基于BIM與機(jī)器視覺技術(shù)結(jié)合的建筑施工危險(xiǎn)區(qū)域入侵預(yù)警研究

王 偉,呂山可,張雨果,趙楚楠,何華剛

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

建筑施工過程中施工隊(duì)伍人員及工種構(gòu)成復(fù)雜，場(chǎng)地空間有限，且具有施工機(jī)械與設(shè)備眾多、交叉作業(yè)現(xiàn)象突出、施工周期長(zhǎng)、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變等特點(diǎn)，使得建筑施工成為當(dāng)前高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)之一[1]。要有效提高施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域的管理，需要從兩方面入手：一是全面識(shí)別施工現(xiàn)場(chǎng)容易造成嚴(yán)重后果的危險(xiǎn)區(qū)域，并對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行分級(jí)管控；二是結(jié)合信息化技術(shù)，對(duì)施工人員入侵危險(xiǎn)區(qū)域的行為進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。國內(nèi)外學(xué)者在這兩方面都做了相應(yīng)的研究。在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別方面，郭紅領(lǐng)等[2]確定了不安全區(qū)域的劃分規(guī)則，將施工現(xiàn)場(chǎng)劃分為墜落區(qū)、碰撞區(qū)及特殊崗位；趙挺生等[3]提出了危險(xiǎn)區(qū)域分級(jí)管理理論，構(gòu)建了危險(xiǎn)水平評(píng)價(jià)技術(shù)；華瑩等[4]將高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)劃分為土方開挖區(qū)等18個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域；翟越等[5]利用BIM技術(shù)構(gòu)建了三維數(shù)字化安全管理平臺(tái)，分析了建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域劃分及安全監(jiān)控等問題;Li等[6]通過實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)采集施工人員位置信息并與施工現(xiàn)場(chǎng)歷史事故軌跡進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域的自動(dòng)分類；Kim等[7]采用BIM及實(shí)時(shí)定位技術(shù)，建立了實(shí)時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域自動(dòng)識(shí)別模型，對(duì)施工人員路徑進(jìn)行潛在危險(xiǎn)區(qū)域的識(shí)別。在入侵危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)警方面,Li等[8]構(gòu)建了主動(dòng)安全管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地對(duì)施工人員入侵塔吊等危險(xiǎn)區(qū)域的行為發(fā)出預(yù)警；高寒等[9]利用移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基坑施工現(xiàn)場(chǎng)施工人員入侵基坑、洞口等危險(xiǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外，也有一些研究人員利用UWB定位技術(shù)[10-12]、實(shí)時(shí)位置傳感定位技術(shù)[13-14]等定位技術(shù)，有效地實(shí)現(xiàn)了建筑施工現(xiàn)場(chǎng)人員定位與預(yù)警。

以上關(guān)于危險(xiǎn)區(qū)域劃分的研究大多集中在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域的劃分，少有針對(duì)各類危險(xiǎn)區(qū)域提出的適當(dāng)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法。同時(shí)，在危險(xiǎn)區(qū)域入侵預(yù)警方面，大多研究都是利用RFID、UWB等定位技術(shù)獲取人和機(jī)械的位置信息，少有利用機(jī)器視覺技術(shù)來實(shí)時(shí)監(jiān)控工人入侵危險(xiǎn)區(qū)域的研究。因此，本文基于建筑施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，通過BIM平臺(tái)展示施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域及其分級(jí)，并利用機(jī)器視覺定位技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲取施工人員及危險(xiǎn)區(qū)域位置信息，提出了集成BIM與機(jī)器視覺技術(shù)的危險(xiǎn)區(qū)域入侵預(yù)警模型，通過整合相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同危險(xiǎn)區(qū)域入侵行為全面、準(zhǔn)確的識(shí)別。

1 BIM技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)

建筑信息模型(Building Information Model，BIM)技術(shù)于2002年由Autodesk公司提出，其功能可服務(wù)于建筑工程全生命周期，因其可視化、協(xié)調(diào)性等特點(diǎn)在國內(nèi)外建筑業(yè)受到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。經(jīng)過國內(nèi)外專家學(xué)者的不斷拓展，該技術(shù)在建筑施工[5,7,10]、人員疏散[15]等安全領(lǐng)域也有較多的應(yīng)用。

隨著人工智能的興起，機(jī)器視覺技術(shù)也獲得了較大的發(fā)展。該技術(shù)主要通過采集現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)，利用ResNet[16]、R-CNN[17]等機(jī)器視覺算法獲取施工現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)信息，從而實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)人員的定位。機(jī)器視覺技術(shù)既能在施工現(xiàn)場(chǎng)原有視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，減少安裝成本、方便維護(hù)，在監(jiān)測(cè)過程中也無需與觀測(cè)對(duì)象接觸，減少了影響被觀測(cè)者正常工作的可能性，安全可靠。

2 危險(xiǎn)區(qū)域類型及其分級(jí)

2. 1 危險(xiǎn)區(qū)域類型

通過統(tǒng)計(jì)近些年我國建筑行業(yè)事故情況發(fā)現(xiàn)，我國建筑行業(yè)2018年發(fā)生事故數(shù)及傷亡人數(shù)仍呈上升趨勢(shì)，較大及以上事故次數(shù)仍然較多，安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻。因此，在對(duì)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分時(shí)須重點(diǎn)針對(duì)常見的以及容易造成重大人員傷亡事故類型所涉及的區(qū)域。

此外，建筑施工現(xiàn)場(chǎng)還存在動(dòng)火作業(yè)等其他危險(xiǎn)作業(yè)類型，極易造成人員傷亡，有必要根據(jù)相關(guān)要求界定其危險(xiǎn)區(qū)域。本文在郭紅領(lǐng)等[2]、劉文平[10]研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，將建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域類型劃分為高處墜落區(qū)、物體打擊區(qū)、坍塌區(qū)、起重傷害區(qū)、機(jī)械碰撞區(qū)和其他作業(yè)危害區(qū)，并確定了其危險(xiǎn)區(qū)域邊界。建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域類型及其劃分規(guī)則見表1。根據(jù)表1的劃分規(guī)則，某建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域及其BIM展示見圖1。

表1 建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域類型及其劃分規(guī)則

圖1 某建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域及其BIM展示Fig.1 Hazardous area of a construction site and its BIM display

2. 2 危險(xiǎn)區(qū)域分級(jí)

建筑施工場(chǎng)地狹窄，危險(xiǎn)區(qū)域眾多，導(dǎo)致各作業(yè)環(huán)境下難免存在其他作業(yè)人員入侵的情形；此外，一些危險(xiǎn)區(qū)域如臨邊加裝了防護(hù)欄等安全防護(hù)措施，使得該區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)大大降低。因此，需根據(jù)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行分級(jí)管理，本文將建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域分為三級(jí)：警戒區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)和核心危險(xiǎn)區(qū)[3]。

由于不同建筑施工項(xiàng)目對(duì)項(xiàng)目?jī)?nèi)部的安全要求不同，因此在對(duì)不同建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行分級(jí)時(shí)需綜合考慮危險(xiǎn)區(qū)域自身的危險(xiǎn)特性、工作人員的實(shí)時(shí)位置、建筑工程項(xiàng)目規(guī)模和現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜程度等因素。考慮到建筑施工現(xiàn)場(chǎng)入侵危險(xiǎn)源與人員暴露在危險(xiǎn)環(huán)境中的頻繁程度無關(guān)，且不同建筑工程項(xiàng)目對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)期目標(biāo)不一樣，本文引入了改進(jìn)的LEC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法對(duì)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行分級(jí)，其分級(jí)方法如下式：

D=L·E·C·R

(1)

式中：D為危險(xiǎn)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)(風(fēng)險(xiǎn)值)；L為危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)固有危險(xiǎn)源引發(fā)事故的可能性；C為危險(xiǎn)區(qū)域發(fā)生事故的嚴(yán)重程度；E為人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域后受到傷害的可能性；R為修正系數(shù)，與工程項(xiàng)目規(guī)模、現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜程度以及風(fēng)險(xiǎn)承受能力相關(guān)。

公式(1)中L、E、C分級(jí)及其取值，可由工程項(xiàng)目管理人員確定或參照LEC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)確定。利用公式(1)確定D值后，比較D值與工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)各等級(jí)區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)值Dm，即可確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其中Dm由工程項(xiàng)目管理人員根據(jù)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及其風(fēng)險(xiǎn)承受能力來確定。

圖2 挖掘機(jī)土方作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域分級(jí)Fig.2 Classification of hazardous area for excavator earthwork

為了清晰地表達(dá)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域的劃分方法，本文在不考慮風(fēng)險(xiǎn)耦合的情況下，以某一挖掘機(jī)土方作業(yè)為例對(duì)其危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了劃分并分級(jí)，見圖2。該圖顯示了挖掘機(jī)及自動(dòng)載土車進(jìn)行土方作業(yè)時(shí)的平面危險(xiǎn)區(qū)域。首先，根據(jù)表1確定了作業(yè)過程t時(shí)間內(nèi)機(jī)械可達(dá)位置及視野盲區(qū)為該作業(yè)的危險(xiǎn)區(qū)域；其次，根據(jù)公式(1)計(jì)算各危險(xiǎn)區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)值D，并比較D值與該工程項(xiàng)目各危險(xiǎn)區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)承受能力Dm，從而確定以挖掘機(jī)臂長(zhǎng)為半徑的圓形區(qū)域、載土車區(qū)域及前后行進(jìn)2 m區(qū)域?yàn)楹诵奈ｋU(xiǎn)區(qū)(紅色區(qū)域)，挖掘機(jī)及載土車土方作業(yè)時(shí)2 s能夠到達(dá)的區(qū)域及其視野盲區(qū)為危險(xiǎn)區(qū)(桔黃色區(qū)域)，其他區(qū)域?yàn)榫鋮^(qū)(綠色區(qū)域)。

3 危險(xiǎn)區(qū)域BIM表達(dá)

要實(shí)現(xiàn)BIM環(huán)境下危險(xiǎn)區(qū)域的表達(dá)，既要構(gòu)建建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的三維模型，還要根據(jù)工程項(xiàng)目安全的需求，構(gòu)建危險(xiǎn)區(qū)域IFC表達(dá)內(nèi)容，以便建設(shè)相關(guān)方添加危險(xiǎn)區(qū)域信息。此外，工程項(xiàng)目管理人員需要根據(jù)安全檢查信息，定期更新BIM模型，從而保證建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域表達(dá)的準(zhǔn)確性、時(shí)效性。

3.1 危險(xiǎn)區(qū)域的IFC表達(dá)

在BIM環(huán)境中，能表達(dá)建筑施工危險(xiǎn)區(qū)域信息的IFC(industry foundation classes)實(shí)體存在于施工管理領(lǐng)域、共享的設(shè)備元素(如塔吊、腳手架等)、建筑施工領(lǐng)域(臨邊、洞口等)三個(gè)層次中。工程項(xiàng)目管理人員可以通過IFC架構(gòu)中IfcProduct(抽象實(shí)體)下的IfcSpatial Structure Element(空間結(jié)構(gòu)實(shí)體)和IfcElement(實(shí)體)拓展危險(xiǎn)區(qū)域IFC框架，使得危險(xiǎn)區(qū)域依附在建筑物或機(jī)械設(shè)備等元素上。圖3為建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域IFC拓展框架，該框架一是通過主線IfcElement新增危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嶓wIfcHazardous Area Element，危險(xiǎn)區(qū)域的子實(shí)體包括IfcHigh Drop Zone(高處墜落區(qū))、IfcObject Strike Zone(物體打擊區(qū))、IfcCollape Zone(坍塌區(qū))、IfcLifting Injury Zone(起重傷害區(qū))、IfcMechanical Collision Zone(機(jī)械傷害區(qū))、IfcOperationa hazard Zone(作業(yè)危害區(qū))等，同時(shí)通過原有實(shí)體IfcProduct Representation(幾何屬性實(shí)體)和IfcRepresentation(區(qū)域形狀表達(dá)方法)拓展危險(xiǎn)區(qū)域的幾何信息實(shí)體(IfcHazardous Area Soild)和IfcParameterized Profile Def(參數(shù)化實(shí)體)，包括IfcRectangle Profile Def(矩形)、IfcCizcle Profile Def(圓)、IfcEllipse Profile Def(橢圓)等；二是通過主線Spatial Structure Element(空間結(jié)構(gòu)實(shí)體)，新增IfcHazardous Area Space(危險(xiǎn)區(qū)域空間信息)，并發(fā)展平面位置實(shí)體IfcLocal Placement(包括復(fù)合線IfcPoly Line和裁剪線IfcTrimmed Curve)和高度實(shí)體IfcZone High Level(包括枚舉類型IfcHazardous Area Type、邊界長(zhǎng)度IfcLength Measure、空間邊界關(guān)系實(shí)體IfcRel Space Boundary、空間覆蓋關(guān)系實(shí)體IfcRel Covers Spaces等內(nèi)容)。

圖3 建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域IFC拓展框架Fig.3 Framework for IFC extension model of hazardous area in the construction site

通過以上方法對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域IFC內(nèi)容拓展，從而實(shí)現(xiàn)BIM環(huán)境中表示映射在地面上的危險(xiǎn)區(qū)域在整個(gè)施工場(chǎng)地內(nèi)的位置、空間信息以及映射在內(nèi)部建筑物周邊的危險(xiǎn)區(qū)域的位置、空間信息等內(nèi)容的IFC表達(dá)。

3. 2 施工環(huán)境的動(dòng)態(tài)表達(dá)

在BIM環(huán)境中，工程項(xiàng)目管理人員可以將建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的施工計(jì)劃導(dǎo)入到BIM平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)表達(dá)。因此，為了更加準(zhǔn)確地表達(dá)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，工程項(xiàng)目管理人員可以將每天在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)辨識(shí)的危險(xiǎn)源信息、機(jī)械數(shù)量以及施工計(jì)劃、施工人員類型及數(shù)量等信息導(dǎo)入BIM平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源信息和危險(xiǎn)區(qū)域的動(dòng)態(tài)表達(dá)，同時(shí)根據(jù)BIM平臺(tái)中相關(guān)信息的表達(dá)，可視化建筑施工過程，重現(xiàn)關(guān)鍵施工流程，突出關(guān)鍵危險(xiǎn)區(qū)域的安全風(fēng)險(xiǎn)，管理建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)區(qū)域以及危險(xiǎn)區(qū)域與其載體的關(guān)系。

4 危險(xiǎn)區(qū)域定位和工人信息識(shí)別

在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)中一般包含兩類危險(xiǎn)區(qū)域：一類是靜態(tài)的危險(xiǎn)區(qū)域，如基坑周邊及臨邊等；另一類是動(dòng)態(tài)的危險(xiǎn)區(qū)域，包括卡車、塔吊等施工機(jī)械，在其作業(yè)或移動(dòng)過程中產(chǎn)生的危險(xiǎn)區(qū)域。針對(duì)這兩類危險(xiǎn)區(qū)域需要實(shí)現(xiàn)在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)BIM平臺(tái)內(nèi)的定位，同時(shí)需要對(duì)施工區(qū)域內(nèi)的人員信息進(jìn)行采集與分析，有效判別施工人員的工種類別、位置信息，輔助BIM平臺(tái)建立施工員入侵危險(xiǎn)區(qū)域的預(yù)警機(jī)制。

危險(xiǎn)區(qū)域定位和工人信息識(shí)別技術(shù)既要考慮定位精度、范圍、抗干擾能力、穿透障礙物能力和可拓展性，還需要考慮項(xiàng)目部的其他需求和經(jīng)費(fèi)承擔(dān)能力。為此，本文提出了一種基于機(jī)器視覺定位技術(shù)的危險(xiǎn)區(qū)域定位和工人信息識(shí)別方法，以滿足建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域施工人員高效精準(zhǔn)定位的需求。

4. 1 危險(xiǎn)區(qū)域定位

施工現(xiàn)場(chǎng)通過架設(shè)高點(diǎn)固定攝像機(jī)實(shí)施監(jiān)測(cè)，考慮到建筑施工場(chǎng)地大、現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜等特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)需要布置多個(gè)高點(diǎn)攝像機(jī)，并盡量設(shè)置在開闊位置，避免遮擋等情況，且保證攝像機(jī)成像無干擾、照度應(yīng)達(dá)到0.02 lux、視距不小于50 m。采用張氏標(biāo)定法對(duì)高點(diǎn)攝像機(jī)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，通過參照物將建筑施工現(xiàn)場(chǎng)BIM模型中的位置坐標(biāo)與攝像機(jī)視場(chǎng)形成的高精度坐標(biāo)映射，再將標(biāo)定后的高點(diǎn)攝像機(jī)圖像進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的定位。其中，針對(duì)靜態(tài)危險(xiǎn)區(qū)域，根據(jù)不同類型的危險(xiǎn)區(qū)域邊界及其區(qū)域等級(jí)劃分規(guī)則，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的位置及邊界進(jìn)行測(cè)量，獲取其坐標(biāo)數(shù)據(jù)；針對(duì)動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)區(qū)域，根據(jù)作業(yè)規(guī)律，獲取作業(yè)機(jī)械等的運(yùn)動(dòng)區(qū)域范圍表達(dá)，通過標(biāo)記得出各危險(xiǎn)區(qū)域的位置及范圍，并根據(jù)表1對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域及其等級(jí)進(jìn)行劃分。

4. 2 工人信息識(shí)別與定位

工人信息識(shí)別包括對(duì)工人工種類型的判別和對(duì)工人在施工現(xiàn)場(chǎng)的定位兩部分任務(wù)，需要在輸入視頻連續(xù)序列中找到工人目標(biāo)，并識(shí)別工人工種信息以及對(duì)工人運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。本文采用基于機(jī)器視覺技術(shù)的工人信息識(shí)別與定位方法，具體處理過程見圖4。首先采用Open Pose人體姿態(tài)估計(jì)算法對(duì)視頻圖像進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)視頻圖像中的目標(biāo)及其骨架進(jìn)行檢測(cè)，提取骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；然后根據(jù)關(guān)節(jié)點(diǎn)分割目標(biāo)圖像，得到人體頭部區(qū)域和胸部區(qū)域，并基于ResNet殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別施工人員安全帽佩戴及工作服穿著情況，從而判斷工人工種信息；再后通過KCF(Kernel Correlation Filter，核相關(guān)濾波算法)跟蹤選定目標(biāo)，基于目標(biāo)先驗(yàn)信息，在視頻序列中持續(xù)獲取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得出該時(shí)段該目標(biāo)在攝像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡；最后通過BIM模型中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，采用前述的危險(xiǎn)區(qū)域定位的標(biāo)定方法對(duì)目標(biāo)人員的位置進(jìn)行標(biāo)定，并結(jié)合目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡形成工人在施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)軌跡及其坐標(biāo)序列信息。

5 危險(xiǎn)區(qū)域入侵預(yù)警模型及其應(yīng)用

5. 1 危險(xiǎn)區(qū)域入侵預(yù)警模型的構(gòu)建

先將建筑工程項(xiàng)目施工計(jì)劃、危險(xiǎn)區(qū)域表達(dá)、人員和機(jī)械信息、安全檢查信息等內(nèi)容導(dǎo)入BIM模型中，構(gòu)建建筑施工現(xiàn)場(chǎng)BIM模擬平臺(tái)；然后通過API接口將靜態(tài)危險(xiǎn)區(qū)域、施工人員和機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)坐標(biāo)信息傳輸?shù)紹IM平臺(tái)上；最后系統(tǒng)通過比較危險(xiǎn)區(qū)域與施工人員的位置信息，實(shí)現(xiàn)施工人員入侵危險(xiǎn)區(qū)域的預(yù)警，其預(yù)警流程見圖5。

在BIM模型中確定坐標(biāo)原點(diǎn)后，危險(xiǎn)區(qū)域和施工人員工作區(qū)域的坐標(biāo)區(qū)域可分別利用下式來表示：

Y=(x1,y1,z1),(x1,y1,z1)∈R3

(2)

圖4 基于機(jī)器視覺定位技術(shù)的工人工種識(shí)別與定位示意圖Fig.4 Schematic diagram of job identification and personnel positioning based on machine vision positioning technology

圖5 建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域入侵預(yù)警流程Fig.5 Process of early warning of intrusion into hazardous area in construction site

(3)

當(dāng)施工人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)通過下式(4)判斷是否需要預(yù)警：

(4)

其中，X表示施工人員三維坐標(biāo)，當(dāng)X∈Y時(shí)，表示施工人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，即f(X)=1，系統(tǒng)需通過下式(5)繼續(xù)判斷是否需要預(yù)警；反之f(X)=0，系統(tǒng)無需預(yù)警。

(5)

其中,t表示施工人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的時(shí)間；t′表示作業(yè)人員在該級(jí)別危險(xiǎn)區(qū)域允許的入侵時(shí)間，其由工程項(xiàng)目管理人員根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)取值。當(dāng)工作區(qū)域與危險(xiǎn)區(qū)域不交叉的施工人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，且在區(qū)域預(yù)警時(shí)間t′前未離開危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，g(X，t)=1，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警；反之，g(X，t)=0，系統(tǒng)不預(yù)警。

5. 2 實(shí)例分析

本文以湖北某建筑施工現(xiàn)場(chǎng)為研究對(duì)象，構(gòu)建了該施工現(xiàn)場(chǎng)某一時(shí)段的BIM模型，并通過在施工現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)高點(diǎn)攝像機(jī)獲取了某一施工人員在30 min內(nèi)的作業(yè)軌跡。該建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域BIM模型和施工人員作業(yè)軌跡俯視圖，詳見圖6。該施工人員的主要作業(yè)內(nèi)容為腳手架的拼裝，其工作區(qū)域與塔吊吊裝作業(yè)無交叉，工程項(xiàng)目要求非危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)人員在核心危險(xiǎn)區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、警戒區(qū)允許的入侵時(shí)間分別為10 s、15 s、40 s。

圖6 某建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域施工人員入侵行為的預(yù)警示例Fig.6 Early warning example of intrusion behavior at a construction site

根據(jù)該施工人員的運(yùn)動(dòng)軌跡，選出6個(gè)關(guān)鍵位置節(jié)點(diǎn)，其中位置1、2、6屬于其工作區(qū)域Y＇，位置3、5屬于危險(xiǎn)區(qū)域Y，位置4屬于其他人員作業(yè)區(qū)域，其與施工人員工作區(qū)域Y＇、危險(xiǎn)區(qū)域Y均無聯(lián)系。根據(jù)視頻軌跡發(fā)現(xiàn)：該施工人員處于位置3、5時(shí)入侵危險(xiǎn)區(qū)和核心危險(xiǎn)區(qū)的入侵時(shí)間都超過了警戒值，因此通過該預(yù)警模型對(duì)其分別發(fā)出了黃色預(yù)警和紅色預(yù)警；當(dāng)該施工人員處于位置1、2、4、6時(shí)則不發(fā)出預(yù)警。

6 結(jié) 語

本文利用LEC評(píng)價(jià)法、BIM技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)，構(gòu)建了建筑施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)預(yù)警模型，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)該預(yù)警模型進(jìn)行了具體應(yīng)用。結(jié)果表明：該預(yù)警方法既能根據(jù)工程項(xiàng)目需求對(duì)施工人員入侵危險(xiǎn)區(qū)域的行為進(jìn)行預(yù)警，也能統(tǒng)計(jì)工人入侵危險(xiǎn)區(qū)域的次數(shù)，以便有針對(duì)性地對(duì)工人開展教育和培訓(xùn)，提高施工人員的安全意識(shí)，降低施工人員入侵危險(xiǎn)區(qū)域行為的發(fā)生，從而提高施工現(xiàn)場(chǎng)的安全管理水平。