基于BIM與AR的施工安全管理系統(tǒng)構建

曹 洋，蘇振民，金少軍

(1.南京工業(yè)大學 經濟與管理學院，江蘇 南京 211816；2.江蘇省建設工程質量監(jiān)督總站，江蘇 南京 210036)

隨著施工現(xiàn)場環(huán)境的復雜程度不斷提高、建設項目的規(guī)模不斷擴大，傳統(tǒng)的安全管理方法如事前安全培訓、事中安全檢查等已經不再完全適用[1]。因此，亟需改變現(xiàn)有的安全管理方式，而且現(xiàn)代信息技術的快速發(fā)展，也為施工安全管理提供了新的思路。

建筑信息模型(building information modeling，BIM)、物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IOT)及無線傳感器等作為當下火熱的技術，國內外學者對這些技術進行了眾多研究并在安全管理實踐中進行利用。如PUERTO 等[2]使用BIM分析出設計階段可能導致安全隱患的問題；劉國買等[3]基于ZigBee、RFID及視頻檢測技術，與隧道施工特點相結合，設計了隧道安全管理與定位系統(tǒng)；王學琛等[4]基于物聯(lián)網(wǎng)技術，開發(fā)出一套煤礦安全風險監(jiān)測預警體系；RIAZ等[5]結合BIM與無線傳感技術(wireless sensor network，WSN)，對工人在施工過程中的不安全狀態(tài)進行實時預警。

以上研究或關注項目環(huán)境所帶來的安全風險，或關注工人的不安全行為所帶來的風險，在一定程度上解決了安全管理上的困難。 但是這些研究技術都只能通過二維屏幕來顯示，無法將施工現(xiàn)場復雜多變的情況呈現(xiàn)在現(xiàn)場施工人員面前，實現(xiàn)現(xiàn)場施工人員與 BIM的實時交互[6]。SACKS等指出風險識別很大程度上依賴于施工過程中感知潛在危險的能力[7]，并通過實例證明了處在虛擬環(huán)境中的工人相較于通過圖片來學習的工人而言，能夠識別出更多的危險[8]。

增強現(xiàn)實技術(augmented reality，AR)是一種新型的計算機技術，能夠使抽象的東西具體化，給用戶帶來較大的視覺沖擊，加深理解和記憶，因此將AR作為BIM技術的延伸，可以將BIM的價值最大化[9]。針對這一特點，筆者擬引入AR技術，作為BIM技術的補充，集成BIM與AR構建施工安全管理系統(tǒng)，以進一步完善現(xiàn)場施工安全管理，減少施工安全事故的發(fā)生。

1 BIM與AR的概述

1.1 建筑信息模型BIM

建筑信息模型是以建筑工程項目的各項相關信息數(shù)據(jù)作為基礎，通過創(chuàng)建相應的三維模型和數(shù)字信息仿真模擬，將建筑物所具有的真實信息表達出來。目前，業(yè)界基于BIM及相關信息技術，從建筑的設計、施工前、施工和運營4個階段進行了安全管理研究。盡管BIM已經得到了廣泛的應用，但是現(xiàn)階段的BIM只是充當了二維圖和相關輔助資料的角色，難以結合復雜多變的施工現(xiàn)場環(huán)境，用戶期望將虛擬信息和真實世界疊加起來以加強理解[10]。

1.2 增強現(xiàn)實技術AR

增強現(xiàn)實是一種虛擬環(huán)境嵌入真實環(huán)境的真實畫面的環(huán)境[11]，并且借助顯示設備實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界的融合，呈現(xiàn)給使用者一個視覺效果真實的環(huán)境[12]。MILGRAM[13]針對虛擬環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境提出了現(xiàn)實-虛擬連續(xù)(reality-virtuality (RV) continuum)這一概念，變化區(qū)間如圖1所示。圖1左側為任何僅由真實對象組成的環(huán)境，包括直接觀察真實世界場景或者通過某種窗口，亦或是通過某種視頻顯示所觀察到的任何東西，稱之為完全真實的環(huán)境。圖1右側為只包含虛擬對象的環(huán)境，如傳統(tǒng)的計算機圖形模擬。

圖1 混合現(xiàn)實連續(xù)變化區(qū)間

兩者之間即為混合現(xiàn)實，增強現(xiàn)實與增強虛擬都是混合現(xiàn)實的一部分。增強現(xiàn)實技術與虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術的主要區(qū)別在于增強現(xiàn)實技術并不會將使用者與真實環(huán)境相互剝離，使用者身處在真實環(huán)境的同時還能夠看到在真實環(huán)境上所疊加的虛擬信息[14]，從而提高使用者對虛擬模型的感知能力。

目前，國外的AR技術已經在建筑設計和維護、制造業(yè)、訓練、醫(yī)療、3D視頻會議、計算機輔助教學、娛樂等領域得到了大量的應用[15]；而在國內，建筑行業(yè)還未真正開始應用AR技術。

2 基于BIM與AR的施工安全管理系統(tǒng)架構

高效的安全管理需要對建筑施工項目安全信息進行高效收集及處理以實現(xiàn)最后的預警。因此，將施工安全管理系統(tǒng)劃分成信息收集模塊、信息處理模塊和安全預警模塊3個模塊，系統(tǒng)結構如圖2所示。

2.1 信息收集模塊

信息收集模型涉及的項目安全施工信息主要包括3個部分：建筑實體信息、項目環(huán)境信息、安全知識信息，這些信息都將存儲于BIM數(shù)據(jù)庫中。建筑實體信息即建筑信息模型，主要包括建筑結構尺寸、材料信息等。建筑施工現(xiàn)場環(huán)境復雜多樣，僅依靠建筑實體信息并不能完整地獲得項目安全施工所需的信息。項目環(huán)境信息首先通過RFID收集現(xiàn)場人員、材料、施工機械的位置和身份類信息，通過WSN技術獲取施工現(xiàn)場周圍的環(huán)境狀況，如含氧量、溫度等。同時WSN較RFID具有更強的抗干擾能力，傳輸距離也更遠，因此將RFID和WSN結合起來組成功能更加強大的信息收集系統(tǒng)[16]。安全知識信息一方面包括了安全準則和安全操作規(guī)范，例如“乙炔瓶的環(huán)境溫度不得超過40 ℃，夏季應防止暴曬”，另一方面包括了以往的事故記錄和優(yōu)秀的施工經驗，這一類信息可以通過本體技術輸入到BIM數(shù)據(jù)庫當中。

圖2 施工安全管理系統(tǒng)結構圖

圖3 施工安全信息

3類項目安全信息相互之間存在著緊密的聯(lián)系，如圖3所示，通過BIM模型獲取的建筑實體信息給項目環(huán)境信息與安全知識信息提供了建筑結構信息，包括建筑結構尺寸、材料信息等；而建筑物所在地的環(huán)境信息和安全知識信息，豐富了建筑實體的信息數(shù)據(jù)庫。且項目環(huán)境信息和安全知識信息相輔相成，如安全規(guī)范中要求“隧道、人防工程、高溫、有導電粉塵和狹窄場所，照明電壓不應大于36V；潮濕和易觸及照明線路場所，照明電壓不應大于24 V”[17]，當實際施工中探測到相似環(huán)境信息時，安全知識信息將自動提醒，這樣可確保在不同的環(huán)境中操作符合規(guī)范。

2.2 信息處理模塊

信息處理模塊是整個系統(tǒng)的核心模塊，通過處理收集到的信息數(shù)據(jù)，將信息整合成能夠為AR應用程序所識別的AR模型。這一模塊可以分為3個過程，信息處理過程如圖4所示。

(1)初步概念階段。這一階段為BIM準備階段，針對不同專業(yè)建立專業(yè)BIM模型，也就是建筑實體信息，為方便不同專業(yè)之間的信息交換，通常采用工業(yè)基礎類數(shù)據(jù)模型標準，即IFC格式。最后將各專業(yè)模型整合成完整的建筑信息模型。

(2)數(shù)字化模型階段。針對實際施工中的現(xiàn)場需要，現(xiàn)場管理人員將初步概念階段的模型拆分成創(chuàng)建AR所需要的不同的虛擬場景，即3D結構模型、4D施工模型，同時載入本體工程中所輸入的安全知識信息，即2D文本信息。而這一過程需要將IFC格式轉化為OBJ/MTL格式，再導入至3ds MAX進行深度加工和處理，最后導出可供AR識別和應用的L3D文件。

(3)目標建筑物模型階段。上一階段已經得到了AR建筑模型中所需的虛擬場景模型，但是要建立一個完善的AR建筑模型還需要位置信息和真實場景，即項目環(huán)境信息。在這一階段，首先利用信息技術得到真實場景的位置信息，整合虛擬場景模型，得到該位置上的虛擬場景，再使用Wikitude與真實場景合成，得到最終虛實結合的AR建筑模型。

Wikitude為AR開發(fā)提供了一個健壯的平臺，因為其所有開發(fā)特性都可通過開放源碼軟件開發(fā)工具包(SDK)獲得，SDK允許對其源代碼進行完全定制。因此，這使得諸如基于地理的跟蹤、云識別和雷達等高級特性，可以為移動設備應用程序開發(fā)。

在最后的現(xiàn)場使用過程中，文本、圖像、3D模型或視頻，一旦創(chuàng)建并上傳到云數(shù)據(jù)庫，將會加入到AR模型中，用戶可以通過任何支持相機的設備(智能手機、iPad等)的AR應用程序進行瀏覽，也可通過可穿戴智能設備(如HoloLens頭盔，Google Glass等)進行瀏覽。

圖4 信息處理過程

在施工過程中，不僅涉及到高處墜落的風險，還存在物體打擊、機械傷害等安全隱患，這就對增強系統(tǒng)捕捉重力構件和移動計算能力提出了較高的要求，因此需要實時、準確地獲取攝像機位置和姿勢?？紤]到攝像機位置獲取的實時性，在施工過程中主要采用基于傳感器的跟蹤注冊技術[18]?；趥鞲衅鞯母欁约夹g主要是利用磁場傳感器、超聲波傳感器及機械傳感器等對攝像機進行跟蹤定位[19]。其中磁場傳感器可以依據(jù)磁發(fā)射信號與磁感應信號之間的耦合關系獲得被測物體的空間方向信息，從而確定施工人員與大型機械的相對位置信息；而超聲波傳感器則根據(jù)聲元的相位差、時間差等捕捉物體的位置。因此，利用傳感器來獲取攝像機、大型施工機械及其他物體位置信息的技術算法相對簡單，獲取速度也較快，很好地滿足了施工安全預警的要求。

2.3 安全預警模塊

造成事故的主要因素分為危險場地環(huán)境、工人不安全行為、不安全作業(yè)順序和高風險設備操作4類[20]。為解決這4類事故因素，安全預警模塊主要包含了兩個單元：人員操作培訓單元和危險區(qū)域識別單元。

(1)人員操作培訓單元?，F(xiàn)在的大型施工項目中出現(xiàn)的事故大多是由于工人沒有按照相關規(guī)范進行操作而引起的。同時，施工人員缺乏標準的培訓方案，往往采用“師傅帶徒弟”的方式，這就造成了每個工人對于施工安全的理解存在差異，而AR技術將使這種情況得到改善。

施工準備前，利用AR的沉浸式特點，對工人進行安全教育培訓，模擬工程中的安全風險點，讓工人在施工前知曉該操作相關的安全風險。當工人進入施工地點準備施工時，AR設備可以將當前的施工環(huán)境和已經搭建完成的模擬施工節(jié)點進行交互式顯示，指導工人按照正確的規(guī)范進行施工。而工人在實際施工中，可以將現(xiàn)場操作情況反饋至BIM數(shù)據(jù)庫中，一旦發(fā)生不可預期的安全事故，仍可將該過程記錄下來，以充實BIM數(shù)據(jù)庫，為將來的工作提供更加豐富的指導。

(2)危險區(qū)域識別單元?，F(xiàn)階段，僅僅憑借個人經驗判斷施工現(xiàn)場是否存在安全隱患是十分困難的，同時即使工人意識到了危險，也會因為對安全的認知不足，而忽略這些危險。當工人進入施工現(xiàn)場，通過隨身攜帶的AR設備顯示之前信息收集模塊所收集到的現(xiàn)場附近的危險源清單，這樣工人在施工前可以清晰地了解到自己所處環(huán)境是否安全。而當工人處在施工地點時，根據(jù)BIM數(shù)據(jù)庫中對于不安全區(qū)域的界定規(guī)則，識別出工人是否處于危險區(qū)域，一旦工人進入危險區(qū)域，系統(tǒng)將啟動安全警報。

當工人到達施工地點后，BIM數(shù)據(jù)庫將該工序的施工規(guī)范導入AR設備，工人可以觀看到疊加在真實環(huán)境基礎上的虛擬影像，系統(tǒng)根據(jù)信息處理的結果，根據(jù)不同的風險等級發(fā)出不同的警告。如當工人距離未設有保護欄桿的洞口0.6 m以內時，系統(tǒng)辨別為高危險，工人在AR中看到的景象將是紅色，并標記出撤回安全地點的路線，同時系統(tǒng)告知安全管理人員采取應急措施；當人員處于距離洞口0.6～1.5 m范圍內時，為安全隱患區(qū)域，對應為中等危險，AR影像顯示黃色，提醒工人注意安全，并把相關情況反映給安全管理人員；當距離洞口1.5 m以外時，AR影像顯示正常，各相關人員無需采取措施。

在現(xiàn)場環(huán)境方面，如當工人使用乙炔瓶時，現(xiàn)場環(huán)境如果超過40℃，AR影像顯示紅色，當前環(huán)境溫度已超過施工允許的范圍，提醒工人停止施工，并采取相應措施；而當溫度低于35℃時，AR影像顯示綠色，允許正常施工。

通過利用該安全管理系統(tǒng)，工人在施工之前就可以準確地識別到安全風險地點，更好地理解施工現(xiàn)場的安全預防措施；施工過程中做到安全風險實時可視化，加強了工人與BIM以及管理人員的有效溝通，同時也可以減少用于監(jiān)督的時間和勞動。

3 系統(tǒng)功能分析

安全管理系統(tǒng)流程如圖5所示，可以看出整個安全管理系統(tǒng)運行流程大致分為3個階段：施工前、施工中和施工后。在正式施工前，現(xiàn)場各參與方的管理人員與施工人員對具有安全隱患的作業(yè)過程、安全風險點和區(qū)域進行交底。針對工程中的安全風險點，利用AR對工人進行培訓，讓工人了解相關施工點的安全規(guī)范，待培訓合格后方可進入施工現(xiàn)場。

進入施工現(xiàn)場后，工人佩戴的AR設備將指導工人按照安全規(guī)范施工，并根據(jù)工人所處環(huán)境進行判斷，一旦工人進入了系統(tǒng)認定的危險區(qū)域，預警模塊將對工人發(fā)出警報，并通知安全管理人員采取相應的措施，以確保工人在安全的狀態(tài)下完成相應的工作。施工結束后，可以將工人的整個施工狀態(tài)上傳至BIM數(shù)據(jù)庫，安全管理小組對其進行分析，更新安全信息。

圖5 安全管理系統(tǒng)流程

3.1 施工前的風險檢查和教育培訓

正式施工前，現(xiàn)場各參與方的管理人員與施工人員對具有安全隱患的作業(yè)過程、安全風險點和區(qū)域進行交底。雖然現(xiàn)階段，依靠Navisworks已經能夠通過二維屏幕實現(xiàn)虛擬建設，但是依靠AR，管理人員可以在貼近真實的虛擬環(huán)境中更加容易地理解現(xiàn)場存在的危險，并將信息傳遞給施工工人。

缺乏適當?shù)呐嘤柺菍е鹿と宋ｋU行為的因素之一，沒有受過良好訓練的工人往往不善于識別危險活動。施工前根據(jù)已經虛擬建設識別出來的安全風險點，對施工人員進行教育培訓，以便其在安全的狀態(tài)下準確高效地完成相應的施工任務。針對關鍵的安全風險控制點，利用已經構架完成的建筑實體模型，模擬施工工序，制作相應的三維影像，然后借助AR技術將三維影像疊加到真實環(huán)境中，通過AR設備將其完整地呈現(xiàn)在用戶面前。AR技術不僅解決了工人無法憑借二維圖紙想象安全風險和操作規(guī)范的困難，還調動了工人的積極性，促使其融入到現(xiàn)場環(huán)境中。

3.2 施工中的現(xiàn)場指導和預警可視化

雖然施工前識別了安全風險，也對工人進行了培訓，但是實際工作時情況復雜多變，僅依靠培訓是不夠的。因此，現(xiàn)場實時指導不可缺少，可有效避免工人在施工過程中因操作失誤而引發(fā)的不安全事故。在施工過程中，如果工人對某一項施工工序存在理解上的困難，可以通過AR技術將施工規(guī)范操作動畫呈現(xiàn)在工人眼前，以提供實時的指導，借此幫助工人準確完成工作。

施工過程中，系統(tǒng)依靠現(xiàn)場信息收集裝置收集到的信息判斷工人是否處于危險狀態(tài)。以往的研究中，這些信息都只能通過二維屏幕展示給后方的安全管理人員，這可能導致安全管理人員發(fā)出了指令，但是施工人員未能及時理解指令的問題。而該系統(tǒng)中，工人可以通過AR設備看到自己面臨的危險，同時虛擬環(huán)境可以給工人提示正確的救援措施，避免出現(xiàn)理解上的偏差。

3.3 施工后的信息反饋更新

施工完成后，整個施工過程中的操作信息都會被記錄下來，并傳遞至BIM數(shù)據(jù)庫中。針對信息庫中的信息，安全管理人員再進行分析，如針對工人的不安全行為進一步細化，將出現(xiàn)的不安全的施工動作劃為不安全行為，以不斷豐富BIM數(shù)據(jù)庫，形成最終的安全信息數(shù)據(jù)庫，為以后的項目提供可靠的依據(jù)。

4 結論

現(xiàn)階段，一些新技術的出現(xiàn)使得在現(xiàn)場收集信息的能力大大增強，一方面通過收集現(xiàn)場的環(huán)境信息預測存在的風險因素，另一方面通過收集工人的信息來加強安全管理工作。但是，現(xiàn)場收集到的信息都反映在二維屏幕上，相關的BIM信息無法與工人實現(xiàn)交互，致使工人未必能夠完全理解相關信息。另外，人在虛擬環(huán)境中的感知與在真實世界的感知是不一樣的，通過疊加在真實環(huán)境中的虛擬環(huán)境比通過傳統(tǒng)的圖片學習更加有效。筆者結合BIM技術和顯示增強技術構建了安全管理系統(tǒng)，在真實的世界進行場景“增強”，更貼近用戶世界。在這樣虛實交互的場景中進行施工，使現(xiàn)場工人能夠更好地感知真實工作環(huán)境中的危險源，調動工人的警惕性，從而降低安全事故發(fā)生的概率，實現(xiàn)施工安全管理的可視化。同時，最終建立的BIM數(shù)據(jù)庫，將對提高整個行業(yè)安全管理水平具有一定的借鑒意義。