基于建筑信息模型技術與智慧工地理念的地鐵施工人員安全管理系統(tǒng)*

代永雙 張志偉

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司, 100068, 北京; 2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京重點實驗室, 100068, 北京)

城市軌道交通工程施工環(huán)境復雜,涉及工種繁多,施工安全隱患眾多,致使軌道交通工程施工事故頻發(fā)[1]。文獻[2]通過對我國2001—2019年的239起軌道交通工程施工事故案例進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),事故占比前五位的施工安全事故為坍塌事故、高處墜落、物體打擊、機械傷害及起重傷害,五類事故總占比達78.66%。導致施工安全事故的主要因素有物的不安全狀態(tài)、人的不安全行為、環(huán)境的不安全因素、質(zhì)量和管理上的缺陷,其中人的不安全行為是事故發(fā)生的重要因素。文獻[3]對地鐵車站施工工人不安全行為的導致因素及防范措施進行了研究。文獻[4]基于視頻監(jiān)控從人身檢測、侵入檢測、多人協(xié)同作業(yè)三方面探索對地鐵施工不安全行為的檢測預警方法。

基于此,本文提出了一套基于BIM(建筑信息模型)技術和智慧工地理念的地鐵施工人員安全管理系統(tǒng)(以下簡為“安全管理系統(tǒng)”),從施工人員的不安全行為入手,進行施工安全管理。安全管理系統(tǒng)通過在地鐵施工現(xiàn)場安裝的視頻監(jiān)控設備,應用BIM、GIS(地理信息系統(tǒng))和AI(人工智能)等技術,將實時采集的監(jiān)控視頻與預設的安全隱患通用影像特征進行對比查驗,對滿足預設特征的目標進行記錄。在遠程監(jiān)控中心搭建基于BIM的施工人員安全管理平臺,可在三維場景下實現(xiàn)報警點的實時定位和報警視頻片段的便捷查詢,同時將報警信息推送至施工現(xiàn)場安全管理人員的移動端,施工管理人員查收報警信息并進行現(xiàn)場整改,之后在移動端上傳整改記錄,反饋至遠程監(jiān)控中心形成閉環(huán)。

1 地鐵施工安全管理現(xiàn)狀

隨著城市軌道交通建設工程的數(shù)量和規(guī)模不斷增大,施工現(xiàn)場安全隱患也隨之猛增。目前,地鐵施工過程中的安全管理主要包括安全風險巡視管理和安全風險視頻監(jiān)控管理。

1) 安全風險巡視:對在建的自身風險工程,以及特級和一級環(huán)境風險工程,第三方監(jiān)測單位及監(jiān)理單位每天進行1次巡視,安全風險咨詢單位每周進行1次巡視;對在建的二級和三級環(huán)境風險工程,第三方監(jiān)測單位及監(jiān)理單位每3天進行1次巡視。若工點的安全風險狀態(tài)評價結(jié)果為存在風險或存在較高風險,則應加密對該工點巡視的頻次。

2) 安全風險視頻監(jiān)控:施工單位負責所轄標段的視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設,并配備專職視頻監(jiān)控管理人員進行日常監(jiān)控。根據(jù)一級自身風險,以及特級、一級環(huán)境風險工程影響范圍內(nèi)的自身風險工程及安全風險狀態(tài)評價,第三方監(jiān)測單位在所轄線路管理范圍內(nèi),安排值班人員對存在風險及存在較高風險的作業(yè)面進行全天候視頻監(jiān)控,并填寫視頻值班記錄表,若達到預警標準則應及時發(fā)布預警。

安全風險巡視及安全風險視頻監(jiān)控對施工安全管理人員的要求較高,受巡視頻率、施工安全管理人員的責任心和專業(yè)程度影響,存在安全質(zhì)量問題發(fā)現(xiàn)不及時、不能實時報警等問題。

從施工人員的不安全行為入手建立的安全管理系統(tǒng)可實現(xiàn)全天候不間斷監(jiān)控,能夠及時發(fā)現(xiàn)人的不安全行為并自動報警,進而解決地鐵施工安全管理依賴人工識別、安全質(zhì)量問題發(fā)現(xiàn)不及時和不能實時報警等問題。

2 安全管理系統(tǒng)搭建方案

2.1 安全管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

安全管理系統(tǒng)包括遠程監(jiān)控中心、監(jiān)控終端和交互終端,其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 安全管理系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

采集模塊負責采集施工現(xiàn)場的實時監(jiān)控視頻,并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊。其設備為安裝于施工現(xiàn)場特定角度和位置的攝像機裝置,存儲模塊負責數(shù)據(jù)存儲,其設備為服務器。

數(shù)據(jù)處理模塊負責對采集的監(jiān)控視頻進行預處理及特征提取,并與存儲模塊中預設的安全隱患通用影像特征進行對比查驗,對滿足預設特征的目標進行記錄。其設備為獨立計算機,遠程監(jiān)控中心為獨立計算機或監(jiān)控大屏。通過在遠程監(jiān)控中心搭建的施工人員安全管理平臺可實現(xiàn)報警信息的記錄和查詢。

交互終端用于接收遠程監(jiān)控中心所發(fā)布的報警信息。其設備主要為手機。施工現(xiàn)場安全管理人員通過交互終端實時查收報警信息,并及時進行整改,整改后在交互終端上傳整改記錄,并推送至遠程監(jiān)控中心。

2.2 采集模塊的設備安裝

監(jiān)控攝像機一般分為球機、槍機及半球攝像機3類。球機由云臺支撐,可以自由轉(zhuǎn)動和變焦,安裝時角度無要求。槍機和半球攝像機要求安裝高度為3～4 m,安裝角度為向下俯視傾斜30°～45°。監(jiān)測目標的高度不得超過整體畫面高度的1/3,寬度不得超過整體畫面寬度的1/3。成像目標垂直于視頻畫面。以安全帽識別為例,安全帽在畫面內(nèi)成像特征必須完整,且在監(jiān)測視頻中安全帽的分辨率應大于40像素。

2.3 創(chuàng)建BIM模型

利用Autodesk Revit軟件對地鐵項目所在場地環(huán)境和施工區(qū)域建立BIM。基于BIM,智慧管理系統(tǒng)可實現(xiàn)對施工場地的虛擬化構(gòu)建,直觀地展示攝像機的位置。通過攝像機編號和名稱可與視頻監(jiān)控廠家平臺接口對接,方便管理人員快速定位和及時響應。施工場地建模范圍如表1所示。

表1 施工場地建模內(nèi)容及信息

2.4 安全管理平臺

安全管理平臺為搭建在遠程監(jiān)控中心的一套B/S(瀏覽器/服務器)架構(gòu)平臺,可實現(xiàn)施工人員不安全信息的報警、記錄及查詢。

2.4.1 技術架構(gòu)

安全管理平臺的技術架構(gòu)如圖2所示,由基礎層、數(shù)據(jù)層、服務層及應用層構(gòu)成。

圖2 安全管理平臺的技術架構(gòu)

基礎層是系統(tǒng)運行的軟硬件環(huán)境和網(wǎng)絡環(huán)境;數(shù)據(jù)層涵蓋了本系統(tǒng)所涉及的全部數(shù)據(jù)庫,包括BIM模型庫、GIS(地理信息系統(tǒng))數(shù)據(jù)庫、人工智能分析庫等;服務層包括本系統(tǒng)使用的各種中間件,如三維BIM引擎、GIS服務支撐、安全服務支撐、消息服務支撐等;應用層實現(xiàn)了業(yè)務應用系統(tǒng)的功能,面向用戶層的各類用戶提供各類定制化的系統(tǒng)服務功能。

2.4.2 平臺功能及應用

安全管理平臺的功能模塊包括攝像機連接顯示模塊、攝像機部署顯示模塊、實時視頻顯示模塊、云臺控制模塊及功能告警模塊。

1) 攝像機連接顯示模塊。通過該模塊可直接查看連接到系統(tǒng)的攝像機路數(shù)和攝像機的地址,如圖3所示。

圖3 攝像機連接顯示模塊的工作界面截圖

2) 攝像機部署顯示模塊。通過該模塊,可在平面GIS地圖中查看連接到系統(tǒng)的攝像機的部署位置。攝像機的部署位置截圖如圖4所示。

圖4 攝像機部署顯示模塊的工作界面截圖

3) 實時視頻顯示模塊。該模塊支持在BIM三維真實感場景中顯示施工場地現(xiàn)狀及攝像機部署位置,可進行實景漫游、移動、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等基本功能,可通過點選的方式選擇攝像機,查詢系統(tǒng)接收到的各路攝像機傳回的現(xiàn)場實時畫面,包括已標記的監(jiān)控區(qū)域以及人員監(jiān)控情況,如圖5所示。當某攝像機識別出安全隱患,系統(tǒng)將自動定位至報警攝像機,并高亮閃爍,同時自動彈出報警信息框及報警期間截取的圖片及視頻片段。

圖5 視頻顯示模塊工作界面截圖

4) 云臺控制模塊。通過該模塊可控制接入的攝像機云臺,方便監(jiān)控位置的調(diào)整。

5) 功能告警模塊。通過該模塊可詳細看到告警攝像機的地址、告警規(guī)則類型、起止時間、告警畫面截圖、攝像機位置等詳細信息,可在告警列表中查看、導出告警圖片和視頻。

3 試點應用情況

安全管理系統(tǒng)在北京地鐵19號線一期工程新宮車輛段施工現(xiàn)場進行了試點應用。新宮車輛段為北京地鐵19號線一期工程唯一的車輛停放、檢修基地,位于北京市南四環(huán)外,19號線一期工程南端,新宮站西北象限地塊內(nèi)。新宮車輛段主要生產(chǎn)設施有運用庫、聯(lián)合檢修庫、綜合辦公樓、工程車庫、司乘公寓食堂及浴室、易燃品庫、物資總庫、牽引降壓混合變電站、輪對及受電弓在線檢測庫、鍋爐房及水泵房、污水處理站及垃圾站、門衛(wèi)室、雨水泵房及調(diào)蓄水池、鏇輪庫、洗車庫、公安派出所等。新宮車輛段的BIM如圖6所示。

圖6 新宮車輛段的BIM

3.1 攝像機的部署方案

1) 實名制出入口。實名制出入口安裝的監(jiān)控攝像機以槍機和半球攝像機為主,支持安全帽識別、反光衣識別及人臉識別功能。

2) 工地通道 。工地通道安裝的監(jiān)控攝像機類型為槍機,支持為安全帽識別、人員摔倒檢測等功能。

3) 鋼筋加工區(qū)。鋼筋加工區(qū)安裝的監(jiān)控攝像機類型為槍機,支持安全帽識別及危險區(qū)域防護功能。

4) 危險區(qū)域。危險區(qū)域安裝的監(jiān)控攝像機類型為槍機,支持基坑邊坡防護、暗渠邊界防護及高危區(qū)域人員闖入檢測等功能。

5) 塔吊監(jiān)控。塔吊監(jiān)控攝像機一般為球機,安裝在高點塔吊上,支持工作面安全帽識別、工作面安全帶識別、危險區(qū)域防護及基坑防護等功能。

6) 門衛(wèi)室。門衛(wèi)室監(jiān)控攝像機為半球攝像機,支持的應用功能有離睡崗檢測等。

3.2 安全隱患識別效果

安全管理系統(tǒng)在新宮車輛段部署后運行30 d時的報警分類統(tǒng)計情況如圖7所示。相關管理人員對所有報警進行逐一處理,通過檢查報警圖片和回放視頻來排除誤報事件,統(tǒng)計得出,安全管理系統(tǒng)的報警有效率達到98%以上。

圖7 安全管理系統(tǒng)在新宮車輛段部署后運行30 d時的報警分類統(tǒng)計情況

以未佩戴安全帽這類人員的不安全行為為例,當現(xiàn)場監(jiān)控捕捉到人員未佩戴安全帽的情況時,安全管理系統(tǒng)立即自動發(fā)送微信和短信給相關管理人員,并同時在網(wǎng)頁端以彈窗的形式進行實時報警。安全管理系統(tǒng)的報警檢索功能可為相關人員提供安全隱患的檢索和查看服務。安全管理系統(tǒng)的報警檢索界面如圖8所示。該界面可顯示報警事件的設備名稱、預警圖片、時間、處理狀態(tài)、是否誤識別、查看預警視頻等操作。安全管理系統(tǒng)報警時的視頻截圖如圖9所示。圖9的未佩戴安全帽識別報警準確無誤。

圖8 安全管理系統(tǒng)的預警檢索界面截圖

圖9 安全管理系統(tǒng)預警時的視頻截圖

4 結(jié)語

本文從人的不安全行為入手,闡述了安全管理系統(tǒng)的搭建方法,分析了安全管理系統(tǒng)在北京地鐵19號線一期工程新宮車輛段施工工地的應用效果。應用效果表明,安全管理系統(tǒng)能針對未佩戴安全帽、進入禁止區(qū)域、睡崗離崗等人員的不安全行為進行智能識別并正確報警,且識別準確率較高。

安全管理系統(tǒng)可為安全隱患排查工作提供一系列便捷、高效、智能的可視化功能,提高了隱患識別的精度和效率。相關人員通過交互終端能夠?qū)崟r查閱監(jiān)控視頻,實時接收報警信息,快速定位隱患發(fā)生位置并處置。

目前,安全管理系統(tǒng)僅聚焦人員不安全行為的智能識別。隨著新技術和新設備的使用,未來的安全管理系統(tǒng)還能實現(xiàn)對物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素,以及質(zhì)量和管理上的缺陷等方面的智能識別。