人工智能工程項目安全預警平臺構建研究

摘" 要：該文首先分析傳統施工現場安全管理存在的問題，其次在梳理人工智能技術內涵的基礎上，構建施工項目安全預警平臺。該平臺由動態監測系統、預警診斷系統、協同響應系統和安全教育系統構成，驗證實時、在線、快速和連續的事故隱患監測要求，并實現工程項目安全管理預警功能，達到培養作業人員安全意識和警覺心理的目的，以提高工程項目建設過程中的安全性，最后附以實際案例進行論證。

關鍵詞：安全預警;平臺構建;人工智能;閉環控制;安全管理技術

中圖分類號：TU714" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0096-04

Abstract： This paper first analyzes the problems existing in the traditional construction site safety management， and then， on the basis of sorting out the connotation of artificial intelligence technology， constructs the construction project safety warning platform. The platform is composed of dynamic monitoring system， early warning and diagnosis system， cooperative response system and safety education system. It verifies the requirements of real-time， online， rapid and continuous monitoring of accident hidden danger， and realizes the safety management and early warning function of engineering projects， so as to improve the safety in the construction process of engineering projects. Finally， it is demonstrated with actual cases.

Keywords： security early warning; platform construction; artificial intelligence; closed loop control; safety management technology

安全生產是一項系統性、綜合性的生產過程，其內容貫穿于建筑生產的各個環節。為降低工程項目安全事故的發生概率，減少損失，提高施工企業的安全管理水平，國家安全生產監督管理總局頒布了《企業安全生產標準化基本規范》，要求施工企業建立安全標準化管理系統，以使企業安全生產逐步實現科學化、規范化和系統化。施工現場的安全信息具有來源分散、信息量大、隱蔽性強、難于辨別等特點，而我國大部分建設項目安全管理依靠安全員的現場監督、檢查、提醒及安全會議教育與培訓等方式。此方法具有事后性、培訓范圍小、影響小等缺點，難以滿足大型施工項目現代化、智能化建設的需要，因此快速、準確地獲得施工現場安全生產的信息，實現信息之間的共享和交流，保障安全隱患盡快及時排除，降低人員傷亡和經濟損失，是目前施工現場安全管理亟待解決的重要問題之一。人工智能的發展為建設項目智能化安全預警平臺的構建提供了技術支撐，推進人工智能與工程項目安全管理的深度融合，以智能化拓展安全管理的新空間;加強人、材、機、法和環等安全風險要素的動態識別、實時監控、即時提醒，可極大減少施工現場安全事故的發生。

1" 施工現場安全管理痛點分析

1.1" 突發性安全事故多

工程建設受到多因素（人、材、機、管理和環境）耦合作用的影響，安全問題層出不窮。人的不安全行為、物的不安全狀態、不利的施工作業環境及安全管理缺陷[1]等都會引發安全事故;作業人員缺乏安全意識，如未按規定佩戴安全帽，酒后違章作業、地上地下同時施工、多層多工種同時作業等，導致安全事故的發生具有突發性和緊急性。

1.2" 周期性檢查跨度大

工程項目施工周期較長，建設過程易受到自然氣候條件的影響，惡劣氣候條件會對工人的肢體操作靈活性產生影響，自然環境也會腐蝕施工機械及安全防護裝置。傳統安全管理中，建筑工程施工現場定期安全檢查時間跨度較大，無法實現7×24小時在線監督、實時監控及異常狀況及時提醒的要求。

1.3" 勸服式管理收效慢

當前，建筑工地的作業人員多為農民工，未經任何培訓直接從農民轉化為生產工人。用工模式上，多數施工隊伍為包工頭+閑散農民工模式，缺乏有效的組織與培訓。農民工的文化水平低、安全意識薄弱，對于施工過程中較為危險的物體缺乏警覺和戒備的心理，若僅通過三級教育（企業、項目、班組）、崗前教育、日常教育等方式對工人進行勸服管理與安全教育，收效甚微。

2" 智能化安全管理理論與技術

2.1" 智能化安全閉環控制理論

本文在對大量文獻閱讀[2-5]及總結工程實踐經驗的基礎上，發現施工現場安全管理涉及人員、材料、機械、在建物、管理和環境等因素，其共同理論基礎是感知、分析、控制和持續優化的閉環控制理論，即“全面感知、真實分析、實時控制和持續優化”，從而確保工程建造全過程內人員、機械、結構工作性態安全和管理活動的可知可控，以提升建造過程的安全水平。

全面感知是指利用定位跟蹤技術、傳感技術、物聯網等新興技術，全面實時地獲取和傳輸建設過程中在建物、設備、人員之間相互作用的環境、狀態、要素特征數據。真實分析是指利用大數據及BIM技術，對收集到的實時數據，進行統計、分析、計算，對工程建設安全要素中涉及的狀態穩定、數據偏差進行分析、預測、優化并反饋。實時控制就是通過智能設備及軟件，針對安全隱患和管理盲點，進行及時有效的控制，達到實時動態調整和預報預警的目的。持續優化是指對生產過程中偏離目標的體系、制度以及人員意識，不斷地進行優化和調整。

2.2" 智能化安全管理技術

智能化安全管理是在傳統安全因素識別、安全隱患管理基礎上融合傳感技術、通信技術、大數據技術。目前，智能化安全管理主要支撐技術包括：①大數據技術。通過對海量數據的收集、統計、分析和計算，利用數據的瞬時傳輸功能，來判定人工、材料、機械和在建物等資源要素是否處于一種穩定的狀態，是否存在安全隱患。②GPS定位技術。利用車載定位系統、人載定位系統、手機GPS，可全方位、多角度地動態識別人員、材料、機械設備等資源要素的位置和狀態，極大減少人盯式管理難度大的痛點。③BIM技術具有可視化及虛擬模擬等特點，可提高項目安全管理的信息集成化程度，可在設計模型（3D）的基礎上添加安全、成本、進度等要素，組合成六維模型，在工程實際開始之前，統籌考慮技術、安全、成本、質量和進度等要求，把實際施工過程中可能發生的各種問題解決在虛擬施工中，為工程項目的安全管理提供一個信息集成和共享的安全平臺。④物聯網，把施工現場人員、材料、設備、技術和環境通過監控識別、GPS定位系統等各種信息傳感設備與互聯網連接起來，實現物與物、物與人、人與人的泛在連接，從而實現安全隱患的實時發送與統計。⑤移動小程序（手機APP，微信小程序），很好地解決施工現場客戶端零部署，使信息傳遞扁平化、數據安全可靠、功能體驗更豐富，此技術能起到直接、瞬時傳遞消息的作用，可以快速解決工程建設活動現場人員安全性提醒、重點信息推送的技術難題。

3" 智能化安全管理系統

3.1" 動態監測系統

動態監測系統是基于全面感知理論，利用目前的智能化設備，通過定位、識別、監控等技術，全面實時地獲取和傳輸建設過程中在建物、設備及與人之間相互作用的環境、狀態、要素特征數據。此系統用于對被采集對象及其相關信息進行定位、監控，屬于平臺的基礎性功能（如圖1所示）。

3.1.1" 實時定位模塊

針對工人的狀態（人員身份、空間位置、安全防護）、機械設備的狀態（機械位置、空間參數、作業參數）通過穿戴智能安全帽、反光衣進行定位和跟蹤，GPS/北斗定位系統進行實時定位，實現工程建設管理安全化、智能化，須解決流動性載體的定位跟蹤技術。工程建設項目施工范圍廣、參與主體多、業務流程繁瑣，可通過身穿反光衣等實現人員定位，此模塊主要用于夜間作業、人-機協同工作區、管理死角區。

3.1.2" 人員識別與準入模塊

工程建設施工過程中，人員數量大，流動性強，進出場次數頻繁，缺乏安全意識等都成為安全事故隱患。為加強建筑施工安全管理，禁止不明人員進入現場，需要解決人員身份識別問題。可通過在出入口安裝無感通行考勤系統，該系統可設置人臉對比、人員跟蹤等算法，聯動項目人員實名制，攝像頭識別人員等信息。同時，系統監測到實名制范圍外人員自動報警，防止場外人員尾隨，此模塊主要應用于人員出入口、交叉作業口。

3.1.3" 危險區域識別模塊

危險區域識別是針對腳手架、深基坑、垂直運輸設施和臨邊洞口等作業區危險因素的識別。通過安裝無感監測儀器來監測危險區域狀態，將具體監測數值與安全區域劃分數值進行比較，判斷人員是否安全、環境是否穩定、技術是否可行，管理是否合理。此模塊主要應用于電氣危險區域、深基坑外圍、高空作業面外圍。

3.2" 預警診斷系統

預警診斷系統是基于真實分析理論，利用云計算技術，對動態監測系統傳輸的數據和信息進行統計和分析，并開展工程真實工作性態仿真，對工程建設過程中的安全要素涉及的穩定、偏差進行預測、分析并反饋。此系統對被采集對象的數據進行統計、分析及判斷，對平臺的正常穩定運行具有重要支撐作用，是平臺構建的重要過程。

3.2.1" 數據輸入模塊

數據統計模塊是對收集到的海量數據、信息進行統計，得到相關工作人員的自身屬性（人員身份、年齡、健康狀況）、工作屬性（工種、工作范圍、工作強度）、空間位置屬性和安全防護，統計其安全裝備佩戴情況，形成違規人員數量統計表。通過對機械的定位與監測，形成整個施工現場的機械設備的位置信息及機械故障統計報表，并將其推送至管理人員處及數據計算模塊。

3.2.2" 數據分析模塊

數據分析模塊則通過數據統計模塊反饋的信息，利用大數據技術進行計算。根據定位系統獲取人員的工作信息及機械工作信息，計算人員位置安全指數與機械操作穩定指數。根據物體監測系統獲知物體的安全狀態，計算安全指數，根據氣候、在建工程周邊環境計算環境的安全指數，并輸出至信息輸出模塊。

3.2.3" 信息輸出模塊

輸出模塊則根據計算結果的數值，結合系統中的建設項目安全標準，判斷預警指標是否超出安全臨界狀態或安全警域值，確定預警等級，明確事故高發區域，并制定專項安全控制措施及安全實施方案。一旦危險發生，立即釋放對應的預警信號，并采取相應的應急方案，消除事故隱患。

3.3" 協同響應系統

協同響應系統是基于實時控制理論，針對預警系統反饋的信息，對照規則和標準，做出即時提醒及預報預警的目的，阻止安全事故的發生，實現管理目標、建造過程和行動的有效控制。此系統屬于該平臺系統的業務功能核心，是安全平臺智能化成果的核心體現。

3.3.1" 自動警報模塊

基于計算機深度學習的施工不安全區域識別方法， 通過定位技術采集施工人員坐標信息， 對不安全區域內的施工人員進行實時危險距離預警。比如，開發工地圍擋翻越警報功能（區域、越界）及危險區域越界警報功能，一旦施工人員越過安全距離后，可聯動觸發報警裝置，警報模塊將自動發出警報和警告，避免事故的發生。

3.3.2" 移動互聯提醒模塊

對于工作人員在施工現場的危險舉動，以及不當的操作流程和工藝方法，施工機械設備是否正常操作運轉，可采用移動APP開展安全隱患排查治理，并結合定位軌跡數據，挖掘危險源與人員活動相關規律，當工作人員進入危險源后，系統及時將預知的危險源推送至區域相關人員，提醒工作人員注意安全。

3.4" 安全教育系統

安全教育系統是基于持續優化理論，通過前述系統反饋的隱患事故、安全事故的統計數據，對于危險性較大、高頻事故等應做好安全教育培訓。此系統通過對作業人員的培訓和評價，為培養作業人員的安全警覺心理和危險防范意識提供了技術支持，是平臺構建的目的。

3.4.1" 教育培訓模塊

針對工人缺乏安全防護意識及安全知識儲備不足等問題，可在工程施工之前，根據施工方案，結合BIM技術對較危險的施工過程進行施工模擬。結合模擬技術，使工人在開始之前就了解和熟悉具體工作的操作要求、程序、步驟和注意事項，以及將來可能發生的危險等。對技術人員和安全人員所進行的講解和培訓，有利于工人了解此項工作的危險和風險。

3.4.2" 教育篩查模塊

基于BIM平臺所提供的智能化工程項目模擬，定期讓施工現場的安全管理員對工人的安全生產意識、與安全相關的知識和技能進行測試，根據測試成績進行評價，通過數據篩查，對于排名較后的工作人員推送至區域內管理人員，加以重點關注和培訓。這樣可消除施工人員安全意識松懈、安全知識不足等問題，以提升現場安全管控效力。

4" 價值創造案例

智能化安全預警平臺的構建與應用，其本質還是產生價值。本文以陜西韓城恒大御景半島項目為例，介紹施工安全智能化系統的應用。

項目概況：建筑面積541 300.76 m2，施工人員600人。

項目痛點：①個別人員缺乏進工地立即戴安全帽的意識;②施工面積大，作業分布廣，工作人員多;③全項目僅配備1名專職安全管理員，4名安全員;④傳統人工盯梢，易疲勞、難覆蓋，存在安全管理死角漏洞;⑤部分人員休息下班間隙返回施工區域打水、取物，存有安全隱患;⑥智能化安全設備不足。

解決方案：經過工地現場實地勘探，利用現有條件，在工地入口左右拐角處和最遠端共計3個燈塔頂端各部署1臺F系列雙目球機。施工作業和內部主通道監控全覆蓋，再配合安全著裝管理模塊對工地現場人員安全帽、反光衣穿戴情況進行7×24小時在線監控。設置報警音柱對違規人員實時警報，提醒人員安全著裝。

項目成效：形成安全管理閉環控制，有效填補管理疲勞、漏洞，提升安全帽、反光衣穿戴率，降低人力管理成本。

5" 結束語

通過對建筑工程施工現場安全管理的痛點分析，基于智能化安全閉環控制理論和人工智能技術的發展，構建人工智能工程項目安全管理預警平臺，有利于提高施工過程中安全管理的智能化水平。

預警平臺包括針對施工過程中人-機-環等安全要素的動態監測系統、安全信息的預警診斷系統、安全事故的協同響應系統以及作業人員安全教育的實施系統，實現了對施工人員全方位的監測和教育，對施工流程的全過程的模擬和監控，降低安全事故發生的概率。

通過安全預警平臺在具體實例的應用，可提高施工現場智能化安全管理水平，形成安全管理閉環控制，降低人力成本，說明預警平臺的構建和應用能夠產生一定的經濟價值。

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