基于Cloud-BIM和UWB的施工现场智能安全系统研究*

李英攀，史明亮，刘名强，王 芳

(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070；2.中建三局第二建设集团有限责任公司，湖北 武汉 430074)

0 引言

在中国，建筑业作为国民经济的支柱产业之一，随着经济的快速发展，形态各异的建筑或结构层出不穷，使得工程施工现场更加复杂，不可预见因素急剧增多，导致工程安全管理难度增加。因此，建立1套数字化、实时主动、事前的智能安全系统，对增强施工现场安全具有重要意义。

目前，随着对各类施工现场不安全因素的研究深入，施工现场的安全管理已经步入信息化进程[1]。采用事故树分析危险源、BP神经网络定位确定预警指标、BIM技术实现警示信息同步等分析管理方式方法，已经运用在施工工地现场安全的保障中[2-4]，例如：利用BIM结合虚拟设计与施工，实现对施工安全的加强[5]；通过线性调频扩频技术，对工地人员进行实时定位[6]；通过集成RFID和BIM，实现对施工现场的安全监控和信息传递[7]以及可视化识别与智能化预警[8]。总结现有研究成果可以发现尚存在以下3方面不足。

1)监控手段单一，定位“后作用”，多用在事故原因追溯、事后督察，不能起到积极主动防范和预警作用。

2)定位等信息采集精度不高，不够灵敏，主动识别能力不强。

3)监控和管理形式方面，依靠手工录入的情况较多，危险识别和判断仍主要依靠主观经验，自动化、信息化程度不高。

针对以上问题，本文在研究基于Cloud-BIM实时协同技术和UWB实时定位技术的基础上，提出1种集成Cloud-BIM与UWB的安全管理系统，在人员定位、危险源及区域识别分析等基础上，对人、材、机的移动路径进行分析规划，同时实现对危险情况的实时分析和预警，最终降低不安全现象发生的可能性。

1 Cloud-BIM与UWB概述

1.1 Cloud-BIM

Cloud-BIM是云计算和建筑信息模型的集成，通过利用云计算高速存储和数据分析的能力，克服原有BIM技术互联性不强、硬件配置低等缺点，充分发挥出BIM的潜力，打造出1个具有高运算、快分析、存储能力强的平台来整合建筑工程大数据。目前，Cloud-BIM在施工现场安全管理领域中，主要用于解决现场低效率、高浪费的问题，以及生产进度监控、施工现场可视化等问题[9-10]。从相关领域的研究成果来看，Cloud-BIM在实现全生命周期协同机制、施工现场管理等方面具有一定的作用，但是对于建筑事故这种危险性较高且影响严重的特殊情况，如何将Cloud-BIM运用到“事前”安全指导，进而尽量避免事故的发生，是目前施工现场安全管理急需解决的问题之一。

1.2 UWB

超宽带(UWB)技术是1种无载波新型无线通信技术，利用纳秒至皮秒的非正弦波窄脉冲代替传统传输系统的连续波形[11]。基于UWB的定位技术原理，如图1所示，主要由探头、有源标签和系统处理平台3部分组成，将传统方式下由基站发射出信号检测标签的存在和位置，改进为由标签主动发射信号，提高了定位效率的同时减少了浪费，实现绿色智能定位。

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

UWB技术所具有的抗干扰能力强、传输速率高、穿透力强、成本低等优势，使其成为无线定位技术近年研究热点。目前，基于UWB的定位技术已经运用在室内多人混合跟踪[12]、矿井作业人员定位[13]、消防员定位[14]和监狱管理[15]等方面。

2 施工现场智能安全系统需求分析

人员流动大、视线范围小、空间复杂度高等情况都加剧了施工现场安全管理的难度，目前采用的视频摄像、RFID等技术虽然很大程度上提高了人工监控的管理效率，但依旧存在以下问题：危险源的识别和判断主要凭借安全员的经验，智能化程度低，事故的发现具有滞后性；安全管理信息的采集主要依靠手工录入，传递和处理过程以纸质或口头形式为主。从实际工程管理经验来看，只有将安全管理的重点从“事后”分析处理转变成“事前”预防避免，才能从根本上减少现场事故的发生，因此，系统需满足以下3方面业务需求。

1)路径规划与实时导航。由于施工现场和工作面越来越复杂，现场常常堆放许多材料或机械设备，现场人员很难实时、全面地了解现场各区域情况。系统应能够通过UWB技术实现人、材、机的实时定位，掌握施工现场潜在危险源的位置信息，进而通过相应的数据分析处理，生成现场人员的安全行进路线或安全静止位置，最终用于人员导航。同理，也应实现材料的进场路径和堆放位置，以及机械设备的进出场和工作移动路径等信息的分析与导航。

2)危险预警与权限控制。除了利用采集的实时数据规划出安全路径之外，还需考虑到由于环境和人员心理状态的变化而导致的异常情况，这些可能存在的异常导致对象(人员、材料、机械设备)不能按照系统的规划路径运动，以及非授权下靠近或进入危险区域等。因此，系统需具备分析周围环境并告知危险区域位置和预警等级的能力，同时，对于靠近危险区域的对象进行权限验证和管控，对超权限的行为发出警报。

3)可视化与系统协同化。可视化与系统协同化是系统最终发挥作用的重要保障，现场的实际情况需反映在BIM模型上，并综合区域内的人、材、机位置和移动路径，使得系统用户能够主动掌握周围环境，不会受到视线阻碍的影响，进而可以对未知状况和突发情况提前做出准备；同时，采集到的信息数据需具有实时性，使各时点上人、材、机位置信息和路线即时反映在模型上，进而实现相关数据库数据的不断更新。因此，系统需具有强大的交互共享和协同作业能力，把所有与项目相关的信息采集源得到的数据全部实时体现在同1个数字模型上。

3 施工现场智能安全系统构建

3.1 系统整体框架

施工现场智能安全系统由信息协同模块、实时定位模块、危险预警模块和路径规划模块4大部分组成，如图2所示。其中，信息协同模块为系统的项目数据基础，实现信息传递和同步协同，为路径规划、实时定位和危险预警等功能的实现提供场地布置、结构模型、机械设备和其他相关信息(如进度、工作量、材料等)，并将实时位置信息和变化上传到云端，供其他参与方参考使用；实时定位模块为系统实现危险预警和路径规划提供人、材、机在各时刻的空间位置信息，同时将数据反映在BIM模型中；路径规划模块则规划出人、材、机在运动时的位移路线和静止时的安全位置信息以及停留(堆放)时间；危险预警模块则实时地对周围环境潜在的危险源和危险等级做出判断，告知使用者所处环境的安全情况，提示远离危险并做好自我保护措施，同时也为现场安全员和检修员提供安全管理数据资料。

图2 施工现场智能安全系统原理Fig.2 The diagram of the intelligent safety system principle on construction site

3.2 信息协同模块

建筑施工，尤其是大型工程，是1项庞大的系统工程，对应的工程项目管理往往具有很高的难度和复杂性，所涉及到的工程信息数据更是海量规模、形式性质繁杂且分散在不同的部门中。通过在施工现场智能安全系统中应用Cloud-BIM技术，可以实现系统的实时化、信息化和协同化，把孤立存在的信息联系起来，实现不同部门之间信息的相互共享和操作，互通互联性大大提升；同时，系统内部的信息数据传输、信号转换和数据交换等功能也由本模块承担，可以提高工作效率，保证内部数据及时更新。

3.2.1 对外协同

本系统既可以看作是Cloud-BIM的服务对象，也可以看作是Cloud-BIM的组成部分。系统需要的建筑3D模型、施工进度、工程量、质量等信息均来自Cloud-BIM中的其他组成部分，如建设单位的计划工期、设计单位的施工图纸和3D模型、施工单位的实际进度和工作任务安排、供应商供货进场实际时间和货物量等。同时，系统采集到的人、材、机实时位置信息、生成的行动路径和危险源警报预警等数据也可在Cloud-BIM中存储、计算分析处理或者被其他组成部分调用。具体涉及到的对外协同信息如表1所示。

3.2.2 内部协同

系统内部各模块之间有着频繁的信息传输任务，考虑到施工现场占地面积大、场地复杂，内部传输采用无线传输系统更为合适方便。ZigBee、Wi-Fi、MDS(数传电台)、Bluetooth等无线传输技术在采矿、轨道运输、污水处理等领域得到了广泛应用[16]。相比对外协同信息，系统内部信息传输对象主要为位置信息、路径方案等体量不大、形式较为单一的数据。通过对比，如表2所示，综合考虑到稳定性、传输速率、可拓展性及成本等因素，本系统选择ZigBee作为内部协同媒介。

3.3 实时定位模块

3.3.1 定位技术的选择

本系统的服务对象为施工现场的人、材、机3方面，故精度要求较高(选择不低于0.1 m)，同时场地面积较大，应综合考虑覆盖范围和成本2项指标；而为了保证定位效果精确，应选择抗干扰性强的定位技术；同时，施工过程中会有较多的空间隔断物存在，信号在非视距范围内的传播能力以及穿透能力也会影响定位效果；此外，定位模块的可拓展性也需考虑。

表1 主要对外协同信息一览Table 1 The list of main external collaborative information

表2 常用无线传输技术指标对比Table 2 The comparison of common wireless transmission technology

总结以上因素要求，本系统综合考虑施工现场的复杂环境和可能发生的情况，选取成本、覆盖范围、定位精度、抗干扰性、非视距工作性能和可拓展性6项指标，对比分析目前应用率较高的几种定位技术，如表3所示。通过对比可知，UWB定位技术有较明显优势，故采用UWB定位技术来实现本系统的实时定位功能。

表3 常用定位技术指标对比Table 3 The comparison of common positioning technology

3.3.2 定位模块的布置

基于UWB技术的定位模块由探头、标签和处理平台组成。带有数据存储功能的有源标签发射出信号，被位置固定的探头接收并传输到处理平台，处理平台获取所有信号并分析生成位置信息。在现场布置时，可将探头设置在人、材、机在现场可能出现的位置集合的最外点，如用地红线边界点、某层框架最外角、塔吊中轴顶角等，且保证多个探头联合工作时，以有源标签为中心的60 m范围内有探头即可。而标签的设置位置可以是：人员的安全帽、工牌上；挖掘机、砼运输车、塔吊料斗等机械设备的质心位置；沙石、钢筋、模版等材料的堆放位置。处理平台则可布置在配电箱附近位置。此外，考虑到机具和材料并不能用1个质点反映，但可以在处理平台上提前输入标签对应对象的几何尺寸(原尺寸辅以安全距离修正)，使得路径规划结果不会产生擦碰事故。

3.4 危险预警模块

3.4.1 权限设置

施工过程涉及人员数量多、身份杂，系统将进入现场的人员划分成不同权限，进而控制各区域内的人员情况，减少发生危险的可能，同时设置不同权限的工作人员在各区域下的预警提醒，如表4所示。

3.4.2 区域危险级别划分

按照施工实际情况和GB50870-2013《建筑施工安全技术统一规范》[17]，系统根据发生事故的概率和后果严重程度，将施工现场场地环境划分成4个等级。同时，将其以可明显区分的颜色进行区域标识，实现预警可视化，具体划分如表5所示。

表4 现场人员权限设置Table 4 The permission setting of site personnel

表5 区域危险级别划分Table 5 The classification of regional hazard grade

3.4.3 预警可视化和即时警报

当有人员靠近危险区域或机械设备在运转时可能发生碰撞等事故时，通过即时定位和规划出的路径拟合分析事故发生的位置、时间等，并反映给当事人(手机、Pad、机具操作面板等)和项目部安全员(后台计算机)，以便即时做出预警判断和危险警报。同时，通过将危险区域等级、人员权限、规划路径等多方数据协同展示在4D模型(3D模型在一定时序上的阶段模型)上，实现系统的可视化，提高安全预警的主观能动性。

3.5 路径规划模块

3.5.1 路径规划对象

路径规划对象内容是输入到该模块中的规划条件信息以及模块输出的结果，提供避免事故发生的行动依据。施工现场的路径规划对象主要是针对人、材、机3方面，规划对象及内容如表6所示。同时，模块自身输出的信息也作为自身数据基础，如避免时序作用下规划出的路径与先有路径发生碰撞。

表6 模块处理对象内容信息Table 6 The content information of objects in module process

3.5.2 路径规划原理

路径规划的原理方法有多种，如表7所示。考虑到施工现场的特殊性和本系统的需求，对于环境变化的识别速度(实时性)、做出反应的速度(动态响应)以及复杂环境适应性的要求都较高，选用人工势场法(APF)是更为合适的。

表7 常用路径规划方法对比Table 7 The comparison of common path planning methods

人工势场法的主要原理就是在4D模型中把施工现场当作1个考虑时序且充满虚拟势能的空间，人、材、机在其中受到障碍物、权限和危险源(不同的区域级别)的斥力作用和目标位置的引力作用，由算法计算出合力F(t)，并在其作用下发生位移X(t)，形成运动轨迹S。其中，当dX/dt=0时，意味着在Δt内接受规划的对象静止，表示系统开始分析人员的停留位置和停留时间、材料的堆放位置和堆放时长以及机械设备的停放位置和停放时长。进而模块输出对应规划对象的内容，人、材、机再响应系统输出，从源头避免了事故发生的可能。同时，在基于Cloud-BIM的外部协同和系统内部协同机制下，模块对现场环境的变化即时做出反应，并对规划结果进行调整。在实现“事前”规划、预防危险发生的同时，也可起到危险或灾害发生时逃跑路线以及救援方案制定的作用。

4 案例应用

4.1 项目简介

案例工程位于武汉市洪山区野芷湖，三环线与文化大道交汇西南处，南面与文化大道相邻。

1)南面文化大道旁有1个信号塔，高度约35 m，距离现场围墙5 m，距2#塔吊64.3 m，不在塔吊覆盖半径范围内。

2)西面为已建23层李桥大厦(高度约100 m)和18层住宅楼(高度约60 m)，李桥大厦距离3#塔吊33.8 m，住宅楼距离3#塔吊59.9 m，存在碰撞风险。采取对塔吊回转机构进行限位，地面设置锚固点，缆风绳等措施。

3)北面为已建成一期写字楼。A16#楼为3层高度13 m，A15#楼为6层高度24 m，A9#楼为3层高度13 m；A16#楼距离5#塔吊40 m，A15#楼距离5#塔42.8 m，A9#楼距离5#塔吊56.7 m，A9#楼距离4#塔吊52 m。采取4#、5#塔吊初始安装高度超过相邻建筑物的措施。

4)东面为二期地块，场地比较开阔，无附属建筑物。

4.2 应用分析

本文提出的施工现场智能安全系统在该工程案例的现场安全管理中得到充分应用。如图3所示，通过即时定位和规划出的路径，拟合分析事故发生的可能位置、时间等，并反映给施工人员和项目部安全员，可以即时做出预警判断和危险警报。系统将危险区域等级、人员权限、规划路径等多方数据协同展示在4D模型上，实现系统的可视化管理，提高安全预警的主观能动性。

图3 系统界面图—场地情势Fig.3 The user interface diagram(Site situation)

如图4所示，根据定位模块与预警模块提供的信息，路径规划模块在实时定位和目标位置之间生成即时导航路线，并根据其各点位置的危险等级，将路径危险情况标识出来，在界面上显示此时的危险情况与其他注意因素。

图4 系统界面图—路径规划导航Fig.4 The user interface diagram(Path navigation)

5 结论

1)根据施工现场安全管理现状和挑战，提出1套能够实现事前化、实时可视化的智能安全系统。

2)系统主要由信息协同模块、实时定位模块、危险预警模块和路径规划模块4部分组成，根据现场实际需求与技术方法特点分析，选择Cloud-BIM、UWB、ZigBee和人工势场法等技术方法的集成，以达到施工现场安全管理的信息协同、人员定位、危险源及区域识别分析等基础目标，进而实现场地分析、危险预警以及对人、材、机的静止堆放和移动路径的分析规划，降低不安全现象发生的概率。

3)系统可辅助实现人员考勤、机具巡检、场布和堆货预测、灾害逃亡以及人员搜救等功能。

4)研究成果可对施工现场安全管理提供有效的技术理论支持，进一步提高安全生产管理效率，降低事故发生率。