智慧工地背景下橋梁項目施工安全監測研究

邢福偉

（西藏自治區交通運輸綜合行政執法總隊，西藏拉薩 850000）

0 引言

近年來，橋梁工程行業隨著交通體系的不斷完善而迅速發展，橋梁工程的建設為人們的出行帶來了便利。但在工程規模逐步擴大的同時，橋梁施工安全事故數量較以往明顯增加，不僅威脅施工人員的安全，還造成極為嚴重的經濟損失。在此背景下，為實現對安全事故的有效管控，將智慧化技術融入橋梁工程施工安全監測工作中成為大勢所趨，這一做法能夠降低橋梁安全事故發生概率，保障交通運輸行業穩健發展。

1 智慧工地介紹

智慧工地是指利用先進的信息技術和物聯網技術，提升工地管理效率、優化工程施工流程，提高施工安全性的工地管理模式。具體來說，可以通過在施工現場安裝傳感器、攝像頭等設備，實時監測、收集各個環節的數據信息，并將所收集的數據通過網絡傳輸到中央服務器進行分析和處理[1]。

智慧工地具有以下特點：一是通過傳感器和監控設備，實時監測施工現場各個區域的環境參數、設備運行狀態、人員活動信息，及時掌握現場情況，便于管理人員制定決策。二是通過對收集的數據展開分析，幫助管理人員了解工地運行情況，提供預警和預測，優化施工流程，提高施工效率。三是利用自動化技術，實現對設備的自動控制，減少人力投入，提高生產效率，同時通過人工智能、機器學習技術，對工地數據進行智能分析，輔助決策，提升管理水平。四是通過視頻監控、智能安全帽等手段，實時監測工地的安全狀況，及時發現并處理安全問題。五是通過傳感器監測噪聲、振動、空氣質量等環境參數，保障現場施工人員的健康與安全。六是依托網絡平臺，實現信息共享、協同工作。不同部門、不同施工單位之間可以共享數據信息，通過協同作業，提高施工效率。

2 橋梁安全監測應用要點

2.1 安全監測流程

安全監測系統由5G 網絡、WEB 軟件等部分組成，具體流程如圖1 所示。

該系統中，監測安全帽佩戴情況的設備為NVIDIA Jetson AGX Xavier 設備，該設備具有接口豐富、資源充足、維護難度小和功耗低等優點，可以充分滿足橋梁施工的需要。

2.2 設計BIM 模型

2.2.1 設計理念

為減小BIM 模型的體量，可以借助BIMFACE 引擎，對基于Revit 軟件的橋梁BIM 模型加以處理，通過優化模型渲染方式，保證模型在后續安全監測工作中可以更快、更直觀地顯示在前端界面上。從信息維度的角度看，當前橋梁工程安全監測模型主要包括建筑信息、外觀信息。其中，建筑信息指的是橋梁工程相關數據以及構件屬性信息；外觀信息為直觀的三維模型[2]。通過對橋梁信息進行輕量化處理，在保證工作人員順利完成后續信息分析工作的基礎上，依據實際需求快速提取或存儲相應的數據，從而提升安全監測工作效率。

2.2.2 設計要點

（1）幾何轉換

幾何轉換指的是將大體量BIM 模型轉換為小體量模型，這一過程的關鍵在于描述模型的方式。目前，常用的描述方式有兩種：一是參數幾何化，二是三角化。其一，參數幾何化是指使用不同參數對三維模型加以描述，例如，使用底面直徑、圓心坐標和柱體高度描述圓柱體。此種方式的優點是只需使用數個小數，便能夠準確描述并構建一個模型，保證模型具有理想的精細度，同時使模型規模得到控制。其二，三角化是指使用三角形對模型外觀加以描述。在幾何體確定的前提下，模型精細度將隨著三角形數量的增加而提高，同時，模型體量、渲染所消耗的資源量也會增大，極易導致輕量化效果不理想。為避免該情況出現，工作人員應對三角形數量加以控制，以降低輕量化難度。雖然通過該方式轉換的模型精細度略遜于參數幾何化方法，但由于此種方式的操作相對簡單，因此，在實際工作中，工作人員通常會搭配使用以上兩種方式，以確保幾何轉換效果達到預期。

（2）渲染處理

為保證3D 模型得到及時且順暢的顯示，需將每秒幀數控制在15～30 幀。對于需要整合各專業數據的建筑模型而言，數據體量過大將消耗計算機大量資源及容量，沿用常規方法繪制模型，不僅無法保證全部數據被加載到系統中，還會造成模型卡頓。工作人員可以通過批量繪制、多重LOD 或遮擋剔除的方式，調整繪制流程，在控制內存消耗量的前提下，提高渲染模型的速度。

首先，批量繪制。以往每次繪制模型均需對繪制程序接口進行調用，該方法不僅會消耗大量CPU 資源，還會造成GPU 閑置。合并相同狀態的模型并批量繪制，可以通過控制調用次數，使CPU、GPU 負載處于平衡狀態，系統性能也將明顯提高。

其次，多重LOD。多重LOD 是BIM 領域的核心技術。若場景存在體量較小的模型或遠離視點的模型，模型向屏幕投射的像素數量十分有限，此時，使用大量幾何圖元對模型加以表示，不僅會浪費空間，還會降低渲染的速度。在此背景下，多重LOD 應運而生，該技術使用具有不同精細度的幾何體對模型加以表示，模型精細度主要取決于其與渲染相機的距離，并且會隨著距離的縮小而提高。事實證明，靈活使用該技術，可以在保證模型視覺效果的前提下，使渲染效率得到大幅提高。

最后，遮擋剔除。該技術的關鍵在于裁剪無法被投影至人眼視錐的模型，簡單來說，就是在繪制場景時僅考慮前方物體，不繪制由于受到遮擋而無法順利投影的其他物體。這一方法的優點是能夠有效控制渲染模型總數，在減少內存占用量的同時，提高渲染速度以及顯示效率，使整體性能更加理想。

（3）控制圖元數量

雖然參數幾何化可以使圖元體積得到降低，但對于大型項目而言，此種方式將產生海量數據，不符合輕量化要求。考慮到橋梁項目存在多個狀態一致但位置不同的模型，因此，工作人員可以根據兩個圖元是否能夠實現互相轉換，對圖元進行合并，由此達到控制圖元數量的目的。具體步驟如下：第一，數據預處理。收集橋梁施工過程中的監測數據，如圖像、傳感器數據。對于圖像數據，可以使用圖像處理技術進行預處理，提高后續處理的質量。第二，特征提取。相似性算法通常需要將數據轉化為特征向量的形式，以便完成后續的相似性度量，因此，可以使用特征描述子、輪廓提取等計算機視覺技術，對預處理后的圖像數據特征加以提取。第三，相似性度量。選取適當的相似性度量方法，衡量圖元之間的相似性，常見的相似性度量方法有歐氏距離、余弦相似性等，應根據具體需求選擇合適的相似性度量方法。第四，圖元數量減少。以相似性度量的結果為依據，采用聚類、降維等方法減少圖元數量。例如，利用聚類算法，將相似的圖元歸為一類，從而減少圖元的數量。第五，建模并監測。基于減少后的圖元數量，建立施工安全監測模型，使用機器學習、深度學習等方法訓練模型，以實現施工過程的安全監測。

2.2.3 最終效果

對BIM 模型進行輕量化處理的流程是：建立模型—幾何轉換—合并相似圖元—輕量化模型—渲染數據—空間索引—遮擋剔除—多重LOD—批量繪制[3]。具體來說，首先，通過參數幾何化+三角化的方式，對模型進行幾何轉換，獲得輕量化模型。其次，渲染模型，借助剔除遮擋、多重LOD 及其他主流技術，對渲染計算量加以控制。最后，在批量繪制的協助下，對CPU、GPU 負載進行平衡，保證渲染過程的流暢[4]。

2.3 建立WEB 架構

實踐經驗表明，WEB 服務架構的構建可以將橋梁工程安全監測數據更為直觀地展現給工作人員，便于工作人員進行工程施工安全情況的遠程監控，為安全監測工作效率、質量的提升提供有效的支持。現階段，為降低橋梁工程施工安全監測工作的難度，可以將WEB 架構與BIM 模型相結合，在為傳感器數據分析提供直觀分析平臺的基礎上，為后續數據信息的共享、各方工作的協調、安全管控工作的順利開展提供有效的支持。WEB 架構的組成如下。

2.3.1 B/S 架構

以往軟件架構多為C/S 架構，客戶端需要先安裝軟件并處理數據，再將經過處理的數據同步至服務器。需要明確的是，雖然C/S 架構有諸多優點，例如，可以在減小服務器壓力的同時提高響應速度，但也存在維護難度大、升級成本高和通用性不足等問題。B/S 架構的問世有效彌補了C/S 架構的缺陷，B/S 架構的特點是能夠通過瀏覽器使用軟件，將系統核心功能集成至服務器，通過分離處理數據與展示數據的過程，使軟件功能更加完善。另外，B/S 架構還省略了更新的步驟，使客戶端自動升級軟件的設想成為現實，開發系統、維護系統的難度隨之降低。由此可見，B/S 架構取代傳統的C/S 架構是大勢所趨。

2.3.2 Vue 框架

該框架是漸進式框架的代表，整合了Angular、React 的優勢，既適配DOM 技術，又符合雙向綁定的條件。與其他前端框架相比，該框架的API 相對簡單，有效降低了使用難度，可保證代碼得到充分利用。

2.3.3 MySQL

MySQL 可用于對規模不同的程序的數據庫進行管理，其優點在于支持JAVA、PHP 等編程語言，可以為用戶提供報表、索引和查詢服務。另外，MySQL 較其他系統具有更加突出的穩定性、靈活性，這也是該系統被廣泛用于網站開發及管理的原因。

2.3.4 Spring Boot

作為只需花費較少時間便能建立一個完整WED服務的框架，Spring Boot 開發的初衷是精簡創建項目的流程，提高創建項目的效率。該框架具有熱部署、自動配置等特點，不僅適配多種常見的架構，還提供了包括云部署、持續集成在內的多項功能，在精簡研發流程方面有突出表現。

2.4 確定WEB 軟件

2.4.1 設置傳感器

考慮到工控機需在獲得振動頻率、起始溫度等數據的前提下，才能完成后續的計算，因此，工作人員需對傳感器各項參數進行調整，同時將調整后的參數同步至數據庫保存，在出現計算需求時，工控機只需經由服務器發出請求，便能夠從數據庫獲得所需數據。實際工作中，可以視情況設置以下類型的傳感器：實時監測橋梁結構的穩定性和健康狀況的加速度傳感器。監測橋梁傾斜角度，及時發現橋梁的傾斜、位移情況，以便提前采取必要措施的傾斜傳感器。監測橋梁結構溫度變化的溫度傳感器。監測環境中的氣壓變化，預警氣候變化對橋梁結構的影響的氣壓傳感器。監測橋梁周圍環境的濕度水平，檢測潮濕環境對結構材料的腐蝕及損壞的濕度傳感器。監測橋梁所處位置的風速，及時發出預警，防止風力對橋梁造成負面影響的風速傳感器。監測橋梁承載結構的壓力變化，檢測過載或不均衡負荷等異常情況的壓力傳感器。監測地震或橋梁結構的振動情況，及時發現異常振動并采取措施以保護橋梁結構安全的振動傳感器。

2.4.2 預警

加載模型的環節結束后，由前端預警頁面負責向后端發送連接請求，通過建立連接的方式，確保后端能夠持續向前端傳輸所需數據。與常規的ajax 輪詢相比，該方式可以減少請求發起次數，解決資源大量浪費的問題。

2.4.3 監測安全帽佩戴情況

工作人員根據實踐經驗，決定對BIM 模型監測系統進行結合，從而達到實時監測、反饋安全帽佩戴情況的目的。監測流程如圖2 所示。

圖2 監測流程

若施工現場存在人員未佩戴安全帽的情況，監測系統會將人數、圖片和位置等數據信息上傳至服務器，經由websocket 向前端傳輸數據，前端根據接收的數據，將模型違規位置以紅色顯示（見圖3），同時顯示違規數據。若監測結果表明，施工現場1min 內未發現未佩戴安全帽的人員，則說明施工現場情況安全，此時，監測系統負責向服務器提交監測數據，由服務器將數據同步至前端并加以展示[5]。

圖3 人員違規監測示意圖

3 結語

橋梁工程作為交通運輸行業的重點工程之一，其工程質量與社會經濟發展穩定性之間存在著直接的聯系。新形勢下，為保證我國橋梁建設事業安全穩定發展，有關人員提出構建智慧工地，將現代化監控技術融入橋梁施工中，以準確、快速地找出橋梁工程施工的安全隱患，并制定針對性的解決策略。事實證明，這一做法能夠控制工程施工安全風險，最大限度地減少安全事故，避免人員傷亡和財產損失，對建筑行業發展具有重大意義。