基于物联网的石化工程建设项目施工安全智能管理系统

沈祖安，周 诚

(1.中韩(武汉)石油化工有限公司，湖北 武汉 430082；2.华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074)

长期以来，石油与化工行业是国民经济的重要支柱，与经济发展、人民生活和国防军工密切相关[1]。为保持行业总体的较快发展，党中央、国务院着力推进石化和化工行业的供给侧结构性改革。按照工信部印发《石化和化学工业发展规划(2016―2020年)》的要求，石化和化学工业制定了“十三五”期间明确的产业调整方向，主要包括建成5～8个以石化和化工为主导产业、具有全球影响力的新型工业化产业示范基地，以及推进七大石化产业基地及重大项目的建设，提高炼化一体化水平。这一举措使得我国石化行业将面临大规模产业调整，工程建设项目逐渐增多，建设规模不断扩大。

石化工程建设不同于其他行业的工程建设，具有其独特的行业建设特点和难点[2]。第一，石油化工工程建设存在设计、施工与生产三者同步进行的问题，有较大的安全隐患，若发生重大事故，将造成巨大的经济损失和人员伤亡；第二，石化工程建设过程中参与的承包商数量多，而且涉及多专业作业交叉，安全管理难度大；第三，石化工程建设中特种作业多，技术风险高。因此，为了避免项目建设过程中发生事故，石化工程建设过程中的安全管理尤为重要。

针对石化工程施工安全管理特点和难点，中国石化提出并严格执行HSSE(Health Safety Security Environmental)的管理制度，其来源于壳牌公司提出的HSE(Health Safety Environmental)管理方法，以“领导承诺、以人为本、预防为主、持续发展、全员参与”为核心，通过PDCA(Plan Do Check Action)的闭环流程严格执行管理内容，保障石化工程项目建设期间的安全，从而实现“全员重伤为零，全员死亡为零，重大火灾事故为零，环境污染事故为零，重大责任事故为零，上报集团公司事故为零”的项目建设HSSE管理目标。

中国石化工程管理以HSSE为准则，围绕“人理-事理-物理”三大模块进行管理，制定较为完善的安全管理体系和程序，明确各级管理责任人并保证落实到位，定期开展检查等活动，具有一定的管理优势。但随着石油化工行业的发展，生产装置越来越大型、复杂，建设过程难度也不断增加，一旦由于人的不安全行为、物的不安全状态，或是管理过程中人员的疏漏造成重大事故，将导致人员伤亡、经济损失和环境破坏等严重后果。然而，面对人多、机高、料危、法细、环杂[3]的石化建设工程，传统的管理方式逐步显现出效率低，跟踪评价难等问题，比如：施工现场作业许可管理采用纸质化文件的形式，管理人员通过对纸质作业许可证的签发和现场抽检的方式进行作业跟踪及评价。随着作业人数的增多，纸质作业许可开票效率低，跟踪评价难的问题显现出来，甚至出现了遗失、遗漏的情况。此时，石化工程建设更需要体系化、高效化、数字化的安全管理方式来提高建设过程的安全管理效率及可靠性，防止事故的发生。

因此，本研究旨在构建基于物联网的石化工程建设项目施工安全智能管理系统。其中，物联网是支撑数据“感知、传输、分析、控制”的技术支撑，具体体现为“全过程数据一张图、安全信息提取和推送一张屏、实时安全风险管控一张网”的安全管理过程，以支持工程风险数据的高效流转。在此基础上，本系统的实施将支持传统的人工管理过程，降低管理成本，减少事故发生概率，规范流程明确责任，提高安全管理效率。

1 施工安全智能管理系统需求分析

目前，智能化安全管理系统的研究应用于各个方面，例如民航安全、工艺安全、工程安全等，已经成为安全管理的发展趋势。现有的施工安全管理系统，主要应用于隧道工程[4]、建筑工程[5]、变电站[6]、水利工程[7]等领域，基于RFID(Radio Frequency IDentification)、物联网、人工智能等技术，实现施工过程中人员定位管理、安全状况评估、安全事故预测等功能。例如，基于RFID技术研发的系统可及时掌握隧道中施工现场人员、设备的分布状况以及运动轨迹，当隧道内发生事故时能明确人员位置信息以辅助救援[4]。也有研究结合物联网技术研发施工安全管理系统，开发设计了智能安全帽、安全巡查终端、人员定位系统来提高施工现场的安全管理水平[5]。

对于石化行业，当前有关其安全管理系统的研究主要围绕石化园区的安全管理系统设计[8]、生产过程[9]、以及仪器设备的安全管理[10]等方面开展，但很少关注施工过程，而石化工程建设项目的施工过程也存在很大的安全风险。不同于其他项目的施工过程，作业人员需要开具相应的纸质作业许可证方可入场；作业许可证由监护人保管，且多人同票，不方便查看统计；施工区域狭小，钢结构多，如果采用现有的定位技术和管理系统，容易出现进场人员管理不到位，定位信号屏蔽的情况。现有的施工安全管理系统没有针对解决石化施工过程中的安全管理难点，容易出现纸质材料填写重复性工作量大，纸质材料难以保存；管理流程复杂，过程不够规范；各部门之间没有实现信息共享，信息互通效率低；统计分析和考核评价环节只做定性分析，没有结合实际建设过程中的数据定量评价等若干问题。因此需要研发一套石化工程建设项目施工安全智能管理系统，来提升石化施工过程的安全管理。

2 施工安全智能管理系统设计

2.1 物联网概述

“物联网”这一概念于1999年被美国麻省理工学院首次提出，之后经过不断完善和改进。2014年，中国工信部也给出了物联网的定义[11]：物联网是通信网和互联网的拓展和网络延伸，它利用感知技术与智能装备对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物交互和无缝衔接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。

物联网的核心技术体系模型包含感知与标识技术、网络与通信技术、计算与服务技术以及管理与支撑技术四大体系[12]。感知与标识技术是物联网的基础，通过传感器、RFID、二维码等技术实现外部世界信息的感知和识别；网络与通信技术可通过泛在的互联功能，实现感知信息高可靠性、高安全性传送；计算与服务技术是物联网的核心支撑；管理与支撑技术保证物联网实现“可运行-可管理-可控制”的关键。因此，基于物联网设计的安全智能管理系统能够有效保证参建人员安全和施工过程安全。

2.2 系统架构设计

根据石化工程建设的特点以及对HSSE安全管理的要求，结合物联网技术，本文设计了一套石化工程建设项目施工安全智能管理系统，通过标识与感知、通信与传输、计算与服务以及应用与管理四大模块，具体内容如图1所示。

图1 石化工程安全智能管理系统架构

2.2.1 标识与感知模块

标识与感知模块是石化工程建设项目施工安全智能管理系统的基础，只有通过标识与感知模块才能采集数据，其他模块才便于分析和管控。标识与感知模块主要包括三种硬件设备，分别是摄像头、定位基站和定位标签。摄像头的安装位置在封闭施工区域入口处，用于实时采集视频数据，收集到的人员进场视频用于人员进场管理，同步为进场人员的身份识别提供原始视频数据。同时，进入施工区域的所有人员佩戴定位标签，定位标签通过蓝牙通信将人员在场的位置信息传输给厂区内布设的定位基站，定位基站通过定位信道实现对定位标签的定位，再统一将采集到的定位信息反馈给通信与传输模块。

2.2.2 通信与传输模块

通信与传输模块是石化工程建设项目施工安全智能管理系统连接数据和管理的桥梁，其主要功能是将感知模块采集的视频数据和定位数据传输至计算与服务模块。该模块包括无线传输网和有线传输网，无线传输网通过Wi-Fi信道为定位基站提供数据传输链路，有线传输网通过有线以太网方式为定位基站提供数据传输链路。

2.2.3 计算与服务模块

计算与服务模块是石化工程建设项目施工安全智能管理系统的核心，包括人脸识别、认证服务、告警服务、定位引擎、监控服务、报表服务六项内容。

人脸识别、认证服务和告警服务主要功能是加强对进入施工现场人员的管理。通过人脸识别算法，将传输模块的视频数据与数据库中原有人像照片对比，实时提供认证服务和告警服务，对于视频数据与数据库人像匹配成功的人员，即可通过认证，正常进场，但对于不匹配的人员，则认证失败，启动告警服务，入口处和监控室的报警装置同时启动，不允许该人员入场。这样的安全管理系统可以从源头杜绝未经过正常培训合格的人员或其他人员入场，保证只有安全培训合格的人员才有资格入场，提高了施工现场人员进入施工区域身份识别的有效性和安全管理效率。

定位引擎和监控服务主要用于规范施工现场人员的行为。定位引擎实现定位数据的结算，得到定位标签的坐标，实现对人员轨迹的追踪，对施工人员的不安全行为启动告警服务，达到对施工厂区内人员不安全行为的管理。通过对人员的管理和人员不安全行为的规范，系统可将所有正常数据和告警数据通过报表输出，形成人员安全管理的周报和月报。

2.2.4 应用与管理模块

应用与管理模块是石化工程建设项目施工安全智能管理系统的最终价值体现，紧密结合石化工程安全管理的HSSE闭环管理流程，通过应用物联网技术，初步建立施工安全智能管理系统，应用人脸识别技术以及定位技术，实现对于人员资质审查、教育培训、作业许可，过程检查、数字评价全过程管理。其中，当出现不规范人员进场行为(包括未佩戴标签、着装不规范等)、非许可人员进入某作业区域、特种作业人员在没有监护人的情况下作业时，系统会根据管理评价标准对前端传感数据所反馈的违规行为进行记录。对于扣分不达标的工人，系统会在该人员进入到作业现场时报警。此时，只有当工人完成再教育培训时方能继续作业，如图2所示。同时通过三维动态模型模拟施工过程，提前了解整个施工过程中的重难点以及物料进场的时间安排，逐步实现对“人理-事理-物理”的信息化、智能化管理。

图2 人员扣分及培训再教育流程

2.3 系统关键技术

为了实现上述现场人员管理的要求，结合工程物联网感知控制技术以及信息处理技术，本系统研究了以下两项关键性的技术。

2.3.1 多人跟踪面部抓拍及识别技术

该技术属于机器视觉领域，结合行人检测和人脸检测，实现对人员的精准辨别，大幅降低漏检误检率；采用级联卷积网络，实现人脸检测和人脸特征点标定，应对多种姿态下多人同时进场时可能出现的人脸不全问题；采用目标跟踪技术，实现对帧间人员序列匹配，减少进场重复报警；采用残差网络增强人脸识别准确度和鲁棒性。该技术的使用有效地解决了石化工程复杂室外场景下多人同时进场的使用需求，既满足了现场工人进出工地场景的可通过性，同时保障了现场工地的安全性，为管理提升带来了极大的促进，识别画面如图3所示。

图3 多人同时进场快速识别界面

2.3.2 亚米级三维定位技术

该技术源于军事领域的无源相控阵雷达(PESA，Passive Electronically Scanned Array)技术，通过到达角定位(AoA，Angle-of-Arrival)算法，实现亚米级精准定位；采用的频段具备强抗干扰性，周边环境对其精度影响较小，尤其适用于石化工程密集钢结构场景下的定位。同时，该技术定位采样频率为4次/s，最高可达20次/s，使得定位刷新率高，显示无延迟，也正因为如此，该技术所采集的位置信号可以同步到工地物联网后台进行人员轨迹的可视化呈现，进而提升现场人员的管理效力，如图4所示。

图4 亚米级三维人员定位界面

3 施工安全智能管理系统应用实例

3.1 项目背景

石化工程建设项目施工安全智能管理系统应用于中国武汉石化公司新建30万t/年烷基化装置项目(以下简称烷基化项目)和改建70万t/年气体分馏装置项目(以下简称气分项目)，施工现场全部实行封闭化管理。通过应用石化工程建设项目施工安全智能管理系统，可以将日常检查的随机性和主观性转化为智能化和自动化的判断并记录，提高施工现场安全管理的工作效率。

3.2 功能实现

3.2.1 组织架构及人员管理

石化工程建设项目施工安全智能管理系统可将所有需要进场的作业人员的身份信息统一记录并汇总到系统中，方便查看，并实现对作业人员的身份信息管理。其中，需要录入包括工程承包商、监理单位、建设单位以及技术支持单位在内的各参建方的所有人员信息。信息内容主要包括：人员照片、工种信息(特种人员需包括作业资质证照片)、工作单位信息、身份证号信息等。人员身份信息录入界面如图5所示。

图5 人员身份管理界面

3.2.2 电子作业票管理

对于纸质作业票填写麻烦、容易丢失等情况，石化工程建设项目施工安全智能管理系统可实现作业票电子化，方便管理，杜绝无作业票作业的情况出现。当作业人员需要进行现场作业时，结合石化HSSE管理标准，可同步将人员作业票信息录入到系统中，形成电子作业票。电子作业票管理界面如图6所示。

图6 电子作业票管理界面

3.2.3 入场许可管理

石化工程建设项目施工安全智能管理系统的入场许可管理功能，建立在机器视觉人脸识别技术的基础上。现场视觉传感器通过工程物联网网络将人员进场的视频流信息传输到管理平台，依赖于平台内嵌的机器视觉算法实现进场人员与数据库工人图片的快速比对，当有非授权人员进入到工地现场时，系统会自动进行声光警报，从而提醒现场管理人员及时制止非授权人员的进场，同时该人员的违规进场行为也会被记录，真正实现让合格的人在规定的时间进场，保证人员入场规范。入场许可管理界面如图7所示。

图7 入场许可管理界面

3.2.4 数字动态模拟

石化工程建设项目施工安全智能管理系统的数字动态模拟功能，可以导入施工区域的BIM(Building Information Modeling)虚拟工地模型，形成可以跟随施工进度不断自动生长的施工区域数字动态模型，可视化模拟整个施工过程，从而提前了解施工过程中可能遇到的危险，发现施工过程中的重难点作业过程，做好工作安全分析(JSA，Job Safety Analysis)，以及专项HSSE方案和预防措施，保证施工过程顺利进行。数字动态模拟施工界面如图8所示。

图8 数字动态模拟界面

3.2.5 现场定位跟踪

现场定位跟踪功能依赖于作业人员入场前配备的定位标签和现场布设的定位基站。入场前由现场管理人员将每位作业人员的身份信息与定位标签相关联，保证作业人员进场后，定位标签可以同步记录现场人员的位置信息，并将该信息传输到系统后台，在BIM虚拟工地上进行可视化的呈现，实现现场定位跟踪功能，定位标签关联界面如图8所示。石化工程建设项目施工安全智能管理系统，可根据该数据同步显示现场人员的运动轨迹，并且可以查询所有在施工区域内出现过的作业人员的历史轨迹，做到有据可依，保证作业人员出现在合适的位置，防止出现违规行为。定位标签关联界面如图9所示，定位轨迹跟踪界面如图10所示。

图9 定位标签关联界面

图10 定位轨迹跟踪界面

3.2.6 危险区域控制

石化工程建设项目施工安全管理系统可以在虚拟施工区域绘制危险区域的位置，现场管理人员根据施工作业危险区域的划分规则确定电子围栏的位置和范围，当非该区域内作业许可人员进入电子围栏时，系统会进行报警同时提醒现场承包商及监理单位安全管理人员进行制止，实现对危险区域安全的控制。危险区域界面如图11所示。

图11 危险区域控制界面

3.2.7 统计考评管理

石化工程建设项目施工安全管理系统还可以实现统计考评管理，可以详细地汇总该时间内特种作业情况、人员考核情况及分析评价、承包商的考核情况及分析评价，并按照每周、每月的时间节点形成不同时间段的管理统计，再考核得出评价结果。统计考评管理界面如图12所示。

图12 统计考评管理界面

3.3 应用效果

截止2019年6月，石化工程建设项目施工安全智能管理系统已经在武汉石化烷基化和气分项目正式上线稳定运行330余天，系统累计录入人脸照片1356张，进行了90794人次进场识别，捕捉并校正未授权进场识别不规范行为32198人次，准确率为87%左右，定位数据累计达11689428条，如图13所示。相比于定量统计，更重要的是对传统安全管理模式的突破，具体如下。

图13 系统实施结构及数据统计

(1)全过程数据一张图

本系统通过物联网技术手段，采集到大量的实施数据，包括：个人劳务数据(资质、培训、作业状态)、作业进度数据、承包商考核及评价数据等，这些数据有利于后续石化工程建设项目管理业务的全链条集成。例如，本系统通过人员信息录入、入场检查及定位跟踪实现了1356名参建人员身份的全链条管理。一方面，这些信息为现场人员安全管理提供数据支撑，例如为人员进场管理人脸识别提供数据库对比样本；另一方面，电子档案的建立真正实现了工人实名制管理，对减少劳务纠纷、保障工人权益、培养高素质的石化建设产业工人具有积极的促进作用。另外，本系统通过纸质作业票的电子化，实现了现场人员895次作业行为的在线管理。

(2)安全信息提取和推送一张屏

本系统通过数字化技术取代传统纸质安全信息提取和推送手段。对于施工任务而言，通过准确提取作业位置、作业时长等信息，使得合适的人出现在正确的位置，同时避免交叉作业、长时间作业等状况给工人身体及健康带来的伤害。对于监管任务而言，电子作业票与其相关的作业区域以及对应的管理人员进行了绑定，同步对监管人员的履职行为进行在线的查询与监督。系统的实时记录与历史检索功能提高了管理效率并有利于事故追责，其中包括但不限于：①加快施工期间人员清点的速率，特别是特殊情况的紧急疏散时段；②查看参建人员是否按照整改要求及整改人数到场作业；③有利于现场个人物品的丢失查询等。同时，在现场出现作业区域、管理责任不明等劳务纠纷时，系统可以通过作业轨迹、时长等历史数据的检索提供判断依据。

(3)实时安全风险管控一张网

本系统通过物联网技术将施工现场各要素有机连接，有效管控施工风险。例如，相较于围挡、栏杆、安全网等物理屏障，本系统通过电子围栏实现了工地有害能量的主动隔离及控制，在系统应用过程中针对特殊作业行为，累计设置电子围栏26次，有效规范242人进入危险作业区域。除此以外，现场的视频监控系统同步排查现场安全隐患。

更重要的是，本系统的开发重塑了项目参与各方的安全行为意识。受制于传统管理方式流程多、业务杂等因素，不论是项目施工人员还是监管人员都会出现不良的管理操作惯性，如：随意签开作业票，越级办理作业许可、忽略JSA过程以及忽视物理围挡的设计。这些不安全的操作行为，一方面是缺少约束与监管，另一方面是源于安全氛围的动摇。智能化系统作为现场管理的“新鲜事物”，本质上是让项目参与各方重新学习了一次安全管理的业务模式，同时系统化的流程上给予了管理操作约束，减少了违规、越级行为的出现，这也是对于现场文化氛围的校正。

4 总结与提升

为了实现石化工程建设项目施工安全的信息化、智能化管理，本文主要针对石化工程建设过程中安全管理的重复性、低效性、人员安全不确定性等问题，设计了一套基于物联网的石化工程建设项目施工安全智能管理系统，并应用于武汉石化烷基化和气分项目。通过标识与感知、通信与传输、计算与服务、应用与管理等四大模块，实现了组织架构人员身份管理、电子作业票管理、入场许可管理、数字动态模拟、现场定位跟踪、危险区域控制、统计考评管理等七大功能，提升了武汉石化工程建设项目的安全管理效率；同时，信息化、网络化的智能安全管理系统也为各参建方责任以及承包商的统计考评提供了依据，使得整个安全管理过程更加科学和高效。在理论层面，本系统的设计是对工程“数字孪生”建设的一次初步探索，其中基于物联网技术描述了完整的石化孪生工地的建设框架，有效地记录了人员、作业等部分施工数据，这种方式有利于推进工程建造产品的数字化交付路径。

在未来工作中，本系统在未来还可以从以下两个方面进行扩展：

(1)考虑到安全管理与资源管理的紧密联系，本系统通过物联网技术将“人-机-环”数据实时采集，结合人工智能与数据挖掘等方法，深入分析当前项目存在的浪费，以此采取相应的管理措施，减少不必要的浪费，提升项目质量，最终实现精益化项目建设。

(2)本系统可以构建基于BIM的石化工程数字孪生模型，该模型在传统BIM模型的基础上，包含项目实际状态信息、机具设备关键信息等，将作为数字化交付的基础。在探索数字化交付技术的过程中，将包括信息类型、细节程度、集成方法等方面标准化，以形成适用于石化工程建设项目的数字化交付标准，有利于其他同类项目实现数字化交付，打通石化项目工程建造与生产等环节，提升项目总体效益。