陳淵鴻 陳 燕 陳 禹

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

隨著城市化進(jìn)程加深，城市空間逐步向高空發(fā)展。在大型工程建設(shè)過程中，登高車是常用的登高作業(yè)平臺。在實際操作過程中，由于登高車存在部分視覺盲區(qū)，操作人員往往無法判斷登高車平臺與結(jié)構(gòu)之間的間隙[1-4]，因此，作業(yè)過程中常常出現(xiàn)碰撞問題，甚至導(dǎo)致傾覆、設(shè)備損壞等事故。

為了減少登高車作業(yè)過程中平臺與主體結(jié)構(gòu)的碰撞問題，本文基于BIM技術(shù)，研發(fā)出GPS模塊定位與RFID通信這2種登高車防撞安全管理系統(tǒng)，基于BIM模型設(shè)計行進(jìn)路線、作業(yè)位置、頂升姿態(tài)等，通過物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)對登高車平臺周邊障礙物進(jìn)行感知，針對可能出現(xiàn)的安全隱患進(jìn)行預(yù)警，從而最大程度地減少碰撞事故風(fēng)險。

1 基于BIM與GPS的登高車安全作業(yè)技術(shù)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由GPS感知子系統(tǒng)、虛擬仿真子系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)組成，虛擬仿真子系統(tǒng)分別與GPS感知子系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)連接。GPS感知子系統(tǒng)包含若干GPS感應(yīng)模塊，布設(shè)于登高車平臺護欄周圍邊角等容易碰撞部位，可通過衛(wèi)星定位感知模塊所在位置坐標(biāo)。虛擬仿真子系統(tǒng)搭載于現(xiàn)場服務(wù)器，計算機中存儲現(xiàn)場作業(yè)區(qū)域BIM模型，制定登高作業(yè)專項施工方案時，在BIM模型中劃分安全作業(yè)區(qū)域，并對車輛行走路徑、作業(yè)時登高臂姿態(tài)等進(jìn)行三維模擬，確定作業(yè)方案，并將模擬確定的優(yōu)化方案相關(guān)信息存儲于BIM模型。此外，登高車模型中具有GPS模塊信息，預(yù)留GPS模塊位置信息接口，根據(jù)安全規(guī)范要求設(shè)置安全距離要求。預(yù)警系統(tǒng)包括報警喇叭、報警顯示屏和報警燈等模塊，可接收服務(wù)器發(fā)出的預(yù)警信息。當(dāng)感知系統(tǒng)檢測到登高車位置處于危險狀態(tài)時，觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)對操作人員和相關(guān)安全管理人員進(jìn)行提醒，并在模型中定位坐標(biāo)進(jìn)行展示，避免發(fā)生碰撞事故，提高安全管理效率。

1.1.2 系統(tǒng)運行原理

BIM技術(shù)是以工程設(shè)計、施工、管理控制為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)化工具，是數(shù)字化建造的主要組成，通過建立虛擬模型，為施工作業(yè)提供清晰完整、契合現(xiàn)場的數(shù)據(jù)庫。借助這個包含建筑工程信息的三維模型，大大提高了工程的信息集成化程度，從而為工程項目的相關(guān)參與方提供一個工程信息交換和共享的平臺。

GPS技術(shù)通過其準(zhǔn)確、智能的定位能力成為當(dāng)前位置定位的主要技術(shù)之一，用戶可利用GPS技術(shù)獲得準(zhǔn)確的位置信息等相關(guān)數(shù)據(jù)。再通過互聯(lián)網(wǎng)媒介將位置信息傳給所需連接的設(shè)備，連接設(shè)備通過對該信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算和變換（如地圖投影變換、坐標(biāo)系統(tǒng)的變換等）后再傳遞給相關(guān)移動終端，以得到具體細(xì)致的位置信息。GPS定位技術(shù)的精度最高可達(dá)到0.1 m。

系統(tǒng)對傳統(tǒng)登高車進(jìn)行改造，將BIM模型與GPS模塊采集的點位信息相結(jié)合，首先建立登高作業(yè)區(qū)域BIM模型，該模型包含作業(yè)區(qū)結(jié)構(gòu)、大型機械、道路、堆場、基坑圍護等信息，還具有登高車模型，同時搭載GPS模塊，并設(shè)置該模塊感應(yīng)數(shù)據(jù)的接口。確定作業(yè)方案時，首先通過BIM模型確定登高車的進(jìn)場及行進(jìn)路徑、登高作業(yè)位置及作業(yè)方案，確保作業(yè)安全。將該路徑關(guān)鍵位置坐標(biāo)存儲于BIM模型，并搭載于現(xiàn)場服務(wù)器。作業(yè)時，登高車平臺上搭載的GPS模塊通過衛(wèi)星定位定時獲取位置坐標(biāo)信息，待所有信息匯總存儲至服務(wù)器后，服務(wù)器將傳感信息與模型信息進(jìn)行分析比對，當(dāng)所測路徑與規(guī)劃路徑偏移、臨近危險作業(yè)區(qū)域或?qū)⑴c鄰近結(jié)構(gòu)碰撞時，通過預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警，實現(xiàn)登高車防撞報警功能，為現(xiàn)場的安全施工提供了保障。另一方面，駕駛?cè)藛T通過移動終端訪問服務(wù)器，可在駕駛艙中查看登高車所在狀態(tài)，接收預(yù)警系統(tǒng)傳出的風(fēng)險信息。本系統(tǒng)將GPS模塊應(yīng)用于機械設(shè)備中，實現(xiàn)登高車的智能防撞報警、精確定位功能，實現(xiàn)了工地現(xiàn)場智能化、信息化。

1.2 技術(shù)應(yīng)用方式

如圖1所示，GPS型防撞登高車對車體進(jìn)行了改造，為保障最大限度減少碰撞，此類登高車將傳統(tǒng)的長方形平臺改造成正方形。正方形樣式車體對GPS數(shù)據(jù)精度的采集具有較好的效果，定位準(zhǔn)確性較高。操作臺圍欄邊緣位置部署GPS模塊，實時采集現(xiàn)場工作登高車車體的位置信息，配合使用BIM三維模型進(jìn)行計算，從而得出整個檢測物的整體點位信息，進(jìn)而設(shè)定登高車安全活動區(qū)域的邊界點。得到位置信息后，將定位信息傳輸至服務(wù)器；服務(wù)器將接收到的登高車車體的位置信息與BIM模型中的安全區(qū)域進(jìn)行比對，使登高車在超出安全區(qū)域時會及時預(yù)警，預(yù)警信號通過報警系統(tǒng)對終端發(fā)送相關(guān)指令，最終指導(dǎo)操作人員控制登高車做出相應(yīng)的規(guī)避動作。

圖1 GPS型防撞登高車防撞報警系統(tǒng)

2 基于BIM與RFID的登高車安全作業(yè)技術(shù)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研發(fā)的基于BIM與RFID登高車安全作業(yè)技術(shù)包含接近檢測系統(tǒng)、RFID定位系統(tǒng)、虛擬仿真系統(tǒng)及安全預(yù)警系統(tǒng)等多個系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)采用激光雷達(dá)傳感測距技術(shù)，不受光照影響，能量集中，具有很高的靈敏度和分辨率，抗干擾能力強，可準(zhǔn)確測定登高車護欄邊緣與結(jié)構(gòu)的距離。RFID定位系統(tǒng)由RFID芯片及RFID讀卡器組成，RFID芯片搭載于登高車平臺，讀卡器安裝于作業(yè)區(qū)附近結(jié)構(gòu)邊緣位置，讀卡器讀取芯片發(fā)射的信號，通過信號強弱判斷距離，通過三角定位算法得到坐標(biāo)。虛擬仿真系統(tǒng)搭載于服務(wù)器，包含作業(yè)場景、危險源、行進(jìn)路徑及登高車作業(yè)方案等詳細(xì)信息，安全預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)與BIM結(jié)合GPS系統(tǒng)的安全預(yù)警系統(tǒng)有著相似性，都是通過系統(tǒng)與終端服務(wù)器相連接。當(dāng)設(shè)備在進(jìn)行登高作業(yè)出現(xiàn)安全隱患時，可觸發(fā)預(yù)警信號進(jìn)行設(shè)備預(yù)警，預(yù)警的方式有：報警聲、報警信息提示、打開報警燈等。

佟老板來到魚塘?xí)r，我以為是來釣魚的，就把一桿小稱遞過去，同時把一塊寫了價格的牌子指給他看。城里來釣魚的都知道我的價格，我的價格也不貴，比市場上便宜得多，純野生的鯉魚每斤四塊五，草魚六塊，黑魚八塊。城里經(jīng)常有人來釣魚。我對城里人是不拒絕的。我說歡迎來釣魚，我看你是第一次來，到這里釣魚有個規(guī)矩，釣到的魚必須買走，你找了樂呵，我也賺點酒錢。

2.1.2 系統(tǒng)運行原理

基于BIM與RFID的登高車安全作業(yè)系統(tǒng)運行原理如圖2所示。該系統(tǒng)通過激光雷達(dá)測距技術(shù)和RFID定位技術(shù)相結(jié)合，在車體的操作臺部分裝設(shè)激光雷達(dá)傳感器和RFID芯片，同時通過連入本地服務(wù)器對接激光雷達(dá)傳感器和RFID讀卡器，車體所搭載的RFID讀卡器在進(jìn)行作業(yè)時，通過讀取RFID芯片來發(fā)射相關(guān)數(shù)據(jù)信號。

圖2 RFID防撞登高車原理

防撞登高車所配備的激光雷達(dá)傳感器可通過4個方位進(jìn)行探測預(yù)警，通過4個方位數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)區(qū)域進(jìn)行雷達(dá)探測，一旦區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)障礙物，傳感器立即把相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送到本地服務(wù)器，隨后RFID芯片預(yù)向讀卡器進(jìn)行信號發(fā)射，最終登高車將通過報警系統(tǒng)提示操作人員相關(guān)風(fēng)險，RFID讀卡器讀取RFID芯片發(fā)射的信號并傳輸?shù)教幚砥?，通過三角定位算法計算得到登高車所在坐標(biāo)位置，將相應(yīng)數(shù)據(jù)同步至BIM數(shù)據(jù)庫，并將防撞登高車所處的位置信息在三維模型中表示出來；現(xiàn)場工作人員通過三維模型可以及時查看登高車所檢測的位置信息以及使用的相關(guān)狀態(tài)，一旦出現(xiàn)突發(fā)緊急狀況，工作人員也能夠及時趕到事發(fā)位置進(jìn)行現(xiàn)場支援。

2.2 技術(shù)應(yīng)用方式

以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，將RFID芯片技術(shù)融入登高車以達(dá)到安全作業(yè)的目的。此類型改造，是在設(shè)備上裝載RFID芯片和激光雷達(dá)傳感器，通過芯片、雷達(dá)的技術(shù)結(jié)合來實現(xiàn)區(qū)域定位以及智能防撞效能，通過4個方位的數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)區(qū)域進(jìn)行雷達(dá)探測，一旦區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)障礙物，傳感器立即把相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送到本地服務(wù)器，隨后RFID芯片預(yù)向讀卡器進(jìn)行信號發(fā)射，最終登高車將通過報警系統(tǒng)提示操作人員相關(guān)風(fēng)險。

現(xiàn)場工作人員通過登高車進(jìn)行登高作業(yè)時，登高車到達(dá)服務(wù)器RFID讀卡器所覆蓋的預(yù)定范圍時，附近的RFID讀卡器即迅速激活車體上搭載的RFID芯片，來精準(zhǔn)定位登高車所在位置區(qū)域，同時由終端處理器在移動端上以BIM三維模型將情況進(jìn)行現(xiàn)場展示，實現(xiàn)現(xiàn)場相關(guān)情況的全局掌握，進(jìn)而提高了操作的安全性。

同時，設(shè)備服務(wù)器所搭載的RFID讀卡器可以準(zhǔn)確識別相關(guān)RFID芯片，通過芯片連接服務(wù)器，再以三維模型進(jìn)行顯示。

3 BIM與物聯(lián)網(wǎng)登高車安全作業(yè)技術(shù)應(yīng)用

某大型市政工程為穿越主城區(qū)主干道，設(shè)計車速80 km/h，雙向6車道，兩側(cè)設(shè)非機動車道及人行道，紅線寬度60 m。為了最小限度降低施工作業(yè)影響，采用預(yù)制橋梁進(jìn)行建造，利用登高車輔助完成部分高處作業(yè)工作（圖3）。該項目為重大市政工程，作業(yè)覆蓋面廣，對作業(yè)安全性有極高要求。為了提高登高作業(yè)安全性，降低施工風(fēng)險，采用基于BIM與GIS的登高車安全作業(yè)技術(shù)進(jìn)行施工。

圖3 登高車輔助高空作業(yè)立面示意

登高車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 登高車主要技術(shù)參數(shù)

本系統(tǒng)主要應(yīng)用內(nèi)容有如下幾個部分：

1）登高作業(yè)方案模擬。通過BIM模型設(shè)置登高車運行路徑、?？课恢谩㈥P(guān)鍵姿態(tài)等，模擬分析登高作業(yè)方案，優(yōu)化作業(yè)方案，減少可能存在的安全隱患，基于三維模型進(jìn)行可視化交底（圖4）。

圖4 登高車BIM作業(yè)模擬

2）登高車作業(yè)位置管理。服務(wù)器匯總登高車定位信息，并在三維BIM模型進(jìn)行定位。使用登高車進(jìn)行工作前，首先通過GPS模塊采集檢測物上某個點位的坐標(biāo)信息，服務(wù)器配合使用BIM三維模型計算出整個模型所有的點位信息，繼而在三維模型上設(shè)定登高車活動的安全區(qū)域，如假設(shè)登高車4個方位離檢測物的距離不得小于1 m，通過GPS技術(shù)采集安全區(qū)域邊界線的點位信息，將登高車點位信息與安全區(qū)域點位信息比對，通過BIM三維模型展示現(xiàn)場環(huán)境，同時結(jié)合GPS技術(shù)對現(xiàn)場安全區(qū)域的點位信息進(jìn)行采集，實時在線掌握現(xiàn)場登高車工作情況，管理人員可集中管理登高車所在位置信息，操作人員可通過移動終端查看自身所在位置。

3）登高車作業(yè)風(fēng)險預(yù)警。登高車在工作時，通過GPS技術(shù)實時采集登高車的點位信息，傳送至服務(wù)器，通過服務(wù)器中BIM數(shù)據(jù)庫對登高車點位與安全區(qū)域邊界點位信息進(jìn)行計算分析，一旦發(fā)現(xiàn)運行軌跡超出運行范圍、進(jìn)入危險作業(yè)區(qū)域或點位計算得出距離小于設(shè)定值，系統(tǒng)會立即發(fā)送指令給登高車的報警系統(tǒng)，登高車的報警器會發(fā)出報警聲，提醒現(xiàn)場人員停止登高車前進(jìn)并退回至安全區(qū)域，避免現(xiàn)場登高車與檢測物發(fā)生碰撞，實現(xiàn)登高車防撞報警功能。GPS防撞登高車同時結(jié)合GPS技術(shù)對現(xiàn)場安全區(qū)域的點位信息進(jìn)行采集，通過線上移動端實時掌握現(xiàn)場登高作業(yè)相關(guān)情況，防止出現(xiàn)安全隱患的相關(guān)操作，以達(dá)到規(guī)避安全風(fēng)險的目的，有效減少施工現(xiàn)場安全事故的發(fā)生。

4）安全作業(yè)指引。通過在登高車上GPS設(shè)備反饋信息，對登高車點位信息與安全區(qū)域點位信息比對，通過BIM三維模型展示現(xiàn)場環(huán)境，指引現(xiàn)場作業(yè)人員進(jìn)行登高作業(yè)。

4 結(jié)語

本文將BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)相結(jié)合，分別基于GPS與RFID傳感技術(shù)，研發(fā)了2種基于BIM技術(shù)的登高車防撞技術(shù)，該技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

1）GPS防撞登高車與RFID防撞登高車的使用避免了人員操作的高度視覺盲點，降低了登高工作中出現(xiàn)事故的概率。同樣適用于各種復(fù)雜的登高作業(yè)，通過對“路徑”和“空間”的設(shè)定，能夠有效地避免操作作業(yè)中的各種碰撞事件。

2）兩類防撞登高車基于BIM技術(shù)而設(shè)定，因此，登高作業(yè)過程也可以在BIM平臺得到記錄顯示，操作人員可在平臺上模擬實施登高作業(yè)，以排查作業(yè)中出現(xiàn)的各種安全隱患。

3）防撞登高車所搭配的設(shè)備及技術(shù)性價比高，對工作效率的提高及安全作業(yè)有著較好的使用效果。