基于Cloud-BIM 的建筑工人高處墜落安全預警系統研究

夏 楊，孫文建,董建軍

（南京工業大學土木工程學院，江蘇南京 211816）

根據2006—2017 年全國建筑施工安全事故統計，在這十二年期間，共計發生高處墜落事故3 930起，致使傷亡4 262 人，僅因高處墜落引發的人員傷亡已占事故總數的52.4%，可見以傳統的人工管理方式難以進行全方位的監管，因此，借助現代信息技術預防建筑工人高處墜落安全事故的發生，構建具有針對性的安全預警系統對降低安全事故發生率和提高建筑施工安全管理的信息化具有重要意義。

RFID 作為近些年興起的先進的數據采集技術，具有實時性、耐久性、遠程性和定位精準等技術優勢［1］，而Cloud-BIM 是將云計算的快速儲存、數據處理分析能力與BIM 的協同管理、可視化、智能化技術的重新整合，克服了BIM 技術在計算能力和硬件配置方面的不足，最大限度地發揮出云計算和BIM 技術的優勢［2］。O.Kolton 等［3］建立防高空施工墜落的自動化監測模型，以數據庫為數據支撐，可自動定義危險區域、識別危險動作并提供有效的防護措施。Lijun Shen 等［4］首次提出將云計算與BIM技術結合可以降低BIM 軟件的使用成本并提高軟件的拓展性，而云計算中的移動計算技術也從根本上改變了傳統BIM 的開發方式。張洪等［5］通過建立事故致因“2-4”模型對2000—2016 年的56 起高空墜落事故進行分析，發現由人的不安全行為所引發的安全事故比率最高。畢振波等［6］提出適用性更強的云服務模式下的BIM 系統框架，并對已投入使用云BIM 技術的企業進行了軟件的適用性分析，證明云BIM 的使用可以有效提高軟件計算能力、降低軟件運維成本以及擴大軟件應用范圍。郭紅領等［7］開創性地將BIM 和PT 技術集成，構建建筑工人不安全行為預警系統實現對建筑工人實時位置、機械操作和預防碰撞事故的功能。這些研究主要在分析事故發生原因，提出事故預防措施，并運用BIM 技術構建施工現場安全管理系統框架，而構建的系統本身對功能模塊的信息處理、計算和分析能力不高，并且不能對安全事故起到主動防范和預警作用，同時對如何運用信息技術降低高處墜落安全事故的研究較少。

本文針對目前我國建筑業高處墜落安全管理現狀，從高處墜落事故影響因素出發，提出高處墜落預警系統構建思路，將先進的Cloud-BIM 和RFID技術集成并構建高處墜落安全預警系統，對高處墜落預警系統的危險區域界定規則和預警標準進行劃分，設計系統預警運行流程和RFID 布置，并通過案例驗證系統實現的可行性，極大程度上提高對建筑工人高處墜落的安全管理效率。

1 高處墜落事故因素分析

參考相關文獻將高處墜落事故主要事故部位歸納為七種類型［8-9］，如圖1 所示。事故主要集中在腳手架、垂直運輸設施、臨邊洞口等部位，通過分析事故部位，為預警系統功能需求分析、高處墜落危險區域界定及閱讀器重點布設區域提供依據。

圖 1 高處墜落事故的常見部位

事故致因理論將安全事故的原因歸納為人-物-環境-管理四個方面，而高處墜落事故的發生也是由施工人員的不安全行為、物的不安全狀態、安全管理缺陷、不利的施工環境共同作用的結果。基于事故致因理論、高處墜落事故的常見形式以及統計分析高處墜落事故案例，本文運用魚骨圖分別從人為因素、物的因素、環境因素和管理因素四個不同角度歸納總結高處墜落的發生原因，如圖2 所示。

圖 2 高處墜落事故影響因素

2 預警系統構建思路

2.1 基于Cloud-BIM 的高處墜落預警基本原理

預警系統的基本原理可概括為：定義預警規則、預警識別、警情預測、警報發布。定義預警規則是預警系統運行的基礎，而預警識別是根據系統設定的規則獲取有效的數據信息，警情預測屬于對潛在危險因素的定量分析，警報發布則是預警系統設計的目的所在。結合Cloud-BIM、RFID 技術和高處墜落事故特征，本文設計的基于Cloud-BIM 的建筑工人高處墜落預警系統的基本原理如圖3 所示。

圖3 基于Cloud-BIM 的高處墜落預警基本原理

2.2 系統功能需求分析

針對建筑工人高處墜落事故因素和Cloud-BIM技術的特點，基于Cloud-BIM 的建筑工人高處墜落安全預警系統的功能應存在以下特點：

（1）預警數據時效性：通過RFID 技術自動收集施工現場高處墜落人員、材料、機械的對象屬性及實時位置等信息［10］，確保預警系統所獲取的數據能夠準確及時的反應施工人員的安全狀態。

（2）預警集成化：高處墜落安全預警系統需要對施工現場內的人員、機械設備和環境等進行監測，系統需要完成數據的集成、處理和交互，才能確保最終輸出結果的準確性。

（3）預警可視化：通過云計算、BIM 和RFID三種技術優勢的融合，施工現場安全管理人員可以通過預警系統直觀得獲取到施工的不安全行為、環境信息和物的不安全狀態。

（4）預警自動化：通過預警系統可以對施工人員進行自動化安全監控，一旦達到系統設定的安全預警標準，將立即根據事故標準發出不同等級的警告并啟動相應的預警方案。

2.3 系統功能模塊設計

結合高處墜落事故因素和系統功能需求分析，基于Cloud-BIM 的建筑工人高處墜落預警系統主要功能模塊如表1 所示。

表1 高處墜落預警系統功能模塊設計

3 高處墜落預警系統構建

3.1 系統框架

根據高處墜落預警系統的功能需求分析，構建基于Cloud-BIM 的建筑工人高處墜落安全預警系統框架，如圖4 所示。高處墜落預警系統是以Navisworks 軟件為開發平臺，運用高處墜落相關安全規范、施工方案、實時采集數據與高空事故案例庫建立系統數據層，數據經云服務交互處理后傳輸到系統的核心功能層，確保預警系統危險區域識別、實時定位運算、安全風險預警和安全培訓及教育功能模塊的運行，實現建筑工人高處墜落安全管理的可視化。

圖4 高處墜落安全預警系統框架

3.2 預警規則

預警系統框架構建完成后，需要設計預警系統的預警標準和危險區域的劃分規則。根據可能造成事故的程度和GB50870-2013《建筑施工安全技術統一規范》將預警分為4 個等級［11］，由小到大依次為綠色、黃色、橙色、紅色，方便在系統中進行不同等級的危險區域識別，具體劃分如表2 所示。

表2 高處墜落預警級別劃分

表2（續）

通過識別BIM 安全模型中的危險區域，系統可以及時判定人員或機械是否處于安全區域，實現對人員和機械作業過程中危險區域的監控，一旦發現危險隱患將立即預警［12］。通過查閱相關文獻資料［13-14］，并結合高處墜落事故影響因素，得到建筑工人高處墜落危險區域的界定規則，如表3 所示。

表3 高處墜落危險區域規則

3.3 系統運行

基于Cloud-BIM 的建筑工人高處墜落預警系統具體運行流程如圖5 所示。系統啟動后，首先是發現人機位置處于危險區域的預警提醒，當危險狀況難以判定時可通過調用視頻鏈接進行確認；其次，預警的發布將通過電話、廣播或警報器的方式及時告知施工人員，并指派相關區域的管理人員進行巡查，管理人員還需對預警問題進行跟蹤檢查并視整改情況決定本次警報是解除還是進一步升級預警；最后，待危險情況解除后，系統會根據事件的發生過程和處理結果自動生成預警分析報告，分析報告的內容主要由兩部分組成：統計作業人員的違規違章次數，被記錄較多的人員將安排重新進行教育培訓并在施工過程中作為重點監管對象，通過預警分析找出事故高發區域，并制定專項安全控制措施。

圖 5 高處墜落安全預警系統運行流程

3.4 RFID 閱讀器的布設

RFID 閱讀器的布局位置和數量是影響建筑工人高處墜落實時定位準確性和及時性的重要因素，為了滿足信號全面覆蓋的需求并降低硬件的成本支出，本文引入移動通信系統中的蜂窩原理。移動通信網絡是由基站提供無線網絡覆蓋并由移動設備接受信號組成的系統，其中被基站所覆蓋的區域稱為蜂窩。由于施工現場中的危險區域主要由面狀組成，于是本系統閱讀區布局主要借鑒通信網絡中的面狀服務區類型。面狀服務區的覆蓋面積由正三角形、正方形以及正六邊形組成。在圖6 中，RFID 閱讀器的位置處于圓心處，圓的面積表示閱讀器的信息獲取范圍。

圖 6 面狀服務區的三種類型

RFID 閱讀器的位置處于圓心處，圓的面積表示閱讀器的信息獲取范圍，在每個閱讀器的覆蓋范圍均相同的前提下，設覆蓋圓形區域的半徑為R，則圖6 中的正三角形、正方形和正六邊形中各自的相鄰區域中心距離、單個區域面積、相鄰圓形交疊面積和交疊區域寬度如表4 所示。通過比較分析發現，當以閱讀器為圓心并處于正三角形區域時所需的閱讀器數量最少，并且也滿足信號全面覆蓋的需求，除此此外，很大程度上也降低了硬件成本。

表4 三種形狀閱讀器布局比較

在面狀布局原理基礎上，運用到施工現場時RFID 的輻射環境多是立體空間狀態，將以上分析結論與施工現場的實際環境相結合，如圖7 是本文設計的閱讀器定位空間環境部署方案。其中橢圓形是按照正三角形布局法布設的RFID 閱讀器，黑色圓點標示在平面內的RFID 標簽的位置，即施工人員或機械位置，矩形表示經常性的處于垂直空間范圍內移動的RFID 標簽，如吊籃、塔吊吊鉤、物料提升機等。總之，RFID 閱讀器的布設必須滿足對引發高處墜落事故的部位做到全面覆蓋，才能保障預警系統信息獲取的及時性和完整性。

圖 7 RFID 閱讀器定位方案

4 案例應用

4.1 項目簡介

案例工程為南京市某項目A2 地塊三期1—7 號樓工程。項目地下一層，主要作為停車庫和設備用房。此外，2 號—3 號樓為超高層住宅，結構設置結構縫將建筑分成兩個單體，共57 層，剪力墻結構，可能誘發高處墜落事故的危險源眾多，故本文選取2 號—3 號樓構建BIM 模型，通過創建預警系統原型實現建筑工人高處墜落安全預警。

4.2 應用分析

根據對RFID 閱讀器的布局分析，并結合本項目的實際情況，在建筑主體的標準層內布設閱讀器時選擇平面內可以組成正三角形的三個點，圖8 為本項目樓層內RFID 閱讀器的平面及三維圖。

圖8 標準層內RFID 閱讀器的平面及三維布設

建筑工人高處墜落預警系統以Navisworks 軟件為開發基礎，通過增添自定義插件的方式增加軟件功能。因筆者軟件開發水平有限，系統的功能模塊選用Navisworks.API 中的通用型插件方式集成到Navisworks 軟件，在模塊面板中，每個功能模塊的子模塊選用停靠窗口型插件。通過在Navisworks 安裝目錄的plugins 文件里創建與應用軟件格式相同的文件，最后將編寫完成的應用軟件移動到Navisworks中完成插件的添加。系統運行后，一旦監測到施工人員的位置或狀態可能引發安全事故時，將立即向管理人員和施工人員發送預警提醒。如圖9 所示，案例中的三名施工人員在靠近電梯井口時，系統自動判定其位置已經超出危險區域界定規則，并立即發布對應的預警等級提示。

圖 9 建筑工人高處墜落實時位置預警

5 結論

（1）根據建筑領域高處墜落安全管理現狀，構建出事前化、可視化的高處墜落安全預警系統，有利于提高建筑施工安全管理的信息化水平，實現自動化、可視化的安全管理模式。

（2）預警系統中包括從危險源識別、實時定位、安全預警到安全教育培訓的全過程安全管控，選擇Cloud-BIM 和RFID 技術的集成，以Navisworks 軟件作為開發平臺基本實現預警系統部分功能模塊開發，通過對高處墜落施工人員全方位和全過程的安全管控，降低高處墜落事故發生率。

（3）本文的研究成果可對建筑施工現場其他事故類型的管控提供系統構建的思路，以降低建筑業安全事故發生率，加快建筑業信息化技術應用的進程。

（4）系統涉及的信息化技術和設備較多，本文僅實現了預警系統部分功能的開發，在未來需要對系統的全部功能實現進行深入研究。