数字模型中，BIM与CPS的整合已在多项研究中得到证明。应该注意的是，使用BIM作为CPS的虚拟端是有自然的理由的。这是由BIM本身的上述特征决定的。在网络端的基础上，可以进一步将应用层应用到用户身上，在实践中实现CPS更大的收益。CPS将在闭环控制下运行，充分考虑实时能力、安全性和系统性能，网络端和物理端之间的桥梁由闭环控制组成。

3. 结束语

在本文中，概述了最先进的基于计算机视觉的施工现场传感方法，以进一步扩展CPS在AEC行业中的应用。通过使用计算机视觉方法提供来自现场感知的丰富信息，可以进一步激发CPS的潜力。本文的主要贡献是在文献综述的基础上提出了一种以计算机视觉为主要信息获取方法的CPS架构。这种架构创新性地引入了计算机视觉作为建筑工地的传感方法，实现复杂施工场景下的低成本、无创信息获取，可以将施工过程数字化，为智能施工管理提供信息基础。

参考文献：

1. 向仲宇. 一种计算机视觉基础网络训练识别构建方法及装置:, CN110909625A[P]. 2020.

2. 杨金庆, 程秀峰, 周玮珽. 基于情境感知的资源推荐研究综述与实践进展[J]. 现代情报, 2020, 040(002):153-159,167.