基于BIM和UWB技术的塔吊安全事故预警系统研究

姚艳芳 姚轶凡

摘要：基于BIM建筑信息模型和UWB定位技术，通过塔吊危险源分析，收集实时数据信息，构建安全事故預警系统，实现对现场不安全行为和不安全环境实时监控和安全预警，有效预防塔吊安全事故的发生，进而提高现场管理水平。

关键词：BIM技术;UWB技术;塔吊;安全预警

通过BIM 技术和定位技术的应用，建立塔吊安全事故预警系统模型，实现对现场塔吊和工作人员的实时监控和安全预警，有助于提升塔吊施工的安全治理水平，减少安全事故的发生。

1 BIM和UWB技术的含义

BIM （Building Information Modeling） 即为建筑信息模型，系指建筑物在设计和建造过程中，创建和使用的可计算数字信息。而这些数字信息能够被程序系统自动管理，使得经过这些数字信息所计算出来的各种档案，自动地具有彼此吻合、一致的特性。在建设安全管理方面，BIM 主要应用于危险源自动识别，施工现场布置与安全计划，施工临时设施（如模板和脚手架等）和部分危险部位（如临边和洞口等）的安全规则检查，工程现场安全交底与沟通，事故应急处置模拟等诸多方面。

UWB超宽带定位技术属于无线定位技术的一种。其主要特点是传输速率高、空间容量大、成本低、功耗低等。UWB可以用于实时记录人员的运动状态，分析人员运动情况，对于进入塔吊造成的危险区域的施工人员进行报警，提醒施工人员注意作业环境的危险状态。根据施工现场的实时数据信息，进行现场施工情况的安全风险分析，形成分析报告，同时可以记录现场的实时状态，为事故反查提供支持，大幅度提高安全管理工作效率。

2 事故致因理论以及塔吊危险源分析

2.1 事故致因理论

建筑事故对于施工人员的生命安全是一大威胁。事故致因理论是用来说明事故的原因、事故发生过程和事故后果，是对于事故发生的基本规律，基本原因的一种探索，这一理论能够用来对事故表面现象的发生、事故不断发展进行有理有据地分析，包括定量分析与定性分析。

随着科研的不断深入，基础科学和科技水平不断发展，对于事故致因理论的研究也不断地深入，也出现了各种各样的理论，比较典型的有早期的事故因果连锁理论（“多米诺骨牌”理论）、能量转移理论、近40年以来的轨迹交叉理论、事故致因论等。根据事故致因理论的发展，普遍认为事故发生的原因主要有两点：一是直接原因即人的不安全行为和物的不安全状态，二是间接原因即管理等其他因素，包括技术原因、对人的管理、对环境的管理、对程序和方法的管理、安全监督检查和事故预防措施等。

2.2 塔吊危险源分析

针对塔吊事故的风险源，不少学者进行了研究。余群舟针162起塔吊安全事故案例进行统计分析，得到造成塔吊事故的内在因素包括人员素质、安全管理和塔吊质量。In Jae Shin通过对38起塔式起重机死亡事故的分析和访谈，发现塔式起重机安装与拆卸过程中发生的事故占所有致命事故的68.4%，确定“不遵守工作程序”是这些事故的主要原因之一。综合以上因素将安全事故风险源概括为塔吊安全制度、基础与工作环境、塔吊作业工作人员。

3 塔吊安全事故预警系统构建

3.1 数据需求分析

基于BIM和UWB定位技术的塔吊安全事故预警，需要对系统中的数据进行分析，对事故相关的不安全环境和不安全行为进行监控。信息需求的基本原理是将 BIM模型中的实时位置信息、对象属性信息、动作信息、环境信息四个方面的信息，有效地集成，并进行塔吊安全事故预警的反馈。

3.2 功能需求分析

功能需求的分析是整个系统开发的源动力。根塔吊预警系统主要概括为以下功能：现场数据自动化采集;信息集成和管理;可视化的安全监测;BIM和UWB技术中的信息协同;自动的安全监测和预警。项目在施工开始之前，需要对工人进行培训，相关的人员需要掌握系统的基础操作。

3.3 预警系统构建

基于BIM技术与WSN技术的塔吊安全预警系统，因为 BIM 的信息特性，将其作为基础，因为UWB和WSN的实时特性，为BIM提供施工现场的信息。各个模块需要发挥各自的作用，并且多个模块需要协同工作。确保塔吊安全预警系统能够正常运作，提高安全等级。塔吊安全预警系统的研究框架如图1所示。

4 总结

基于BIM和定位技术的塔吊安全事故预警系统，通过BIM技术和UWB 技术的结合，针对塔吊施工过程中可能发生的事故，进行预防和控制。一方面对现场的工作人员进行实时定位，另一方面对塔吊进行实时监控，并制定预警规则，当距离达到阈值时，系统会自动进行预警，将信号反馈给现场工作人员，警示危险并提醒相关人员采取措施该系统能够有效地减少塔吊安全事故的发生。

参考文献

[1] 刘文平. 基于 BIM 与定位技术的施工事故预警机制研究[D]. 北京： 清华大学，2015.

[2] 陈忠孝，张盼，秦刚等.塔吊群智能防碰撞系统研究[J].电子设计工程，2015（19）.

[3] 侯宇.基于BIM与UWB技术的塔吊安全事故预警的理论与方法研究[D].北京：中国矿业大学，2017.

课题：河北省高等学校科学技术研究项目《基于 BIM 和 UWB 技术的塔吊安全事故预警系统研究》（QN2020509）。

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