曹 洋,蘇振民,金少軍
(1.南京工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,江蘇 南京 211816;2.江蘇省建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督總站,江蘇 南京 210036)
隨著施工現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜程度不斷提高、建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)模不斷擴(kuò)大,傳統(tǒng)的安全管理方法如事前安全培訓(xùn)、事中安全檢查等已經(jīng)不再完全適用[1]。因此,亟需改變現(xiàn)有的安全管理方式,而且現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展,也為施工安全管理提供了新的思路。
建筑信息模型(building information modeling,BIM)、物聯(lián)網(wǎng)(internet of things,IOT)及無線傳感器等作為當(dāng)下火熱的技術(shù),國內(nèi)外學(xué)者對這些技術(shù)進(jìn)行了眾多研究并在安全管理實(shí)踐中進(jìn)行利用。如PUERTO 等[2]使用BIM分析出設(shè)計(jì)階段可能導(dǎo)致安全隱患的問題;劉國買等[3]基于ZigBee、RFID及視頻檢測技術(shù),與隧道施工特點(diǎn)相結(jié)合,設(shè)計(jì)了隧道安全管理與定位系統(tǒng);王學(xué)琛等[4]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),開發(fā)出一套煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警體系;RIAZ等[5]結(jié)合BIM與無線傳感技術(shù)(wireless sensor network,WSN),對工人在施工過程中的不安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。
以上研究或關(guān)注項(xiàng)目環(huán)境所帶來的安全風(fēng)險(xiǎn),或關(guān)注工人的不安全行為所帶來的風(fēng)險(xiǎn),在一定程度上解決了安全管理上的困難。 但是這些研究技術(shù)都只能通過二維屏幕來顯示,無法將施工現(xiàn)場復(fù)雜多變的情況呈現(xiàn)在現(xiàn)場施工人員面前,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場施工人員與 BIM的實(shí)時(shí)交互[6]。SACKS等指出風(fēng)險(xiǎn)識別很大程度上依賴于施工過程中感知潛在危險(xiǎn)的能力[7],并通過實(shí)例證明了處在虛擬環(huán)境中的工人相較于通過圖片來學(xué)習(xí)的工人而言,能夠識別出更多的危險(xiǎn)[8]。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(augmented reality,AR)是一種新型的計(jì)算機(jī)技術(shù),能夠使抽象的東西具體化,給用戶帶來較大的視覺沖擊,加深理解和記憶,因此將AR作為BIM技術(shù)的延伸,可以將BIM的價(jià)值最大化[9]。針對這一特點(diǎn),筆者擬引入AR技術(shù),作為BIM技術(shù)的補(bǔ)充,集成BIM與AR構(gòu)建施工安全管理系統(tǒng),以進(jìn)一步完善現(xiàn)場施工安全管理,減少施工安全事故的發(fā)生。
建筑信息模型是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ),通過創(chuàng)建相應(yīng)的三維模型和數(shù)字信息仿真模擬,將建筑物所具有的真實(shí)信息表達(dá)出來。目前,業(yè)界基于BIM及相關(guān)信息技術(shù),從建筑的設(shè)計(jì)、施工前、施工和運(yùn)營4個階段進(jìn)行了安全管理研究。盡管BIM已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,但是現(xiàn)階段的BIM只是充當(dāng)了二維圖和相關(guān)輔助資料的角色,難以結(jié)合復(fù)雜多變的施工現(xiàn)場環(huán)境,用戶期望將虛擬信息和真實(shí)世界疊加起來以加強(qiáng)理解[10]。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種虛擬環(huán)境嵌入真實(shí)環(huán)境的真實(shí)畫面的環(huán)境[11],并且借助顯示設(shè)備實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的融合,呈現(xiàn)給使用者一個視覺效果真實(shí)的環(huán)境[12]。MILGRAM[13]針對虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境提出了現(xiàn)實(shí)-虛擬連續(xù)(reality-virtuality (RV) continuum)這一概念,變化區(qū)間如圖1所示。圖1左側(cè)為任何僅由真實(shí)對象組成的環(huán)境,包括直接觀察真實(shí)世界場景或者通過某種窗口,亦或是通過某種視頻顯示所觀察到的任何東西,稱之為完全真實(shí)的環(huán)境。圖1右側(cè)為只包含虛擬對象的環(huán)境,如傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形模擬。
圖1 混合現(xiàn)實(shí)連續(xù)變化區(qū)間
兩者之間即為混合現(xiàn)實(shí),增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)虛擬都是混合現(xiàn)實(shí)的一部分。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)的主要區(qū)別在于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)并不會將使用者與真實(shí)環(huán)境相互剝離,使用者身處在真實(shí)環(huán)境的同時(shí)還能夠看到在真實(shí)環(huán)境上所疊加的虛擬信息[14],從而提高使用者對虛擬模型的感知能力。
目前,國外的AR技術(shù)已經(jīng)在建筑設(shè)計(jì)和維護(hù)、制造業(yè)、訓(xùn)練、醫(yī)療、3D視頻會議、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)、娛樂等領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用[15];而在國內(nèi),建筑行業(yè)還未真正開始應(yīng)用AR技術(shù)。
高效的安全管理需要對建筑施工項(xiàng)目安全信息進(jìn)行高效收集及處理以實(shí)現(xiàn)最后的預(yù)警。因此,將施工安全管理系統(tǒng)劃分成信息收集模塊、信息處理模塊和安全預(yù)警模塊3個模塊,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
信息收集模型涉及的項(xiàng)目安全施工信息主要包括3個部分:建筑實(shí)體信息、項(xiàng)目環(huán)境信息、安全知識信息,這些信息都將存儲于BIM數(shù)據(jù)庫中。建筑實(shí)體信息即建筑信息模型,主要包括建筑結(jié)構(gòu)尺寸、材料信息等。建筑施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜多樣,僅依靠建筑實(shí)體信息并不能完整地獲得項(xiàng)目安全施工所需的信息。項(xiàng)目環(huán)境信息首先通過RFID收集現(xiàn)場人員、材料、施工機(jī)械的位置和身份類信息,通過WSN技術(shù)獲取施工現(xiàn)場周圍的環(huán)境狀況,如含氧量、溫度等。同時(shí)WSN較RFID具有更強(qiáng)的抗干擾能力,傳輸距離也更遠(yuǎn),因此將RFID和WSN結(jié)合起來組成功能更加強(qiáng)大的信息收集系統(tǒng)[16]。安全知識信息一方面包括了安全準(zhǔn)則和安全操作規(guī)范,例如“乙炔瓶的環(huán)境溫度不得超過40 ℃,夏季應(yīng)防止暴曬”,另一方面包括了以往的事故記錄和優(yōu)秀的施工經(jīng)驗(yàn),這一類信息可以通過本體技術(shù)輸入到BIM數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。
圖2 施工安全管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖3 施工安全信息
3類項(xiàng)目安全信息相互之間存在著緊密的聯(lián)系,如圖3所示,通過BIM模型獲取的建筑實(shí)體信息給項(xiàng)目環(huán)境信息與安全知識信息提供了建筑結(jié)構(gòu)信息,包括建筑結(jié)構(gòu)尺寸、材料信息等;而建筑物所在地的環(huán)境信息和安全知識信息,豐富了建筑實(shí)體的信息數(shù)據(jù)庫。且項(xiàng)目環(huán)境信息和安全知識信息相輔相成,如安全規(guī)范中要求“隧道、人防工程、高溫、有導(dǎo)電粉塵和狹窄場所,照明電壓不應(yīng)大于36V;潮濕和易觸及照明線路場所,照明電壓不應(yīng)大于24 V”[17],當(dāng)實(shí)際施工中探測到相似環(huán)境信息時(shí),安全知識信息將自動提醒,這樣可確保在不同的環(huán)境中操作符合規(guī)范。
信息處理模塊是整個系統(tǒng)的核心模塊,通過處理收集到的信息數(shù)據(jù),將信息整合成能夠?yàn)锳R應(yīng)用程序所識別的AR模型。這一模塊可以分為3個過程,信息處理過程如圖4所示。
(1)初步概念階段。這一階段為BIM準(zhǔn)備階段,針對不同專業(yè)建立專業(yè)BIM模型,也就是建筑實(shí)體信息,為方便不同專業(yè)之間的信息交換,通常采用工業(yè)基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn),即IFC格式。最后將各專業(yè)模型整合成完整的建筑信息模型。
(2)數(shù)字化模型階段。針對實(shí)際施工中的現(xiàn)場需要,現(xiàn)場管理人員將初步概念階段的模型拆分成創(chuàng)建AR所需要的不同的虛擬場景,即3D結(jié)構(gòu)模型、4D施工模型,同時(shí)載入本體工程中所輸入的安全知識信息,即2D文本信息。而這一過程需要將IFC格式轉(zhuǎn)化為OBJ/MTL格式,再導(dǎo)入至3ds MAX進(jìn)行深度加工和處理,最后導(dǎo)出可供AR識別和應(yīng)用的L3D文件。
(3)目標(biāo)建筑物模型階段。上一階段已經(jīng)得到了AR建筑模型中所需的虛擬場景模型,但是要建立一個完善的AR建筑模型還需要位置信息和真實(shí)場景,即項(xiàng)目環(huán)境信息。在這一階段,首先利用信息技術(shù)得到真實(shí)場景的位置信息,整合虛擬場景模型,得到該位置上的虛擬場景,再使用Wikitude與真實(shí)場景合成,得到最終虛實(shí)結(jié)合的AR建筑模型。
Wikitude為AR開發(fā)提供了一個健壯的平臺,因?yàn)槠渌虚_發(fā)特性都可通過開放源碼軟件開發(fā)工具包(SDK)獲得,SDK允許對其源代碼進(jìn)行完全定制。因此,這使得諸如基于地理的跟蹤、云識別和雷達(dá)等高級特性,可以為移動設(shè)備應(yīng)用程序開發(fā)。
在最后的現(xiàn)場使用過程中,文本、圖像、3D模型或視頻,一旦創(chuàng)建并上傳到云數(shù)據(jù)庫,將會加入到AR模型中,用戶可以通過任何支持相機(jī)的設(shè)備(智能手機(jī)、iPad等)的AR應(yīng)用程序進(jìn)行瀏覽,也可通過可穿戴智能設(shè)備(如HoloLens頭盔,Google Glass等)進(jìn)行瀏覽。
圖4 信息處理過程
在施工過程中,不僅涉及到高處墜落的風(fēng)險(xiǎn),還存在物體打擊、機(jī)械傷害等安全隱患,這就對增強(qiáng)系統(tǒng)捕捉重力構(gòu)件和移動計(jì)算能力提出了較高的要求,因此需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取攝像機(jī)位置和姿勢??紤]到攝像機(jī)位置獲取的實(shí)時(shí)性,在施工過程中主要采用基于傳感器的跟蹤注冊技術(shù)[18]?;趥鞲衅鞯母欁约夹g(shù)主要是利用磁場傳感器、超聲波傳感器及機(jī)械傳感器等對攝像機(jī)進(jìn)行跟蹤定位[19]。其中磁場傳感器可以依據(jù)磁發(fā)射信號與磁感應(yīng)信號之間的耦合關(guān)系獲得被測物體的空間方向信息,從而確定施工人員與大型機(jī)械的相對位置信息;而超聲波傳感器則根據(jù)聲元的相位差、時(shí)間差等捕捉物體的位置。因此,利用傳感器來獲取攝像機(jī)、大型施工機(jī)械及其他物體位置信息的技術(shù)算法相對簡單,獲取速度也較快,很好地滿足了施工安全預(yù)警的要求。
造成事故的主要因素分為危險(xiǎn)場地環(huán)境、工人不安全行為、不安全作業(yè)順序和高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備操作4類[20]。為解決這4類事故因素,安全預(yù)警模塊主要包含了兩個單元:人員操作培訓(xùn)單元和危險(xiǎn)區(qū)域識別單元。
(1)人員操作培訓(xùn)單元。現(xiàn)在的大型施工項(xiàng)目中出現(xiàn)的事故大多是由于工人沒有按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行操作而引起的。同時(shí),施工人員缺乏標(biāo)準(zhǔn)的培訓(xùn)方案,往往采用“師傅帶徒弟”的方式,這就造成了每個工人對于施工安全的理解存在差異,而AR技術(shù)將使這種情況得到改善。
施工準(zhǔn)備前,利用AR的沉浸式特點(diǎn),對工人進(jìn)行安全教育培訓(xùn),模擬工程中的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),讓工人在施工前知曉該操作相關(guān)的安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)工人進(jìn)入施工地點(diǎn)準(zhǔn)備施工時(shí),AR設(shè)備可以將當(dāng)前的施工環(huán)境和已經(jīng)搭建完成的模擬施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互式顯示,指導(dǎo)工人按照正確的規(guī)范進(jìn)行施工。而工人在實(shí)際施工中,可以將現(xiàn)場操作情況反饋至BIM數(shù)據(jù)庫中,一旦發(fā)生不可預(yù)期的安全事故,仍可將該過程記錄下來,以充實(shí)BIM數(shù)據(jù)庫,為將來的工作提供更加豐富的指導(dǎo)。
(2)危險(xiǎn)區(qū)域識別單元?,F(xiàn)階段,僅僅憑借個人經(jīng)驗(yàn)判斷施工現(xiàn)場是否存在安全隱患是十分困難的,同時(shí)即使工人意識到了危險(xiǎn),也會因?yàn)閷Π踩恼J(rèn)知不足,而忽略這些危險(xiǎn)。當(dāng)工人進(jìn)入施工現(xiàn)場,通過隨身攜帶的AR設(shè)備顯示之前信息收集模塊所收集到的現(xiàn)場附近的危險(xiǎn)源清單,這樣工人在施工前可以清晰地了解到自己所處環(huán)境是否安全。而當(dāng)工人處在施工地點(diǎn)時(shí),根據(jù)BIM數(shù)據(jù)庫中對于不安全區(qū)域的界定規(guī)則,識別出工人是否處于危險(xiǎn)區(qū)域,一旦工人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域,系統(tǒng)將啟動安全警報(bào)。
當(dāng)工人到達(dá)施工地點(diǎn)后,BIM數(shù)據(jù)庫將該工序的施工規(guī)范導(dǎo)入AR設(shè)備,工人可以觀看到疊加在真實(shí)環(huán)境基礎(chǔ)上的虛擬影像,系統(tǒng)根據(jù)信息處理的結(jié)果,根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)等級發(fā)出不同的警告。如當(dāng)工人距離未設(shè)有保護(hù)欄桿的洞口0.6 m以內(nèi)時(shí),系統(tǒng)辨別為高危險(xiǎn),工人在AR中看到的景象將是紅色,并標(biāo)記出撤回安全地點(diǎn)的路線,同時(shí)系統(tǒng)告知安全管理人員采取應(yīng)急措施;當(dāng)人員處于距離洞口0.6~1.5 m范圍內(nèi)時(shí),為安全隱患區(qū)域,對應(yīng)為中等危險(xiǎn),AR影像顯示黃色,提醒工人注意安全,并把相關(guān)情況反映給安全管理人員;當(dāng)距離洞口1.5 m以外時(shí),AR影像顯示正常,各相關(guān)人員無需采取措施。
在現(xiàn)場環(huán)境方面,如當(dāng)工人使用乙炔瓶時(shí),現(xiàn)場環(huán)境如果超過40℃,AR影像顯示紅色,當(dāng)前環(huán)境溫度已超過施工允許的范圍,提醒工人停止施工,并采取相應(yīng)措施;而當(dāng)溫度低于35℃時(shí),AR影像顯示綠色,允許正常施工。
通過利用該安全管理系統(tǒng),工人在施工之前就可以準(zhǔn)確地識別到安全風(fēng)險(xiǎn)地點(diǎn),更好地理解施工現(xiàn)場的安全預(yù)防措施;施工過程中做到安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)可視化,加強(qiáng)了工人與BIM以及管理人員的有效溝通,同時(shí)也可以減少用于監(jiān)督的時(shí)間和勞動。
安全管理系統(tǒng)流程如圖5所示,可以看出整個安全管理系統(tǒng)運(yùn)行流程大致分為3個階段:施工前、施工中和施工后。在正式施工前,現(xiàn)場各參與方的管理人員與施工人員對具有安全隱患的作業(yè)過程、安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和區(qū)域進(jìn)行交底。針對工程中的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),利用AR對工人進(jìn)行培訓(xùn),讓工人了解相關(guān)施工點(diǎn)的安全規(guī)范,待培訓(xùn)合格后方可進(jìn)入施工現(xiàn)場。
進(jìn)入施工現(xiàn)場后,工人佩戴的AR設(shè)備將指導(dǎo)工人按照安全規(guī)范施工,并根據(jù)工人所處環(huán)境進(jìn)行判斷,一旦工人進(jìn)入了系統(tǒng)認(rèn)定的危險(xiǎn)區(qū)域,預(yù)警模塊將對工人發(fā)出警報(bào),并通知安全管理人員采取相應(yīng)的措施,以確保工人在安全的狀態(tài)下完成相應(yīng)的工作。施工結(jié)束后,可以將工人的整個施工狀態(tài)上傳至BIM數(shù)據(jù)庫,安全管理小組對其進(jìn)行分析,更新安全信息。
圖5 安全管理系統(tǒng)流程
正式施工前,現(xiàn)場各參與方的管理人員與施工人員對具有安全隱患的作業(yè)過程、安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和區(qū)域進(jìn)行交底。雖然現(xiàn)階段,依靠Navisworks已經(jīng)能夠通過二維屏幕實(shí)現(xiàn)虛擬建設(shè),但是依靠AR,管理人員可以在貼近真實(shí)的虛擬環(huán)境中更加容易地理解現(xiàn)場存在的危險(xiǎn),并將信息傳遞給施工工人。
缺乏適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)是導(dǎo)致工人危險(xiǎn)行為的因素之一,沒有受過良好訓(xùn)練的工人往往不善于識別危險(xiǎn)活動。施工前根據(jù)已經(jīng)虛擬建設(shè)識別出來的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),對施工人員進(jìn)行教育培訓(xùn),以便其在安全的狀態(tài)下準(zhǔn)確高效地完成相應(yīng)的施工任務(wù)。針對關(guān)鍵的安全風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn),利用已經(jīng)構(gòu)架完成的建筑實(shí)體模型,模擬施工工序,制作相應(yīng)的三維影像,然后借助AR技術(shù)將三維影像疊加到真實(shí)環(huán)境中,通過AR設(shè)備將其完整地呈現(xiàn)在用戶面前。AR技術(shù)不僅解決了工人無法憑借二維圖紙想象安全風(fēng)險(xiǎn)和操作規(guī)范的困難,還調(diào)動了工人的積極性,促使其融入到現(xiàn)場環(huán)境中。
雖然施工前識別了安全風(fēng)險(xiǎn),也對工人進(jìn)行了培訓(xùn),但是實(shí)際工作時(shí)情況復(fù)雜多變,僅依靠培訓(xùn)是不夠的。因此,現(xiàn)場實(shí)時(shí)指導(dǎo)不可缺少,可有效避免工人在施工過程中因操作失誤而引發(fā)的不安全事故。在施工過程中,如果工人對某一項(xiàng)施工工序存在理解上的困難,可以通過AR技術(shù)將施工規(guī)范操作動畫呈現(xiàn)在工人眼前,以提供實(shí)時(shí)的指導(dǎo),借此幫助工人準(zhǔn)確完成工作。
施工過程中,系統(tǒng)依靠現(xiàn)場信息收集裝置收集到的信息判斷工人是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)。以往的研究中,這些信息都只能通過二維屏幕展示給后方的安全管理人員,這可能導(dǎo)致安全管理人員發(fā)出了指令,但是施工人員未能及時(shí)理解指令的問題。而該系統(tǒng)中,工人可以通過AR設(shè)備看到自己面臨的危險(xiǎn),同時(shí)虛擬環(huán)境可以給工人提示正確的救援措施,避免出現(xiàn)理解上的偏差。
施工完成后,整個施工過程中的操作信息都會被記錄下來,并傳遞至BIM數(shù)據(jù)庫中。針對信息庫中的信息,安全管理人員再進(jìn)行分析,如針對工人的不安全行為進(jìn)一步細(xì)化,將出現(xiàn)的不安全的施工動作劃為不安全行為,以不斷豐富BIM數(shù)據(jù)庫,形成最終的安全信息數(shù)據(jù)庫,為以后的項(xiàng)目提供可靠的依據(jù)。
現(xiàn)階段,一些新技術(shù)的出現(xiàn)使得在現(xiàn)場收集信息的能力大大增強(qiáng),一方面通過收集現(xiàn)場的環(huán)境信息預(yù)測存在的風(fēng)險(xiǎn)因素,另一方面通過收集工人的信息來加強(qiáng)安全管理工作。但是,現(xiàn)場收集到的信息都反映在二維屏幕上,相關(guān)的BIM信息無法與工人實(shí)現(xiàn)交互,致使工人未必能夠完全理解相關(guān)信息。另外,人在虛擬環(huán)境中的感知與在真實(shí)世界的感知是不一樣的,通過疊加在真實(shí)環(huán)境中的虛擬環(huán)境比通過傳統(tǒng)的圖片學(xué)習(xí)更加有效。筆者結(jié)合BIM技術(shù)和顯示增強(qiáng)技術(shù)構(gòu)建了安全管理系統(tǒng),在真實(shí)的世界進(jìn)行場景“增強(qiáng)”,更貼近用戶世界。在這樣虛實(shí)交互的場景中進(jìn)行施工,使現(xiàn)場工人能夠更好地感知真實(shí)工作環(huán)境中的危險(xiǎn)源,調(diào)動工人的警惕性,從而降低安全事故發(fā)生的概率,實(shí)現(xiàn)施工安全管理的可視化。同時(shí),最終建立的BIM數(shù)據(jù)庫,將對提高整個行業(yè)安全管理水平具有一定的借鑒意義。