基于BIM與WSN技術(shù)的塔吊安全管理實(shí)施監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)研究*

張彬彬

(上海市地下空間設(shè)計(jì)研究總院有限公司，上海200000)

0 引言

隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)形式及施工工序日益復(fù)雜，施工現(xiàn)場塔吊安全事故頻發(fā)，為工地現(xiàn)場的安全管理帶來了愈加復(fù)雜的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患[1]。2017年6月16日，上海虹橋商務(wù)區(qū)淮虹路申虹路某工地，塔吊作業(yè)時(shí)發(fā)生倒塌事故，造成2人受傷；2017年7月5日，江蘇省張家港市楊舍鎮(zhèn)匯金中心工地發(fā)生塔吊倒塌事故，造成1人死亡，4人受傷；2017年7月22日，珠海區(qū)振興大街16號一在建工地發(fā)生塔吊傾斜倒塌事故，造成7人死亡，2人受傷，等等。大量研究發(fā)現(xiàn)造成風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的直接原因就是危險(xiǎn)源，它是事故鏈的起端，因此對現(xiàn)場塔吊展開危險(xiǎn)源管理工作十分必要。然而，面對現(xiàn)場塔吊施工日趨復(fù)雜的形勢，傳統(tǒng)的管理方法已不能滿足現(xiàn)代安全管理動態(tài)、快速、準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)識別、評估、預(yù)警的需求，難以有效降低工地塔吊安全事故的發(fā)生率[1-3]。

近年來，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信等信息技術(shù)的發(fā)展為提高建筑工程建設(shè)安全管理提供了新的手段和途徑，其中BIM技術(shù)居于舉足輕重的地位，也是當(dāng)前安全管理的一個(gè)重要研究方向。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)同性、綜合性的特性，基于BIM技術(shù)能夠?qū)F(xiàn)場所有的動態(tài)安全信息進(jìn)行集成，能夠?yàn)槭┕がF(xiàn)場的安全問題進(jìn)行溝通和協(xié)調(diào)提供統(tǒng)一的平臺。

同時(shí)，需要注意的是，單純的BIM技術(shù)應(yīng)用較難滿足現(xiàn)場安全管理的需求，其與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，尤其是與無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，極大地提高了BIM技術(shù)的價(jià)值，為現(xiàn)場的安全管理手段提供了“感知器官”。通過BIM技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如RFID、ZigBee和UWB技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場安全信息的實(shí)時(shí)自動化動態(tài)收集，因此應(yīng)用BIM技術(shù)和WSN技術(shù)解決施工現(xiàn)場安全管理問題將會是一大發(fā)展趨勢。

許多專家學(xué)者對BIM技術(shù)在安全管理方面的應(yīng)用進(jìn)行了較多的理論研究和實(shí)踐。郭紅玲等使用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場施工人員的動態(tài)定位，并提出了基于BIM技術(shù)和RFID技術(shù)的施工現(xiàn)場工人定位系統(tǒng)模型[4]。劉文平引入GPS定位技術(shù)和UWB定位技術(shù)分別對施工現(xiàn)場室外目標(biāo)和室內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行定位，提出適用于施工現(xiàn)場的綜合定位方法[5]。張建平等結(jié)合BIM技術(shù)，分析了塔吊對施工人員的威脅，并對施工現(xiàn)場物理碰撞檢測進(jìn)行了分析和提示[6]。MERIVIKTA等(2011)提出用于展現(xiàn)施工進(jìn)度計(jì)劃和建筑模型統(tǒng)一的4D-BIM技術(shù)，并提出BIM可以用于工地通信[7]。PARK等(2013)提出了建筑安全管理和可視化系統(tǒng)的框架，通過對BIM、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和游戲技術(shù)(GAME)的集成，建立了安全管理可視化系統(tǒng)(SMVS)[8]。AZHAR等(2013)使用BIM技術(shù)將施工安全問題和施工計(jì)劃進(jìn)行緊密連接，允許項(xiàng)目參與者直觀地評估現(xiàn)場條件和識別風(fēng)險(xiǎn)，提供足夠時(shí)間制定風(fēng)險(xiǎn)緩解計(jì)劃等[9]。

然而上述研究內(nèi)容主要是應(yīng)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)源的自動識別、施工現(xiàn)場布置與安全計(jì)劃、施工臨時(shí)設(shè)施和部分危險(xiǎn)部位的安全檢查、現(xiàn)場安全交底和溝通、事故應(yīng)急處置模擬，基于BIM技術(shù)的塔吊安全管理的研究比較少。本文構(gòu)建了基于BIM與WSN技術(shù)的塔吊安全管理實(shí)施監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)框架，梳理系統(tǒng)運(yùn)行流程、系統(tǒng)功能應(yīng)用模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程，并分析論述該系統(tǒng)的各組成部分，以期最大限度地為基于BIM的塔吊安全管理實(shí)施監(jiān)測與預(yù)警等相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。

1 塔吊安全事故預(yù)警系統(tǒng)模型構(gòu)建

塔吊安全事故預(yù)警模型如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要是利用傳感器實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括：施工人員和塔吊運(yùn)動數(shù)據(jù)的采集；安全事故、項(xiàng)目信息庫、項(xiàng)目案例數(shù)據(jù)的采集；塔吊安全預(yù)警系統(tǒng)使用者需輸入的數(shù)據(jù)，如塔吊載重預(yù)警值、人員安全運(yùn)動范圍值等。

1.2 數(shù)據(jù)處理層

UWB或傳感器收集過來的數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過處理過濾，如轉(zhuǎn)換格式等，還需要對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督和管理。所收集的數(shù)據(jù)在與BIM進(jìn)行交互時(shí)需要采用IFC標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)進(jìn)行交互時(shí)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、識別和匹配，這樣才能產(chǎn)生符合BIM模型需要的數(shù)據(jù)，將收集的數(shù)據(jù)與模型載體進(jìn)行關(guān)聯(lián)掛接，為事故預(yù)警提供基礎(chǔ)支持。

1.3 模型層

模型層是塔吊安全預(yù)警的核心層，通過構(gòu)建建筑三維實(shí)體模型、安全管理模型、動態(tài)模擬效果模塊(如4D和5D展示)、人力資源、構(gòu)件信息資源等模塊，使系統(tǒng)具有多維度、可視化的特性，并且各模塊之間通過IFC統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通。

圖1 塔吊安全預(yù)警系統(tǒng)總體框架

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層是塔吊安全管理系統(tǒng)的功能模塊，是系統(tǒng)在模型層基礎(chǔ)上的具體應(yīng)用及功能體現(xiàn)，主要包括：4D動態(tài)模擬、人-塔吊動態(tài)監(jiān)控、施工中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、安全分析與預(yù)警4個(gè)部分。

1.5 用戶層

用戶層是塔吊安全管理系統(tǒng)的使用者，也是該系統(tǒng)的參與者。系統(tǒng)中對于人的監(jiān)控對象就是用戶層，主要包括管理者、安全員、一般塔吊工作人員、特殊塔吊工作人員、施工人員。

同時(shí)，對于人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控主要是對人員位置的監(jiān)控，需要對人員位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取。人員實(shí)時(shí)位置信息需求見表1。

表1 人員實(shí)時(shí)位置信息需求

2 系統(tǒng)運(yùn)行流程

基于BIM和WSN技術(shù)的塔吊安全實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 塔吊安全預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

數(shù)據(jù)收集處理階段主要是實(shí)時(shí)動態(tài)收集人員的位置信息數(shù)據(jù)，傳感器負(fù)責(zé)收集塔吊的運(yùn)行信息數(shù)據(jù)，如塔吊力矩、載重、轉(zhuǎn)角等，并利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效性分析。

處理好的數(shù)據(jù)通過BIM模型載體，實(shí)時(shí)動態(tài)集成到BIM模型中，利用數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)對人員和塔吊施工信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場人員位置信息和塔吊的運(yùn)行信息。

當(dāng)系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)表明塔吊的運(yùn)動威脅人員的安全時(shí)，系統(tǒng)會立即發(fā)出聲光預(yù)警信號，現(xiàn)場相關(guān)人員立即采取安全管控措施，及時(shí)消除危險(xiǎn)，待安全危險(xiǎn)因素解除之后系統(tǒng)會自動停止安全預(yù)警。

3 系統(tǒng)應(yīng)用模塊

基于BIM與WSN的塔吊安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用模塊主要包括：安全教育系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、安全預(yù)警系統(tǒng)、應(yīng)急救援系統(tǒng)。各模塊所包含的應(yīng)用功能如圖3所示。

3.1 安全教育系統(tǒng)

安全教育系統(tǒng)的目的是通過三維可視化的手段對工人進(jìn)行安全教育，通過對施工現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)行虛擬展示，對施工工序的可視化模擬，提供各工序的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范和要求，使工人在進(jìn)場施工之前切身熟悉現(xiàn)場的實(shí)際施工情況，掌握滿足施工規(guī)范要求的操作行為，并且通過塔吊危險(xiǎn)源可視化管理實(shí)現(xiàn)對塔吊危險(xiǎn)源的三維可視化展示，以此多方位多角度提高施工人員的安全防范意識和知識，杜絕安全事故的發(fā)生。

3.2 安全監(jiān)控系統(tǒng)

安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對塔吊運(yùn)行的監(jiān)控，及時(shí)掌握塔吊運(yùn)行過程中的危險(xiǎn)值及區(qū)域，并對危險(xiǎn)做出反映。塔吊防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)主要是監(jiān)控多塔吊之間的碰撞，防止多塔吊發(fā)生碰撞事故；塔吊高處墜物監(jiān)控系統(tǒng)主要是監(jiān)控塔吊的載重是否超過預(yù)警及報(bào)警值，當(dāng)傳感器獲取的載重?cái)?shù)據(jù)達(dá)到相應(yīng)的報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)會進(jìn)行自動及時(shí)報(bào)警；塔吊違規(guī)操作監(jiān)控系統(tǒng)主要是對塔機(jī)司機(jī)的行為進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)塔司操作出現(xiàn)不滿足規(guī)范要求的行為時(shí)，系統(tǒng)會及時(shí)將數(shù)據(jù)反饋給相關(guān)管理者；塔吊安拆安全監(jiān)控系統(tǒng)是對塔吊安裝和拆除過程進(jìn)行監(jiān)控，這也是塔吊發(fā)生事故的兩個(gè)關(guān)鍵階段。

3.3 安全預(yù)警系統(tǒng)

安全預(yù)警系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)的警報(bào)，特別是當(dāng)塔吊的運(yùn)行區(qū)域威脅施工人員的安全時(shí)，該系統(tǒng)會及時(shí)自動發(fā)出預(yù)警警報(bào)。安全預(yù)警系統(tǒng)的及時(shí)準(zhǔn)確與否，很大程度上取決于其子模塊安全警報(bào)發(fā)送系統(tǒng)、安全警報(bào)反饋系統(tǒng)、安全模型更新機(jī)制3個(gè)方面工作的處理情況。

圖3 塔吊安全預(yù)警系統(tǒng)功能應(yīng)用模塊

3.4 應(yīng)急救援系統(tǒng)

應(yīng)急救援系統(tǒng)是事故發(fā)生之后，現(xiàn)場能夠及時(shí)采取相應(yīng)的救援措施使損失降到最小。這就需要眾多的BIM案例及項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫，及時(shí)提出應(yīng)急救援預(yù)案，并制定有效的處理機(jī)制，在事故發(fā)生后及時(shí)報(bào)警，聯(lián)系并指引救護(hù)車及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

數(shù)據(jù)流程主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)處理、BIM數(shù)據(jù)系統(tǒng)等過程。塔吊安全預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖4 塔吊安全預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程

4.1 設(shè)備數(shù)據(jù)采集過程

UWB負(fù)責(zé)采集人員位置信息數(shù)據(jù)，并記錄人員位置軌跡。各類傳感器負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場塔吊運(yùn)行信息數(shù)據(jù)，并記錄塔吊的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)整理過程

該過程主要負(fù)責(zé)對收集的各類數(shù)據(jù)，按照IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，去除不必要的數(shù)據(jù)信息，提高信息數(shù)據(jù)的利用效率。

4.3 信息交互模塊

信息交互模塊是塔吊安全管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程的核心，傳感器與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)信息交互，需要了解掌握各類傳感器的API接口，但不同傳感器的數(shù)據(jù)傳輸格式不同，需要制定各類傳感器的統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸格式，以保證數(shù)據(jù)信息交互的可行性。

4.4 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要是對現(xiàn)場硬件設(shè)備收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效的處理和分析，準(zhǔn)確判斷人員及塔吊的現(xiàn)場工作情況。此外，該模塊也能處理用戶手動輸入的數(shù)據(jù)，判定人員或塔吊的情況。同時(shí)，還需要處理BIM系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息。該模塊是整個(gè)系統(tǒng)中的重中之重。

5 結(jié)語

建筑業(yè)塔吊事故頻發(fā)。本文結(jié)合塔吊安全管理的發(fā)展?fàn)顩r以及BIM與WSN技術(shù)相結(jié)合輔助現(xiàn)場安全管理的優(yōu)勢，即可視化、集成化、實(shí)時(shí)性等，構(gòu)建了基于BIM與WSN技術(shù)的塔吊安全管理實(shí)施監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)框架，分析了該框架系統(tǒng)的實(shí)施流程和數(shù)據(jù)流程，并對系統(tǒng)的功能應(yīng)用模塊進(jìn)行了論述，可為建筑業(yè)相關(guān)單位對施工過程中的塔吊安全管理系統(tǒng)的開發(fā)提供新的解決思路和途徑，并有利于BIM與WSN技術(shù)在建筑業(yè)的有效實(shí)施及推廣，以及將BIM與WSN技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用價(jià)值最大化。

[1]趙亞斌.淺談建筑施工現(xiàn)場塔吊的安全管理[J].智能城市，2017(10)：113.

[2]呂紅安，王鵬，馮柳，等.建設(shè)工程施工危險(xiǎn)源的辨識、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與控制[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版)，2006，23(1)：43-45.

[3]杜海.淺述特種設(shè)備(塔吊)機(jī)械設(shè)備的安全管理[J].江西建材，2014(5)：281-283.

[4]郭紅領(lǐng)，于言滔，劉文平，等.BIM和RFID在施工安全管理中的集成應(yīng)用研究[J].工程管理學(xué)報(bào)，2014(4)：87-92.

[5]劉文平.基于BIM與定位技術(shù)的施工事故預(yù)警機(jī)制研究[D].北京：清華大學(xué)，2015.

[6]張建平，胡振中.基于4D技術(shù)的施工期建筑結(jié)構(gòu)安全分析研究[J].工程力學(xué)，2008(S2)：204-212.

[7]MERIVIRTA M L，SULANKIVI K，KIVINIEMI M，et al.BIM-based safety management and com-munication for building construction[J].VTT Tiedotteita-Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus，2011(2597)：110-123.

[8]PARK C S，KIM H J.A framework for construction safety man-agement and visualization system[J].Automation in Construction，2013(33)：95-103.

[9]AZHAR S，BEHRINGER A.A BIM-based approach for com-municating and implementing a construction site safety plan[J].ASC Annual International Conference Proceedings，2013(49)：68-76.