




摘 要:國內滑雪場主要采用視頻安防監控系統保障滑雪安全,但該類型系統通常缺乏對于雪道低溫、強風、能見度低等特殊環境以及安全事件及時預警、識別的設計與應對,存在一定安全隱患。運用文獻資料法與調研分析法,對滑雪場雪道安全監控系統的組成單元和技術要素規范進行研究。得出系統應至少包括監控傳感器單元、傳輸供電單元、輔助設施單元、指揮控制單元、運行管理單元5個部分;監控傳感器單元設計應規范監控覆蓋面積/范圍、監控畫面視角,以及監控設備的數量、密度和布置位置,傳輸供電單元設計應規范傳輸線纜的布設路線、傳輸模式的選擇、供電方式的優化,輔助設施單元設計應規范設施的位置、信息發布的效果、通訊信號的質量;監控傳感器單元中的監控相機布置需適應國內滑雪場主要雪道類型。建議對指揮控制單元與運行管理單元的規范化設計、各單元設備與設施詳細技術要求、雪道安全事件預警與識別實時智能圖像分析技術、系統的實踐應用效果等進行后續跟蹤研究。
關鍵詞:滑雪場;雪道安全;監控系統;規范性
中圖分類號:TU245.1 文獻標識碼:A 文章編號:1002-3488(2024)06-0028-07
The Normative Research on the Design of Ski Slope Safety Monitoring Systems in Ski Resorts
ZHU Ming1,ZHAO Jingcheng2, LIU Guibao2
(1. Heilongjiang Research Institute of Sports Science, Harbin 150008, China; 2. Heilongjiang Vocational College of Winter Sports, Harbin 150025, China)
Abstract: The ski resorts in China mainly take use of the video safety monitoring systems to ensure the skiing safety, but this type of system usually lacks of the design and response to the special environment such as low temperature, strong wind, low visibility of the piste and the timely warning and recognition of safety events. This paper has studied the composition unit and technical elements of the ski slope safety monitoring system by using the method of literature review and research analysis. It is concluded that the system should at least include monitoring sensor unit, transmission and power supply unit, auxiliary facilities unit, command and control unit, operation and management unit of five parts. For the monitoring sensor unit, regulatory attention should be paid to coverage area/scale, viewing angle, and the number, density, and placement of equipment. The transmission unit requires optimal routing, transmission mode, and power supply design. Auxiliary facility unit design should regulate the location of the facility, information display, and communication signal quality. The monitoring cameras should be suited to major domestic ski slope types. It is recommended to carry out follow-up research on the standardised design of the command and control unit and the operation and management unit, the detailed technical requirements of each unit’s equipment and facilities, the real-time intelligent image analysis technology for ski slope safety event detection and warning, as well as the practical application outcomes of the system.
Key words: ski resorts; ski slope safety; monitoring systems; standardization
1 研究總體概述
1.1 研究背景及意義
滑雪運動具有一定的危險性,運動安全問題一直是該項目參與者、滑雪場以及監管部門的關注核心。由于滑雪造成的運動損傷大多發生在雪道上,因此,實時監控并及時發現雪道范圍內滑雪者出現的各類事故狀況是滑雪場經營方的一項重要職責[1]。對于滑雪場雪道安全監控系統的建設屬于公共安全監控領域,同時也是滑雪場運營管理與安全防范工作的一部分。
目前,國內滑雪場在雪道安全監控方面采用的主要設備平臺為視頻安防監控系統。該類型系統基本以安防監控用攝像機陣列獲取目標信息或數據,在技術成熟度、建設與維護成本、運營管理便捷性等方面具有較大優勢[2]。但該系統通常沒有針對雪道運營這一特定業務進行規范化的設計,尤其缺乏對于低溫、強風、能見度低等特殊環境的應對,且設備本身沒有針對滑雪者群體進行安全防護方面的設計,存在一定的安全隱患[3-5]。而從另一個角度來看,目前國內主流的前端監控設備均已支持實時智能分析,能夠對安防監控領域的一些常見事件進行自動識別與報警,但由于現有圖像識別及分析技術存在固有缺陷,導致仍然無法單純依靠機器完成全部安全事件的識別與響應。通常需要采取人工與機器相結合的方式來確保安防監控系統的正常運行,并進一步根據應用細分領域的實際需求,對監控設備進行針對性設置。因此,綜合雪道安全監控設施的應用現狀與發展形勢,有必要對雪道安全監控系統的規范性進行研究,通過規范系統各模塊組成以及功能、設施設備布局、環境適應性、滑雪者安全保護等內容,提升雪道安全監控系統的運行效能和穩定性,最終為相關標準的制定提供基礎依據。
1.2 研究目標及思路
在雪道安全方面,主要問題包括雪道缺乏分級與區域劃分、雪道開放與雪層處理、安全防護措施不足(缺少防護網、警示標示等)、從業人員疏漏(缺乏培訓、管理混亂等),以及滑雪者缺乏自我保護意識及安全意識等。綜合國內外對于滑雪場安全管理及防范策略的研究,主要技術路線是找出安全問題的來源,并有針對性地提出解決方案。主要解決思路有雪道分區管理(明確級別和難度、分級管理等)、加強安全崗位培訓、擴充安全救護器材、引進視頻監控與物聯網等技術手段。對此,本研究基于視頻安防監控系統主流設備設施的技術條件,參照國內現有滑雪場所涉及雪道安全的相關規范要求,通過對系統構成、系統設計原則與方法、系統設施設備技術要求等方面的分析研究,為國內滑雪場雪道安全監控系統的工程設計、運行實施提供規范性的參考,從而提高雪道安全監控系統對涉及滑雪者人身安全事件的防范、預警、發現及處理能力。整體研究思路,見圖1。
2 研究對象與方法
2.1 研究對象
本文主要對滑雪場雪道安全監控系統(以下簡稱系統)的組成單元和技術要素規范兩方面進行研究。其中,組成單元部分主要對其設計原則、要素功能、工作流程及與其他要素的關系等進行描述;技術要素規范部分以常見雪道趨勢構型、主流設備性能為基礎,參照現有滑雪場監控平臺的成熟做法,提出視頻監控設計規范,為系統工程設計提供參考依據。
2.2 研究方法
2.2.1 文獻資料法
通過收集和整理相關文獻,對滑雪場運行管理、規劃建設以及適用于該系統的技術平臺相關領域開展信息匯總,為現有系統的改造、規劃項目建設與運營提供理論依據[6],從而形成認識基礎。
2.2.2 調研分析法
對系統進行詳盡的原理性、應用性調研,并在結合分析現有系統監控案例的基礎上,提出適應未來滑雪場實際需求的雪道安全監控系統規范性要求。
3 研究結果與分析
3.1 滑雪場雪道安全監控系統的構成
系統的主要作用在于防范可能存在的風險、及時發現并定位雪道運營過程中存在的安全隱患、應對需要立即或緊急處理的安全事件,即在時間、空間兩個維度實施防范、預警、事件處理三類工作。由于這三類工作貫穿于系統的整體業務流程,因此基于該過程對系統構成要素進行設計。通過對現有和未來可能采用的技術平臺、運行管理制度進行研判,可以確定系統應至少包括監控傳感器單元、傳輸供電單元、輔助設施單元、指揮控制單元和運行管理單元5個組成要素。
3.1.1 監控傳感器單元
監控傳感器單元的目標功能為實時監測及采集滑雪場雪道中涉及安全防范、預警方面的信息或數據。信息或數據的來源主要為滑雪者/運動員、工作人員(如教練員、技術指導人員、雪場維護人員)、其他人員(如意外闖入者)、物體(如車輛、遺留物、動物)等。信息或數據的種類應包括雪道中單目標的位置、行為、運動趨勢(移動速度、方向),以及群體目標的數量、密度、流量等。基于攝像機陣列平臺的監控單元應包括槍式/球式監控相機、相機防護罩、云臺、固定裝置(如監控桿、支架)等。
監控傳感器單元通過傳輸供電單元中的數據傳輸部分與指揮控制單元建立連接,將視頻圖像信息發送至指揮控制單元。攝像機是系統的原始信號源,直接影響整個系統的視頻質量,前端攝像機在室外低溫嚴寒、雪地強光反射等特殊環境下的工作性能是本研究的重點。
3.1.2 傳輸供電單元
傳輸供電單元為中間介質單元,主要提供兩種功能:為監控單元提供電力、建立監控單元與指揮單元的通訊連接。基于視頻監控平臺的傳輸供電單元應包括光纖、雙絞線、無線圖像收發器、以太網交換機、電纜線、供電箱。
3.1.3 輔助設施單元
基于滑雪場安全管理規范及行業相關規定,輔助設施單元提供主動和被動兩種安全保護設施。其中,主動保護設施應包括安全標識(雪道分區/分級標識、禁止標識、危險標識、注意標識)、信息發布設施(提示/預警顯示屏或廣播、其他通訊裝置);被動保護設施應包括防護網、防護墊。
3.1.4 指揮控制單元
指揮控制單元是整個系統硬件平臺的核心和基礎,該單元應具備實時監控雪道安全狀態圖像信息、存儲視頻圖像歷史數據、指揮運行管理單元等功能。指揮控制單元應包括監控顯示設備(如拼接大屏/視頻墻、顯示器)、核心/接入交換機、服務器(如前端業務、網絡存儲)、監控管理平臺軟件、音視頻通訊(如對講機、手機、廣播控制)。
3.1.5 運行管理單元
運行管理單元是確保整個系統能夠正常有效運轉的關鍵組成部分。基于管理學原理,該單元由運行管理制度和運行團隊兩部分組成。其中,管理制度應包括系統運行規程、團隊人員職責、應急救援預案;運行團隊應包括指揮控制人員、監控人員、安全巡視人員和應急救援人員。
3.2 滑雪場雪道安全監控系統設計的規范性
保障滑雪者及雪道上其他參與人群的安全是系統整體設計的根本原則。在具體的方案設計中,監控傳感器單元、傳輸供電單元及輔助設施單元作為前端硬件體系與目標人群直接關聯,因此上述單元的設計內容必須在方案中加以體現。指揮控制單元與運行管理單元在系統中居于次要位置,在此暫不細述。
3.2.1 監控傳感器單元設計原則
監控傳感器單元是獲取雪道安全類信息的最前端,對該單元的設計是整個系統發揮作用以及展現實際運行效果的關鍵。在第一時間采集/獲取雪道安全方面的信息是該單元設計的第一要素,對其進行設計應當考慮的要素包括監控覆蓋面積/范圍、監控畫面視角,以及監控設備的數量、密度和布局位置。
第一,監控覆蓋面積/范圍。盡管建設和維護成本是滑雪場經營需要考慮的關鍵事項,但是也必須服從于安全生產這一重要前提。因此,設計方案中監控畫面的覆蓋面積/范圍應遵循的原則為:監控傳感器單元要至少覆蓋到滑雪場日常經營性大眾滑雪道(標記雪道/非野雪道)及終點停止區,以確保及時響應游客、滑雪愛好者等出現的意外狀況[7]。對于具有舉辦競技體育賽事條件的滑雪場而言,其競技雪道通常采用的是“冰狀雪”質地,雪面較為堅硬,摩擦系數較小,可以為專業運動員提供更高速度的滑行條件,但同時也存在著極大的安全風險。盡管滑雪場在承接賽事的過程中,競賽組織方和轉播方可以提供競技雪道的視頻監控畫面,但是在日常訓練中通常并不具備同等條件。因此,對于競技雪道也應做到全覆蓋監控。
第二,監控畫面視角。監控畫面的視角關系到安全風險識別的效果,不合適的視角容易導致嚴重的遮擋問題,甚至出現監控死角;而不合理的畫面視角也將直接影響監控設備的布置數量,造成滑雪場經營成本上漲。因此,該環節設計應遵循的原則為:通過對單相機角度、高度、焦距等參數的優化,以及攝像機陣列畫面的合理補充等方法,盡可能地減少監控畫面出現滑雪者之間的大面積遮擋及監控死角問題,使監控畫面盡量實現對雪道危險地段的覆蓋,具體可參照《中國滑雪場所管理規范(2017年修訂版)》第二十一條明確指出的危險地段。
第三,監控設備的數量、密度。監控相機的數量和密度取決于監控雪道區域中人群的密度,以及單雪道、多雪道交匯區、終點停止區、上行設施與雪道交匯區等位置的寬度、距離、面積等情況。根據各滑雪場主流的視頻監控系統設備參數及應用效果,該環節設計應遵循的原則為:1.單雪道中,每50~80m布置1臺監控相機;2.多雪道交匯區、提升設施進出口與雪道交會區至少各布置1臺監控相機;3.終點停止區由于人群密度較大,應保證多臺監控相機無死角覆蓋。
第四,監控設備的布局位置。由于監控相機通常需要通過監控桿、固定架布置于雪道外側區域,其自身也同樣會對沖出雪道范圍的滑雪者造成安全隱患,因此確定監控桿、固定架與雪道的位置關系尤為重要。為確保監控相機固定裝置不會對滑雪者造成二次傷害,理想的布局位置應遵循的原則為:1.置于雪道兩側和終點停止區外的安全防護網、防護墊等防護設施的外側區域;2.保證固定裝置與防護網的安全間隔,間隔距離應不少于防護網承載最大速度沖擊時的緩沖長度,也可參照《中國滑雪場所管理規范(2017年修訂版)》中第二十一條(四)大眾滑雪道的安全網與障礙物之間至少要有1.5m的安全距離。
以前文系統設計原則為基礎,可以繼續根據滑雪場中雪道的布局分類、地形分類、關鍵區域等情況有針對性地加以優化[8-10]。通過對國內主要滑雪場的調研,發現雪道整體布局主要分為三種類型:并聯模式、串聯模式、串并聯混合模式(圖2)。
3.2.1.1 單雪道監控相機設計
由于室外滑雪場的雪道通常依山而建,根據滑雪場目標用途、面向對象、地形等自然和人為因素,雪道自上而下的走勢不盡相同。因此,在安全監控系統工程項目中,通常需要根據雪道實際形狀、走勢及配套施工情況進行設計。盡管如此,每條獨立的雪道仍然由基本曲線構型組成,基本曲線構型包括直線、單弧型、多弧型(S型)三種。以下圍繞三種構型的雪道,對監控相機的布局、位置和監控范圍進行規范性設計研究。
如圖2所示,完整的單條雪道通常包括起點、終點(停止區)和雪道主體三個部分。雖然高山滑雪項目采用的是自上而下的、主要依靠重力勢能做功的滑行方式,但針對雪道主體部分,既可以采用自下而上的監控視角,也可以選擇自上而下的監控視角,兩種視角均有各自的優勢。其中,前者更有利于觀測雪道上行端的安全狀態,也便于指揮控制單元更早地掌握安全問題的肇端;后者更有利于觀測雪道下行端的安全狀態,對指揮控制單元來說更有利于掌握安全問題出現的結果[11]。因此,在實際的設計過程中需要根據滑雪場的雪道周邊情況、場地設施情況、經營管理者的意向等具體因素加以選擇。由于兩種視角的基本設計原則相仿,因此本研究僅對自下而上視角下雪道主體部分的監控設計規范進行探討。
3.2.1.1.1 直/弧形雪道監控相機的位置與視野設計
直/弧形是雪道趨勢走向的基本形態,監控相機在設計原則和方法上相對一致。以現有的主流安防監控用攝像機及技術解決方案為基礎,更應當采用球形網絡攝像機作為系統監控傳感器單元的信息獲取設備[12]。由于球形攝像機通常具有監控畫面的縮放、拉伸、旋轉以及預置位設定等功能,既可以實現大面積靜態警戒監控,也可以根據突發情況實現局部詳細信息動態跟蹤查看,相比于槍式攝像機更符合雪道安全監控的實際需求。
在對單條直/弧形雪道監控點位置布局的設計中(圖3),更宜采用監控點位全部位于雪道一側的布局方法,以便于光纖及電源線路的鋪設。監控攝像機及固定裝置(如監控桿、固定架或其他設施)應布置于雪道安全網外側或者采用地形防護措施的雪道外側。在靜態警戒狀態下,攝像機應根據雪道寬度及監控距離調整焦距及視野,監控畫面應將雪道中心區域及兩側的安全網包含其中[13]。由于主流安防監控相機具有絆線監測、入侵監測、流量統計等實時智能分析功能,設置此類監控畫面有助于系統實現安全事件的自動警戒,從而規避純人工監視方式的弊端。
按照自下而上的監控畫面視角,在靜態警戒狀態下以50~80m雪道長度為監控范圍,布置于安全網外側的監控攝像機應采取監控桿架高的方式,焦距可設置為短焦模式,通過與雪道弧切線、滾落線方向呈一定夾角的方式進行視頻監控。一旦出現安全警戒事件,即可調整為長焦模式、窄視角狀態,進行近距離跟蹤或監視。
3.2.1.1.2 多弧形(S型)雪道監控相機的位置與視野設計
該種構型的滑雪道(圖4)多見于高級別或長距離雪道,由于其彎角較多,因此經常出現雪道兩側樹木、提升設施等外部因素導致的遮擋問題,監控相機的位置安放和視野設置往往難度較大。針對此類雪道,可以根據雪道視線的遮擋情況采取監控相機兩側布局的形式,以便減少安全監控死角。如果雪道構型中具有連續S彎形式,可以采取監控相機交替布置于雪道兩側的形式,以提升監控畫面的有效覆蓋區域,減少相機的布置數量。
按照自下而上的監控畫面視角,監控相機可以布置于該構型雪道中的彎道弧頂處,畫面中心宜面向雪道中央區域。這樣既可以在靜態警戒狀態下監控轉彎區前半程的安全信息,也可以在動態跟蹤狀態下獲取轉彎前后兩個連接區段的完整詳細信息。無論是基于智能圖像識別算法的自動監控模式,還是基于人為干預的手動跟蹤模式,都可以實現無死角管控。靜態監控畫面應設置相機預置位,保持雪道兩側安全網、防護墊等的邊界區域處于畫面中,以便智能監控模式能夠識別雪道安全問題。
3.2.1.2 多雪道交會區監控相機設計
除少數小型滑雪場外,國內絕大多數的室外滑雪場均存在雪道交會情況,雪道交會包括會流和分流兩種類型(圖5)。從滑雪場建設和維護成本的角度考慮,本研究以盡可能減少監控相機數量、實現雪道區全覆蓋監控為原則探討系統設計規范,因此僅以1臺監控相機為設計基礎,實現雪道交會區域關鍵信息的獲取。
雪道會流形式下,按照逆滾落線自下而上的雪道監控視角,可以將監控相機布置于雪道會合后的延伸區域外側,采取短焦距、寬視野的預置位攝制方式,實現對兩條雪道會流前后關鍵區域的監控。這種監控形式可以直觀地觀測到滑雪者在會合前后的行為狀態,尤其是在最容易出現碰撞的交叉區域。如出現會合碰撞等突發狀況,可以做到及時發現與響應。但在圖5中的雪道分流形式下,盡管可以在分流各雪道下游區域分別設置監控相機實現安全信息的獲取,但是在分流中心的關鍵區域則會存在較大盲區。對此,可以采取順滾落線自上而下的雪道監控視角,確保出現在該區域的安全事件能夠被及時有效觀測到。
3.2.2 傳輸供電單元設計原則
由于該單元提供通訊傳輸、電力供應的功能,是整個系統前端工作的保障基礎;同時,該單元需要直接前置于滑雪道周邊甚至內部。因此在設計過程中,在保證系統發揮監控功能的同時,應注意該單元是否會對雪道中的滑雪者及其他關聯人群的安全造成不利影響[14]。此外,設計過程中也應根據監控傳感器單元中監控相機的數量、布局及滑雪場地形等因素優化設計供電模式,以此提高系統整體工作的安全性,避免因該單元的故障導致系統整體癱瘓。綜上,在設計該單元過程中應注意以下三個方面:
一是傳輸線纜的布設路線。大中型滑雪場通常擁有多條雪道,雪道之間往往存在直接交會、近距離并行等情況,因此在設計中應盡可能避免出現供電或通訊線纜直接在雪道中間穿行的情況。如因監控相機位置的原因無法避免線纜的穿行,也需確保線纜布置于雪道下方,并固定在深埋式線槽或管道中,堅決杜絕線纜暴露于雪道雪層甚至雪面的上方。
二是傳輸模式的選擇。常用的視頻安防監控系統通常采用獨立供電、集中供電、以太網供電(Power over Ethernet,PoE)三種模式。所謂獨立供電模式,是指在每個監控相機前端安裝獨立的安防監控電源,此電源只為單個監控相機供應電力。對于絕大部分滑雪場來說,這種供電模式線纜過長、過多,施工和維護價格較高,通常不予采用。集中式供電,是指所有監控相機共用一個安防監控電源,這種模式的成本相對較低,但如果電源出現故障,則整個系統就存在癱瘓風險,因此也不宜采用。PoE是當前數字網絡監控系統中常用的供電方式,需要交換機和監控相機設備的支持。這種供電方式安裝簡單且較為安全,但是存在傳輸距離的限制[15],對于長距離的雪道來說,僅采用該種模式仍有較大弊端。因此,結合三種供電模式的優缺點,在本單元的設計中宜采用多路集中供電與PoE供電相結合的方式,在具體設計中結合監控相機的布局和位置合理設計,這樣既可以提高系統的可靠性和安全性,也可以降低系統的安裝難度。
三是供電方式的優化。如今,太陽能供電已經被室外安防監控系統廣泛采用,對于以PoE供電的設備而言,該種供電方式有利于降低運營成本。因此,在設計過程中可以根據雪道所處方位,適當采取該種供電方式,從而提高監控系統整體的節能減排效果。
3.2.3 輔助設施單元設計原則
該單元在滑雪場實際運營中需要與雪道安全監控系統配合使用,因此需要參照滑雪場安全管理規范等國家、行業的標準,本研究僅對該單元中信息發布設施的設計原則進行針對性研究。該類設施包括顯示屏、廣播設備等,前置于雪道運營區域,在設計過程中也應圍繞安全防范的主題注意以下三個方面:
一是設施的位置選擇。參照監控傳感器單元部分,輔助設施單元的布局位置、固定裝置同樣需要與雪道安全網、防護墊保持安全距離,以確保不會對滑雪者造成二次傷害。
二是信息發布的效果。輔助設施在確保位置安全的同時,也要使在雪道及終點停止區的滑雪者能夠直接看到提示信息或清晰地聽到提示語音。
三是通訊信號的質量。為確保安全巡視員、應急救援員能夠聯絡或及時響應指揮控制單元發出的指令,在設計過程中應考慮移動通訊等無線電信號的質量問題。在信號較弱甚至無法通訊的地段,需要增加信號增益或橋接設備,用以保證運行管理單元的正常運轉。
4 結論與建議
4.1 結論
1.滑雪場雪道安全監控系統應至少包括監控傳感器單元、傳輸供電單元、輔助設施單元、指揮控制單元和運行管理單元5個部分。
2.監控傳感器單元在設計中應注意監控覆蓋面積/范圍、監控畫面視角,以及監控設備的數量、密度和布置位置;傳輸供電單元在設計中應注意傳輸線纜的布設路線、傳輸模式的選擇、供電方式的優化等;輔助設施單元在設計中應注意設施的位置、信息發布的效果、通訊信號的質量等。
3.在監控傳感器單元中,監控相機的布置需適應國內主要的雪道類型。單雪道中,直/弧型滑雪道應選擇球形網絡攝像機,監控點位全部位于雪道一側,多弧形(S型)雪道監控點位于雪道兩側;多雪道交會區應將監控相機置于雪道會合后的延伸區域外側,并采用短焦距、寬視野,實現對關鍵區域的監控。
4.2 建議
1.本研究中未做詳細設計說明的指揮控制單元與運行管理單元,雖在系統中處于次要位置,但對滑雪場雪道安全監控系統也起到重要支撐作用,應在后續的研究中加以完善。
2.各單元中設施、設備的具體技術要求,如使用的設備性能指標參數與功能等應更加規范化,并根據國家相關行業標準進行完善。
3.以現有視頻安防監控前端設備產品為基礎,開展具有雪道安全事件預警與識別功能的實時智能圖像分析,提高該類型系統的智能化程度。
4.對于滑雪場雪道安全監控系統的實踐應用還需加以跟蹤觀察,不斷完善相關單元的設計。
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