基于BIM和WSN的建筑工人高處墜落和觸電危險事故智能預(yù)警系統(tǒng)研究

左睿++孫超++邵聞博

摘 要：基于建筑信息模型和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立了建筑工人高處墜落和觸電事故智能預(yù)警系統(tǒng)，采用基于無線定位技術(shù)的安全管理系統(tǒng)能夠以技術(shù)手段避免人為因素的影響。設(shè)計了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和運行流程。該系統(tǒng)可實現(xiàn)工人實時定位及高處墜落和觸電事故智能預(yù)警。

關(guān)鍵詞：無線定位技術(shù)；事故預(yù)警；建筑信息模型；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

建筑工人高處墜落事故和觸電事故是施工安全的頭號威脅。目前，該類事故在危險源評估及預(yù)測方面已經(jīng)取得一定進(jìn)展[1]。同時，信號預(yù)警、統(tǒng)計預(yù)警、指標(biāo)預(yù)警和模型預(yù)警等預(yù)警方式已經(jīng)在建筑安全事故的預(yù)警中成功應(yīng)用[2]。并且，BIM與RFID在施工安全管理中的運用可行性已經(jīng)被證實[3]，但是，這些研究在預(yù)警針對性、識別主動性、成本控制、可操性、可視化分析能力等方面還存在一些不足，為此，本文構(gòu)建基于BIM和CSS寬帶無線定位技術(shù)的智能預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)施工安全管理的信息化、智能化、可視化。

1、系統(tǒng)需求分析

施工現(xiàn)場現(xiàn)有安全監(jiān)控技術(shù)相對落后，項目部不能實時、全面、形象地掌握施工現(xiàn)場情況[4]，更無法實現(xiàn)事故預(yù)警。所以，系統(tǒng)必須滿足如下功能要求：（1）建筑工人位置信息實時采集。（2）建筑工人高處墜落和高壓電危險區(qū)域可視化分析。（3）事故預(yù)防全員參與。建筑施工項目管理過程復(fù)雜，涉及人員眾多，所以預(yù)警對象及參與人員為所有進(jìn)入施工現(xiàn)場的人員。

2、系統(tǒng)構(gòu)建

2.1系統(tǒng)框架構(gòu)建

智能預(yù)警系統(tǒng)利用先進(jìn)的技術(shù)平臺，能夠?qū)ΜF(xiàn)場工作人員和外來參觀人員做到事先劃定作業(yè)區(qū)域，實時監(jiān)控記錄活動情況，分析活動規(guī)律和趨勢，遇有危險活動及時預(yù)警，事后統(tǒng)計分析，在防范安全事故發(fā)生的同時，大幅度提高整個施工現(xiàn)場的工作效率和管理水平。

該系統(tǒng)由四部分組成：①基于寬帶無線射頻定位技術(shù)CSS的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。RFID、WIFI、ZIGBEE等傳統(tǒng)定位技術(shù)的精度不能令人滿意，有的則價格太高不適合施工現(xiàn)場應(yīng)用。而應(yīng)用CSS技術(shù)，通過信號到達(dá)時間測距和測角度，采用到達(dá)時間差（TDOA）進(jìn)行定位，可以實現(xiàn)最優(yōu)性價比的高精度定位[5]。②基于波形探測感應(yīng)技術(shù)的檢測報警設(shè)備。采用波形探測感應(yīng)技術(shù)，可以有效杜絕一般工作人員或外來人員誤闖危險帶電區(qū)域、造成停電或人員傷亡事故的現(xiàn)象。③與傳感網(wǎng)絡(luò)、檢測設(shè)備協(xié)同互動的高分辨率、可動態(tài)調(diào)節(jié)跟蹤的視頻設(shè)備。④后臺計算機(jī)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

系統(tǒng)結(jié)合了寬帶無線射頻定位、安全檢測與預(yù)警報警、視頻同步記錄監(jiān)視、及BIM建筑信息系統(tǒng)模型領(lǐng)域的最新科技成果，具有傳統(tǒng)安全作業(yè)管理無法比擬的優(yōu)勢。其主要特點如下：①人員及移動物體的實時定位與監(jiān)控。②實時探測。③高定位精度。④全程視頻圖像跟蹤監(jiān)視。⑤定位穩(wěn)定。⑥良好的抗多路徑效應(yīng)。⑦組網(wǎng)靈活。⑧節(jié)能設(shè)計。⑨強(qiáng)大的作業(yè)安全管理功能。

2.2系統(tǒng)的工作模式

系統(tǒng)具有現(xiàn)場需要的多種工作模式，如巡視模式、參觀模式、檢修模式、操作模式和探測模式等，不同模式下的監(jiān)控側(cè)重點有所不同。同時，也可以根據(jù)新的運行管理模式需求，擴(kuò)充新的工作模式。

2.3系統(tǒng)初始化設(shè)置

系統(tǒng)平臺構(gòu)建完成后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，定義相關(guān)規(guī)則及屬性。根據(jù)功能需求分析及該預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合施工現(xiàn)場安全管理的實際需要，進(jìn)行如下初始化工作，并將相關(guān)設(shè)置輸入預(yù)警系統(tǒng)。

（1）危險區(qū)域定義。

根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，將施工現(xiàn)場劃分為Ⅰ～Ⅳ共4個危險等級。

（2）BIM模型建立。

本系統(tǒng)在實施前必須根據(jù)傳統(tǒng)的二維圖紙建立BIM模型，以此實現(xiàn)將二維視圖向三維視圖的轉(zhuǎn)化。BIM模型也是本系統(tǒng)可視化的載體，現(xiàn)場的所有實時信息以及預(yù)警信息均將在BIM模型中體現(xiàn)[6]。

（3）主要工作流程：

首先在后臺監(jiān)控計算機(jī)上對需要對現(xiàn)場工作人員和進(jìn)入施工現(xiàn)場的其他工作人員進(jìn)行身份注冊，驗證信息后設(shè)定他要領(lǐng)取的移動終端的編號，并根據(jù)工作人員需要執(zhí)行的操作設(shè)定對應(yīng)的工作路線、工作時間、工作區(qū)域、危險區(qū)域等；工作人員進(jìn)入施工現(xiàn)場后通過寬頻無線定位網(wǎng)絡(luò)，將定位數(shù)據(jù)傳遞給前置機(jī)，前置機(jī)按照定位算法通過計算確定工作人員的當(dāng)前位置，一方面根據(jù)已設(shè)定的危險間隔判斷當(dāng)前位置是否合法，不合法則向工作人員發(fā)送相應(yīng)的報警信息；另一方面將工作人員的當(dāng)前位置信息發(fā)送給后臺監(jiān)控系統(tǒng)，在施工現(xiàn)場平面圖上將工作人員的位置坐標(biāo)顯示出來，便于后臺監(jiān)控人員的觀察。同時，施工現(xiàn)場內(nèi)工作人員的行進(jìn)路線等信息將保存在數(shù)據(jù)庫中，日后可以通過動態(tài)方式重新查看其工作路線，實現(xiàn)了對施工現(xiàn)場工作人員的有效監(jiān)督[7]。

4結(jié)語

本文建立的智能預(yù)警系統(tǒng)集成了BIM與WSN技術(shù)，可實現(xiàn)實時定位及智能預(yù)警。將CCS無線定位技術(shù)應(yīng)用于施工現(xiàn)場的作業(yè)安全管理，用技術(shù)手段替代人工管理，對于施工現(xiàn)場的安全運行具有開創(chuàng)性的意義。

參考文獻(xiàn)

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[6]張涇杰，韓豫，馬國鑫，韓詩純.基于BIM和RFID的建筑工人高處墜落事故智能預(yù)警系統(tǒng)研究[J].工程管理學(xué)報，2015.29（6）：17-21.

[7]谷月雁，司剛，劉清瑞.無線定位技術(shù)在變電站作業(yè)安全管理中的應(yīng)用[J].電氣技術(shù).2012（12）：78-81.

作者簡介：左睿（1983-），男，湖南省人，碩士研究生畢業(yè)，工程師，從事電力自動化運行的專業(yè)研究與工廠供配電設(shè)計工作。