基于BIM與機器視覺技術結合的建筑施工危險區域入侵預警研究

王 偉,呂山可,張雨果,趙楚楠,何華剛

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

建筑施工過程中施工隊伍人員及工種構成復雜，場地空間有限，且具有施工機械與設備眾多、交叉作業現象突出、施工周期長、作業環境復雜多變等特點，使得建筑施工成為當前高風險行業之一[1]。要有效提高施工現場危險區域的管理，需要從兩方面入手：一是全面識別施工現場容易造成嚴重后果的危險區域，并對危險區域進行分級管控；二是結合信息化技術，對施工人員入侵危險區域的行為進行實時預警，及時發現并處理。國內外學者在這兩方面都做了相應的研究。在建筑施工現場危險區域識別方面，郭紅領等[2]確定了不安全區域的劃分規則，將施工現場劃分為墜落區、碰撞區及特殊崗位；趙挺生等[3]提出了危險區域分級管理理論，構建了危險水平評價技術；華瑩等[4]將高層建筑施工現場劃分為土方開挖區等18個危險區域；翟越等[5]利用BIM技術構建了三維數字化安全管理平臺，分析了建筑施工現場危險區域劃分及安全監控等問題;Li等[6]通過實時定位系統采集施工人員位置信息并與施工現場歷史事故軌跡進行對比，實現了施工現場危險區域的自動分類；Kim等[7]采用BIM及實時定位技術，建立了實時危險區域自動識別模型，對施工人員路徑進行潛在危險區域的識別。在入侵危險區域預警方面,Li等[8]構建了主動安全管理系統，該系統能實時地對施工人員入侵塔吊等危險區域的行為發出預警；高寒等[9]利用移動目標檢測算法，實現了對基坑施工現場施工人員入侵基坑、洞口等危險區域的實時監控。此外，也有一些研究人員利用UWB定位技術[10-12]、實時位置傳感定位技術[13-14]等定位技術，有效地實現了建筑施工現場人員定位與預警。

以上關于危險區域劃分的研究大多集中在建筑施工現場危險區域的劃分，少有針對各類危險區域提出的適當區域風險分級方法。同時，在危險區域入侵預警方面，大多研究都是利用RFID、UWB等定位技術獲取人和機械的位置信息，少有利用機器視覺技術來實時監控工人入侵危險區域的研究。因此，本文基于建筑施工現場實際，通過BIM平臺展示施工現場危險區域及其分級，并利用機器視覺定位技術實時監控，獲取施工人員及危險區域位置信息，提出了集成BIM與機器視覺技術的危險區域入侵預警模型，通過整合相關信息，實現對不同危險區域入侵行為全面、準確的識別。

1 BIM技術和機器視覺技術

建筑信息模型(Building Information Model，BIM)技術于2002年由Autodesk公司提出，其功能可服務于建筑工程全生命周期，因其可視化、協調性等特點在國內外建筑業受到了廣泛的認可和應用。經過國內外專家學者的不斷拓展，該技術在建筑施工[5,7,10]、人員疏散[15]等安全領域也有較多的應用。

隨著人工智能的興起，機器視覺技術也獲得了較大的發展。該技術主要通過采集現場視頻數據，利用ResNet[16]、R-CNN[17]等機器視覺算法獲取施工現場坐標信息，從而實現施工現場人員的定位。機器視覺技術既能在施工現場原有視頻監控的基礎上進行拓展，減少安裝成本、方便維護，在監測過程中也無需與觀測對象接觸，減少了影響被觀測者正常工作的可能性，安全可靠。

2 危險區域類型及其分級

2. 1 危險區域類型

通過統計近些年我國建筑行業事故情況發現，我國建筑行業2018年發生事故數及傷亡人數仍呈上升趨勢，較大及以上事故次數仍然較多，安全形勢依然嚴峻。因此，在對建筑施工現場危險區域進行劃分時須重點針對常見的以及容易造成重大人員傷亡事故類型所涉及的區域。

此外，建筑施工現場還存在動火作業等其他危險作業類型，極易造成人員傷亡，有必要根據相關要求界定其危險區域。本文在郭紅領等[2]、劉文平[10]研究的基礎上，綜合考慮建筑施工現場的實際情況，將建筑施工現場危險區域類型劃分為高處墜落區、物體打擊區、坍塌區、起重傷害區、機械碰撞區和其他作業危害區，并確定了其危險區域邊界。建筑施工現場危險區域類型及其劃分規則見表1。根據表1的劃分規則，某建筑施工現場危險區域及其BIM展示見圖1。

表1 建筑施工現場危險區域類型及其劃分規則

圖1 某建筑施工現場危險區域及其BIM展示Fig.1 Hazardous area of a construction site and its BIM display

2. 2 危險區域分級

建筑施工場地狹窄，危險區域眾多，導致各作業環境下難免存在其他作業人員入侵的情形；此外，一些危險區域如臨邊加裝了防護欄等安全防護措施，使得該區域的風險等級大大降低。因此，需根據建筑施工現場的實際情況，對危險區域進行分級管理，本文將建筑施工現場危險區域分為三級：警戒區、危險區和核心危險區[3]。

由于不同建筑施工項目對項目內部的安全要求不同，因此在對不同建筑施工現場的危險區域進行分級時需綜合考慮危險區域自身的危險特性、工作人員的實時位置、建筑工程項目規模和現場復雜程度等因素?？紤]到建筑施工現場入侵危險源與人員暴露在危險環境中的頻繁程度無關，且不同建筑工程項目對風險的預期目標不一樣，本文引入了改進的LEC風險評價方法對建筑施工現場危險區域進行分級，其分級方法如下式：

D=L·E·C·R

(1)

式中：D為危險區域風險評價分數(風險值)；L為危險區域內固有危險源引發事故的可能性；C為危險區域發生事故的嚴重程度；E為人員進入危險區域后受到傷害的可能性；R為修正系數，與工程項目規模、現場復雜程度以及風險承受能力相關。

公式(1)中L、E、C分級及其取值，可由工程項目管理人員確定或參照LEC風險評價方法標準確定。利用公式(1)確定D值后，比較D值與工程項目風險各等級區間風險值Dm，即可確定風險等級，其中Dm由工程項目管理人員根據工程項目設計風險等級及其風險承受能力來確定。

圖2 挖掘機土方作業危險區域分級Fig.2 Classification of hazardous area for excavator earthwork

為了清晰地表達建筑施工現場危險區域的劃分方法，本文在不考慮風險耦合的情況下，以某一挖掘機土方作業為例對其危險區域進行了劃分并分級，見圖2。該圖顯示了挖掘機及自動載土車進行土方作業時的平面危險區域。首先，根據表1確定了作業過程t時間內機械可達位置及視野盲區為該作業的危險區域；其次，根據公式(1)計算各危險區域的風險值D，并比較D值與該工程項目各危險區域的風險承受能力Dm，從而確定以挖掘機臂長為半徑的圓形區域、載土車區域及前后行進2 m區域為核心危險區(紅色區域)，挖掘機及載土車土方作業時2 s能夠到達的區域及其視野盲區為危險區(桔黃色區域)，其他區域為警戒區(綠色區域)。

3 危險區域BIM表達

要實現BIM環境下危險區域的表達，既要構建建筑施工現場的三維模型，還要根據工程項目安全的需求，構建危險區域IFC表達內容，以便建設相關方添加危險區域信息。此外，工程項目管理人員需要根據安全檢查信息，定期更新BIM模型，從而保證建筑施工現場危險區域表達的準確性、時效性。

3.1 危險區域的IFC表達

在BIM環境中，能表達建筑施工危險區域信息的IFC(industry foundation classes)實體存在于施工管理領域、共享的設備元素(如塔吊、腳手架等)、建筑施工領域(臨邊、洞口等)三個層次中。工程項目管理人員可以通過IFC架構中IfcProduct(抽象實體)下的IfcSpatial Structure Element(空間結構實體)和IfcElement(實體)拓展危險區域IFC框架，使得危險區域依附在建筑物或機械設備等元素上。圖3為建筑施工現場危險區域IFC拓展框架，該框架一是通過主線IfcElement新增危險區域實體IfcHazardous Area Element，危險區域的子實體包括IfcHigh Drop Zone(高處墜落區)、IfcObject Strike Zone(物體打擊區)、IfcCollape Zone(坍塌區)、IfcLifting Injury Zone(起重傷害區)、IfcMechanical Collision Zone(機械傷害區)、IfcOperationa hazard Zone(作業危害區)等，同時通過原有實體IfcProduct Representation(幾何屬性實體)和IfcRepresentation(區域形狀表達方法)拓展危險區域的幾何信息實體(IfcHazardous Area Soild)和IfcParameterized Profile Def(參數化實體)，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(空間結構實體)，新增IfcHazardous Area Space(危險區域空間信息)，并發展平面位置實體IfcLocal Placement(包括復合線IfcPoly Line和裁剪線IfcTrimmed Curve)和高度實體IfcZone High Level(包括枚舉類型IfcHazardous Area Type、邊界長度IfcLength Measure、空間邊界關系實體IfcRel Space Boundary、空間覆蓋關系實體IfcRel Covers Spaces等內容)。

圖3 建筑施工現場危險區域IFC拓展框架Fig.3 Framework for IFC extension model of hazardous area in the construction site

通過以上方法對危險區域IFC內容拓展，從而實現BIM環境中表示映射在地面上的危險區域在整個施工場地內的位置、空間信息以及映射在內部建筑物周邊的危險區域的位置、空間信息等內容的IFC表達。

3. 2 施工環境的動態表達

在BIM環境中，工程項目管理人員可以將建筑施工現場的施工計劃導入到BIM平臺，實現建筑施工現場環境的動態表達。因此，為了更加準確地表達建筑施工現場環境，工程項目管理人員可以將每天在建筑施工現場辨識的危險源信息、機械數量以及施工計劃、施工人員類型及數量等信息導入BIM平臺，以實現建筑施工現場危險源信息和危險區域的動態表達，同時根據BIM平臺中相關信息的表達，可視化建筑施工過程，重現關鍵施工流程，突出關鍵危險區域的安全風險，管理建筑施工現場的危險區域以及危險區域與其載體的關系。

4 危險區域定位和工人信息識別

在建筑施工現場中一般包含兩類危險區域：一類是靜態的危險區域，如基坑周邊及臨邊等；另一類是動態的危險區域，包括卡車、塔吊等施工機械，在其作業或移動過程中產生的危險區域。針對這兩類危險區域需要實現在建筑施工現場BIM平臺內的定位，同時需要對施工區域內的人員信息進行采集與分析，有效判別施工人員的工種類別、位置信息，輔助BIM平臺建立施工員入侵危險區域的預警機制。

危險區域定位和工人信息識別技術既要考慮定位精度、范圍、抗干擾能力、穿透障礙物能力和可拓展性，還需要考慮項目部的其他需求和經費承擔能力。為此，本文提出了一種基于機器視覺定位技術的危險區域定位和工人信息識別方法，以滿足建筑施工現場危險區域施工人員高效精準定位的需求。

4. 1 危險區域定位

施工現場通過架設高點固定攝像機實施監測，考慮到建筑施工場地大、現場復雜等特點，現場應根據需要布置多個高點攝像機，并盡量設置在開闊位置，避免遮擋等情況，且保證攝像機成像無干擾、照度應達到0.02 lux、視距不小于50 m。采用張氏標定法對高點攝像機參數進行標定，通過參照物將建筑施工現場BIM模型中的位置坐標與攝像機視場形成的高精度坐標映射，再將標定后的高點攝像機圖像進行危險區域標注，實現對危險區域的定位。其中，針對靜態危險區域，根據不同類型的危險區域邊界及其區域等級劃分規則，對危險區域的位置及邊界進行測量，獲取其坐標數據；針對動態危險區域，根據作業規律，獲取作業機械等的運動區域范圍表達，通過標記得出各危險區域的位置及范圍，并根據表1對危險區域及其等級進行劃分。

4. 2 工人信息識別與定位

工人信息識別包括對工人工種類型的判別和對工人在施工現場的定位兩部分任務，需要在輸入視頻連續序列中找到工人目標，并識別工人工種信息以及對工人運動軌跡進行準確監測。本文采用基于機器視覺技術的工人信息識別與定位方法，具體處理過程見圖4。首先采用Open Pose人體姿態估計算法對視頻圖像進行預處理，并對視頻圖像中的目標及其骨架進行檢測，提取骨骼關節點數據；然后根據關節點分割目標圖像，得到人體頭部區域和胸部區域，并基于ResNet殘差神經網絡識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，核相關濾波算法)跟蹤選定目標，基于目標先驗信息，在視頻序列中持續獲取目標運動狀態，得出該時段該目標在攝像機視場內的運動軌跡；最后通過BIM模型中的坐標數據，采用前述的危險區域定位的標定方法對目標人員的位置進行標定，并結合目標的運動軌跡形成工人在施工現場的運動軌跡及其坐標序列信息。

5 危險區域入侵預警模型及其應用

5. 1 危險區域入侵預警模型的構建

先將建筑工程項目施工計劃、危險區域表達、人員和機械信息、安全檢查信息等內容導入BIM模型中，構建建筑施工現場BIM模擬平臺；然后通過API接口將靜態危險區域、施工人員和機械設備的實時坐標信息傳輸到BIM平臺上；最后系統通過比較危險區域與施工人員的位置信息，實現施工人員入侵危險區域的預警，其預警流程見圖5。

在BIM模型中確定坐標原點后，危險區域和施工人員工作區域的坐標區域可分別利用下式來表示：

Y=(x1,y1,z1),(x1,y1,z1)∈R3

(2)

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

圖5 建筑施工現場危險區域入侵預警流程Fig.5 Process of early warning of intrusion into hazardous area in construction site

(3)

當施工人員進入危險區域時，預警系統通過下式(4)判斷是否需要預警：

(4)

其中，X表示施工人員三維坐標，當X∈Y時，表示施工人員進入危險區域，即f(X)=1，系統需通過下式(5)繼續判斷是否需要預警；反之f(X)=0，系統無需預警。

(5)

其中,t表示施工人員進入危險區域的時間；t′表示作業人員在該級別危險區域允許的入侵時間，其由工程項目管理人員根據危險區域等級取值。當工作區域與危險區域不交叉的施工人員進入危險區域，且在區域預警時間t′前未離開危險區域時，g(X，t)=1，系統發出預警；反之，g(X，t)=0，系統不預警。

5. 2 實例分析

本文以湖北某建筑施工現場為研究對象，構建了該施工現場某一時段的BIM模型，并通過在施工現場架設高點攝像機獲取了某一施工人員在30 min內的作業軌跡。該建筑施工現場危險區域BIM模型和施工人員作業軌跡俯視圖，詳見圖6。該施工人員的主要作業內容為腳手架的拼裝，其工作區域與塔吊吊裝作業無交叉，工程項目要求非危險區域作業人員在核心危險區、危險區、警戒區允許的入侵時間分別為10 s、15 s、40 s。

圖6 某建筑施工現場危險區域施工人員入侵行為的預警示例Fig.6 Early warning example of intrusion behavior at a construction site

根據該施工人員的運動軌跡，選出6個關鍵位置節點，其中位置1、2、6屬于其工作區域Y＇，位置3、5屬于危險區域Y，位置4屬于其他人員作業區域，其與施工人員工作區域Y＇、危險區域Y均無聯系。根據視頻軌跡發現：該施工人員處于位置3、5時入侵危險區和核心危險區的入侵時間都超過了警戒值，因此通過該預警模型對其分別發出了黃色預警和紅色預警；當該施工人員處于位置1、2、4、6時則不發出預警。

6 結 語

本文利用LEC評價法、BIM技術和機器視覺技術，構建了建筑施工現場危險區域的實時預警模型，并結合工程實例對該預警模型進行了具體應用。結果表明：該預警方法既能根據工程項目需求對施工人員入侵危險區域的行為進行預警，也能統計工人入侵危險區域的次數，以便有針對性地對工人開展教育和培訓，提高施工人員的安全意識，降低施工人員入侵危險區域行為的發生，從而提高施工現場的安全管理水平。