人員定位技術(shù)在施工現(xiàn)場安全管控中的研究與應(yīng)用

周向陽 李鑫奎 沈志勇 況中華

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

1 現(xiàn)有技術(shù)及難點

當(dāng)前，國內(nèi)施工現(xiàn)場安全管理建設(shè)如火如荼，在工程建設(shè)過程中，各種信息化手段不斷地應(yīng)用于施工現(xiàn)場，尤其是安全建造概念不斷完善，實踐不斷增多，逐漸形成了人員定位安全管控、施工協(xié)同管理等多個應(yīng)用場景和系統(tǒng)模塊。

施工現(xiàn)場人員定位安全管理系統(tǒng)將人工智慧技術(shù)、新型傳感技術(shù)、生物識別技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等植入到人員可穿戴設(shè)備、現(xiàn)場進(jìn)出口以及高危、高風(fēng)險區(qū)域等關(guān)鍵性位置，從而實現(xiàn)了工程管理人員、工程實施人員與施工現(xiàn)場信息的緊密結(jié)合[1]。

當(dāng)然，現(xiàn)階段重大工程施工過程人員追蹤定位、人員的安全狀態(tài)監(jiān)測研究還處于起步階段，普遍存在許多問題，主要表現(xiàn)為：施工現(xiàn)場干擾因素較多，人員難以精確定位；采集到的數(shù)據(jù)信號難以傳出；現(xiàn)場采集與安全分析脫節(jié)；安全分析與控制脫節(jié)。

2 技術(shù)方案

2.1 人員定位系統(tǒng)介紹

人員定位系統(tǒng)包括定位標(biāo)簽和基站，其具有的創(chuàng)新特性和產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)如下：

1）系統(tǒng)具有精準(zhǔn)定位、軌跡追蹤、越界報警等功能。

2）定位標(biāo)簽：具有精確定位功能，精度達(dá)十厘米級。

3）定位基站：可支持幾千平方米的范圍覆蓋，支持?jǐn)?shù)百個終端的接入。

人員定位系統(tǒng)，包括定位基站與信息傳輸設(shè)備。其中，定位基站之間通過發(fā)送同步信息完成各個基站的時間同步，各個定位基站收集定位標(biāo)簽上UWB信號發(fā)射裝置所發(fā)出的UWB信號，采用TDOA方式，并將接收到的時間戳打包，通過信息傳輸設(shè)備發(fā)送至信息處理系統(tǒng)?；谙到y(tǒng)的高精度定位基站包含前端設(shè)備和傳輸網(wǎng)絡(luò)。

前端設(shè)備主要是完成對定位標(biāo)簽ID的感知及其自身的實時定位。傳輸網(wǎng)絡(luò)則將感知的數(shù)據(jù)ID信息與位置傳輸?shù)街鞲删W(wǎng)。整個定位系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

基于系統(tǒng)定位功能開發(fā)的電子圍欄、設(shè)備統(tǒng)計等功能，對于方便施工現(xiàn)場人員設(shè)備管理，具有巨大價值。

2.2 定位傳輸方案

無線定位系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)支持有線和Wi-Fi這2種網(wǎng)絡(luò)連接方式，具體分為以下3種場景。

圖1 人員定位系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 場景一：定位場景比較小和簡單

定位基站到POE交換機(jī)不超過100 m的情況下，通常用RJ45網(wǎng)線和POE交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)部署：定位標(biāo)簽和定位基站通過無線進(jìn)行通信，每個定位基站與POE交換機(jī)直連進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信和供電，POE交換機(jī)連接到監(jiān)控中心的交換機(jī)，最后與客戶端、服務(wù)器等連通。具體網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 場景一網(wǎng)絡(luò)示意

2.2.2 場景二：定位場景比較大

在施工現(xiàn)場有線網(wǎng)絡(luò)布設(shè)條件許可的情況下，推薦進(jìn)行光纖網(wǎng)絡(luò)部署，其穩(wěn)定性好，應(yīng)用效果好。可每間隔100 m預(yù)留1個光纖收發(fā)器，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)1個光纖頭、3個基站節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)通信模式。具體網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

2.2.3 場景三：定位場景無線傳輸

若施工現(xiàn)場條件有限，不能部署有線網(wǎng)絡(luò)，則推薦使用Wi-Fi方式進(jìn)行無線傳輸。布設(shè)多個定位基站時，可為每個基站單獨配置1個無線網(wǎng)橋，用于進(jìn)行該基站的數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)；同時，在接收端位置處配置AP和1臺交換機(jī)，用于進(jìn)行多個無線基站數(shù)據(jù)的接收與整合，并最終回傳到服務(wù)器端，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、處理與展示。具體網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖3 場景二網(wǎng)絡(luò)示意

圖4 場景三網(wǎng)絡(luò)示意

2.3 建筑工程定位適應(yīng)性

一般情況下，超高層建筑施工現(xiàn)場建議使用有線網(wǎng)絡(luò)部署，因為定位基站可通過POE交換機(jī)直接供電，無需單獨扯電源線供電。

針對建筑施工現(xiàn)場遮擋多的問題，可進(jìn)行算法調(diào)優(yōu)。對原始信道沖激響應(yīng)進(jìn)行采樣分析，提取7～10種不同的特征值。利用現(xiàn)有特征值組合，采用4種不同的非視距遮擋識別算法，對定位基站接受的信號進(jìn)行初步遮擋識別和判定，賦予信號遮擋置信度。針對4種初步遮擋判定結(jié)果進(jìn)行分析對比，再通過自適應(yīng)的融合濾波技術(shù)進(jìn)行信號延遲補償；將信號置信度代入多源多區(qū)域融合定位算法，得到最終定位結(jié)果。對于跨區(qū)域定位技術(shù)而言，可通過標(biāo)簽來判斷所在的區(qū)域，且通過與區(qū)域定位基站通信的連接來進(jìn)行定位連接，從而避免反復(fù)與未參與定位的基站來建立連接，可大幅度地減少各個節(jié)點間的無效通信，同時引入?yún)^(qū)域校正機(jī)制，快速地提升區(qū)域判定的準(zhǔn)確性，最終保證定位的可靠性與穩(wěn)定性[2]。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某大樓是某市軌道交通全線網(wǎng)絡(luò)運營的指揮中樞，具備全市所有路網(wǎng)總體監(jiān)控、車輛及人員配置的集中調(diào)度、各個部門的運營協(xié)調(diào)、突發(fā)狀況應(yīng)急指揮和領(lǐng)導(dǎo)輔助決策的功能[3]。該建筑用地總面積10 669 m2，建筑面積51 353 m2，地上9層，地下3層，地上建筑高度62 m。

3.2 人員定位技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 人員信息錄入

該項目施工現(xiàn)場有500人左右，這些人屬于不同的公司、不同的工種。為了對人員進(jìn)行管理，必須將所有人員的信息統(tǒng)計或添加在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，包括公司、工種、身份證號、進(jìn)場時間等。本系統(tǒng)有2種人員信息輸入方式：一種是批量輸入，即各單位將本單位的基本信息輸入到固定的Excel格式中，再將Excel表批量導(dǎo)入到軟件平臺中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的批量方便的導(dǎo)入；另一種是手動在軟件平臺中輸入人員信息，該方式適合人員信息輸入數(shù)量較少的情況。

3.2.2 基坑進(jìn)出人員管理

基坑作為施工期間比較危險或是特殊的區(qū)域，需要實時監(jiān)測進(jìn)出基坑的人數(shù)，通過準(zhǔn)確的基坑進(jìn)出人數(shù)統(tǒng)計來加強人員管理。本項目的基坑有2個進(jìn)出口，在2個進(jìn)出口分別安裝2套RFID觸發(fā)器和讀卡器。當(dāng)人們攜帶標(biāo)簽進(jìn)入基坑時，觸發(fā)器觸發(fā)卡片標(biāo)簽，標(biāo)簽將人員的信息通過讀卡器傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，進(jìn)而在WEB端進(jìn)行現(xiàn)場進(jìn)出基坑人員的統(tǒng)計和查看。

3.2.3 人員區(qū)域定位

在施工現(xiàn)場的各個區(qū)域出入口或區(qū)域固定部位安裝觸發(fā)器和讀卡器，通過施工人員隨身攜帶的雙頻卡標(biāo)簽，當(dāng)施工人員出現(xiàn)在讀卡器或是觸發(fā)器覆蓋的區(qū)域時，其個人位置信息和人員信息即可實時傳回到軟件平臺中。管理人員可以在軟件平臺中查看施工現(xiàn)場任何安裝了讀卡器和觸發(fā)器區(qū)域的人員的基本資料、區(qū)域內(nèi)的人員數(shù)量以及區(qū)域中的人員位置等信息，同時也能查找某個工人、某類工人等的實時位置和狀態(tài)信息。本功能為預(yù)留功能，當(dāng)現(xiàn)場需要對某個區(qū)域進(jìn)行人員定位時，只要在本區(qū)域安裝一個觸發(fā)器即可實現(xiàn)區(qū)域定位（圖5）。

圖5 實時人員定位

3.2.4 人員位置和活動軌跡查詢

在軟件平臺中可以根據(jù)需求查找任何工種、任何人、任何公司的人員的歷史活動軌跡，在某個位置的活動時間，進(jìn)入哪個區(qū)域等，軟件平臺可以通過表格顯示形式或圖中軌跡形式顯示出所查詢?nèi)藛T詳細(xì)的活動信息。通過活 動軌跡判斷施工人員的工作狀態(tài)、活動狀態(tài)，為管理人員對施工人員的管理提供數(shù)據(jù)支撐和手段。同時，通過人員的定位功能，可以間接發(fā)現(xiàn)和察覺是否有人出現(xiàn)事故，例如某人在某一個位置長時間沒有動作等。也可以通過人員管理系統(tǒng)快速找到某發(fā)生危險區(qū)域的人員，知道該區(qū)域的人員數(shù)量，以及是否有人員長期滯留在危險區(qū)域等。

3.3 預(yù)警和報警通知處理

人員定位和管理系統(tǒng)可以根據(jù)特殊工種、特殊施工區(qū)域、特殊施工事件等眾多施工現(xiàn)場危險事項，進(jìn)行報警條件或報警觸發(fā)條件的設(shè)置，進(jìn)而進(jìn)行報警通知和應(yīng)急事件處理。當(dāng)現(xiàn)場有危險情況或是違規(guī)操作時，系統(tǒng)進(jìn)行實時報警，并將發(fā)生的報警事件或應(yīng)急事件進(jìn)行詳細(xì)的信息統(tǒng)計和記錄，并通知相關(guān)人員。

4 結(jié)語

本文針對施工現(xiàn)場人員安全管控的特點和難點，綜合運用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPS技術(shù)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，從施工人員區(qū)域位置安全狀態(tài)、行為安全狀態(tài)等方面出發(fā)，進(jìn)行了人員定位技術(shù)在施工現(xiàn)場安全管控中的研究與應(yīng)用。經(jīng)應(yīng)用，項目最終降低了人員安全風(fēng)險，提高了施工現(xiàn)場人員安全管控的效率和效果。