基于Cloud-BIM和UWB的施工現場智能安全系統研究*

李英攀，史明亮，劉名強，王 芳

(1.武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070；2.中建三局第二建設集團有限責任公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

在中國，建筑業作為國民經濟的支柱產業之一，隨著經濟的快速發展，形態各異的建筑或結構層出不窮，使得工程施工現場更加復雜，不可預見因素急劇增多，導致工程安全管理難度增加。因此，建立1套數字化、實時主動、事前的智能安全系統，對增強施工現場安全具有重要意義。

目前，隨著對各類施工現場不安全因素的研究深入，施工現場的安全管理已經步入信息化進程[1]。采用事故樹分析危險源、BP神經網絡定位確定預警指標、BIM技術實現警示信息同步等分析管理方式方法，已經運用在施工工地現場安全的保障中[2-4]，例如：利用BIM結合虛擬設計與施工，實現對施工安全的加強[5]；通過線性調頻擴頻技術，對工地人員進行實時定位[6]；通過集成RFID和BIM，實現對施工現場的安全監控和信息傳遞[7]以及可視化識別與智能化預警[8]。總結現有研究成果可以發現尚存在以下3方面不足。

1)監控手段單一，定位“后作用”，多用在事故原因追溯、事后督察，不能起到積極主動防范和預警作用。

2)定位等信息采集精度不高，不夠靈敏，主動識別能力不強。

3)監控和管理形式方面，依靠手工錄入的情況較多，危險識別和判斷仍主要依靠主觀經驗，自動化、信息化程度不高。

針對以上問題，本文在研究基于Cloud-BIM實時協同技術和UWB實時定位技術的基礎上，提出1種集成Cloud-BIM與UWB的安全管理系統，在人員定位、危險源及區域識別分析等基礎上，對人、材、機的移動路徑進行分析規劃，同時實現對危險情況的實時分析和預警，最終降低不安全現象發生的可能性。

1 Cloud-BIM與UWB概述

1.1 Cloud-BIM

Cloud-BIM是云計算和建筑信息模型的集成，通過利用云計算高速存儲和數據分析的能力，克服原有BIM技術互聯性不強、硬件配置低等缺點，充分發揮出BIM的潛力，打造出1個具有高運算、快分析、存儲能力強的平臺來整合建筑工程大數據。目前，Cloud-BIM在施工現場安全管理領域中，主要用于解決現場低效率、高浪費的問題，以及生產進度監控、施工現場可視化等問題[9-10]。從相關領域的研究成果來看，Cloud-BIM在實現全生命周期協同機制、施工現場管理等方面具有一定的作用，但是對于建筑事故這種危險性較高且影響嚴重的特殊情況，如何將Cloud-BIM運用到“事前”安全指導，進而盡量避免事故的發生，是目前施工現場安全管理急需解決的問題之一。

1.2 UWB

超寬帶(UWB)技術是1種無載波新型無線通信技術，利用納秒至皮秒的非正弦波窄脈沖代替傳統傳輸系統的連續波形[11]。基于UWB的定位技術原理，如圖1所示，主要由探頭、有源標簽和系統處理平臺3部分組成，將傳統方式下由基站發射出信號檢測標簽的存在和位置，改進為由標簽主動發射信號，提高了定位效率的同時減少了浪費，實現綠色智能定位。

圖1 UWB定位原理Fig.1 The principle of UWB positioning

UWB技術所具有的抗干擾能力強、傳輸速率高、穿透力強、成本低等優勢，使其成為無線定位技術近年研究熱點。目前，基于UWB的定位技術已經運用在室內多人混合跟蹤[12]、礦井作業人員定位[13]、消防員定位[14]和監獄管理[15]等方面。

2 施工現場智能安全系統需求分析

人員流動大、視線范圍小、空間復雜度高等情況都加劇了施工現場安全管理的難度，目前采用的視頻攝像、RFID等技術雖然很大程度上提高了人工監控的管理效率，但依舊存在以下問題：危險源的識別和判斷主要憑借安全員的經驗，智能化程度低，事故的發現具有滯后性；安全管理信息的采集主要依靠手工錄入，傳遞和處理過程以紙質或口頭形式為主。從實際工程管理經驗來看，只有將安全管理的重點從“事后”分析處理轉變成“事前”預防避免，才能從根本上減少現場事故的發生，因此，系統需滿足以下3方面業務需求。

1)路徑規劃與實時導航。由于施工現場和工作面越來越復雜，現場常常堆放許多材料或機械設備，現場人員很難實時、全面地了解現場各區域情況。系統應能夠通過UWB技術實現人、材、機的實時定位，掌握施工現場潛在危險源的位置信息，進而通過相應的數據分析處理，生成現場人員的安全行進路線或安全靜止位置，最終用于人員導航。同理，也應實現材料的進場路徑和堆放位置，以及機械設備的進出場和工作移動路徑等信息的分析與導航。

2)危險預警與權限控制。除了利用采集的實時數據規劃出安全路徑之外，還需考慮到由于環境和人員心理狀態的變化而導致的異常情況，這些可能存在的異常導致對象(人員、材料、機械設備)不能按照系統的規劃路徑運動，以及非授權下靠近或進入危險區域等。因此，系統需具備分析周圍環境并告知危險區域位置和預警等級的能力，同時，對于靠近危險區域的對象進行權限驗證和管控，對超權限的行為發出警報。

3)可視化與系統協同化。可視化與系統協同化是系統最終發揮作用的重要保障，現場的實際情況需反映在BIM模型上，并綜合區域內的人、材、機位置和移動路徑，使得系統用戶能夠主動掌握周圍環境，不會受到視線阻礙的影響，進而可以對未知狀況和突發情況提前做出準備；同時，采集到的信息數據需具有實時性，使各時點上人、材、機位置信息和路線即時反映在模型上，進而實現相關數據庫數據的不斷更新。因此，系統需具有強大的交互共享和協同作業能力，把所有與項目相關的信息采集源得到的數據全部實時體現在同1個數字模型上。

3 施工現場智能安全系統構建

3.1 系統整體框架

施工現場智能安全系統由信息協同模塊、實時定位模塊、危險預警模塊和路徑規劃模塊4大部分組成，如圖2所示。其中，信息協同模塊為系統的項目數據基礎，實現信息傳遞和同步協同，為路徑規劃、實時定位和危險預警等功能的實現提供場地布置、結構模型、機械設備和其他相關信息(如進度、工作量、材料等)，并將實時位置信息和變化上傳到云端，供其他參與方參考使用；實時定位模塊為系統實現危險預警和路徑規劃提供人、材、機在各時刻的空間位置信息，同時將數據反映在BIM模型中；路徑規劃模塊則規劃出人、材、機在運動時的位移路線和靜止時的安全位置信息以及停留(堆放)時間；危險預警模塊則實時地對周圍環境潛在的危險源和危險等級做出判斷，告知使用者所處環境的安全情況，提示遠離危險并做好自我保護措施，同時也為現場安全員和檢修員提供安全管理數據資料。

圖2 施工現場智能安全系統原理Fig.2 The diagram of the intelligent safety system principle on construction site

3.2 信息協同模塊

建筑施工，尤其是大型工程，是1項龐大的系統工程，對應的工程項目管理往往具有很高的難度和復雜性，所涉及到的工程信息數據更是海量規模、形式性質繁雜且分散在不同的部門中。通過在施工現場智能安全系統中應用Cloud-BIM技術，可以實現系統的實時化、信息化和協同化，把孤立存在的信息聯系起來，實現不同部門之間信息的相互共享和操作，互通互聯性大大提升；同時，系統內部的信息數據傳輸、信號轉換和數據交換等功能也由本模塊承擔，可以提高工作效率，保證內部數據及時更新。

3.2.1 對外協同

本系統既可以看作是Cloud-BIM的服務對象，也可以看作是Cloud-BIM的組成部分。系統需要的建筑3D模型、施工進度、工程量、質量等信息均來自Cloud-BIM中的其他組成部分，如建設單位的計劃工期、設計單位的施工圖紙和3D模型、施工單位的實際進度和工作任務安排、供應商供貨進場實際時間和貨物量等。同時，系統采集到的人、材、機實時位置信息、生成的行動路徑和危險源警報預警等數據也可在Cloud-BIM中存儲、計算分析處理或者被其他組成部分調用。具體涉及到的對外協同信息如表1所示。

3.2.2 內部協同

系統內部各模塊之間有著頻繁的信息傳輸任務，考慮到施工現場占地面積大、場地復雜，內部傳輸采用無線傳輸系統更為合適方便。ZigBee、Wi-Fi、MDS(數傳電臺)、Bluetooth等無線傳輸技術在采礦、軌道運輸、污水處理等領域得到了廣泛應用[16]。相比對外協同信息，系統內部信息傳輸對象主要為位置信息、路徑方案等體量不大、形式較為單一的數據。通過對比，如表2所示，綜合考慮到穩定性、傳輸速率、可拓展性及成本等因素，本系統選擇ZigBee作為內部協同媒介。

3.3 實時定位模塊

3.3.1 定位技術的選擇

本系統的服務對象為施工現場的人、材、機3方面，故精度要求較高(選擇不低于0.1 m)，同時場地面積較大，應綜合考慮覆蓋范圍和成本2項指標；而為了保證定位效果精確，應選擇抗干擾性強的定位技術；同時，施工過程中會有較多的空間隔斷物存在，信號在非視距范圍內的傳播能力以及穿透能力也會影響定位效果；此外，定位模塊的可拓展性也需考慮。

表1 主要對外協同信息一覽Table 1 The list of main external collaborative information

表2 常用無線傳輸技術指標對比Table 2 The comparison of common wireless transmission technology

總結以上因素要求，本系統綜合考慮施工現場的復雜環境和可能發生的情況，選取成本、覆蓋范圍、定位精度、抗干擾性、非視距工作性能和可拓展性6項指標，對比分析目前應用率較高的幾種定位技術，如表3所示。通過對比可知，UWB定位技術有較明顯優勢，故采用UWB定位技術來實現本系統的實時定位功能。

表3 常用定位技術指標對比Table 3 The comparison of common positioning technology

3.3.2 定位模塊的布置

基于UWB技術的定位模塊由探頭、標簽和處理平臺組成。帶有數據存儲功能的有源標簽發射出信號，被位置固定的探頭接收并傳輸到處理平臺，處理平臺獲取所有信號并分析生成位置信息。在現場布置時，可將探頭設置在人、材、機在現場可能出現的位置集合的最外點，如用地紅線邊界點、某層框架最外角、塔吊中軸頂角等，且保證多個探頭聯合工作時，以有源標簽為中心的60 m范圍內有探頭即可。而標簽的設置位置可以是：人員的安全帽、工牌上；挖掘機、砼運輸車、塔吊料斗等機械設備的質心位置；沙石、鋼筋、模版等材料的堆放位置。處理平臺則可布置在配電箱附近位置。此外，考慮到機具和材料并不能用1個質點反映，但可以在處理平臺上提前輸入標簽對應對象的幾何尺寸(原尺寸輔以安全距離修正)，使得路徑規劃結果不會產生擦碰事故。

3.4 危險預警模塊

3.4.1 權限設置

施工過程涉及人員數量多、身份雜，系統將進入現場的人員劃分成不同權限，進而控制各區域內的人員情況，減少發生危險的可能，同時設置不同權限的工作人員在各區域下的預警提醒，如表4所示。

3.4.2 區域危險級別劃分

按照施工實際情況和GB50870-2013《建筑施工安全技術統一規范》[17]，系統根據發生事故的概率和后果嚴重程度，將施工現場場地環境劃分成4個等級。同時，將其以可明顯區分的顏色進行區域標識，實現預警可視化，具體劃分如表5所示。

表4 現場人員權限設置Table 4 The permission setting of site personnel

表5 區域危險級別劃分Table 5 The classification of regional hazard grade

3.4.3 預警可視化和即時警報

當有人員靠近危險區域或機械設備在運轉時可能發生碰撞等事故時，通過即時定位和規劃出的路徑擬合分析事故發生的位置、時間等，并反映給當事人(手機、Pad、機具操作面板等)和項目部安全員(后臺計算機)，以便即時做出預警判斷和危險警報。同時，通過將危險區域等級、人員權限、規劃路徑等多方數據協同展示在4D模型(3D模型在一定時序上的階段模型)上，實現系統的可視化，提高安全預警的主觀能動性。

3.5 路徑規劃模塊

3.5.1 路徑規劃對象

路徑規劃對象內容是輸入到該模塊中的規劃條件信息以及模塊輸出的結果，提供避免事故發生的行動依據。施工現場的路徑規劃對象主要是針對人、材、機3方面，規劃對象及內容如表6所示。同時，模塊自身輸出的信息也作為自身數據基礎，如避免時序作用下規劃出的路徑與先有路徑發生碰撞。

表6 模塊處理對象內容信息Table 6 The content information of objects in module process

3.5.2 路徑規劃原理

路徑規劃的原理方法有多種，如表7所示。考慮到施工現場的特殊性和本系統的需求，對于環境變化的識別速度(實時性)、做出反應的速度(動態響應)以及復雜環境適應性的要求都較高，選用人工勢場法(APF)是更為合適的。

表7 常用路徑規劃方法對比Table 7 The comparison of common path planning methods

人工勢場法的主要原理就是在4D模型中把施工現場當作1個考慮時序且充滿虛擬勢能的空間，人、材、機在其中受到障礙物、權限和危險源(不同的區域級別)的斥力作用和目標位置的引力作用，由算法計算出合力F(t)，并在其作用下發生位移X(t)，形成運動軌跡S。其中，當dX/dt=0時，意味著在Δt內接受規劃的對象靜止，表示系統開始分析人員的停留位置和停留時間、材料的堆放位置和堆放時長以及機械設備的停放位置和停放時長。進而模塊輸出對應規劃對象的內容，人、材、機再響應系統輸出，從源頭避免了事故發生的可能。同時，在基于Cloud-BIM的外部協同和系統內部協同機制下，模塊對現場環境的變化即時做出反應，并對規劃結果進行調整。在實現“事前”規劃、預防危險發生的同時，也可起到危險或災害發生時逃跑路線以及救援方案制定的作用。

4 案例應用

4.1 項目簡介

案例工程位于武漢市洪山區野芷湖，三環線與文化大道交匯西南處，南面與文化大道相鄰。

1)南面文化大道旁有1個信號塔，高度約35 m，距離現場圍墻5 m，距2#塔吊64.3 m，不在塔吊覆蓋半徑范圍內。

2)西面為已建23層李橋大廈(高度約100 m)和18層住宅樓(高度約60 m)，李橋大廈距離3#塔吊33.8 m，住宅樓距離3#塔吊59.9 m，存在碰撞風險。采取對塔吊回轉機構進行限位，地面設置錨固點，纜風繩等措施。

3)北面為已建成一期寫字樓。A16#樓為3層高度13 m，A15#樓為6層高度24 m，A9#樓為3層高度13 m；A16#樓距離5#塔吊40 m，A15#樓距離5#塔42.8 m，A9#樓距離5#塔吊56.7 m，A9#樓距離4#塔吊52 m。采取4#、5#塔吊初始安裝高度超過相鄰建筑物的措施。

4)東面為二期地塊，場地比較開闊，無附屬建筑物。

4.2 應用分析

本文提出的施工現場智能安全系統在該工程案例的現場安全管理中得到充分應用。如圖3所示，通過即時定位和規劃出的路徑，擬合分析事故發生的可能位置、時間等，并反映給施工人員和項目部安全員，可以即時做出預警判斷和危險警報。系統將危險區域等級、人員權限、規劃路徑等多方數據協同展示在4D模型上，實現系統的可視化管理，提高安全預警的主觀能動性。

圖3 系統界面圖—場地情勢Fig.3 The user interface diagram(Site situation)

如圖4所示，根據定位模塊與預警模塊提供的信息，路徑規劃模塊在實時定位和目標位置之間生成即時導航路線，并根據其各點位置的危險等級，將路徑危險情況標識出來，在界面上顯示此時的危險情況與其他注意因素。

圖4 系統界面圖—路徑規劃導航Fig.4 The user interface diagram(Path navigation)

5 結論

1)根據施工現場安全管理現狀和挑戰，提出1套能夠實現事前化、實時可視化的智能安全系統。

2)系統主要由信息協同模塊、實時定位模塊、危險預警模塊和路徑規劃模塊4部分組成，根據現場實際需求與技術方法特點分析，選擇Cloud-BIM、UWB、ZigBee和人工勢場法等技術方法的集成，以達到施工現場安全管理的信息協同、人員定位、危險源及區域識別分析等基礎目標，進而實現場地分析、危險預警以及對人、材、機的靜止堆放和移動路徑的分析規劃，降低不安全現象發生的概率。

3)系統可輔助實現人員考勤、機具巡檢、場布和堆貨預測、災害逃亡以及人員搜救等功能。

4)研究成果可對施工現場安全管理提供有效的技術理論支持，進一步提高安全生產管理效率，降低事故發生率。