魏 然， 李 琛， 蔣偉光， 駱漢賓

(華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074)

建筑業(yè)是高風險行業(yè)，傷亡事故不斷發(fā)生。人的不安全行為是造成安全事故的一個重要原因[1]，其中，未經(jīng)過培訓、培訓不合格或缺乏經(jīng)驗是工人不安全行為的主要原因。從事建筑施工的現(xiàn)場工人往往受教育程度較低，作業(yè)操作水平高低不一，對于作業(yè)安全風險和安全預(yù)防，缺乏足夠的認識和了解。而有執(zhí)業(yè)資格證或經(jīng)過培訓的工人更加具有安全意識，更加關(guān)注施工現(xiàn)場的安全要求。因此，禁止未培訓、培訓不合格、未取得作業(yè)資格的工人進入作業(yè)區(qū)作業(yè)，即檢查工人作業(yè)區(qū)準入資格，是預(yù)防施工安全事故的重要方法之一。

作業(yè)區(qū)準入資格檢查包括一般作業(yè)區(qū)準入檢查(即進場準入檢查)和特殊作業(yè)區(qū)準入檢查。目前，作業(yè)區(qū)準入大多采用人工檢查方式，不僅消耗大量的時間和人力，而且易出錯。近年來信息技術(shù)取得重大進展，使利用信息技術(shù)自動檢查工人作業(yè)區(qū)準入資格成為可能，如基于RFID(Radio Frequency Identification)的門禁系統(tǒng)[2]、基于人臉識別的工地考勤系統(tǒng)[3]等對工人進行進場準入檢查，而對于特殊作業(yè)區(qū)準入資格檢查目前仍采用人工檢查方式。特殊作業(yè)區(qū)準入資格檢查兩個關(guān)鍵因素是工人位置和工人身份。

建筑工地是動態(tài)的，工人位置經(jīng)常變化，為了獲取工人實時位置，國內(nèi)外研究者對實時定位技術(shù)在工程上的應(yīng)用進行了大量研究，主要有兩個方面：跟蹤工人位置及軌跡、避免工人進入危險區(qū)。Woo等[4]研究基于Wi-Fi(Wireless Fidelity)的建筑工地定位系統(tǒng)的可行性；Cheng等[5]利用超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術(shù)對工人及車輛進行位置跟蹤；Montaser等[6]提出了一種利用超高頻無源射頻識別(RFID)技術(shù)對工人及材料位置跟蹤的方法；郭紅領(lǐng)等[7]通過對危險區(qū)域的定義與分類，建立了集成BIM(Building Information Modeling)和RFID技術(shù)的工人實時定位與安全預(yù)警系統(tǒng)模型，可以識別工人是否進入危險區(qū)域；Chase等[8]把RFID標簽貼到重型機械上，識別出進入機械工作范圍內(nèi)的工人。跟蹤工人位置及軌跡，僅對工人進行實時跟蹤，無法對工人進行危險區(qū)域預(yù)警；避免工人進入危險區(qū)，能對工人進行危險預(yù)警，但無法區(qū)分危險區(qū)作業(yè)人員與非作業(yè)人員。因此，特殊作業(yè)區(qū)準入資格檢查還需判斷工人身份，才能讓有作業(yè)資格的工人進入特定的作業(yè)區(qū)。Yeung等[9]提出一種手持指紋識別系統(tǒng)，能準確讀取工人身份，該系統(tǒng)可以確定工人在特定時間的位置，但此系統(tǒng)不能判斷工人是否有授權(quán)進入特定的作業(yè)區(qū)域，且對工人的定位不是實時定位；Fang等[10]利用深度學習的方法使用攝像機對未認證的工人施工活動進行檢測，但攝像機的分辨率不足，多物跟蹤困難，物體易受遮擋等問題導致系統(tǒng)精度不高，且該系統(tǒng)檢測正在進行工作的工人，不能達到安全事故預(yù)防的目的。

本文提出一種自動檢查人員(包括工人和管理人員)作業(yè)區(qū)準入資格的安全管理系統(tǒng)，有助于實時、準確地進行作業(yè)區(qū)準入資格檢查，減少因違規(guī)進入作業(yè)區(qū)而導致的安全事故。

1 系統(tǒng)設(shè)計

管理學的控制原理認為，一項管理活動由四個方面的要素構(gòu)成：控制者、控制對象、控制手段和工具、控制成果[11]。在建筑施工作業(yè)區(qū)準入安全管理活動中，控制者即施工安全管理人員；控制對象，包括施工安全管理要素中的作業(yè)人員、設(shè)備和設(shè)施、安全信息等；控制手段和工具，包括安全生產(chǎn)規(guī)章制度、作業(yè)區(qū)準入資格檢查等；控制結(jié)果，即作業(yè)區(qū)準入檢查、安全評價的成果總結(jié)等[11]。通過改進或改變控制手段和工具，使控制者對控制對象的安全管理更加全面、深入，從而得到良好的控制成果，是強化施工作業(yè)區(qū)準入安全管理的方法之一。

實際工程施工，尤其在大型工程施工中，工種多、人員數(shù)量大、交叉作業(yè)頻繁。作業(yè)人員中存在不符合建筑施工要求的人員(如未取得技能操作證書或認證，未經(jīng)過安全教育培訓，違規(guī)進行其他工種作業(yè)等)，安全管理人員需逐一檢查作業(yè)人員的準入資格，禁止技能和安全意識不合格的作業(yè)人員進入作業(yè)區(qū)。隨著作業(yè)人員的增多，安全管理人員面臨安全管理任務(wù)繁重、安全檢查工作易出錯、無法實時監(jiān)控人員作業(yè)等挑戰(zhàn)。因此，亟需改進控制手段和工具來完成這一安全管理任務(wù)。

當代信息技術(shù)發(fā)展迅速，極大地推動了社會生產(chǎn)發(fā)展和科學技術(shù)進步。將信息技術(shù)應(yīng)用于建筑施工作業(yè)區(qū)準入安全管理中，使用傳感器獲取人員身份及位置信息，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞至后臺服務(wù)器進行信息處理并完成人員自動識別匹配，實現(xiàn)人員作業(yè)區(qū)準入的實時自動管理。此外，管理人員通過前端瀏覽器進行監(jiān)控和異常處理等工作。將信息技術(shù)整合在建筑施工作業(yè)區(qū)準入安全管理中，不僅能提高效率、節(jié)約人力和成本，而且能加強安全管控能力，減少安全風險。建筑施工作業(yè)區(qū)準入安全管理系統(tǒng)是針對建筑工程施工階段現(xiàn)場人員不安全行為的安全管理系統(tǒng)，系統(tǒng)旨在將現(xiàn)場人員日常檢查的隨機性及主觀性轉(zhuǎn)化為自動化判斷并記錄，從而可以做到：(1)讓合格的(培訓)人員進入施工現(xiàn)場；(2)讓施工作業(yè)得到實時監(jiān)控；(3)讓違規(guī)作業(yè)得到及時制止和糾正，實時管理工人行為，實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全管理的數(shù)據(jù)電子化，流程信息化，管理遠程化、自動化，使作業(yè)區(qū)準入安全管理更加準確、高效。

1.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)框架包括感知層、傳輸層、服務(wù)層、應(yīng)用層4個層次，如圖1所示。

圖1 作業(yè)區(qū)準入安全管理系統(tǒng)框架

(1)感知層是由定位基站、定位標簽和攝像頭組成。通過定位基站與定位標簽的定位信道實現(xiàn)對定位標簽的定位；通過攝像頭實時采集視頻數(shù)據(jù)。

(2)傳輸層分為無線傳輸網(wǎng)和有線傳輸網(wǎng)，無線傳輸網(wǎng)通過Wi-Fi信道為定位基站提供數(shù)據(jù)傳輸鏈路，有線傳輸網(wǎng)通過有線以太網(wǎng)方式為定位基站提供數(shù)據(jù)傳輸鏈路。傳輸層將感知層采集的定位數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)層。

(3)服務(wù)層由定位引擎、人臉識別引擎、告警服務(wù)、報表服務(wù)等組成。定位引擎實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的結(jié)算，得到定位標簽的坐標，實現(xiàn)對人員軌跡的追蹤，進而達到對人員不安全行為的管理；人臉識別引擎用于對進場人員的識別。通過不安全行為規(guī)則告警，并通過報表輸出。

(4)應(yīng)用層包括JSA(Job Safety Analysis)、作業(yè)許可證管理、特殊作業(yè)區(qū)設(shè)置及準入識別、進場準入識別及報警、實時/歷史軌跡顯示及監(jiān)控、安全智能分析、組織架構(gòu)及人員管理等應(yīng)用功能。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)自動檢查作業(yè)人員準入資格需獲取人員的身份信息和實時位置信息。其中，身份信息判斷作業(yè)人員準入資格，實時位置信息判斷作業(yè)人員是否可以進入作業(yè)區(qū)(人員處于活動狀態(tài))。利用兩種信息，系統(tǒng)自動判斷是否允許作業(yè)人員進入作業(yè)區(qū)作業(yè)。利用實時定位技術(shù)通過定位傳感器獲取人員實時位置信息，利用身份識別技術(shù)通過視覺傳感器獲取人員身份信息。

(1)實時定位技術(shù)

實時定位技術(shù)是一種基于信號的無線電定位手段，是一種在室內(nèi)和室外環(huán)境中識別和跟蹤目標位置的有效方法。常用的實時定位技術(shù)有GPS(Global Positioning System)、RFID、UWB、紫蜂(Zigbee)、Wi-Fi、藍牙定位等。在過去十多年中，建筑領(lǐng)域?qū)崟r定位的研究比較活躍，實時定位用于定位人、材料和設(shè)備的當前地理位置，方便數(shù)據(jù)跟蹤和管理，被認為是過去20年來改變了建筑業(yè)傳統(tǒng)做法的創(chuàng)新之一[12]。系統(tǒng)利用實時定位技術(shù)獲取人員實時位置信息，再利用BIM技術(shù)模擬建筑的數(shù)字信息并三維建模，實現(xiàn)實時監(jiān)控人員的不安全行為及狀態(tài)。

(2)身份識別技術(shù)

現(xiàn)有的身份識別技術(shù)中，生物特征識別技術(shù)具有最高的安全性和可靠性[9]，用于身份識別的典型生物特征包括：面部特征、指紋、掌紋、虹膜、視網(wǎng)膜、語音等[13]。其中，人臉識別技術(shù)是一種非接觸的識別技術(shù)，具有快速、簡便、可靠性高、難以假冒、成本較低等優(yōu)點[14]。人臉識別，包括四個組成部分：人臉圖像采集及檢測、人臉圖像預(yù)處理、人臉圖像特征提取以及匹配與識別。人臉識別流程如圖2所示。

圖2 人臉識別流程

1.3 系統(tǒng)運行流程

當人員進入進場識別區(qū)域，人臉識別攝像機對人員人臉進行檢測、抓拍、評分、篩選，輸出最優(yōu)的人臉抓拍圖；將人臉抓拍圖與提前錄入的人員照片數(shù)據(jù)庫中照片進行比對，得到人臉識別的相似度，根據(jù)相似度大小判斷該人員是否為項目人員。若不是項目人員，現(xiàn)場監(jiān)理將其勸離現(xiàn)場；若系統(tǒng)未報警，人員通過并進入施工現(xiàn)場；若系統(tǒng)報警，則現(xiàn)場管理人員介入，判斷是否為錯誤報警，對正確報警違規(guī)人員進行處理并記錄違規(guī)信息，對錯誤報警填寫消警記錄并說明原因。

人員進場后，系統(tǒng)實時跟蹤人員位置。當其進入特殊作業(yè)區(qū)時，系統(tǒng)判斷此人員與作業(yè)許可證人員是否匹配。若不匹配但其在特殊作業(yè)區(qū)內(nèi)時間少于2 s，則表示無特殊作業(yè)資格人員誤入特殊作業(yè)區(qū)，已及時離開，此時系統(tǒng)不報警；若不匹配且在特殊作業(yè)區(qū)內(nèi)時間超過2 s，則系統(tǒng)報警并通知現(xiàn)場監(jiān)理介入，然后由現(xiàn)場監(jiān)理判斷是否為錯誤報警，對錯誤報警填寫消警記錄并說明原因，對非錯誤報警違規(guī)人員進行處理并記錄違規(guī)信息。作業(yè)區(qū)準入安全管理系統(tǒng)系統(tǒng)運行流程如圖3所示。

圖3 作業(yè)區(qū)準入安全管理系統(tǒng)運行流程

1.4 系統(tǒng)功能

建筑施工作業(yè)區(qū)準入安全管理系統(tǒng)主要功能包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、JSA與PTW(Permit to Work)管理、進場管理、實時/歷史軌跡管理、特殊作業(yè)區(qū)管理。

管理人員在作業(yè)人員進場前，將作業(yè)人員基本信息和注冊人臉照片等錄入數(shù)據(jù)庫、分類儲存，并向作業(yè)人員發(fā)放定位標簽，標簽信息對應(yīng)作業(yè)人員錄入數(shù)據(jù)庫。作業(yè)人員進場，照相機拍攝照片傳至后臺服務(wù)器并與數(shù)據(jù)庫中注冊人臉照片對比；同時，將定位標簽信息與數(shù)據(jù)庫中人員信息對比，后臺服務(wù)器自動處理并保存處理結(jié)果，并將處理結(jié)果傳至前端。系統(tǒng)間隔1 s記錄工人位置，并將位置數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中，在前端顯示作業(yè)人員實施軌跡和歷史軌跡。作業(yè)人員進行特殊施工作業(yè)前，安全管理人員通過作業(yè)安全分析，對危險性較大的作業(yè)開具電子作業(yè)票，確定作業(yè)人員、作業(yè)區(qū)域、作業(yè)時間等，并將作業(yè)票信息儲存在數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)根據(jù)電子作業(yè)票確定的內(nèi)容，對進入作業(yè)區(qū)域的人員電子標簽信息與作業(yè)票中人員信息對比，實現(xiàn)自動化管理。

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理包括人員數(shù)據(jù)管理、組織數(shù)據(jù)管理、設(shè)備數(shù)據(jù)管理。人員數(shù)據(jù)管理是指對人員信息，如姓名、性別、工種、證書編號、照片等進行添加、刪除及查詢等；組織信息管理是指對工程相關(guān)組織類型(建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位等)進行添加、分類、修改等；設(shè)備數(shù)據(jù)管理是指對系統(tǒng)設(shè)備(如攝像頭、基站、標簽等)的種類、數(shù)量、位置信息進行管理?；A(chǔ)數(shù)據(jù)管理是系統(tǒng)運行，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)界面

(2)JSA，PTW管理

作業(yè)安全分析(JSA)，又稱作業(yè)危害分析，是針對具體作業(yè)的一種定性風險分析方法，是控制作業(yè)過程中危險的有效工具。作業(yè)許可證(PTW)，又稱作業(yè)票，是對施工現(xiàn)場特殊施工作業(yè)活動的一種正式的書面的許可[15]。系統(tǒng)將作業(yè)許可證電子化，當施工單位有特殊作業(yè)需求時，項目安全管理人員根據(jù)JSA結(jié)果添加作業(yè)許可證內(nèi)容，如施工單位、具體部位、具體內(nèi)容、開始及結(jié)束時間及作業(yè)人員等，并錄入系統(tǒng)，作業(yè)許可證管理如圖5所示。通過JSA，PTW管理，能更加全面了解作業(yè)情況，規(guī)范作業(yè)人員，減少作業(yè)事故發(fā)生。

圖5 作業(yè)許可證管理

(3)進場管理

建立人臉信息庫，通過人臉識別檢測，將進場人員信息與人臉庫信息及佩戴標簽情況進行匹配，當有面部識別不成功或未佩戴標簽時，系統(tǒng)報警提示需進行相關(guān)處理。此外，特殊作業(yè)人員必須有對應(yīng)的作業(yè)許可證才能進場，否則系統(tǒng)報警提示需進行相關(guān)處理。系統(tǒng)能展示未授權(quán)人員，記錄正常進場、違規(guī)進場，如圖6。通過進場管理，禁止非項目人員進入施工現(xiàn)場，并使特殊作業(yè)人員的作業(yè)資格得到保證，減少人員不安全行為造成的事故隱患。

圖6 進場管理

(4)實時/歷史軌跡管理

人員正常進場后，系統(tǒng)會自動定位人員位置，能顯示現(xiàn)場當前所有人數(shù)以及危險行為人數(shù)。人員實時位置坐標數(shù)據(jù)以1 s/次留檔，并形成實時軌跡和歷史軌跡，可根據(jù)時段條件篩選查詢該段時間內(nèi)在場人員的位置信息及行動軌跡，如圖7，實現(xiàn)遠程、高效的現(xiàn)場安全管理，實現(xiàn)現(xiàn)場事件追蹤溯源。

圖7 實時軌跡模型

(5)特殊作業(yè)區(qū)管理

根據(jù)JSA風險等級，劃分特殊作業(yè)區(qū)，隔離危險，防止非作業(yè)人員進入，特殊作業(yè)區(qū)模型如圖8所示。無作業(yè)許可證人員進入該區(qū)域系統(tǒng)自動記錄并產(chǎn)生報警。如系統(tǒng)發(fā)生報警，現(xiàn)場管理人員需立即查看報警情況，根據(jù)現(xiàn)場查看結(jié)果，判斷是否屬于系統(tǒng)誤判或發(fā)生違章情況。系統(tǒng)誤判時，應(yīng)選擇消警并記錄消警原因；如發(fā)生違章情況時，應(yīng)立即處理，并記錄違章原因。通過特殊作業(yè)區(qū)管理，實現(xiàn)特殊作業(yè)區(qū)的規(guī)范作業(yè)，減少安全事故的發(fā)生。

圖8 特殊作業(yè)區(qū)模型

2 案例分析

以某石化項目為背景，該項目施工面積近1萬 m2，施工單位共4家，人員最多時有5百余人，施工現(xiàn)場全部實行封閉化管理。由于項目施工單位、人員、施工機械較多，施工空間有限、各種工序交叉、技術(shù)復(fù)雜、施工作業(yè)危險性較大，并且施工隊伍素質(zhì)參差不齊，施工人員安全意識薄弱，施工過程中存在較多的安全隱患，使施工現(xiàn)場安全管理困難。為了加強對施工現(xiàn)場人員的安全管理并提高現(xiàn)場安全管理效率，采用本系統(tǒng)，實現(xiàn)進場人員和特殊作業(yè)區(qū)人員的自動實時管理，禁止不合格人員進入作業(yè)區(qū)，減少安全事故的發(fā)生。

根據(jù)施工現(xiàn)場情況，現(xiàn)場共布置智能人臉筒型攝像機2臺，布置在施工大門，實現(xiàn)對工人進出施工現(xiàn)場的管理，圖9為人員進場人臉識別。

圖9 人員進場人臉識別

由于藍牙定位技術(shù)相比其他定位技術(shù)成本低、功耗小，能滿足施工現(xiàn)場多人長期跟蹤的要求，因此系統(tǒng)采用藍牙定位技術(shù)，并使用天線陣列到達角(Angle of Arrival，AOA)測量定位方法。系統(tǒng)共布置藍牙定位基站三十余個，累計發(fā)放定位標簽5百余個。根據(jù)施工現(xiàn)場情況合理布置藍牙定位基站，使信號有效覆蓋整個施工場地。藍牙定位基站分為遠距離定位基站和近距離定位基站，覆蓋面積分別為80，10 m半徑的圓范圍；采用10/100 M以太網(wǎng)(RJ-45)有線連接；供電方式為POE(Power Over Ethernet)供電或直流供電；藍牙定位標簽體積、質(zhì)量小，可置于安全帽或工牌中；采用紐扣電池供電，續(xù)航時間2～7個月；定位距離50～100 m。藍牙定位基站及定位標簽如圖10所示。

圖10 藍牙定位基站、標簽

從2018年5月21日起至2019年3月7日，對項目人員進行進場監(jiān)管，其中，正常進場4萬余人次，違規(guī)進場1萬余人次，未授權(quán)進場5萬余人，人員識別的準確率穩(wěn)定在85%左右。對非正常進場人員，及時排查，公示未授權(quán)進場人員，處理違規(guī)進場人員并記錄。從2018年4月27日起至2019年3月7日，共累計定位數(shù)據(jù)9百余萬條，現(xiàn)場人員定位精度保持在亞米級。針對特殊作業(yè)行為，累計設(shè)置特殊作業(yè)區(qū)20次，有效規(guī)范2百余人進入危險作業(yè)區(qū)域。系統(tǒng)實際運行情況良好，能處理大量的人員管理數(shù)據(jù)，節(jié)省人力，同時大大提高安全管理的效率；實時跟蹤人員位置，有效禁止無作業(yè)資格人員進入作業(yè)區(qū)，提高了現(xiàn)場安全管理水平。

3 結(jié) 語

建筑施工作業(yè)區(qū)準入檢查能有效減少現(xiàn)場人員不安全行為，但目前大都采用人工檢查的方法，效率低、易出錯。本文提出一種建筑施工作業(yè)區(qū)準入安全管理系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)整體架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)流程及系統(tǒng)功能。此系統(tǒng)能將施工人員日常檢查的隨機性及主觀性轉(zhuǎn)化為自動化判斷并達到以下目的：

(1)讓合格的(培訓)人員進入施工現(xiàn)場；

(2)讓施工作業(yè)得到實時監(jiān)控；

(3)讓違規(guī)進入特殊作業(yè)區(qū)的行為得到實時監(jiān)控及糾正。

將本系統(tǒng)應(yīng)用于實際施工項目中，系統(tǒng)能有效地規(guī)范人員進場，降低了現(xiàn)場施工作業(yè)風險的發(fā)生幾率，整體提高了項目安全管理水平。