基于BIM技術(shù)與定位技術(shù)的地鐵施工人員安全預(yù)警

于用慶 鄒樹(shù)琪 張興軍

(1.廈門(mén)軌道交通集團(tuán)有限公司，361010，廈門(mén)；2.上海城建信息科技有限公司，200120，上海 ∥ 第一作者，高級(jí)工程師)

1 地鐵施工人員不安全行為分類(lèi)

地鐵施工事故與施工現(xiàn)場(chǎng)存在的地下空間有限、施工作業(yè)人員的不安全行為和復(fù)雜的施工環(huán)境密切相關(guān)。在地鐵施工過(guò)程中所發(fā)生的事故，88%以上均是由于現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員的不安全行為引起[1]。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[2]，地鐵施工人員不安全行為主要包括違章作業(yè)、安全防護(hù)用品使用不正確、靠近危險(xiǎn)區(qū)域等3大類(lèi)。

1) 違章作業(yè)。違章作業(yè)是指一線作業(yè)人員未遵循相關(guān)規(guī)定要求的設(shè)備操作程序，在有或無(wú)意識(shí)的情景下未遵循符合規(guī)定要求的設(shè)備操作章程而進(jìn)行作業(yè)行為。違章操作不安全行為主要包括：作業(yè)人員不正確操作作業(yè)、使用安全系數(shù)低的機(jī)械設(shè)備、不遵循規(guī)定要求流程操作機(jī)械設(shè)備、忽略安全提示、作業(yè)時(shí)注意力不集中、出現(xiàn)不符合要求的操作動(dòng)作。

2) 安全防護(hù)用品使用不正確。安全防護(hù)用品使用不正確是指一線作業(yè)人員未準(zhǔn)確穿戴安全防護(hù)設(shè)備，未正確使用個(gè)人安全防護(hù)用品。安全用品使用不當(dāng)主要包括：不重視安全用品的佩戴、穿戴不安全的裝束、使用不安全的防護(hù)裝置。

3) 接近危險(xiǎn)區(qū)域。接近危險(xiǎn)因素是指由于施工現(xiàn)場(chǎng)比較混雜，危險(xiǎn)源眾多，作業(yè)人員工作時(shí)，在無(wú)意識(shí)或者因工作需要而不得不靠近危險(xiǎn)源而進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。接近危險(xiǎn)區(qū)域主要包括：私自進(jìn)入不安全區(qū)域、攀坐禁止的不安全范圍、在不安全的地方施工作業(yè)。

國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者結(jié)合BIM(建筑信息模型)數(shù)據(jù)孿生和定位技術(shù)在優(yōu)化施工現(xiàn)場(chǎng)人員安全行為管控上進(jìn)行了一定深度的研究。文獻(xiàn)[3]利用BIM技術(shù)、AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))技術(shù)、定位技術(shù)構(gòu)建了BIM三維可視化人員安全管控框架系統(tǒng)，很大程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員所處安全場(chǎng)景的有效識(shí)別；文獻(xiàn)[4]通過(guò)集成BIM技術(shù)和RFID(射頻識(shí)別)技術(shù)創(chuàng)建了建筑工程施工現(xiàn)場(chǎng)人員安全監(jiān)管系統(tǒng)，并利用C#語(yǔ)言，自主開(kāi)發(fā)了基于BIM技術(shù)與RFID技術(shù)集成的建筑工程施工人員安全管控系統(tǒng)，并建立了事故應(yīng)急預(yù)警模型；文獻(xiàn)[5]利用BIM、AR等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合智能攜帶裝備，針對(duì)地鐵工程施工過(guò)程中作業(yè)人員的安全行為進(jìn)行分析研究，建立了BIM技術(shù)的信息化安全管理體系；文獻(xiàn)[6]分析了集成ZigBee(紫蜂協(xié)議)和 BIM技術(shù)的施工人員安全管控預(yù)報(bào)警系統(tǒng)，提出了利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工人員的定位，分析施工中的不安全因素，以人、材、機(jī)為切入點(diǎn)，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生的環(huán)境場(chǎng)所和施工部位，構(gòu)建施工安全預(yù)警體系；文獻(xiàn)[7]融合 Cloud-BIM、UWB(超寬帶)和ZigBee定位等技術(shù)方法，在人員實(shí)時(shí)定位、危險(xiǎn)源和危險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別與分析的基礎(chǔ)上，完成信息協(xié)同、實(shí)時(shí)定位、危險(xiǎn)預(yù)警和路徑規(guī)劃的系統(tǒng)架構(gòu)，有效降低了施工現(xiàn)場(chǎng)不安全現(xiàn)象發(fā)生的頻率；文獻(xiàn)[8]研究了GPS(全球定位系統(tǒng))技術(shù)在施工領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了GPS目前主要集中在變形監(jiān)測(cè)、放樣、勘測(cè)測(cè)繪等工作中。

雖然較多的專(zhuān)家學(xué)者對(duì)BIM、AR、定位等技術(shù)在工程施工現(xiàn)場(chǎng)的人員安全管理進(jìn)行了一定的分析研究，但在解決地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)人員不安全行為定位技術(shù)的運(yùn)用上仍存在較大的不足。

2 定位技術(shù)的選擇及其與BIM的集成機(jī)理

2.1 定位技術(shù)的選擇

目前，較為成熟的定位技術(shù)主要包括：無(wú)線非射頻技術(shù)、GPS技術(shù)、RFID技術(shù)、WSN(無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò))技術(shù)和UWB技術(shù)，且不同的行業(yè)和領(lǐng)域?qū)ζ溆兄煌亩ㄎ恍枨?。例如，在航海航空等領(lǐng)域主要利用衛(wèi)星來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，應(yīng)用較多的則是GPS室外定位技術(shù)。各定位技術(shù)比較見(jiàn)表1。

表1 各定位技術(shù)特點(diǎn)比較

基于地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)人員不安全行為管控的實(shí)際需要，確定采用GPS和UWB兩種定位技術(shù)結(jié)合的方式。GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面施工作業(yè)區(qū)域的作業(yè)人員的定位，UWB技術(shù)則實(shí)現(xiàn)對(duì)地下有限空間下作業(yè)人員的定位。人員攜帶的定位標(biāo)簽集成GPS和UWB定位模塊，定位方式根據(jù)定位對(duì)象所處位置自動(dòng)切換，從而實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的實(shí)時(shí)定位。

2.2 定位技術(shù)與BIM技術(shù)的集成機(jī)理

定位技術(shù)與BIM技術(shù)的集成依據(jù)工作流分為：模型建立、實(shí)時(shí)定位、計(jì)算、輸出。

1) 模型建立。地鐵工程三維模型主要包括場(chǎng)地、地下結(jié)構(gòu)、施工機(jī)械、臨時(shí)設(shè)施等。利用Autodesk Revit軟件進(jìn)行建模，同時(shí)利用集成平臺(tái)，識(shí)別和共享.rvt格式的模型文件。

2) 實(shí)時(shí)定位。GPS和UWB 定位子系統(tǒng)獲取和解析GPS數(shù)據(jù)和UWB定位數(shù)據(jù)，并將定位對(duì)象的坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)傳輸至集成平臺(tái)。坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)通過(guò)與BIM進(jìn)行整合，為計(jì)算過(guò)程的分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3) 計(jì)算。依據(jù)設(shè)計(jì)的安全性計(jì)算規(guī)則，將施工現(xiàn)場(chǎng)劃分為不同預(yù)警條件的危險(xiǎn)區(qū)域，同時(shí)對(duì)定位對(duì)象所處環(huán)境的安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和判斷。

4) 輸出。將上一步計(jì)算分析得到的安全評(píng)估結(jié)果發(fā)送至攜帶有集成化定位標(biāo)簽的定位對(duì)象，同時(shí)發(fā)送安全識(shí)別數(shù)據(jù)，當(dāng)計(jì)算得出的是不安全對(duì)象，則將依據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的報(bào)警模式發(fā)送預(yù)報(bào)警提示。

3 施工人員不安全行為管控信息分析

要實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員不安全行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，應(yīng)滿足3大類(lèi)數(shù)據(jù)需求：作業(yè)人員實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)、作業(yè)人員屬性及裝備數(shù)據(jù)、作業(yè)人員危險(xiǎn)動(dòng)作數(shù)據(jù)。

3.1 作業(yè)人員實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)

基于GPS、UWB定位技術(shù)對(duì)地鐵工程施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員和復(fù)雜機(jī)械設(shè)備的位置信息進(jìn)行收集，并在BIM中經(jīng)過(guò)設(shè)定的運(yùn)算處理，實(shí)時(shí)進(jìn)行位置安全性識(shí)別判斷。

1) 地鐵工程施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)出場(chǎng)及行走路徑判斷。基于地鐵工程施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的位置數(shù)據(jù)，利用計(jì)算模塊對(duì)其進(jìn)行分析，以此獲得作業(yè)人員實(shí)時(shí)的位置坐標(biāo)，取得作業(yè)人員進(jìn)出工地的時(shí)間數(shù)據(jù)，以此得出所有作業(yè)人員的考勤數(shù)據(jù)。利用作業(yè)人員任意時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，虛擬出某時(shí)間段內(nèi)作業(yè)人員的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而判斷識(shí)別作業(yè)人員在施工現(xiàn)場(chǎng)的工作路徑等。

2) 工人不安全位置判定及預(yù)警。基于作業(yè)人員的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)評(píng)估作業(yè)人員的位置是否在安全區(qū)域內(nèi)，并做出實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)警提示。

3.2 作業(yè)人員屬性及裝備數(shù)據(jù)

作業(yè)人員的屬性數(shù)據(jù)是指現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員所屬工種及工作職責(zé)權(quán)限等數(shù)據(jù)信息。作業(yè)人員的裝備數(shù)據(jù)則是指作業(yè)人員在作業(yè)過(guò)程中，所穿戴的安全防護(hù)裝備和施工工具等數(shù)據(jù)。通過(guò)作業(yè)人員屬性和裝備數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的屬性信息，識(shí)別判斷該作業(yè)人員安全防護(hù)裝備穿戴是否完整，并判斷作業(yè)人員在使用作業(yè)工具時(shí)是否滿足規(guī)定要求。該類(lèi)信息可寫(xiě)入集成化定位標(biāo)簽中，故而在作業(yè)人員的安全防護(hù)設(shè)備和工具上也可寫(xiě)入并安裝攜帶該類(lèi)信息的標(biāo)簽。

通過(guò)搜集施工作業(yè)人員的上述數(shù)據(jù)信息，并在計(jì)算模塊里對(duì)其安全性、合理性和規(guī)范性進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷識(shí)別，以此實(shí)現(xiàn)以下功能：

1) 安全裝備佩戴識(shí)別。利用現(xiàn)場(chǎng)安裝的UWB定位基站以及GPS模塊，通過(guò)自動(dòng)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)采集作業(yè)人員攜帶的集成化標(biāo)簽，可識(shí)別判斷現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的屬性，從而輸出該作業(yè)人員的施工權(quán)限，并將其屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷工人是否按要求穿戴安全防護(hù)裝備。

2) 機(jī)械操作權(quán)限識(shí)別。機(jī)械設(shè)備可寫(xiě)入其操作屬性數(shù)據(jù)。當(dāng)作業(yè)人員操作該機(jī)械設(shè)備時(shí)，UWB定位基站將自動(dòng)識(shí)別和判斷機(jī)械設(shè)備屬性和人員屬性數(shù)據(jù)等信息。通過(guò)該功能不僅能實(shí)時(shí)判斷機(jī)械設(shè)備情況，同時(shí)亦能識(shí)別和判斷操作人員是否具備機(jī)械設(shè)備的操作權(quán)限。

3.3 作業(yè)人員危險(xiǎn)動(dòng)作數(shù)據(jù)

作業(yè)人員的行為動(dòng)作數(shù)據(jù)信息是指作業(yè)人員在施工現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)時(shí)，所發(fā)生的動(dòng)作和行為的數(shù)據(jù)信息。該數(shù)據(jù)信息包括可能產(chǎn)生事故的危險(xiǎn)行為，作業(yè)人員在作業(yè)和操作等工作時(shí)不遵守或不完全遵守規(guī)定的操作流程和規(guī)章制度等。目前尚未有較完善的技術(shù)方式可以實(shí)時(shí)監(jiān)管施工作業(yè)人員的危險(xiǎn)動(dòng)作和行為。

4 基于BIM技術(shù)和定位技術(shù)的地鐵施工事故預(yù)警系統(tǒng)

基于BIM技術(shù)和定位技術(shù)的地鐵施工事故預(yù)警系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)為“地鐵施工事故預(yù)警系統(tǒng)”)框架如圖1所示。

圖1 地鐵施工事故預(yù)警系統(tǒng)框架

1) 采集層。采集層即現(xiàn)場(chǎng)的感知層，通過(guò)利用UWB定位基站和GPS，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵工程現(xiàn)場(chǎng)人員及設(shè)備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù)的采集。利用GPS和UWB的定位模塊一方面可將現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境數(shù)據(jù)精確化，另一方面通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝的UWB定位基站或GPS模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的不安全行為監(jiān)控。

2) 數(shù)據(jù)輸入層。數(shù)據(jù)輸入層可處理分析采集層數(shù)據(jù)，并向后續(xù)處理層發(fā)送分析后的數(shù)據(jù)。依據(jù)上述作業(yè)人員和機(jī)械設(shè)備的屬性數(shù)據(jù)等信息，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，可以獲取作業(yè)人員的屬性、位置及安全防護(hù)裝備的佩戴情況等信息。

3) 數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層可對(duì)上一步輸入層初步分析過(guò)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深層次的安全性邏輯判斷分析。依據(jù)上述作業(yè)人員的屬性和防護(hù)裝備的信息數(shù)據(jù)，分析識(shí)別作業(yè)人員安全防護(hù)裝備是否符合規(guī)范要求，不同職責(zé)的作業(yè)人員安全防護(hù)裝備類(lèi)型及佩戴要求會(huì)有不同。通過(guò)分析作業(yè)人員和機(jī)械設(shè)備坐標(biāo)位置信息等數(shù)據(jù)，將作業(yè)人員和機(jī)械設(shè)備在BIM三維場(chǎng)景下的坐標(biāo)位置進(jìn)行展示。

4) 模型應(yīng)用層。模型應(yīng)用層是該框架系統(tǒng)的核心層。該核心層所產(chǎn)生信息數(shù)據(jù)的主要服務(wù)對(duì)象包括：①施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員，其安全性需依據(jù)處理層的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行識(shí)別和判斷：②施工安全管理人員。

模型應(yīng)用層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)基站等組建的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員及安全管理人員利用隨身攜帶的集成化標(biāo)簽接受反饋信號(hào)，通常反饋信號(hào)會(huì)以視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)以及震感的方式實(shí)現(xiàn)。具體工作模式如圖2所示。

圖2 地鐵施工事故預(yù)警系統(tǒng)的工作模式

地鐵施工事故預(yù)警系統(tǒng)利用GPS實(shí)現(xiàn)對(duì)地面施工區(qū)域的定位，然后該系統(tǒng)采集施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)其進(jìn)行判斷、分析、處理、輸出等操作。數(shù)據(jù)信息在服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)以及作業(yè)人員攜帶的集成化標(biāo)簽之間傳輸，從而對(duì)作業(yè)人員的安全性進(jìn)行計(jì)算和識(shí)別。

綜上所述，地鐵施工事故預(yù)警系統(tǒng)可對(duì)不同性質(zhì)的作業(yè)人員及其所處的不安全區(qū)域?qū)崿F(xiàn)諸多功能，如作業(yè)人員坐標(biāo)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)展示、作業(yè)人員安全防護(hù)裝備的佩戴監(jiān)測(cè)、重要施工機(jī)械設(shè)備操作權(quán)限的監(jiān)測(cè)等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工作人員的位置，該系統(tǒng)可以控制不安全區(qū)域中出現(xiàn)非本區(qū)域的工作人員，以及可將該區(qū)域中可能發(fā)生的危險(xiǎn)事故實(shí)時(shí)提示給區(qū)域內(nèi)的工作人員，從而有效地避免各種安全事故的發(fā)生。地鐵施工事故預(yù)警系統(tǒng)的工作流程，如圖3所示。

圖3 地鐵施工事故預(yù)警系統(tǒng)的工作流程

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)集成BIM技術(shù)、GPS技術(shù)和UWB定位技術(shù)，為地鐵工程施工人員不安全行為管控提供了一個(gè)新的、強(qiáng)有力的技術(shù)監(jiān)管手段。構(gòu)建了地鐵施工事故預(yù)警系統(tǒng)，并提出了該系統(tǒng)的 4大基本功能，同時(shí)對(duì)各模塊層的工作機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究成果可為地鐵工程現(xiàn)場(chǎng)施工人員不安全行為預(yù)警，以及后續(xù)相關(guān)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供參考。