物聯(lián)網(wǎng)建筑施工安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

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【摘要】針對當前施工現(xiàn)場安全監(jiān)控缺乏科學有效的信息化監(jiān)控手段的問題，論文在研究國內(nèi)外BIM技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了建立基于BIM技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑施工安全監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全管理的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)對比分析、自動預警、協(xié)同管理等功能。

【關(guān)鍵字】BIM；物聯(lián)網(wǎng)；建筑施工；安全監(jiān)控

1引言

建筑工程施工安全管理內(nèi)容復雜，施工過程涉及建設(shè)單位、設(shè)計院、施工單位、監(jiān)理單位等多方主體?，F(xiàn)場施工環(huán)境動態(tài)復雜，施工作業(yè)立體交叉，這就導致施工現(xiàn)場需要進行的安全監(jiān)控因素眾多，大大增加了施工現(xiàn)場的管理難度大。近幾年，高層、大型、復雜建筑物不斷增加，工程結(jié)構(gòu)和施工工藝日益復雜，這也對我國建筑工程安全管理提出了更高的要求。采用傳統(tǒng)的人工安全檢查對施工安全進行監(jiān)控，主觀性大、時效性低，不能科學及時準確的對施工中的安全事故進行有效監(jiān)控。近年來，國家層面多次文件，提出促進建筑行業(yè)信息化的發(fā)展，并對建筑信息模型（BIM）在工程的設(shè)計階段、施工階段和運營維護階段等全過程的應(yīng)用提出指導意見。在此背景下，研究通過信息化的手段，提升建筑施工安全監(jiān)控的科學性、準確性、及時性體現(xiàn)出重大的價值。

2BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用原理

2.1BIM技術(shù)適用性分析。BIM（BuildingInformationModeling）技術(shù)是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑工程全壽命周期中的所有數(shù)據(jù)，支持項目各參與方信息交流和共享的可視化、數(shù)字化表達[1]。BIM模型采用IFC體系作為共同的數(shù)據(jù)標準，采用參數(shù)化建模技術(shù)，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的一致性、關(guān)聯(lián)性、及時性和共享性。針對建筑工程施工過程，從安全需求的角度出發(fā)，梳理出安全預警的監(jiān)控對象，針對每一個監(jiān)控對象分析其可能存在的安全隱患，并對安全隱患進行參數(shù)化處理，形成相應(yīng)的參數(shù)化指標，通過MicrosoftOfficeAccess數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)建立建筑工程施工安全指標數(shù)據(jù)庫。在設(shè)計階段的BIM模型的基礎(chǔ)上，添加場地圖元信息，和施工機械相關(guān)圖元信息，并將建筑工程施工安全指標數(shù)據(jù)庫作為外部鏈接關(guān)聯(lián)到BIM模型中。通過BIM模型中各個構(gòu)件圖元與相應(yīng)的文本文件之間超鏈接的建立，實現(xiàn)施工現(xiàn)場管理工作的具象化。2.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)適用性分析。物聯(lián)網(wǎng)（TheInternetofthings）是通過無線射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)按約定的協(xié)議約定連接起來，形成物與物、人與物之間的通信以及信息交換，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行建筑施工安全管理，可以將施工現(xiàn)場的人員、機械、環(huán)境等因素與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)施工現(xiàn)場各類信息的實時互動，實現(xiàn)施工安全智能化的監(jiān)控管理，提升安全管理能力。在目標跟蹤定位方面，可以采用RFID區(qū)域定位技術(shù)ZigBee點定位技術(shù)相結(jié)合的方式對施工現(xiàn)場的管理人員、施工人員以及機械設(shè)施進行定位。其中，RFID射頻識別技術(shù)主要通過網(wǎng)絡(luò)的連通性和相鄰節(jié)點的位置關(guān)系實現(xiàn)對待定位標簽的區(qū)域性位置估計。ZigBee蜂窩網(wǎng)絡(luò)主要通過RSSI測距、TOA測距等距離測量技術(shù)實現(xiàn)對節(jié)點之間物理距離的測量。RSSI測距定位算法結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、成本低、功耗低，是當前無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)的熱點。在應(yīng)力監(jiān)測方面，可以采用振弦式傳感器對基坑支護結(jié)構(gòu)、模板支撐體系等結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力和變形的監(jiān)測。采用化學性能穩(wěn)定、抗拉強度大，且具有較高熔點的金屬絲作為傳感器的振弦材料，與磁鐵、受力機和夾緊裝置一起組成振弦式傳感器，采用不同的受力機做應(yīng)力和變形的測量。在危險預警方面，采用超聲波技術(shù)和紅外對射裝置。超聲波測距原理是利用超聲波的傳播速度和聲波反射的時間差，計算出超聲波發(fā)射點和遇到的障礙物之間的距離。超聲波測距精度高，可用于機械施工中的近距離預警。紅外對射裝置的監(jiān)測原理是利用LED紅外發(fā)射二極體發(fā)射脈沖紅外線到受光器，如果紅外脈沖射束被遮擋或者斷開，紅外對射裝置就會發(fā)出報警信號。因此，可以將紅外對射裝置布設(shè)在危險區(qū)域，如：臨邊、洞口等，當有人進入時觸發(fā)報警。2.3BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合原理。BIM模型在建筑施工安全管理中最主要的優(yōu)勢是信息的集成管理和共享以及三維模型可視化分析[2]，但是BIM模型本身無法感知建筑工程現(xiàn)場的現(xiàn)實環(huán)境等各種信息數(shù)據(jù)，無法結(jié)合工程現(xiàn)場管理活動和工作任務(wù)進行實時的管理應(yīng)用。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無疑可以解決施工現(xiàn)場工作和環(huán)境的實時監(jiān)控問題。因此，將BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的結(jié)合將實現(xiàn)建筑工程安全管理事故預防新的跨越。BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的方式可以實現(xiàn)安全事故的動態(tài)監(jiān)控，原理如圖1所示。首先，建立建筑工程施工安全指標數(shù)據(jù)庫,該數(shù)據(jù)庫包含了施工項目安全指標或行業(yè)安全指標[3]，并將數(shù)據(jù)庫與BIM模型進行鏈接，在事前進行危險源的防控。其次，在施工過程中通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對存在安全隱患的人和物進行實時監(jiān)控，將采集到的安全信息與BIM模型中安全信息進行實時對比，當臨近危險狀態(tài)時發(fā)出預警，使管理人員實時跟蹤現(xiàn)在施工情況，進行安全隱患的預控和安全事故的處置。最后，按施工結(jié)束對安全管理進行總結(jié)并結(jié)合施工信息對安全信息數(shù)據(jù)庫進行補充完善。

3安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑施工安全監(jiān)控系統(tǒng)是以集成綜合信息的BIM安全信息模型為基礎(chǔ)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行施工現(xiàn)場信息的實時采集，并兩者信息整合分析對比，實現(xiàn)對工程項目動態(tài)實時的安全管理與事故預警的信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)架構(gòu)主要三個模塊組成：現(xiàn)場信息采集模塊、BIM安全信息模塊，安全監(jiān)測數(shù)據(jù)處理反饋模塊，系統(tǒng)工作流程如圖2所示。1）現(xiàn)場信息采集模塊現(xiàn)場實時采集的信息主要包括人員、材料、機械、建筑構(gòu)件等屬性信息，危險性較大工序的實時信息，隱患區(qū)域?qū)崟r信息等。采集標簽有定位節(jié)點、振弦式傳感器、超聲波裝置和紅外設(shè)備組成。首先，結(jié)合安全信息數(shù)據(jù)庫和施工現(xiàn)場實際情況，定義RFID標簽種類、數(shù)目以及位置[4]，布設(shè)ZigBee信標節(jié)點、振弦式傳感器、超聲波裝置和紅外對射裝置等。然后，將布設(shè)對象的基礎(chǔ)信息添加到BIM模型中。在施工現(xiàn)場，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的工具，對人員、機械，以及支撐構(gòu)件應(yīng)力和危險區(qū)域進行實時監(jiān)測。2）BIM安全信息模塊將采集到的信息通過ZigBee無線技術(shù)發(fā)射到閱讀器進行數(shù)據(jù)打包處理，進而通過光纖把數(shù)據(jù)發(fā)送給上層服務(wù)器，再對數(shù)據(jù)進行分析處理，共享到BIM安全信息模型中，實現(xiàn)施工全過程安全數(shù)據(jù)信息的交互[5]，在BIM安全信息模型中呈現(xiàn)出施工人員和機械的實時位置、周圍環(huán)境、檢測參數(shù)等安全狀態(tài)以及關(guān)鍵工序和關(guān)鍵構(gòu)件的安全狀態(tài)。3）安全監(jiān)測數(shù)據(jù)處理反饋模塊安全監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與信息反饋模塊的主要功能是實現(xiàn)施工現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)信息與BIM模型嵌入的安全規(guī)則或者參數(shù)化的危險源信息進行對比分析。施工現(xiàn)場質(zhì)量安全信息與BIM模型的信息交互比對是實現(xiàn)事故預防的關(guān)鍵?？赏ㄟ^單獨開發(fā)API功能模塊或者通過支持IFC標準的軟件，實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)庫以及電子標簽之間的信息數(shù)據(jù)讀取格式轉(zhuǎn)換、交互與讀寫，實現(xiàn)自動的數(shù)據(jù)對比，以及通過系統(tǒng)管理人員針對構(gòu)件進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)與嵌入模型安全規(guī)則的對比[6]，項目安全管理小組所有成員可以隨時查看到施工現(xiàn)場各個關(guān)鍵點和危險點實時的安全狀況。一旦施工現(xiàn)場發(fā)生人的不安全行為或者物以及周圍環(huán)境的不安全狀態(tài)，BIM模型上就進行報警，并對危險行為或狀態(tài)的級別進行分類。

4安全監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

1）定位管理功能該系統(tǒng)的建立可以在電腦終端通過BIM模型查詢?nèi)魏我粋€時間段某個現(xiàn)場區(qū)域范圍內(nèi)人員的數(shù)量、身份；還可以查詢某個員工的實際位置和活動軌跡以及安全裝置佩戴信息。這樣不僅可以對現(xiàn)場人員進行考勤，對施工人員的工作效率進行評價，督促安全員按時按點對現(xiàn)場進行檢查，還可以為后續(xù)事故預防工作打下基礎(chǔ)。2）報警功能報警功能可分為人員報警功能和安全預警功能。人員報警功能是指當無權(quán)限人員進入某個施工區(qū)域時，該區(qū)域的報警系統(tǒng)發(fā)出報警，在BIM模型中的相應(yīng)區(qū)域顯示出來，并將信息推送相關(guān)管理人員。每一位現(xiàn)場施工人員和管理人員身上都佩戴有相應(yīng)的標簽，通過施工區(qū)域入口處的標簽識別器可以識別出人員的屬性，判斷該人員是否具有進入該區(qū)域的權(quán)限[7]。安全預警功能是指在施工過程中，構(gòu)件應(yīng)力或變形量超過臨界點，機械或施工人員發(fā)生危險行為，可以導致安全事故時，現(xiàn)場的報警系統(tǒng)發(fā)出報警，在BIM模型中的相應(yīng)區(qū)域顯示出來，并將信息推送相關(guān)管理人員。3)多方協(xié)同功能傳統(tǒng)的安全管理主要是施工單位單方面的管理行為，基于BIM模型，可以整合項目各參與方（業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理等）的管理資源，各個項目參與方均可以在BIM模型中查看項目施工中的安全信息，及時了解施工安全狀態(tài)，當存在安全隱患時，通過電腦終端向施工現(xiàn)場發(fā)出信息推送，實現(xiàn)項目多方參與者協(xié)同進行施工安全分析和安全管控的功能[4]。4)動態(tài)更新功能BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，使得現(xiàn)場信息不再需要人工進行收集和錄入，在施工現(xiàn)場采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對現(xiàn)場施工環(huán)境及作業(yè)環(huán)節(jié)進行實時的監(jiān)控，并通過數(shù)據(jù)傳輸，將施工現(xiàn)場施工安全信息實時更新到BIM模型中。在項目竣工后，又可對項目的安全管理進行評價，并對與BIM模型相連接的安全信息數(shù)據(jù)庫進行補充和完善。5)全過程安全管理功能傳統(tǒng)的施工安全管理主要局限于施工過程中的安全監(jiān)管，但是安全事故的發(fā)生具有因果效應(yīng)，僅僅對施工現(xiàn)場進行管理并不能完全預防安全事故的發(fā)生，所以經(jīng)進行全過程的安全管理。在施工前，用BIM模型進行虛擬建設(shè)和沖突檢查對施工進行模擬，結(jié)合施工安全信息數(shù)據(jù)庫，分析施工過程中可能存在的安全隱患，在施工以前做好安全交底工作。在施工過程中，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對施工現(xiàn)場的環(huán)境及作業(yè)進行全程監(jiān)控，克服人工監(jiān)管的局限性，并通過BIM模型進行數(shù)據(jù)對比分析，科學的進行施工中的安全管理。在項目施工完成后，對項目施工安全管理進行評價總結(jié)，對施工安全數(shù)據(jù)庫進行補充更新，為之后的施工安全管理提供指導。

5結(jié)語

集成BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑施工安全監(jiān)控系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)安全管理中人工檢查、手動錄入、溝通不暢等弊端，通過施工現(xiàn)場安全數(shù)據(jù)自動采集，信息實時更新，平臺自動監(jiān)測，多方協(xié)同參與的全過程安全管理，極大的提高了建筑施工中安全管理的科學性和及時性。采用BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的方式進行建筑施工安全監(jiān)控不僅可以大大降低安全事故發(fā)生的概率，并且，通過對施工安全數(shù)據(jù)庫的不斷補充更新，可以極大提升建筑施工企業(yè)對安全施工的提前預控能力，提升安全監(jiān)控水平。

作者:王舒琪 倪燕翎 單位:湖北經(jīng)濟學院