基于電子圍欄與智能安全帽的水利工程施工智能安全管理系統(tǒng)研究

張華棟

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著建筑施工行業(yè)信息化建設(shè)的不斷探索，高效信息化成為工地建設(shè)的迫切需求。在復(fù)雜的工程施工過程中，施工人員作為施工現(xiàn)場中最活躍且貫穿整個(gè)工程的關(guān)鍵角色，其安全管理十分重要。傳統(tǒng)工地的人員管理，主要依賴管理者人為管理、手動(dòng)記錄，人員管理工作繁瑣而復(fù)雜，同時(shí)在管理過程中容易出現(xiàn)紕漏，管理者無法快速準(zhǔn)確掌握施工人員的基本信息及工作信息。本文結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)水利工程施工現(xiàn)場人員安全輔助管理智能化存在問題進(jìn)行了框架設(shè)計(jì)，以為相關(guān)研究提供借鑒。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

水利工程項(xiàng)目不同于民用或商用建筑工程，其規(guī)模大、周期長、過程更加復(fù)雜。關(guān)于融合現(xiàn)代化信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)的理論創(chuàng)新和高水平指導(dǎo)類學(xué)術(shù)著作相對(duì)較少[1]。

在渠道管理過程中，利用LACME 智能電子圍欄實(shí)施入侵者防護(hù)系統(tǒng)，有效提高了渠道周界限場威懾等級(jí)，保障了渠道沿程設(shè)施的安全性能[2]。利用智能手環(huán)、考勤設(shè)備、圖像采集等設(shè)備綜合實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場施工人員的實(shí)時(shí)定位，工作區(qū)域劃分，人員自動(dòng)考勤；克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的不能對(duì)施工現(xiàn)場人員進(jìn)行全過程、多方面監(jiān)管的缺陷[3]。借助智能安全帽、無人機(jī)、無人船等設(shè)備，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人為巡檢工作，通過巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和深度分析，提高了作業(yè)效率，同時(shí)為安全生產(chǎn)管理提供了決策意見[4]。

從上述應(yīng)用的發(fā)展情況不難看出，水利工程現(xiàn)場人員安全輔助智能化管理還處于空白階段，尚未形成集人員管理、安全預(yù)警、施工管理等于一體的智能化系統(tǒng)。

2 水利工程施工現(xiàn)場人員安全輔助管理智能化存在的問題

水利工程施工現(xiàn)場人員安全輔助管理系統(tǒng)智能化建設(shè)還處于起步階段，受水利工程建設(shè)環(huán)境惡劣、工程復(fù)雜性高等特點(diǎn)的影響，現(xiàn)代信息化技術(shù)在工程建設(shè)中的應(yīng)用難度較高，其技術(shù)壁壘致使水利工程施工現(xiàn)場人員安全輔助管理智能化進(jìn)展緩慢。

2.1 應(yīng)用技術(shù)單一，沒有形成技術(shù)集成。

當(dāng)前水利工程行業(yè)人員智慧化管理內(nèi)容主要針對(duì)某一單一內(nèi)容，如門禁、培訓(xùn)、實(shí)名制管理等，還未形成集成應(yīng)用。數(shù)據(jù)信息不能夠交互共享，難以進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘，遠(yuǎn)沒有達(dá)到智慧人員管理系統(tǒng)的要求。

2.2 差異化、針對(duì)性不足。

水利工程不同于民用或商用建筑工程，其特點(diǎn)各異，施工方法、管理方法千差萬別，針對(duì)人員的管理也各有不同。

2.3 涉及復(fù)雜的軟硬件系統(tǒng)。

智能化安全管理系統(tǒng)不僅包含大量的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，還包括強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理中心，復(fù)雜系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和日常維護(hù)問題必然是將要解決的核心問題之一。

2.4 核心技術(shù)薄弱

我國智慧工地系統(tǒng)的核心技術(shù)尚處于研發(fā)階段，國產(chǎn)軟件的成熟度和運(yùn)行效率較低，系統(tǒng)運(yùn)行過程中所依賴的仿真計(jì)算軟件、物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸技術(shù)等仍與國外優(yōu)勢(shì)品牌存在較大差距。

2.5 隱含倫理風(fēng)險(xiǎn)

實(shí)踐中智慧化安全管理系統(tǒng)必然會(huì)與人員發(fā)生聯(lián)系，“人-機(jī)”交互，會(huì)將人力資源“機(jī)器化”，刻板的組織安排施工人員任務(wù)歸屬，同時(shí)對(duì)于施工人員的信息監(jiān)控，有可能侵犯勞動(dòng)者的權(quán)益或隱私。

3 水利工程施工現(xiàn)場人員智能化安全管理框架設(shè)計(jì)

水利工程信息化水平發(fā)展目標(biāo)：由單一系統(tǒng)過度到集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，充分挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值。功能由統(tǒng)一化向差異化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)不同工程的建設(shè)應(yīng)用，信息采集的及時(shí)性和準(zhǔn)確性進(jìn)一步提升。

依據(jù)施工現(xiàn)場人員安全輔助管理智能化建設(shè)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了現(xiàn)場人員智能化安全管理總體框架，包括電子圍欄自動(dòng)分區(qū)系統(tǒng)、智能安全帽系統(tǒng)以及其他外接系統(tǒng)。

框架設(shè)計(jì)核心內(nèi)容包括：靜態(tài)電子圍欄、動(dòng)態(tài)電子圍欄、視頻拍錄、危險(xiǎn)救援、脫帽報(bào)警、軌跡回放、即時(shí)廣播、人員定位、明火識(shí)別、人臉識(shí)別、圖像識(shí)別等，詳見圖1。

圖1 智能化安全管理總體框架圖

3.1 電子圍欄自動(dòng)分區(qū)系統(tǒng)

電子圍欄自動(dòng)分區(qū)系統(tǒng)建設(shè)。完成動(dòng)、靜態(tài)電子圍欄自動(dòng)化分區(qū)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)電子圍欄伴隨施工過程的自動(dòng)變更最終達(dá)到對(duì)施工現(xiàn)場內(nèi)外工作人員的安全防護(hù)。

（1）靜態(tài)電子圍欄設(shè)定流程：在施工場地布置環(huán)節(jié)，將施工現(xiàn)場平面圖矢量化導(dǎo)入系統(tǒng)平臺(tái)，依據(jù)功能區(qū)屬性劃分匹配電子圍欄，例如配電柜、柴油發(fā)電機(jī)等供電區(qū)域，配置與電工相匹配的屬性；鋼筋加工廠、鋼筋堆放區(qū)等，配置與鋼筋工相匹配的屬性。

（2）動(dòng)態(tài)電子圍欄設(shè)定流程：依托施工流程進(jìn)度計(jì)劃，對(duì)施工過程中的不同工序及施工范圍分片劃分關(guān)聯(lián)。圖2 顯示了動(dòng)態(tài)電子圍欄自動(dòng)變更流程。

圖2 動(dòng)態(tài)電子圍欄自動(dòng)變更流程圖

當(dāng)上一個(gè)施工任務(wù)得到結(jié)束確認(rèn)之后，該區(qū)域會(huì)自動(dòng)將電子圍欄的屬性變更至下一施工任務(wù)對(duì)應(yīng)的屬性。

3.2 智能安全帽系統(tǒng)

3.2.1 視頻拍錄

智能安全帽可以在施工人員正常工作的狀態(tài)下對(duì)施工環(huán)境進(jìn)行記錄，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，同時(shí)通過現(xiàn)場基站或局域網(wǎng)及時(shí)回傳至數(shù)據(jù)處理中心。在接收到前端感知設(shè)備回傳的數(shù)據(jù)信息后，快速分析施工現(xiàn)場關(guān)鍵信息，并通過中控系統(tǒng)進(jìn)行高效指導(dǎo)。在解決突發(fā)事件過程中，可把重要的監(jiān)控圖像進(jìn)行系統(tǒng)存檔，為后期事故分析留存現(xiàn)場資料。

3.2.2 危險(xiǎn)救援

智能安全帽配備一鍵報(bào)警功能。施工人員遇到緊急突發(fā)情況時(shí)可直接按下求救按鈕，數(shù)據(jù)處理中心可通過智能安全帽攜帶的GPS 定位模塊快速獲取求救人員位置信息，也可遠(yuǎn)程調(diào)用智能安全帽的音視頻功能，第一時(shí)間掌握現(xiàn)場的實(shí)際情況，并進(jìn)行緊急救援。

3.2.3 脫帽報(bào)警

在施工現(xiàn)場規(guī)范佩戴安全帽可以有效保護(hù)施工人員的安全，減少意外事故帶來的人身傷害概率。值得注意的是安全帽佩戴規(guī)范的檢驗(yàn)指標(biāo)較為模糊，且脫帽監(jiān)測方式極易受到使用者所處環(huán)境以及使用方法的影響，比如誤觸以及漏光，采集到的信息存在誤差，準(zhǔn)確性與真實(shí)性將無法保障。目前智能安全帽的脫帽報(bào)警系統(tǒng)的缺點(diǎn)是體積大、成本高、功耗高，若使用不當(dāng)，則無法持續(xù)準(zhǔn)確反應(yīng)使用者是否脫帽的具體情況，有待進(jìn)一步優(yōu)化提高。

3.2.4 即時(shí)通訊

水利工程施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)面寬廣，下發(fā)的指令難以及時(shí)高效的傳播至施工人員；利用智能安全帽的語音通訊功能，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場施工人員最新信息的傳播與任務(wù)指令的下發(fā)；同時(shí)在規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)過程中，如爆破、起吊等重大危險(xiǎn)系數(shù)高的工程進(jìn)行時(shí)，地震、突發(fā)性雷暴天氣等重大自然災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，可以及時(shí)下發(fā)退場指令，保護(hù)施工人員生命安全。

3.2.5 人員定位

智能安全帽裝配的GPS/北斗雙模芯片，可對(duì)現(xiàn)場施工人員的位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)回傳。通過系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)位置回傳，預(yù)測施工人員的行走路徑，對(duì)施工人員是否將要面臨危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)測，為施工人員生命安全提供另一重保障。

3.3 其他外接系統(tǒng)

該系統(tǒng)預(yù)留外接接口，意圖實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的二次開發(fā)?；诠こ痰奶攸c(diǎn)，該系統(tǒng)可外接其他系統(tǒng)，包括明火識(shí)別系統(tǒng)、人臉識(shí)別系統(tǒng)和圖像識(shí)別系統(tǒng)。

3.3.1 明火識(shí)別

工地現(xiàn)場存在火災(zāi)隱患多，且易燃、可燃材料多，尤其是大型水利工程油庫、儲(chǔ)氣間、模板堆放區(qū)等易燃易爆區(qū)域，對(duì)于火源的管控顯得尤為重要。系統(tǒng)開發(fā)基于視頻、紅外成像方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)火源的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證禁火區(qū)、禁煙區(qū)的安全。

3.3.2 圖像識(shí)別

利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、視頻數(shù)字壓縮處理技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)施工現(xiàn)場中涉及的不同型號(hào)的機(jī)械或人員行為進(jìn)行編庫識(shí)別，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別機(jī)械危險(xiǎn)部位及人員危險(xiǎn)行為，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)存在隱含風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)械及人員行為進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，加強(qiáng)施工過程中的人員安全管理。

4 結(jié)論

本文通過分析電子圍欄與智能安全帽在水利工程中的應(yīng)用，探討了水利工程施工現(xiàn)場人員智能化安全管理的研究與發(fā)展。通過智能安全帽等一系列可穿戴設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集；同時(shí)結(jié)合電子圍欄等功能，可以實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)過程中對(duì)工人的基礎(chǔ)安全管控；通過系統(tǒng)預(yù)留的外接端口，可以實(shí)現(xiàn)后期不同功能的植入，逐步完善水利工程施工現(xiàn)場智慧化人員安全管理系統(tǒng)。