基于CIM 的塔吊碰撞預警系統(tǒng)研究

石俊衛(wèi) 何宇杰

(奧格科技股份有限公司)

1.研究背景

1.1 CIM 平臺發(fā)展概況

2007 年，Khemlani 提出City Information Modeling（CIM）這一概念，當時CIM 還只是簡單的被理解為BIM 在城市范圍內的應用。2014 年，Xu 等人提出通過集成BIM 和Geographic Information System(GIS)來建立CIM。2015年，同濟大學吳志強院士將這一概念延伸為City Intelligent Modeling，即城市智能信息模型，至此，物聯網Internet of Things(IoT)技術也逐漸與BIM、GIS 技術一并成為了CIM的主要技術支持[1]。2016 年城市信息模型（CIM）概念在國內被正式提出以來，經過近些年的發(fā)展已成為新型智慧城市建設的熱點，并且受到政府和各行各業(yè)的高度關注和認同。目前，CIM 研究在國內外都處于初級階段，其主要研究方向可劃分三大方向: 框架設計、數據融合及可視化。

自2018 年起，廣州、南京、北京、廈門、雄安新區(qū)被列為CIM 試點城市建設以來，住房和城鄉(xiāng)建設部等部門多次頒布了CIM 相關政策文件。為指導各地推進CIM 基礎平臺建設，2020 年6 月住房和城鄉(xiāng)建設部會同工業(yè)和信息化部、中央網信辦印發(fā)《關于開展城市信息模型（CIM）基礎平臺建設的指導意見》，提出了CIM 基礎平臺建設的基本原則、主要目標等，要求“全面推進城市CIM 基礎平臺建設和CIM 基礎平臺在城市規(guī)劃建設管理領域的廣泛應用，帶動自主可控技術應用和相關產業(yè)發(fā)展，提升城市精細化、智慧化管理水平”。在CIM 平臺建設的基礎上，CIM+城市更新、CIM+智慧工地、CIM+智慧園區(qū)等“CIM+”應用等得到快速發(fā)展。

1.2 智慧工地塔吊管理發(fā)展現狀

隨著我國城鎮(zhèn)化、新基建和大型工業(yè)場地等工程的建設，建筑工地數量呈快速上升趨勢，隨之而來的是連年不斷上升的工地安全事故問題，安全形勢不容樂觀。十八大以來，黨中央高度關注建筑業(yè)發(fā)展和改革問題，2014 年住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布《關于推進建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》，要求全面推進“智慧工地”的建設，利用信息化手段將建筑工地上的人員、設施設備進行全方位的管理，通過計算機算法、大數據分析輔助工地管理人員進行科學監(jiān)督決策，從而保障施工現場人員和設備的安全和有序作業(yè)。起重機作為建筑工地常見的大型機械設備，主要包括塔式起重機（簡稱“塔吊”）、汽車吊和履帶吊等。近年來，塔吊安裝運營數量較以往有了明顯的增長，大型塔吊、移動式履帶吊所占的比重越來越大，而大型塔吊與移動式吊車的事故率連續(xù)多年居高不下。據不完全統(tǒng)計，2010-2019 年我國至少發(fā)生塔吊生產安全事故382 起[2]，引起了社會上的廣泛關注，政府也多次發(fā)文強調要求加強管理。塔吊事故類型比較多，常見的主要有碰撞、傾翻、吊物墜落、折斷臂、構建脫落、工人事故等，但主要以碰撞、傾翻和斷脫繩事故為主[3]。因此，基于生產安全要求，需要對塔吊進行實時作業(yè)監(jiān)控，并建立塔吊防碰撞預警機制，從而保證人員生命安全與項目工程順利施工。段銳等[4]提出了未來塔吊安全管理的目標和框架，將信息與通信技術（ICT）中有潛力的建筑信息模型（BIM）與計算機視覺技術（CV）融入塔吊安全管理框架中，有利于實現對于塔吊運行過程的實時監(jiān)控和危險預警，有效減少事故的發(fā)生。王倩與田莉梅[5]提出通過搭建塔吊安全管理信息共享平臺，找到塔吊事故風險源與BIM 相關技術的對應關系，可實現風險與管理活動的匹配關系。牛前進等[6]提出將人工智能中的無人駕駛技術以及精確導航定位技術應用在塔吊的運行系統(tǒng)之中，這將會大大提升塔吊的運輸效率和協同工作效率，減少施工過程中人員的參與，降低塔吊施工過程的事故率。

2.研究內容與目標

2.1 研究內容

本文重點是對基于CIM 平臺的塔吊碰撞預警系統(tǒng)進行研究，并對其實現的設計思路、功能模塊、數據場景搭建、物聯數據對接與防碰撞預警的應用進行深入的分析。

2.2 研究目標

針對當前工地大型塔吊與移動式吊車常見的碰撞、傾翻和斷脫繩事故問題，基于CIM 平臺的塔吊碰撞預警系統(tǒng)使用三維空間防碰撞預警算法來實現群塔吊之間的防碰撞預警、吊重預警、大臂傾角異常預警等，在實現大規(guī)模項目塔機作業(yè)預警的同時，還支持固定式、移動式等多類型塔機遠程信息接入傳輸，實現對塔吊的管理。主要研究目標包含以下四個方面：

（1）場景三維建模與展示：建立項目場地場景三維模型，對場地模型數據進行單體化和輕量化處理，完成塔吊三維建模，將建立的三維模型在系統(tǒng)上展示瀏覽。

（2）塔吊物聯數據接入監(jiān)測與管理：對接塔吊物聯感知數據，系統(tǒng)上能模擬實時塔吊運行，實時展示塔吊運行時間、吊重、大臂轉動幅度等信息，并統(tǒng)計分析塔吊運行狀態(tài)信息，同時實現對塔吊數據進行管理。

（3）塔吊碰撞實時預警：根據物聯傳感設備數據，利用三維模型碰撞分析算法實現塔吊碰撞實時預警功能，預防塔吊碰撞，并對預警信息進行記錄和統(tǒng)計分析。

（4）視頻投影虛實結合：將監(jiān)控視頻投射到三維空間場景里，實現視頻數據與三維場景數據的全時空立體融合。

3.基于CIM 的塔吊碰撞預警系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構設計

基于CIM 的塔吊碰撞預警系統(tǒng)集成物聯網（IoT）、GIS、BIM，實現對塔吊等信息數據的采集、儲存、傳遞，滿足塔吊監(jiān)測、防碰撞預警等各項應用需求。系統(tǒng)整體架構分為六層，分別為：設施層、傳輸層、數據層、服務層、應用層、展示層，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構設計圖

圖2 系統(tǒng)部署架構

圖3 汽車吊控制模擬效果

圖5 防碰撞算法場景

圖6 塔臂與塔身碰撞預警

圖7 塔吊與汽車吊碰撞預警

圖8 塔臂與吊鉤碰撞預警

圖9 視頻投影功能效果

其中設施層包括塔吊、汽車吊、履帶吊的傾角傳感器、回轉編碼器、高度傳感器、風速傳感器、無線重量傳感器以及其它物聯終端設備等；傳輸層包括IoT 物聯網服務、綜合網關、無線網橋等；數據層包括柵格數據、矢量數據、BIM數據、傾斜攝影數據、建模數據等二三維數據以及傳感器數據、視頻數據等業(yè)務數據；服務層主要來自CIM 平臺的數據模擬分析服務、數據管理服務、數據集成服務等；應用層主要包括系統(tǒng)的數據管理應用、三維場景模擬應用、塔吊監(jiān)測與管理應用、防碰撞預警應用、視頻投影應用已經統(tǒng)計分析應用，展示層包括Web 端展示以及綜合大屏端展示。

3.2 系統(tǒng)部署架構

系統(tǒng)由塔吊監(jiān)控硬件設備、數據傳輸模塊、防碰撞監(jiān)測軟件3 部分組成。采用專線與lora 網關結合的方式，固定塔吊拉專線較為方便、移動式吊車不宜拉專線，采用lora網關的方式對接，lora 網關再通過專線的方式，將數據傳送機房的服務器上，在機房服務器上部署防碰撞系統(tǒng)，并將計算后的結果發(fā)送到塔吊監(jiān)控室，當監(jiān)控室人員接收到預警之后，采用對講機提醒塔吊操作人員，提高塔吊防碰撞識別性，從而有效地輔助塔吊司機進行高空作業(yè)。

3.3 二三維場景搭建

二三維場景數據作為系統(tǒng)的底圖，包括項目場地三維傾斜攝影數據、塔吊建模數據、地形數據（DEM）以及遙感影像數據等。在完成三維傾斜攝影數據輕量化與其他基礎地理信息數據的服務發(fā)布處理后，需要將項目場地上的塔吊進行實體建模。因為在防碰撞預警功能實現中，需要根據塔吊模型的大小等參數進行防碰撞預警的算法判斷，所以在建模過程中要求做到1 ∶1 真實還原施工場地上的塔吊設備，模型的地理坐標位置也需要精確定位。塔吊的建模主體主要包括塔（車）身、大臂、吊鉤等結構，其中汽車吊還包括伸縮臂、轉臺等復雜構件。在建模過程中需要根據不同的塔吊類型使用不同的建模參數，其中塔吊建模參數包括：塔吊型號、塔頂距離地面高度、吊臂距離地面高度、平衡臂長、吊臂長、塔吊顏色、坐標位置以及樣式照片；移動式吊車建模參數包括：吊車型號、整機尺寸、最大起升高度、起重臂最大長度、變幅角度以及樣式照片，其中，大型履帶吊還需要細分主臂長度與副臂長度。數字孿生建模在實施過程中面臨著不少難點，其中，最大的問題就在于塔吊的吊鉤升降模擬、汽車吊的液壓桿伸縮模擬以及履帶吊的拉繩模擬，這三個問題都有一個共通點，就是在模擬過程中會發(fā)生長度或角度的變化。本研究通過建模軟件的自定義動畫將模擬過程中會發(fā)生長度或高度變化的構建進行建模，導出gltf 格式的模型數據，再結合軟件代碼從而實現對塔吊模型的控制。

3.4 物聯傳感數據獲取接入與孿生模擬

基于CIM 的塔吊碰撞預警系統(tǒng)通過傾角傳感器、風速傳感器等物聯傳感設備獲取塔吊實時作業(yè)運行數據，將實時運行數據與對應的塔吊構件進行對接，從而實現塔吊的孿生模擬。由于塔吊、汽車吊、履帶吊機械結構的差異，在作業(yè)過程中會存在不同的運行狀態(tài)，因此需要細分每種塔吊類型的物聯傳感數據。其中塔吊包括大臂回轉角度、滑軌移動距離、吊鉤長度、吊重以及風速數據；汽車吊包括大臂傾角、大臂伸縮長度、主副鉤長度、吊重以及GPS 定位坐標數據；履帶吊包括大臂傾角、副臂傾角、主副鉤長度、吊重以及風速等數據。在實現塔吊孿生模擬的過程中，需要根據每一項參數與塔吊的各項構件進行一一對應，例如傾角傳感器對應塔吊大臂傾角、回轉編碼器對應塔吊大臂回轉角度等，需要注意的是，在對接傳感數據時，需要根據每一項構件的歸零角度和高度進行設置，避免出現初始角度和高度不一致的情況。完成傳感數據對接后，還需要結合塔吊自身的塔身高度、機身尺寸等基礎信息進行1 ∶1 還原，從而模擬出塔吊大臂、吊鉤、汽車吊大臂以及履帶吊大臂的實時空間位置，實現塔吊孿生模擬。最后結合計算機算法，判斷出塔吊之間的安全距離，實現精準預警。此外，對于大臂傾角、吊重等參數存在異常時，同樣能發(fā)出監(jiān)測預警。

3.5 防碰撞預警

塔吊防碰撞預警功能作為系統(tǒng)的重點建設內容，包括塔吊與塔吊之間、塔吊與移動吊之間、移動吊與移動吊之間的碰撞預警。系統(tǒng)完成物聯傳感器實時監(jiān)測數據對接后，獲取到大臂回轉角度、吊鉤高度、小車幅度等數據，在系統(tǒng)中可預設塔吊的碰撞預警距離，對相鄰的塔吊進行空間碰撞運算。在防碰撞預警算法實現過程中，將塔吊模型各個構件生成虛擬包圍盒，將獲取的物聯傳感數據同步到包圍盒使其與塔吊一樣進行孿生模擬，各個構件包圍盒之間進行空間距離運算，從而判斷出塔吊大臂、吊鉤、塔（車）身每一處的最短觸碰距離，當相鄰塔吊之間達到預設的距離時，系統(tǒng)發(fā)出預警信息，并發(fā)出聲光警報。同時，系統(tǒng)前端支持記錄24小時預警歷史信息，并在后臺記錄所有發(fā)生的碰撞預警信息，這對于防碰撞預警信息統(tǒng)計分析功能提供了數據支撐。此外，系統(tǒng)會將各個設備的位置、運動信息以及預警狀態(tài)實時顯示在界面上，供管理人員觀察和判斷，幫助管理人員及時發(fā)現潛在的碰撞風險，以作分析決策，并采取必要的措施避免事故發(fā)生。

針對移動式吊車作業(yè)許可范圍限制監(jiān)督問題，系統(tǒng)開發(fā)了自定義繪制電子圍欄模擬吊車作業(yè)范圍的功能，利用吊車GPS 定位儀實時跟蹤其位置所在，若在吊車運行作業(yè)期間離開或大臂超出作業(yè)許可范圍，則觸發(fā)預警，可以很好的做到監(jiān)督移動式吊車作業(yè)范圍是否合規(guī)的作用。

3.6 視頻監(jiān)控與投影

視頻監(jiān)控與投影功能作為系統(tǒng)輔助性功能，主要的作用在于輔助管理人員查看施工現場實時場景情況。通過對接施工現場塔吊監(jiān)控視頻，將監(jiān)控視頻與對應塔吊掛接，在系統(tǒng)上可以查看塔吊運行作業(yè)實時視頻。在塔吊發(fā)生碰撞預警時，根據碰撞相關塔吊編號，可進行快速關聯調出掛接的視頻監(jiān)控畫面，輔助管理人員迅速了解現場情況。

而視頻投影功能是對視頻監(jiān)控的升級，在CIM 平臺場景中實現了二三維場景與視頻畫面的統(tǒng)一聯動融合。通過查看視頻監(jiān)控畫面所在地理位置，在CIM 平臺中尋找對應的空間位置，繪制監(jiān)控視頻畫面，可實現同步視角的瀏覽。此功能實現了整體宏觀和細節(jié)場景的協調統(tǒng)一態(tài)勢感知，高效用于工地施工監(jiān)控、治安監(jiān)控、交通監(jiān)控等場景應用。

3.7 統(tǒng)計分析與評價

根據對接的塔吊信息、塔吊上的實時感知數據，對塔吊進行塔吊統(tǒng)計、預警統(tǒng)計、異常統(tǒng)計、運行分析等，讓相關人員可以整體了解全部塔吊的信息，根據塔吊運行時間、預警次數、預警類型等數據，評價塔吊整體運行情況，為塔吊管理工作提供數據支撐。

4.系統(tǒng)應用成效

CIM 塔吊碰撞預警系統(tǒng)可以減少意外碰撞導致的設備損壞、人員傷害以及生產中斷的風險，同時提高吊裝設備的操作精度和效率。

（1）提高施工作業(yè)整體安全性：起重機作業(yè)安全對施工項目整體安全性至關重要?；贑IM 的塔吊碰撞預警系統(tǒng)不僅有助于保護作業(yè)人員免受意外傷害，還能預防碰撞、過載、傾翻等問題帶來的經濟損失，降低計劃外停機成本費用。通過安裝傾角傳感器、無線吊重傳感器、高度編碼器、回轉編碼器、幅度編碼器、風速傳感器等物聯設備，將物聯設備對接到系統(tǒng)場景中，從而實現項目現場的可視化、降低施工作業(yè)過程中的監(jiān)督難度和風險、提高施工作業(yè)過程的安全性。

（2）增強工地塔吊操作員視力：封閉的塔吊駕駛室通常會阻礙操作員的視線，并且在誤差幅度非常低的復雜站點中會更加嚴重。即使在開放式駕駛室中，門式起重機周圍仍然存在盲點。相比起傳統(tǒng)的單物聯網監(jiān)控，塔吊系統(tǒng)不僅可以使操作員能夠更好地觀察周圍環(huán)境，還可以利用數字孿生使監(jiān)控人員直接快速獲取施工場地整體情況。

（3）實現同步現場溝通：傳統(tǒng)作業(yè)中塔吊、汽車吊、履帶吊操作員習慣運用手勢與地勤人員交流，但部分標志可能會被忽視或誤解，導致雙方信息不對稱。應用塔吊系統(tǒng)后操作員可以直接在操控室了解到周圍塔吊和吊車情況，結合傳統(tǒng)的防碰撞物聯網傳感器，這種協同和信息共享可以減少溝通誤解和協調問題，從而提高施工安全性。

（4）有效輔助管理人員科學決策：系統(tǒng)通過統(tǒng)計塔吊運行時間、預警次數、預警類型、吊裝次數等數據，可得出塔吊整體運行情況綜合評價分析，為塔吊運維工作和操作員監(jiān)管工作提供數據支撐，有效輔助管理人員在作業(yè)排班、統(tǒng)計績效和設備維護進行科學決策。

5.結語

盡管基于CIM 的塔吊碰撞預警系統(tǒng)取得了不錯的應用成效，但是依然存在較多難以避免的問題。例如傳感器和攝像頭等元器件的使用壽命問題、物聯傳感器傳輸速率問題、移動式吊車轉臺水平角度傳感器適配與對接問題、偏遠地區(qū)4/5G 信號傳輸穩(wěn)定性問題等，這些問題更多的是影響傳感數據的精度與穩(wěn)定性，從而對防碰撞預警、吊重預警等功能造成延時性與正確性影響。同時，在防碰撞預警算法判斷方面，目前僅以塔吊構件包圍盒的頂點與邊線去識別碰撞距離風險，存在一定的優(yōu)化空間。針對以上問題，需要從傳感器硬件設備、信號傳輸設備、碰撞算法等方面不斷進行優(yōu)化，從而提升系統(tǒng)預警功能的精確性和穩(wěn)定性。