基于BIM技術與定位技術的地鐵施工人員安全預警

于用慶 鄒樹琪 張興軍

(1.廈門軌道交通集團有限公司，361010，廈門；2.上海城建信息科技有限公司，200120，上海 ∥ 第一作者，高級工程師)

1 地鐵施工人員不安全行為分類

地鐵施工事故與施工現場存在的地下空間有限、施工作業人員的不安全行為和復雜的施工環境密切相關。在地鐵施工過程中所發生的事故，88%以上均是由于現場施工作業人員的不安全行為引起[1]。通過查閱相關文獻和行業標準規范[2]，地鐵施工人員不安全行為主要包括違章作業、安全防護用品使用不正確、靠近危險區域等3大類。

1) 違章作業。違章作業是指一線作業人員未遵循相關規定要求的設備操作程序，在有或無意識的情景下未遵循符合規定要求的設備操作章程而進行作業行為。違章操作不安全行為主要包括：作業人員不正確操作作業、使用安全系數低的機械設備、不遵循規定要求流程操作機械設備、忽略安全提示、作業時注意力不集中、出現不符合要求的操作動作。

2) 安全防護用品使用不正確。安全防護用品使用不正確是指一線作業人員未準確穿戴安全防護設備，未正確使用個人安全防護用品。安全用品使用不當主要包括：不重視安全用品的佩戴、穿戴不安全的裝束、使用不安全的防護裝置。

3) 接近危險區域。接近危險因素是指由于施工現場比較混雜，危險源眾多，作業人員工作時，在無意識或者因工作需要而不得不靠近危險源而進入危險區域。接近危險區域主要包括：私自進入不安全區域、攀坐禁止的不安全范圍、在不安全的地方施工作業。

國內外眾多專家學者結合BIM(建筑信息模型)數據孿生和定位技術在優化施工現場人員安全行為管控上進行了一定深度的研究。文獻[3]利用BIM技術、AR(增強現實)技術、定位技術構建了BIM三維可視化人員安全管控框架系統，很大程度上實現了對施工現場作業人員所處安全場景的有效識別；文獻[4]通過集成BIM技術和RFID(射頻識別)技術創建了建筑工程施工現場人員安全監管系統，并利用C#語言，自主開發了基于BIM技術與RFID技術集成的建筑工程施工人員安全管控系統，并建立了事故應急預警模型；文獻[5]利用BIM、AR等虛擬現實技術，結合智能攜帶裝備，針對地鐵工程施工過程中作業人員的安全行為進行分析研究，建立了BIM技術的信息化安全管理體系；文獻[6]分析了集成ZigBee(紫蜂協議)和 BIM技術的施工人員安全管控預報警系統，提出了利用ZigBee技術實現現場施工人員的定位，分析施工中的不安全因素，以人、材、機為切入點，結合施工現場可能發生的環境場所和施工部位，構建施工安全預警體系；文獻[7]融合 Cloud-BIM、UWB(超寬帶)和ZigBee定位等技術方法，在人員實時定位、危險源和危險區域識別與分析的基礎上，完成信息協同、實時定位、危險預警和路徑規劃的系統架構，有效降低了施工現場不安全現象發生的頻率；文獻[8]研究了GPS(全球定位系統)技術在施工領域的應用現狀，提出了GPS目前主要集中在變形監測、放樣、勘測測繪等工作中。

雖然較多的專家學者對BIM、AR、定位等技術在工程施工現場的人員安全管理進行了一定的分析研究，但在解決地鐵施工現場人員不安全行為定位技術的運用上仍存在較大的不足。

2 定位技術的選擇及其與BIM的集成機理

2.1 定位技術的選擇

目前，較為成熟的定位技術主要包括：無線非射頻技術、GPS技術、RFID技術、WSN(無線傳感器網絡)技術和UWB技術，且不同的行業和領域對其有著不同的定位需求。例如，在航海航空等領域主要利用衛星來對目標進行定位，應用較多的則是GPS室外定位技術。各定位技術比較見表1。

表1 各定位技術特點比較

基于地鐵施工現場人員不安全行為管控的實際需要，確定采用GPS和UWB兩種定位技術結合的方式。GPS技術實現對地面施工作業區域的作業人員的定位，UWB技術則實現對地下有限空間下作業人員的定位。人員攜帶的定位標簽集成GPS和UWB定位模塊，定位方式根據定位對象所處位置自動切換，從而實現施工現場作業人員的實時定位。

2.2 定位技術與BIM技術的集成機理

定位技術與BIM技術的集成依據工作流分為：模型建立、實時定位、計算、輸出。

1) 模型建立。地鐵工程三維模型主要包括場地、地下結構、施工機械、臨時設施等。利用Autodesk Revit軟件進行建模，同時利用集成平臺，識別和共享.rvt格式的模型文件。

2) 實時定位。GPS和UWB 定位子系統獲取和解析GPS數據和UWB定位數據，并將定位對象的坐標位置數據傳輸至集成平臺。坐標位置數據通過與BIM進行整合，為計算過程的分析提供數據基礎。

3) 計算。依據設計的安全性計算規則，將施工現場劃分為不同預警條件的危險區域，同時對定位對象所處環境的安全性進行實時計算和判斷。

4) 輸出。將上一步計算分析得到的安全評估結果發送至攜帶有集成化定位標簽的定位對象，同時發送安全識別數據，當計算得出的是不安全對象，則將依據預先設計的報警模式發送預報警提示。

3 施工人員不安全行為管控信息分析

要實現對施工現場作業人員不安全行為的實時監控和預警，應滿足3大類數據需求：作業人員實時位置數據、作業人員屬性及裝備數據、作業人員危險動作數據。

3.1 作業人員實時位置數據

基于GPS、UWB定位技術對地鐵工程施工現場作業人員和復雜機械設備的位置信息進行收集，并在BIM中經過設定的運算處理，實時進行位置安全性識別判斷。

1) 地鐵工程施工現場作業人員進出場及行走路徑判斷?；诘罔F工程施工現場作業人員的位置數據，利用計算模塊對其進行分析，以此獲得作業人員實時的位置坐標，取得作業人員進出工地的時間數據，以此得出所有作業人員的考勤數據。利用作業人員任意時間內動態、實時的位置坐標數據，虛擬出某時間段內作業人員的運動軌跡，從而判斷識別作業人員在施工現場的工作路徑等。

2) 工人不安全位置判定及預警?；谧鳂I人員的實時位置坐標數據，可實時評估作業人員的位置是否在安全區域內，并做出實時預報警提示。

3.2 作業人員屬性及裝備數據

作業人員的屬性數據是指現場作業人員所屬工種及工作職責權限等數據信息。作業人員的裝備數據則是指作業人員在作業過程中，所穿戴的安全防護裝備和施工工具等數據。通過作業人員屬性和裝備數據，可實時了解現場作業人員的屬性信息，識別判斷該作業人員安全防護裝備穿戴是否完整，并判斷作業人員在使用作業工具時是否滿足規定要求。該類信息可寫入集成化定位標簽中，故而在作業人員的安全防護設備和工具上也可寫入并安裝攜帶該類信息的標簽。

通過搜集施工作業人員的上述數據信息，并在計算模塊里對其安全性、合理性和規范性進行實時判斷識別，以此實現以下功能：

1) 安全裝備佩戴識別。利用現場安裝的UWB定位基站以及GPS模塊，通過自動、實時、動態采集作業人員攜帶的集成化標簽，可識別判斷現場作業人員的屬性，從而輸出該作業人員的施工權限，并將其屬性數據進行對比，判斷工人是否按要求穿戴安全防護裝備。

2) 機械操作權限識別。機械設備可寫入其操作屬性數據。當作業人員操作該機械設備時，UWB定位基站將自動識別和判斷機械設備屬性和人員屬性數據等信息。通過該功能不僅能實時判斷機械設備情況，同時亦能識別和判斷操作人員是否具備機械設備的操作權限。

3.3 作業人員危險動作數據

作業人員的行為動作數據信息是指作業人員在施工現場活動時，所發生的動作和行為的數據信息。該數據信息包括可能產生事故的危險行為，作業人員在作業和操作等工作時不遵守或不完全遵守規定的操作流程和規章制度等。目前尚未有較完善的技術方式可以實時監管施工作業人員的危險動作和行為。

4 基于BIM技術和定位技術的地鐵施工事故預警系統

基于BIM技術和定位技術的地鐵施工事故預警系統(以下簡為“地鐵施工事故預警系統”)框架如圖1所示。

圖1 地鐵施工事故預警系統框架

1) 采集層。采集層即現場的感知層，通過利用UWB定位基站和GPS，實現對地鐵工程現場人員及設備實時動態位置數據的采集。利用GPS和UWB的定位模塊一方面可將現場周邊環境數據精確化，另一方面通過現場安裝的UWB定位基站或GPS模塊可實現對現場作業人員的不安全行為監控。

2) 數據輸入層。數據輸入層可處理分析采集層數據，并向后續處理層發送分析后的數據。依據上述作業人員和機械設備的屬性數據等信息，通過數據分析、邏輯運算和數據處理，可以獲取作業人員的屬性、位置及安全防護裝備的佩戴情況等信息。

3) 數據處理層。數據處理層可對上一步輸入層初步分析過的數據信息進行深層次的安全性邏輯判斷分析。依據上述作業人員的屬性和防護裝備的信息數據，分析識別作業人員安全防護裝備是否符合規范要求，不同職責的作業人員安全防護裝備類型及佩戴要求會有不同。通過分析作業人員和機械設備坐標位置信息等數據，將作業人員和機械設備在BIM三維場景下的坐標位置進行展示。

4) 模型應用層。模型應用層是該框架系統的核心層。該核心層所產生信息數據的主要服務對象包括：①施工現場作業人員，其安全性需依據處理層的計算結果進行識別和判斷：②施工安全管理人員。

模型應用層產生的數據通過現場基站等組建的網絡進行傳輸，現場作業人員及安全管理人員利用隨身攜帶的集成化標簽接受反饋信號，通常反饋信號會以視覺或聽覺以及震感的方式實現。具體工作模式如圖2所示。

圖2 地鐵施工事故預警系統的工作模式

地鐵施工事故預警系統利用GPS實現對地面施工區域的定位，然后該系統采集施工現場的數據信息，并對其進行判斷、分析、處理、輸出等操作。數據信息在服務器、數據庫以及作業人員攜帶的集成化標簽之間傳輸，從而對作業人員的安全性進行計算和識別。

綜上所述，地鐵施工事故預警系統可對不同性質的作業人員及其所處的不安全區域實現諸多功能，如作業人員坐標位置的實時監測展示、作業人員安全防護裝備的佩戴監測、重要施工機械設備操作權限的監測等。在此基礎上，根據工作人員的位置，該系統可以控制不安全區域中出現非本區域的工作人員，以及可將該區域中可能發生的危險事故實時提示給區域內的工作人員，從而有效地避免各種安全事故的發生。地鐵施工事故預警系統的工作流程，如圖3所示。

圖3 地鐵施工事故預警系統的工作流程

5 結語

本文通過集成BIM技術、GPS技術和UWB定位技術，為地鐵工程施工人員不安全行為管控提供了一個新的、強有力的技術監管手段。構建了地鐵施工事故預警系統，并提出了該系統的 4大基本功能，同時對各模塊層的工作機制進行了詳細分析。研究成果可為地鐵工程現場施工人員不安全行為預警，以及后續相關系統的開發提供參考。