基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術(shù)的水利工程建筑施工危險(xiǎn)源辨識方法

摘 要：在水利工程建筑施工中，傳統(tǒng)的危險(xiǎn)源辨識方法主要依靠經(jīng)驗(yàn)判斷和定性分析，難以全面、準(zhǔn)確地識別出水利工程的危險(xiǎn)源。為解決這一問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術(shù)，提出了一種水利工程建筑施工危險(xiǎn)源辨識方法。首先，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成施工區(qū)域的數(shù)據(jù)采集；然后，搭建施工危險(xiǎn)源的BIM模型，將構(gòu)件、設(shè)備、人員、場地等信息直觀地顯示出來，實(shí)現(xiàn)三維可視化；最后，基于搭建的模型，實(shí)現(xiàn)施工危險(xiǎn)源的動態(tài)識別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可以直觀觀察到施工過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，對危險(xiǎn)源進(jìn)行全面的分析和評估，應(yīng)用效果較好，能夠準(zhǔn)確識別出水利工程建筑施工過程中存在的危險(xiǎn)源。

關(guān)鍵詞：水利工程建筑；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；BIM技術(shù)；網(wǎng)關(guān)容量；危險(xiǎn)源辨識；三維可視化

中圖分類號：TP39；D26.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-00-02

0 引 言

隨著人們對生命安全和財(cái)產(chǎn)安全重視程度的不斷提高，企業(yè)在水利工程建筑施工中面臨著更加嚴(yán)格的安全管理要求。危險(xiǎn)源的及時(shí)辨識和針對危險(xiǎn)有效預(yù)防成為保障施工安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，開展水利工程建筑施工危險(xiǎn)源辨識研究具有非常重要的意義[1-2]。同時(shí)，積極開展危險(xiǎn)源辨識研究也有助于提高施工隊(duì)伍的安全意識，推動施工企業(yè)形成安全文化，進(jìn)一步促進(jìn)水利工程建筑行業(yè)的健康發(fā)展。在該背景下，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術(shù)的水利工程建筑施工危險(xiǎn)源辨識方法，有望提高施工過程中的安全管理水平和效率。

1 水利工程建筑施工危險(xiǎn)源辨識方法設(shè)計(jì)

1.1 水利工程建筑施工數(shù)據(jù)傳輸

為實(shí)現(xiàn)水利工程建筑施工中的危險(xiǎn)源辨識，首先應(yīng)對水利工程建筑施工區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。本文在建筑施工場地中安裝了多種傳感器、攝像頭、采集器等，以完成區(qū)域數(shù)據(jù)的獲取，然后基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建施工區(qū)域數(shù)據(jù)傳輸通道，完成數(shù)據(jù)的傳輸。為了實(shí)現(xiàn)正常通信，一般網(wǎng)關(guān)與其連接的數(shù)據(jù)采集器必須在同一信道下[3]。為提升數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量并避免通信沖突，本文采用多信道形式完成數(shù)據(jù)通信。無線網(wǎng)關(guān)和采集器接入施工現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)后，先探查各信道的使用情況，然后選擇未被占用的信道傳輸數(shù)據(jù)。將無線網(wǎng)關(guān)接入現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)后，讓其檢測網(wǎng)絡(luò)中的每一條通信信道，即發(fā)送查詢命令，并等候回應(yīng)。在接收到答復(fù)之后，若判斷信道被占用，則調(diào)頻到新的信道重復(fù)查詢；如果沒有得到答復(fù)，則判斷該信道未被占用，可以正常使用[4]。對于采集器，將采集器接入現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)出查詢命令逐個(gè)探測施工現(xiàn)場中的每一個(gè)信道，等待回復(fù)。當(dāng)采集器收到網(wǎng)關(guān)的應(yīng)答且其網(wǎng)關(guān)容量大于0時(shí)，完成查找；如果沒有回應(yīng)或網(wǎng)關(guān)容量為0時(shí)，跳躍至新的信道，重復(fù)查詢步驟；如果自動跳頻達(dá)到一定的次數(shù)后仍然沒有得到網(wǎng)關(guān)回應(yīng)，則表示沒有找到正在運(yùn)行的網(wǎng)關(guān)，結(jié)束查找程序。

依據(jù)上述步驟，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成水利工程建筑施工場地的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)。

1.2 搭建施工危險(xiǎn)源的BIM模型

依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取水利工程建筑施工區(qū)域的數(shù)據(jù)之后，基于BIM技術(shù)搭建施工區(qū)域危險(xiǎn)源模型。在該模型中，施工區(qū)域內(nèi)的施工構(gòu)件、設(shè)備、人員、場地等信息能被直觀地顯示出來，實(shí)現(xiàn)施工區(qū)域危險(xiǎn)源的三維可視化管理[5-6]。構(gòu)建的BIM危險(xiǎn)源模型見表1。

1.3 動態(tài)識別施工危險(xiǎn)源

在完成施工危險(xiǎn)源BIM模型的搭建后，以此為基礎(chǔ)，對水利工程施工危險(xiǎn)源進(jìn)行動態(tài)識別[7]。本文將訓(xùn)練危險(xiǎn)源的識別過程。其損失函數(shù)的計(jì)算如下所示：

（1）

（2）

式中：i表示模型的網(wǎng)格序號；εcoord表示權(quán)重；qbox表示定位損失；j表示模型滑動窗口的數(shù)量；lijobj表示第i個(gè)柵格的第j個(gè)

邊框中是否含有危險(xiǎn)源的中心，若其中含有危險(xiǎn)源的中心，則j=1，反之j=0；（xi、yi）表示第i個(gè)單元的危險(xiǎn)源中心點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)；（，）表示預(yù)測的第i個(gè)單元的危險(xiǎn)源中心點(diǎn)坐標(biāo)；wi、hi分別表示第i個(gè)單元格的真實(shí)長和寬；、分別表示預(yù)測的第i個(gè)單元格的長和寬。

在識別危險(xiǎn)源時(shí)[8]，除按照施工計(jì)劃方案計(jì)算識別過程的損失函數(shù)外，還應(yīng)按照施工危險(xiǎn)源管理的需要，計(jì)算其分類損失。分類損失函數(shù)的計(jì)算如下：

（3）

式中：qcls表示分類損失；pi（c）、分別表示BIM危險(xiǎn)源模型得出類別與真實(shí)類別的概率。

在BIM危險(xiǎn)源模型上應(yīng)按相互獨(dú)立的原則，將施工過程或施工技術(shù)按單元進(jìn)行區(qū)分（劃分為危險(xiǎn)源識別單元）。隨著施工工程進(jìn)度的加快和施工方案的變更，應(yīng)對危險(xiǎn)源的識別單元適時(shí)作出修正。在每個(gè)已劃分的危險(xiǎn)源識別單元中，應(yīng)以一定的時(shí)間段作為一個(gè)施工周期，對每個(gè)循環(huán)周期的危險(xiǎn)源進(jìn)行識別，然后在下一次循環(huán)中，處理尚未解決的問題，以形成PDCA循環(huán)，對危險(xiǎn)源進(jìn)行實(shí)時(shí)識別[9-10]。針對一個(gè)Q層的施工周期，第q層具有q個(gè)輸入，同時(shí)其輸出被傳遞至Q-q層作為輸入，則該施工周期共含有個(gè)連接。第q層的輸入相當(dāng)于之前所有層危險(xiǎn)源識別的拼接。其輸出公式如下：

（4）

式中：xi表示第q層的輸出；Bq（ ）表示ReLU激活模型函數(shù)與一個(gè)3×3卷積構(gòu)成的組合函數(shù)[11]。通過上述分析與計(jì)算可以得到危險(xiǎn)識別單元的危險(xiǎn)程度、等級，并可以得到整個(gè)施工方案危險(xiǎn)源的來源，從而制定相應(yīng)的調(diào)整策略。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次實(shí)驗(yàn)以一個(gè)水利工程建筑為例。該工程屬于南水北調(diào)中線A市的I段工程，全長為56.156 km。由于該水利工程線路長度較長，并且全線大多數(shù)由鋼筋混凝土箱涵構(gòu)成，而水利建筑種類繁多，數(shù)量也相對較多，所以每個(gè)水利建筑都要按照當(dāng)?shù)氐牡匦巍⒌刭|(zhì)條件來進(jìn)行設(shè)計(jì)與建設(shè)，造成了建設(shè)形式的多樣化。由于其使用的機(jī)具種類多，工種多，故需要對其進(jìn)行嚴(yán)格的安全管理。以上述水利工程項(xiàng)目為研究對象，在某河段選取5處較為安全的測試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測本文提出方法的可行性。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)上述方法，選取2種傳統(tǒng)方法作為對比，一同進(jìn)行施工危險(xiǎn)源辨識測試，得到對比結(jié)果，如圖1所示。

如圖1所示，本文所設(shè)計(jì)的水利工程建筑施工危險(xiǎn)源辨識方法的識別檢測數(shù)目與實(shí)際數(shù)目一致，而2種傳統(tǒng)方法的檢測數(shù)目存在較大偏差。由此證明，本文所設(shè)計(jì)的方法可對施工區(qū)域中的危險(xiǎn)源進(jìn)行精準(zhǔn)識別，應(yīng)用效果優(yōu)于對比方法，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 語

傳統(tǒng)的危險(xiǎn)源辨識方法往往依賴人工檢查和經(jīng)驗(yàn)判斷，存在一定的主觀性和遺漏風(fēng)險(xiǎn)，而BIM技術(shù)的應(yīng)用，使得危險(xiǎn)源辨識更加客觀、準(zhǔn)確，故本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術(shù)的水利工程建筑施工危險(xiǎn)源辨識方法。其通過BIM模型的可視化展示，可以直觀觀察到施工過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，對危險(xiǎn)源進(jìn)行全面的分析和評估，應(yīng)用效果較好，可為水利建筑施工風(fēng)險(xiǎn)控制提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]劉永強(qiáng)，朱斌，任海文，等.基于BIM技術(shù)的大型水閘工程施工危險(xiǎn)源辨識系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].水電能源科學(xué)，2023，41（5）：170-173.

[2]王妍蒙，張毅毅，朱寶明，等.大跨度連續(xù)鋼桁梁公軌兩用橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究[J].建筑安全，2023，38（8）：76-82.

[3]馮晉哲.光伏電站工程施工危險(xiǎn)源辨識及施工安全管理要點(diǎn)研究[J].中國設(shè)備工程，2022（20）：19-21.

[4]李德林，范曉蕾，張恕震.地鐵工程建設(shè)施工危險(xiǎn)辨識與施工坍塌事故應(yīng)急預(yù)案的探討[J].工程與建設(shè)，2022，36（5）：1427-1429.

[5]桂浩，張俊，張帥.城市明挖隧道基坑施工危險(xiǎn)源辨識及應(yīng)對措施[J].云南水力發(fā)電，2022，38（10）：309-313.

[6]袁世沖，李強(qiáng)，孫幫濤，等.金屬礦山深部開采突水致災(zāi)危險(xiǎn)源辨識與危險(xiǎn)性評價(jià)—以滇東北毛坪鉛鋅礦為例[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2023，31（5）：1668-1679.

[7]徐慶方，何開壽，胡勵(lì)耘，等.基于危險(xiǎn)源識別的山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)定量評價(jià)—以貴州省茅臺鎮(zhèn)為例[J].安全與環(huán)境工程，2023，30（5）：152-165.

[8]韋洪龍，吳昊.基于HAZOP的Bow-Tie分析在重大危險(xiǎn)源管理中的應(yīng)用[J].化工安全與環(huán)境，2023，36（10）：55-59.

[9]晁鐵彥，王旭東，張新華，等. LEC法在變截面連續(xù)梁施工危險(xiǎn)源識別與風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)（中英文），2023，52（15）：90-97.

[10]沈冰潔，丁珍菊，劉闖.基于危險(xiǎn)源辨識的高校實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)評估體系構(gòu)建[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2023，49（6）：107-109.

[11]董永勝，鄭厚發(fā)，王宇婕，等.煤炭洗選企業(yè)危險(xiǎn)源辨識和風(fēng)險(xiǎn)分析評估及控制研究[J].選煤技術(shù)，2023，51（3）：24-30.