于用慶 鄒樹琪 張興軍

(1.廈門軌道交通集團有限公司，361010，廈門；2.上海城建信息科技有限公司，200120，上海 ∥ 第一作者，高級工程師)

1 地鐵施工人員不安全行為分類

地鐵施工事故與施工現(xiàn)場存在的地下空間有限、施工作業(yè)人員的不安全行為和復雜的施工環(huán)境密切相關。在地鐵施工過程中所發(fā)生的事故，88%以上均是由于現(xiàn)場施工作業(yè)人員的不安全行為引起[1]。通過查閱相關文獻和行業(yè)標準規(guī)范[2]，地鐵施工人員不安全行為主要包括違章作業(yè)、安全防護用品使用不正確、靠近危險區(qū)域等3大類。

1) 違章作業(yè)。違章作業(yè)是指一線作業(yè)人員未遵循相關規(guī)定要求的設備操作程序，在有或無意識的情景下未遵循符合規(guī)定要求的設備操作章程而進行作業(yè)行為。違章操作不安全行為主要包括：作業(yè)人員不正確操作作業(yè)、使用安全系數(shù)低的機械設備、不遵循規(guī)定要求流程操作機械設備、忽略安全提示、作業(yè)時注意力不集中、出現(xiàn)不符合要求的操作動作。

2) 安全防護用品使用不正確。安全防護用品使用不正確是指一線作業(yè)人員未準確穿戴安全防護設備，未正確使用個人安全防護用品。安全用品使用不當主要包括：不重視安全用品的佩戴、穿戴不安全的裝束、使用不安全的防護裝置。

3) 接近危險區(qū)域。接近危險因素是指由于施工現(xiàn)場比較混雜，危險源眾多，作業(yè)人員工作時，在無意識或者因工作需要而不得不靠近危險源而進入危險區(qū)域。接近危險區(qū)域主要包括：私自進入不安全區(qū)域、攀坐禁止的不安全范圍、在不安全的地方施工作業(yè)。

國內外眾多專家學者結合BIM(建筑信息模型)數(shù)據(jù)孿生和定位技術在優(yōu)化施工現(xiàn)場人員安全行為管控上進行了一定深度的研究。文獻[3]利用BIM技術、AR(增強現(xiàn)實)技術、定位技術構建了BIM三維可視化人員安全管控框架系統(tǒng)，很大程度上實現(xiàn)了對施工現(xiàn)場作業(yè)人員所處安全場景的有效識別；文獻[4]通過集成BIM技術和RFID(射頻識別)技術創(chuàng)建了建筑工程施工現(xiàn)場人員安全監(jiān)管系統(tǒng)，并利用C#語言，自主開發(fā)了基于BIM技術與RFID技術集成的建筑工程施工人員安全管控系統(tǒng)，并建立了事故應急預警模型；文獻[5]利用BIM、AR等虛擬現(xiàn)實技術，結合智能攜帶裝備，針對地鐵工程施工過程中作業(yè)人員的安全行為進行分析研究，建立了BIM技術的信息化安全管理體系；文獻[6]分析了集成ZigBee(紫蜂協(xié)議)和 BIM技術的施工人員安全管控預報警系統(tǒng)，提出了利用ZigBee技術實現(xiàn)現(xiàn)場施工人員的定位，分析施工中的不安全因素，以人、材、機為切入點，結合施工現(xiàn)場可能發(fā)生的環(huán)境場所和施工部位，構建施工安全預警體系；文獻[7]融合 Cloud-BIM、UWB(超寬帶)和ZigBee定位等技術方法，在人員實時定位、危險源和危險區(qū)域識別與分析的基礎上，完成信息協(xié)同、實時定位、危險預警和路徑規(guī)劃的系統(tǒng)架構，有效降低了施工現(xiàn)場不安全現(xiàn)象發(fā)生的頻率；文獻[8]研究了GPS(全球定位系統(tǒng))技術在施工領域的應用現(xiàn)狀，提出了GPS目前主要集中在變形監(jiān)測、放樣、勘測測繪等工作中。

雖然較多的專家學者對BIM、AR、定位等技術在工程施工現(xiàn)場的人員安全管理進行了一定的分析研究，但在解決地鐵施工現(xiàn)場人員不安全行為定位技術的運用上仍存在較大的不足。

2 定位技術的選擇及其與BIM的集成機理

2.1 定位技術的選擇

目前，較為成熟的定位技術主要包括：無線非射頻技術、GPS技術、RFID技術、WSN(無線傳感器網(wǎng)絡)技術和UWB技術，且不同的行業(yè)和領域對其有著不同的定位需求。例如，在航海航空等領域主要利用衛(wèi)星來對目標進行定位，應用較多的則是GPS室外定位技術。各定位技術比較見表1。

表1 各定位技術特點比較

基于地鐵施工現(xiàn)場人員不安全行為管控的實際需要，確定采用GPS和UWB兩種定位技術結合的方式。GPS技術實現(xiàn)對地面施工作業(yè)區(qū)域的作業(yè)人員的定位，UWB技術則實現(xiàn)對地下有限空間下作業(yè)人員的定位。人員攜帶的定位標簽集成GPS和UWB定位模塊，定位方式根據(jù)定位對象所處位置自動切換，從而實現(xiàn)施工現(xiàn)場作業(yè)人員的實時定位。

2.2 定位技術與BIM技術的集成機理

定位技術與BIM技術的集成依據(jù)工作流分為：模型建立、實時定位、計算、輸出。

1) 模型建立。地鐵工程三維模型主要包括場地、地下結構、施工機械、臨時設施等。利用Autodesk Revit軟件進行建模，同時利用集成平臺，識別和共享.rvt格式的模型文件。

2) 實時定位。GPS和UWB 定位子系統(tǒng)獲取和解析GPS數(shù)據(jù)和UWB定位數(shù)據(jù)，并將定位對象的坐標位置數(shù)據(jù)傳輸至集成平臺。坐標位置數(shù)據(jù)通過與BIM進行整合，為計算過程的分析提供數(shù)據(jù)基礎。

3) 計算。依據(jù)設計的安全性計算規(guī)則，將施工現(xiàn)場劃分為不同預警條件的危險區(qū)域，同時對定位對象所處環(huán)境的安全性進行實時計算和判斷。

4) 輸出。將上一步計算分析得到的安全評估結果發(fā)送至攜帶有集成化定位標簽的定位對象，同時發(fā)送安全識別數(shù)據(jù)，當計算得出的是不安全對象，則將依據(jù)預先設計的報警模式發(fā)送預報警提示。

3 施工人員不安全行為管控信息分析

要實現(xiàn)對施工現(xiàn)場作業(yè)人員不安全行為的實時監(jiān)控和預警，應滿足3大類數(shù)據(jù)需求：作業(yè)人員實時位置數(shù)據(jù)、作業(yè)人員屬性及裝備數(shù)據(jù)、作業(yè)人員危險動作數(shù)據(jù)。

3.1 作業(yè)人員實時位置數(shù)據(jù)

基于GPS、UWB定位技術對地鐵工程施工現(xiàn)場作業(yè)人員和復雜機械設備的位置信息進行收集，并在BIM中經(jīng)過設定的運算處理，實時進行位置安全性識別判斷。

1) 地鐵工程施工現(xiàn)場作業(yè)人員進出場及行走路徑判斷?；诘罔F工程施工現(xiàn)場作業(yè)人員的位置數(shù)據(jù)，利用計算模塊對其進行分析，以此獲得作業(yè)人員實時的位置坐標，取得作業(yè)人員進出工地的時間數(shù)據(jù)，以此得出所有作業(yè)人員的考勤數(shù)據(jù)。利用作業(yè)人員任意時間內動態(tài)、實時的位置坐標數(shù)據(jù)，虛擬出某時間段內作業(yè)人員的運動軌跡，從而判斷識別作業(yè)人員在施工現(xiàn)場的工作路徑等。

2) 工人不安全位置判定及預警。基于作業(yè)人員的實時位置坐標數(shù)據(jù)，可實時評估作業(yè)人員的位置是否在安全區(qū)域內，并做出實時預報警提示。

3.2 作業(yè)人員屬性及裝備數(shù)據(jù)

作業(yè)人員的屬性數(shù)據(jù)是指現(xiàn)場作業(yè)人員所屬工種及工作職責權限等數(shù)據(jù)信息。作業(yè)人員的裝備數(shù)據(jù)則是指作業(yè)人員在作業(yè)過程中，所穿戴的安全防護裝備和施工工具等數(shù)據(jù)。通過作業(yè)人員屬性和裝備數(shù)據(jù)，可實時了解現(xiàn)場作業(yè)人員的屬性信息，識別判斷該作業(yè)人員安全防護裝備穿戴是否完整，并判斷作業(yè)人員在使用作業(yè)工具時是否滿足規(guī)定要求。該類信息可寫入集成化定位標簽中，故而在作業(yè)人員的安全防護設備和工具上也可寫入并安裝攜帶該類信息的標簽。

通過搜集施工作業(yè)人員的上述數(shù)據(jù)信息，并在計算模塊里對其安全性、合理性和規(guī)范性進行實時判斷識別，以此實現(xiàn)以下功能：

1) 安全裝備佩戴識別。利用現(xiàn)場安裝的UWB定位基站以及GPS模塊，通過自動、實時、動態(tài)采集作業(yè)人員攜帶的集成化標簽，可識別判斷現(xiàn)場作業(yè)人員的屬性，從而輸出該作業(yè)人員的施工權限，并將其屬性數(shù)據(jù)進行對比，判斷工人是否按要求穿戴安全防護裝備。

2) 機械操作權限識別。機械設備可寫入其操作屬性數(shù)據(jù)。當作業(yè)人員操作該機械設備時，UWB定位基站將自動識別和判斷機械設備屬性和人員屬性數(shù)據(jù)等信息。通過該功能不僅能實時判斷機械設備情況，同時亦能識別和判斷操作人員是否具備機械設備的操作權限。

3.3 作業(yè)人員危險動作數(shù)據(jù)

作業(yè)人員的行為動作數(shù)據(jù)信息是指作業(yè)人員在施工現(xiàn)場活動時，所發(fā)生的動作和行為的數(shù)據(jù)信息。該數(shù)據(jù)信息包括可能產(chǎn)生事故的危險行為，作業(yè)人員在作業(yè)和操作等工作時不遵守或不完全遵守規(guī)定的操作流程和規(guī)章制度等。目前尚未有較完善的技術方式可以實時監(jiān)管施工作業(yè)人員的危險動作和行為。

4 基于BIM技術和定位技術的地鐵施工事故預警系統(tǒng)

基于BIM技術和定位技術的地鐵施工事故預警系統(tǒng)(以下簡為“地鐵施工事故預警系統(tǒng)”)框架如圖1所示。

圖1 地鐵施工事故預警系統(tǒng)框架

1) 采集層。采集層即現(xiàn)場的感知層，通過利用UWB定位基站和GPS，實現(xiàn)對地鐵工程現(xiàn)場人員及設備實時動態(tài)位置數(shù)據(jù)的采集。利用GPS和UWB的定位模塊一方面可將現(xiàn)場周邊環(huán)境數(shù)據(jù)精確化，另一方面通過現(xiàn)場安裝的UWB定位基站或GPS模塊可實現(xiàn)對現(xiàn)場作業(yè)人員的不安全行為監(jiān)控。

2) 數(shù)據(jù)輸入層。數(shù)據(jù)輸入層可處理分析采集層數(shù)據(jù)，并向后續(xù)處理層發(fā)送分析后的數(shù)據(jù)。依據(jù)上述作業(yè)人員和機械設備的屬性數(shù)據(jù)等信息，通過數(shù)據(jù)分析、邏輯運算和數(shù)據(jù)處理，可以獲取作業(yè)人員的屬性、位置及安全防護裝備的佩戴情況等信息。

3) 數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層可對上一步輸入層初步分析過的數(shù)據(jù)信息進行深層次的安全性邏輯判斷分析。依據(jù)上述作業(yè)人員的屬性和防護裝備的信息數(shù)據(jù)，分析識別作業(yè)人員安全防護裝備是否符合規(guī)范要求，不同職責的作業(yè)人員安全防護裝備類型及佩戴要求會有不同。通過分析作業(yè)人員和機械設備坐標位置信息等數(shù)據(jù)，將作業(yè)人員和機械設備在BIM三維場景下的坐標位置進行展示。

4) 模型應用層。模型應用層是該框架系統(tǒng)的核心層。該核心層所產(chǎn)生信息數(shù)據(jù)的主要服務對象包括：①施工現(xiàn)場作業(yè)人員，其安全性需依據(jù)處理層的計算結果進行識別和判斷：②施工安全管理人員。

模型應用層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場基站等組建的網(wǎng)絡進行傳輸，現(xiàn)場作業(yè)人員及安全管理人員利用隨身攜帶的集成化標簽接受反饋信號，通常反饋信號會以視覺或聽覺以及震感的方式實現(xiàn)。具體工作模式如圖2所示。

圖2 地鐵施工事故預警系統(tǒng)的工作模式

地鐵施工事故預警系統(tǒng)利用GPS實現(xiàn)對地面施工區(qū)域的定位，然后該系統(tǒng)采集施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，并對其進行判斷、分析、處理、輸出等操作。數(shù)據(jù)信息在服務器、數(shù)據(jù)庫以及作業(yè)人員攜帶的集成化標簽之間傳輸，從而對作業(yè)人員的安全性進行計算和識別。

綜上所述，地鐵施工事故預警系統(tǒng)可對不同性質的作業(yè)人員及其所處的不安全區(qū)域實現(xiàn)諸多功能，如作業(yè)人員坐標位置的實時監(jiān)測展示、作業(yè)人員安全防護裝備的佩戴監(jiān)測、重要施工機械設備操作權限的監(jiān)測等。在此基礎上，根據(jù)工作人員的位置，該系統(tǒng)可以控制不安全區(qū)域中出現(xiàn)非本區(qū)域的工作人員，以及可將該區(qū)域中可能發(fā)生的危險事故實時提示給區(qū)域內的工作人員，從而有效地避免各種安全事故的發(fā)生。地鐵施工事故預警系統(tǒng)的工作流程，如圖3所示。

圖3 地鐵施工事故預警系統(tǒng)的工作流程

5 結語

本文通過集成BIM技術、GPS技術和UWB定位技術，為地鐵工程施工人員不安全行為管控提供了一個新的、強有力的技術監(jiān)管手段。構建了地鐵施工事故預警系統(tǒng)，并提出了該系統(tǒng)的 4大基本功能，同時對各模塊層的工作機制進行了詳細分析。研究成果可為地鐵工程現(xiàn)場施工人員不安全行為預警，以及后續(xù)相關系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。