基于BIM和WSN的建筑工人高處墜落和觸電危險事故智能預警系統研究

左睿++孫超++邵聞博

摘 要：基于建筑信息模型和無線傳感網絡技術，建立了建筑工人高處墜落和觸電事故智能預警系統，采用基于無線定位技術的安全管理系統能夠以技術手段避免人為因素的影響。設計了系統結構、功能和運行流程。該系統可實現工人實時定位及高處墜落和觸電事故智能預警。

關鍵詞：無線定位技術；事故預警；建筑信息模型；無線傳感網絡

建筑工人高處墜落事故和觸電事故是施工安全的頭號威脅。目前，該類事故在危險源評估及預測方面已經取得一定進展[1]。同時，信號預警、統計預警、指標預警和模型預警等預警方式已經在建筑安全事故的預警中成功應用[2]。并且，BIM與RFID在施工安全管理中的運用可行性已經被證實[3]，但是，這些研究在預警針對性、識別主動性、成本控制、可操性、可視化分析能力等方面還存在一些不足，為此，本文構建基于BIM和CSS寬帶無線定位技術的智能預警系統，實現施工安全管理的信息化、智能化、可視化。

1、系統需求分析

施工現場現有安全監控技術相對落后，項目部不能實時、全面、形象地掌握施工現場情況[4]，更無法實現事故預警。所以，系統必須滿足如下功能要求：（1）建筑工人位置信息實時采集。（2）建筑工人高處墜落和高壓電危險區域可視化分析。（3）事故預防全員參與。建筑施工項目管理過程復雜，涉及人員眾多，所以預警對象及參與人員為所有進入施工現場的人員。

2、系統構建

2.1系統框架構建

智能預警系統利用先進的技術平臺，能夠對現場工作人員和外來參觀人員做到事先劃定作業區域，實時監控記錄活動情況，分析活動規律和趨勢，遇有危險活動及時預警，事后統計分析，在防范安全事故發生的同時，大幅度提高整個施工現場的工作效率和管理水平。

該系統由四部分組成：①基于寬帶無線射頻定位技術CSS的無線傳感網絡。RFID、WIFI、ZIGBEE等傳統定位技術的精度不能令人滿意，有的則價格太高不適合施工現場應用。而應用CSS技術，通過信號到達時間測距和測角度，采用到達時間差（TDOA）進行定位，可以實現最優性價比的高精度定位[5]。②基于波形探測感應技術的檢測報警設備。采用波形探測感應技術，可以有效杜絕一般工作人員或外來人員誤闖危險帶電區域、造成停電或人員傷亡事故的現象。③與傳感網絡、檢測設備協同互動的高分辨率、可動態調節跟蹤的視頻設備。④后臺計算機管理系統。系統結構如圖1所示。

圖1系統架構示意圖

系統結合了寬帶無線射頻定位、安全檢測與預警報警、視頻同步記錄監視、及BIM建筑信息系統模型領域的最新科技成果，具有傳統安全作業管理無法比擬的優勢。其主要特點如下：①人員及移動物體的實時定位與監控。②實時探測。③高定位精度。④全程視頻圖像跟蹤監視。⑤定位穩定。⑥良好的抗多路徑效應。⑦組網靈活。⑧節能設計。⑨強大的作業安全管理功能。

2.2系統的工作模式

系統具有現場需要的多種工作模式，如巡視模式、參觀模式、檢修模式、操作模式和探測模式等，不同模式下的監控側重點有所不同。同時，也可以根據新的運行管理模式需求，擴充新的工作模式。

2.3系統初始化設置

系統平臺構建完成后，需要對系統進行初始化設置，定義相關規則及屬性。根據功能需求分析及該預警系統架構，結合施工現場安全管理的實際需要，進行如下初始化工作，并將相關設置輸入預警系統。

（1）危險區域定義。

根據施工現場的實際情況，將施工現場劃分為Ⅰ～Ⅳ共4個危險等級。

（2）BIM模型建立。

本系統在實施前必須根據傳統的二維圖紙建立BIM模型，以此實現將二維視圖向三維視圖的轉化。BIM模型也是本系統可視化的載體，現場的所有實時信息以及預警信息均將在BIM模型中體現[6]。

（3）主要工作流程：

首先在后臺監控計算機上對需要對現場工作人員和進入施工現場的其他工作人員進行身份注冊，驗證信息后設定他要領取的移動終端的編號，并根據工作人員需要執行的操作設定對應的工作路線、工作時間、工作區域、危險區域等；工作人員進入施工現場后通過寬頻無線定位網絡，將定位數據傳遞給前置機，前置機按照定位算法通過計算確定工作人員的當前位置，一方面根據已設定的危險間隔判斷當前位置是否合法，不合法則向工作人員發送相應的報警信息；另一方面將工作人員的當前位置信息發送給后臺監控系統，在施工現場平面圖上將工作人員的位置坐標顯示出來，便于后臺監控人員的觀察。同時，施工現場內工作人員的行進路線等信息將保存在數據庫中，日后可以通過動態方式重新查看其工作路線，實現了對施工現場工作人員的有效監督[7]。

4結語

本文建立的智能預警系統集成了BIM與WSN技術，可實現實時定位及智能預警。將CCS無線定位技術應用于施工現場的作業安全管理，用技術手段替代人工管理，對于施工現場的安全運行具有開創性的意義。

參考文獻

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[2]吳煒巍.施工現場安全危險源實時監控與安全風險預測方法研究[D].南京：東南大學，2009

[3]郭紅領，于言滔，劉文平，等.BIM和RFID在施工安全管理中的集成應用研究[J].工程管理學報，2014，28（4）：87-92.

[4]仲青，蘇振民，王先華.基于RFID與BIM的集成施工現場安全監控關鍵技術研究[J].建筑科學，2015，31（4）：123-128.

[5]李麗，周彥偉，吳振強.無線網絡定位技術研究[J].計算機技術與發展，2011（10）.

[6]張涇杰，韓豫，馬國鑫，韓詩純.基于BIM和RFID的建筑工人高處墜落事故智能預警系統研究[J].工程管理學報，2015.29（6）：17-21.

[7]谷月雁，司剛，劉清瑞.無線定位技術在變電站作業安全管理中的應用[J].電氣技術.2012（12）：78-81.

作者簡介：左睿（1983-），男，湖南省人，碩士研究生畢業，工程師，從事電力自動化運行的專業研究與工廠供配電設計工作。