基于BIM和UWB技術的塔吊安全事故預警系統研究

姚艷芳 姚軼凡

摘要：基于BIM建筑信息模型和UWB定位技術，通過塔吊危險源分析，收集實時數據信息，構建安全事故預警系統，實現對現場不安全行為和不安全環境實時監控和安全預警，有效預防塔吊安全事故的發生，進而提高現場管理水平。

關鍵詞：BIM技術;UWB技術;塔吊;安全預警

通過BIM 技術和定位技術的應用，建立塔吊安全事故預警系統模型，實現對現場塔吊和工作人員的實時監控和安全預警，有助于提升塔吊施工的安全治理水平，減少安全事故的發生。

1 BIM和UWB技術的含義

BIM （Building Information Modeling） 即為建筑信息模型，系指建筑物在設計和建造過程中，創建和使用的可計算數字信息。而這些數字信息能夠被程序系統自動管理，使得經過這些數字信息所計算出來的各種檔案，自動地具有彼此吻合、一致的特性。在建設安全管理方面，BIM 主要應用于危險源自動識別，施工現場布置與安全計劃，施工臨時設施（如模板和腳手架等）和部分危險部位（如臨邊和洞口等）的安全規則檢查，工程現場安全交底與溝通，事故應急處置模擬等諸多方面。

UWB超寬帶定位技術屬于無線定位技術的一種。其主要特點是傳輸速率高、空間容量大、成本低、功耗低等。UWB可以用于實時記錄人員的運動狀態，分析人員運動情況，對于進入塔吊造成的危險區域的施工人員進行報警，提醒施工人員注意作業環境的危險狀態。根據施工現場的實時數據信息，進行現場施工情況的安全風險分析，形成分析報告，同時可以記錄現場的實時狀態，為事故反查提供支持，大幅度提高安全管理工作效率。

2 事故致因理論以及塔吊危險源分析

2.1 事故致因理論

建筑事故對于施工人員的生命安全是一大威脅。事故致因理論是用來說明事故的原因、事故發生過程和事故后果，是對于事故發生的基本規律，基本原因的一種探索，這一理論能夠用來對事故表面現象的發生、事故不斷發展進行有理有據地分析，包括定量分析與定性分析。

隨著科研的不斷深入，基礎科學和科技水平不斷發展，對于事故致因理論的研究也不斷地深入，也出現了各種各樣的理論，比較典型的有早期的事故因果連鎖理論（“多米諾骨牌”理論）、能量轉移理論、近40年以來的軌跡交叉理論、事故致因論等。根據事故致因理論的發展，普遍認為事故發生的原因主要有兩點：一是直接原因即人的不安全行為和物的不安全狀態，二是間接原因即管理等其他因素，包括技術原因、對人的管理、對環境的管理、對程序和方法的管理、安全監督檢查和事故預防措施等。

2.2 塔吊危險源分析

針對塔吊事故的風險源，不少學者進行了研究。余群舟針162起塔吊安全事故案例進行統計分析，得到造成塔吊事故的內在因素包括人員素質、安全管理和塔吊質量。In Jae Shin通過對38起塔式起重機死亡事故的分析和訪談，發現塔式起重機安裝與拆卸過程中發生的事故占所有致命事故的68.4%，確定“不遵守工作程序”是這些事故的主要原因之一。綜合以上因素將安全事故風險源概括為塔吊安全制度、基礎與工作環境、塔吊作業工作人員。

3 塔吊安全事故預警系統構建

3.1 數據需求分析

基于BIM和UWB定位技術的塔吊安全事故預警，需要對系統中的數據進行分析，對事故相關的不安全環境和不安全行為進行監控。信息需求的基本原理是將 BIM模型中的實時位置信息、對象屬性信息、動作信息、環境信息四個方面的信息，有效地集成，并進行塔吊安全事故預警的反饋。

3.2 功能需求分析

功能需求的分析是整個系統開發的源動力。根塔吊預警系統主要概括為以下功能：現場數據自動化采集;信息集成和管理;可視化的安全監測;BIM和UWB技術中的信息協同;自動的安全監測和預警。項目在施工開始之前，需要對工人進行培訓，相關的人員需要掌握系統的基礎操作。

3.3 預警系統構建

基于BIM技術與WSN技術的塔吊安全預警系統，因為 BIM 的信息特性，將其作為基礎，因為UWB和WSN的實時特性，為BIM提供施工現場的信息。各個模塊需要發揮各自的作用，并且多個模塊需要協同工作。確保塔吊安全預警系統能夠正常運作，提高安全等級。塔吊安全預警系統的研究框架如圖1所示。

4 總結

基于BIM和定位技術的塔吊安全事故預警系統，通過BIM技術和UWB 技術的結合，針對塔吊施工過程中可能發生的事故，進行預防和控制。一方面對現場的工作人員進行實時定位，另一方面對塔吊進行實時監控，并制定預警規則，當距離達到閾值時，系統會自動進行預警，將信號反饋給現場工作人員，警示危險并提醒相關人員采取措施該系統能夠有效地減少塔吊安全事故的發生。

參考文獻

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[2] 陳忠孝，張盼，秦剛等.塔吊群智能防碰撞系統研究[J].電子設計工程，2015（19）.

[3] 侯宇.基于BIM與UWB技術的塔吊安全事故預警的理論與方法研究[D].北京：中國礦業大學，2017.

課題：河北省高等學校科學技術研究項目《基于 BIM 和 UWB 技術的塔吊安全事故預警系統研究》（QN2020509）。

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