橋梁施工人員及車輛風險智能化管理

陳利民， 吳濤洮

(1. 上海東華地方鐵路開發(fā)有限公司， 上海 200071； 2. 同濟大學 土木工程學院， 上海 200092)

在橋梁工程建設全過程中，風險因素無處不在。由于橋梁工程項目投資大、工期長、施工環(huán)境復雜[1]，在建設過程中，工程事故一旦發(fā)生，造成的損失及社會影響巨大，因此，對風險進行管理，顯得尤為重要。孫利凱等[2]歸納了橋梁施工常見風險并給出規(guī)避對策。王軍等[3,4]研究了識別風險的方法。李新等[5～10]針對橋梁施工實例，總結(jié)了相關風險，并給出相應對策。謝承旭等[11～15]總結(jié)了目前橋梁施工風險管理方法。柴繼昶等[16]在公路橋梁施工安全評估體系中增加了墩柱高度指標。劉朝陽等[17]以高空墜落事故為研究對象，構(gòu)件事故樹模型，分析基本事件不同失效概率，并建立了預警機制。以往有關橋梁施工風險管理的研究系統(tǒng)分析了可能的風險事件，并給出了相應的解決措施，但解決措施的實施大都依靠人工監(jiān)督，效率較低，且部分風險無法僅通過人工監(jiān)督解決。因此，有必要尋找一種高效可行的風險管理方法。

本文給出了一種橋梁施工過程智能化管理方法，如圖1?，F(xiàn)場工人安全帽上裝有標簽，超寬帶 (Ultra Wide Band，UWB)系統(tǒng)負責實時定位現(xiàn)場標簽位置，并將位置數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)筋A警程序和危險源接口，預警程序則根據(jù)接收到的位置數(shù)據(jù)進行實時分析，若發(fā)現(xiàn)標簽存在潛在風險，預警程序會控制標簽振動或鳴叫，同時還會將標簽的狀態(tài)信息傳輸至危險源接口。三維模型實時讀取接口收到的位置和狀態(tài)數(shù)據(jù)，并在模型內(nèi)實時展示相應標簽的位置和狀態(tài)變化。整個過程已通過地下車庫現(xiàn)場試驗驗證。

圖1 橋梁施工風險智能化管理過程

1 工程背景

南京長江大橋鐵路橋是京滬鐵路大干線上跨越長江的關鍵工程，而公路橋既是我國華東地區(qū)重要的過江通道，亦是南京市長江兩岸的交通樞紐，大橋自1968年全面建成通車至今，在鐵路、公路、城市交通中發(fā)揮了巨大作用，為國家、區(qū)域及地方的經(jīng)濟發(fā)展做出了卓越貢獻。

長時間服役，導致南京長江大橋目前存在以下問題：主橋橋面板存在較多的橫向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫、網(wǎng)狀裂縫；橋面板承托位置普遍存在裂縫，10%的裂縫處滲水嚴重；人行道板、行車道板局部存在混凝土剝落、露筋現(xiàn)象等。目前南京長江大橋正在進行維修改造，以解決上述問題。南京長江大橋?qū)儆谖覈孕性O計、建造的第一座特大型橋梁，是新中國橋梁建設的里程碑，其外觀莊重大方，具有鮮明的時代印記，屬于國家級經(jīng)典建筑。因此，在進行維修改造的過程中，風險管理尤為重要。本文以南京長江大橋維修改造工程為背景，提出一種橋梁施工過程風險智能化管理方法，并通過試驗驗證了該方法的可行性。

2 數(shù)據(jù)采集

橋梁施工現(xiàn)場工人、汽車均裝上定位標簽，每個標簽有獨立的標簽號，用來區(qū)分彼此。施工作業(yè)時，所有標簽的實時坐標位置，可以由UWB系統(tǒng)采集得到。

UWB技術(shù)作為一種高速率高帶寬的短距離無線通信技術(shù)，利用納秒至皮秒的非正弦波窄脈沖代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳輸系統(tǒng)的連續(xù)波形，越來越受到物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)科研人員的關注。UWB技術(shù)相較于常見的短距離無線通信技術(shù)如藍牙、Wi-Fi、ZigBee(紫蜂無線通信技術(shù))等，其特有的多址技術(shù)和調(diào)制方式使其具有帶寬很寬、數(shù)據(jù)傳輸速率高、較低的功耗以及很好的安全性等特點。UWB技術(shù)所具有的抗干擾能力強、傳輸速率高、穿透力強、成本低等優(yōu)勢，使其成為無線定位技術(shù)近年來研究的熱點。目前，基于UWB的定位技術(shù)已經(jīng)運用在室內(nèi)多人混合跟蹤、礦井作業(yè)人員定位、消防員定位和監(jiān)獄管理等方面。

UWB的定位技術(shù)原理如圖2所示。UWB系統(tǒng)主要由基站、定位標簽和系統(tǒng)處理平臺3部分組成，將傳統(tǒng)的由基站發(fā)射出信號檢測標簽的存在和位置的方式，改進為由標簽主動發(fā)射信號方式，提高定位效率的同時減少了浪費，實現(xiàn)了綠色智能定位。UWB系統(tǒng)中基站與標簽的時間保持同步，數(shù)據(jù)包從基站發(fā)出，抵達標簽再返回基站所用的時間t容易獲取，數(shù)據(jù)包以電磁波的形式傳播，速度為光速c，c與t乘積的一半即為標簽與基站之間的相對距離。基站位置坐標事先確定，當存在多個基站時，通過標簽與多個基站的相對距離可以確定標簽坐標。標簽放置在車輛以及工人的安全帽中，獲取了標簽位置即得到了車輛與工人的位置。

標簽除了接收基站傳來的數(shù)據(jù)包之外，還能接收系統(tǒng)處理平臺的指令，進行振動或者鳴叫?；局饕l(fā)射或接收數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)處理平臺包含定位引擎以及監(jiān)控軟件，定位引擎能夠?qū)崟r計算出標簽相對于各個基站的距離，監(jiān)控軟件則根據(jù)相對距離求出標簽的位置坐標。

圖2 UWB定位原理

3 實時BIM模型

現(xiàn)場人員、車輛的位置移動以及狀態(tài)改變在三維模型中實時地反應出來，需要一個接收UWB系統(tǒng)發(fā)來的位置數(shù)據(jù)和預警程序發(fā)來的狀態(tài)數(shù)據(jù)的接口，BIM(Building Information Modeling)模型實時讀取接口接收的位置數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，并展示標簽的運動軌跡和狀態(tài)變化過程。

本項目中，所有標簽信息存放在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)管理接口，通過該接口，能夠?qū)?shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)進行實時添加、修改。接口主要有以下類型：添加危險源、更新危險源位置、修改危險源類型、修改危險源狀態(tài)、獲取所有危險源信息。接口采用 http連接，以GET或POST方式(客戶機和服務器之間實現(xiàn)http請求的兩種基本方式)進行調(diào)用。服務器地址為106.14.152.66，端口號為8084。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中：id表示數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)編號；dCode表示標簽號；dType表示標簽類型(如人、車)；dStatus表示標簽目前的狀態(tài)(如安全、存在撞車危險、安全員不在場、存在觸電危險等)；directX，directY，directZ表示標簽的坐標值；active表示標簽是否活躍；etlTime，createTime，updateTime分別表示標簽采集時間、創(chuàng)建時間和更新時間。

圖3 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)

Web端BIM模型見圖4。橋面上的人車模型見圖5。當UWB定位系統(tǒng)實時測量的位置坐標傳輸?shù)轿ｋU源接口時，BIM模型會實時從危險源接口讀取坐標數(shù)據(jù)，并實時更新人、車坐標位置，從而實時展示人車運動情況。Web端BIM模型可以通過以下鏈接訪問：http://106.14.152.66:8084/dangerMonitor/bimfooOSGB/Apps/osgbModel_njbridge0.html。

圖4 Web端BIM模型

圖5 人車模型

4 預警軟件

UWB系統(tǒng)實時采集現(xiàn)場標簽位置坐標，并傳輸至預警程序，同時傳輸至危險源接口。預警程序?qū)崟r分析標簽位置信息，若有風險，及時發(fā)出報警信息，并將報警信息發(fā)送至危險源接口，三維模型中實時展示現(xiàn)場工人、車輛的位置和狀態(tài)變化。當標簽位置和狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，標簽對應的三維模型位置和顏色隨之變化。

南京長江大橋維修現(xiàn)場主要有以下幾種風險事件需要預警：(1)人車相撞；(2)易觸電區(qū)域內(nèi)有人或易燃區(qū)域內(nèi)存在動火作業(yè)員；(3)安全員或防護員不在作用現(xiàn)場監(jiān)督施工；(4)高空作業(yè)員靠近易墜落區(qū)域。

由于現(xiàn)場每個工人、汽車的標簽號都是不同的，因此程序可以通過標簽號來識別接收的數(shù)據(jù)。為了便于程序內(nèi)部對數(shù)據(jù)進行分類處理，可以將施工現(xiàn)場所有人員按照表1進行分類，不同人員對應于不同范圍的標簽號，同時每個工人都有相應的狀態(tài)值對應于不同的安全狀態(tài)。

UWB系統(tǒng)與風險源預警程序連接同一個路由器，位于同一局域網(wǎng)下，UWB將測量的標簽號位置坐標及采集的時間實時地傳輸至端口5566，數(shù)據(jù)傳輸采用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol，UDP)。預警程序從5566端口實時地接收數(shù)據(jù)，之后對數(shù)據(jù)進行詳細分析，如果標簽號存在危險，預警程序會及時控制標簽振動或鳴叫，同時向危險源接口傳送危險標簽號的風險狀態(tài)dStatus值。

表1 現(xiàn)場作業(yè)人員標簽號范圍

預警程序的工作流程包含數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)提取、坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、預警實現(xiàn)等五個部分。首先采用Windows socket函數(shù)(Windows環(huán)境下網(wǎng)絡通信編程函數(shù))實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)接收完存放到字符數(shù)組后，接著需要把字符數(shù)組里的標簽號、數(shù)據(jù)采集時間和位置坐標分別取出。由于三維模型內(nèi)坐標系統(tǒng)為WGS84，即經(jīng)緯度、高程坐標系統(tǒng)，所以地下車庫現(xiàn)場實測的坐標為經(jīng)緯度、高程坐標，而預警程序內(nèi)部進行分析時采用的是地方局部直角坐標系，所以在預警程序?qū)崟r接收現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，需要把經(jīng)緯度、高程坐標轉(zhuǎn)化為直角坐標。

對風險源預警情況進行總結(jié)歸納，有以下兩種預警方式：①工人到一個區(qū)域的距離小于或大于某一預定值，進行預警；②工人與汽車即將撞擊時進行預警。

一旦出現(xiàn)需要預警的情況，程序首先會調(diào)用標簽振動或鳴叫命令，使存在危險的標簽振動，達到預警作用，同時程序還會修改危險源接口對應標簽號的狀態(tài)值dStaus，當標簽號的狀態(tài)值dStaus發(fā)生改變時，三維模型顏色會隨之改變，從而做到實時反映現(xiàn)場情況。

預警算法流程如圖6所示。首先接收UWB實時傳入的數(shù)據(jù)，并提取數(shù)據(jù)中的標簽號、位置坐標和測量時間。接著根據(jù)標簽號不同分別將提取的數(shù)據(jù)放入不同的數(shù)組中。然后遍歷所有標簽，計算所有工人與車輛即將撞擊的時間，工人到作業(yè)區(qū)域的距離，當計算值不在允許值范圍內(nèi)時，認為工人存在危險，預警程序會控制標簽振動或鳴叫以提醒工人注意安全，同時修改危險源接口標簽狀態(tài)值，Web端BIM模型會實時讀取危險源接口標簽狀態(tài)值。

圖6 預警算法流程

5 車庫現(xiàn)場試驗

本次實例演示主要包括上節(jié)所述兩種預警方式①和②。

表2為演示時需要用到的標簽及易燃區(qū)域點坐標，開始時所有的標簽狀態(tài)dStatus均取1。

表2 試驗用到的標簽

現(xiàn)場演示時，主要依靠人手持標簽移動來模擬工人和車輛運動，UWB系統(tǒng)將現(xiàn)場標簽的位置坐標實時傳輸至危險源接口，三維展示模型會根據(jù)更新的標簽位置坐標實時展示模型的移動過程。如果預警程序發(fā)現(xiàn)潛在危險的標簽，會向危險源接口實時傳輸相應標簽的狀態(tài)值，不同的狀態(tài)值dStatus則在模型里對應于不同的顏色，三維展示模型會根據(jù)更新的標簽狀態(tài)值實時展示模型的顏色變化。下面分別演示兩種預警情況：

情況1：動火作業(yè)員與汽車相互靠近，在相撞前2 s預警程序?qū)l(fā)出警報信息，引發(fā)動火作業(yè)員標簽振動，同時將危險源接口上動火作業(yè)員的狀態(tài)值dStatus改為2，小汽車的狀態(tài)值dStatus改為2。由于車輛靜止時或者人車相對靜止時不存在人車相撞風險，所以當車輛位置不變時或者人車相對距離不變時，不進行預警。

情況2：動火作業(yè)員逐漸靠近矩形易燃區(qū)域，當動火作業(yè)員與易燃區(qū)域距離小于1 m時，預警程序?qū)l(fā)出警報信息，引發(fā)動火作業(yè)員的標簽振動，同時將危險源接口上動火作業(yè)員的狀態(tài)值dStatus改為4。安全員與易燃區(qū)域距離大于10 m時，預警程序?qū)l(fā)出警報信息，引發(fā)動火作業(yè)員的標簽振動，同時將危險源接口上動火作業(yè)員的狀態(tài)值dStatus改為3，安全員的狀態(tài)值dStatus改為3。

5.1 情況1演示

現(xiàn)場2人，一人手持3號標簽，模擬汽車，一人手持4號標簽，模擬動火作業(yè)員。兩人逐漸靠近，在兩人碰撞前2 s時，程序進行預警，引發(fā)兩個標簽鳴叫，鳴叫直至撞擊危險解除時停止，若撞擊危險不解除，鳴叫一直持續(xù)。圖7是三維模型中實時顯示的情景，未存在撞擊風險時，人與車模型均為綠色，人與車過2 s后存在撞擊風險時，人與車均變成黃色，直到撞車風險解除后，人車才恢復至綠色。

圖7 人車相撞過程

5.2 情況2演示

現(xiàn)場2人，一人手持4號標簽，模擬動火作業(yè)員，一人手持6號標簽，模擬安全員。首先是動火作業(yè)員逐漸靠近現(xiàn)場車位區(qū)域(模擬易燃區(qū)域)，當動火作業(yè)員靠近車位區(qū)域1 m范圍內(nèi)時，預警程序引發(fā)4號標簽振動，振動直至動火作業(yè)員走出車位區(qū)域1 m范圍方才解除。接著，安全員逐漸遠離車位區(qū)域，當安全員距車位區(qū)域距離大于10 m時，程序引發(fā)6號標簽振動，振動直至安全員與車位區(qū)域距離小于10 m才結(jié)束。圖8，9分別為動火作業(yè)員逐漸靠近易燃區(qū)和安全員遠離易燃區(qū)的三維模型實時顯示的情景。開始時，動火作業(yè)員與安全員均是綠色，當動火作業(yè)員靠近車位區(qū)域1 m范圍內(nèi)時，動火作業(yè)員變成紅色，動火作業(yè)員不在車位區(qū)域1 m范圍內(nèi)時動火作業(yè)員變位綠色。當安全員距車位區(qū)域距離大于10 m時，安全員和動火作業(yè)員均變?yōu)辄S色，直到安全員到車位區(qū)域距離小于10 m后，安全員和動火作業(yè)員才變?yōu)榫G色。

圖8 動火作業(yè)員靠近易燃區(qū)域

圖9 安全員遠離易燃區(qū)域

6 結(jié) 語

本文給出了一種橋梁施工現(xiàn)場智能化風險管理方法。UWB系統(tǒng)負責實時定位現(xiàn)場標簽位置，并將位置數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)筋A警程序和危險源接口，預警程序則根據(jù)接收到的位置數(shù)據(jù)進行實時分析，及時預警，Web端的BIM模型將現(xiàn)場施工情況實時地展現(xiàn)出來。本文所提供的方法已經(jīng)通過地下車庫試驗驗證，本文提供的橋梁施工現(xiàn)場智能化風險管理方法可供相關工程參考。