基于BIM和WSN的建筑工人高处坠落和触电危险事故智能预警系统研究

左睿++孙超++邵闻博

摘 要：基于建筑信息模型和无线传感网络技术，建立了建筑工人高处坠落和触电事故智能预警系统，采用基于无线定位技术的安全管理系统能够以技术手段避免人为因素的影响。设计了系统结构、功能和运行流程。该系统可实现工人实时定位及高处坠落和触电事故智能预警。

关键词：无线定位技术；事故预警；建筑信息模型；无线传感网络

建筑工人高处坠落事故和触电事故是施工安全的头號威胁。目前，该类事故在危险源评估及预测方面已经取得一定进展[1]。同时，信号预警、统计预警、指标预警和模型预警等预警方式已经在建筑安全事故的预警中成功应用[2]。并且，BIM与RFID在施工安全管理中的运用可行性已经被证实[3]，但是，这些研究在预警针对性、识别主动性、成本控制、可操性、可视化分析能力等方面还存在一些不足，为此，本文构建基于BIM和CSS宽带无线定位技术的智能预警系统，实现施工安全管理的信息化、智能化、可视化。

1、系统需求分析

施工现场现有安全监控技术相对落后，项目部不能实时、全面、形象地掌握施工现场情况[4]，更无法实现事故预警。所以，系统必须满足如下功能要求：（1）建筑工人位置信息实时采集。（2）建筑工人高处坠落和高压电危险区域可视化分析。（3）事故预防全员参与。建筑施工项目管理过程复杂，涉及人员众多，所以预警对象及参与人员为所有进入施工现场的人员。

2、系统构建

2.1系统框架构建

智能预警系统利用先进的技术平台，能够对现场工作人员和外来参观人员做到事先划定作业区域，实时监控记录活动情况，分析活动规律和趋势，遇有危险活动及时预警，事后统计分析，在防范安全事故发生的同时，大幅度提高整个施工现场的工作效率和管理水平。

该系统由四部分组成：①基于宽带无线射频定位技术CSS的无线传感网络。RFID、WIFI、ZIGBEE等传统定位技术的精度不能令人满意，有的则价格太高不适合施工现场应用。而应用CSS技术，通过信号到达时间测距和测角度，采用到达时间差（TDOA）进行定位，可以实现最优性价比的高精度定位[5]。②基于波形探测感应技术的检测报警设备。采用波形探测感应技术，可以有效杜绝一般工作人员或外来人员误闯危险带电区域、造成停电或人员伤亡事故的现象。③与传感网络、检测设备协同互动的高分辨率、可动态调节跟踪的视频设备。④后台计算机管理系统。系统结构如图1所示。

图1系统架构示意图

系统结合了宽带无线射频定位、安全检测与预警报警、视频同步记录监视、及BIM建筑信息系统模型领域的最新科技成果，具有传统安全作业管理无法比拟的优势。其主要特点如下：①人员及移动物体的实时定位与监控。②实时探测。③高定位精度。④全程视频图像跟踪监视。⑤定位稳定。⑥良好的抗多路径效应。⑦组网灵活。⑧节能设计。⑨强大的作业安全管理功能。

2.2系统的工作模式

系统具有现场需要的多种工作模式，如巡视模式、参观模式、检修模式、操作模式和探测模式等，不同模式下的监控侧重点有所不同。同时，也可以根据新的运行管理模式需求，扩充新的工作模式。

2.3系统初始化设置

系统平台构建完成后，需要对系统进行初始化设置，定义相关规则及属性。根据功能需求分析及该预警系统架构，结合施工现场安全管理的实际需要，进行如下初始化工作，并将相关设置输入预警系统。

（1）危险区域定义。

根据施工现场的实际情况，将施工现场划分为Ⅰ～Ⅳ共4个危险等级。

（2）BIM模型建立。

本系统在实施前必须根据传统的二维图纸建立BIM模型，以此实现将二维视图向三维视图的转化。BIM模型也是本系统可视化的载体，现场的所有实时信息以及预警信息均将在BIM模型中体现[6]。

（3）主要工作流程：

首先在后台监控计算机上对需要对现场工作人员和进入施工现场的其他工作人员进行身份注册，验证信息后设定他要领取的移动终端的编号，并根据工作人员需要执行的操作设定对应的工作路线、工作时间、工作区域、危险区域等；工作人员进入施工现场后通过宽频无线定位网络，将定位数据传递给前置机，前置机按照定位算法通过计算确定工作人员的当前位置，一方面根据已设定的危险间隔判断当前位置是否合法，不合法则向工作人员发送相应的报警信息；另一方面将工作人员的当前位置信息发送给后台监控系统，在施工现场平面图上将工作人员的位置坐标显示出来，便于后台监控人员的观察。同时，施工现场内工作人员的行进路线等信息将保存在数据库中，日后可以通过动态方式重新查看其工作路线，实现了对施工现场工作人员的有效监督[7]。

4结语

本文建立的智能预警系统集成了BIM与WSN技术，可实现实时定位及智能预警。将CCS无线定位技术应用于施工现场的作业安全管理，用技术手段替代人工管理，对于施工现场的安全运行具有开创性的意义。

参考文献

[1]Chen，TLeuS.FallriskassessmentofcantileverbridgeprojectsusingBayesiannet

work[J].SafetyScience，2014，70：161-171.

[2]吴炜巍.施工现场安全危险源实时监控与安全风险预测方法研究[D].南京：东南大学，2009

[3]郭红领，于言滔，刘文平，等.BIM和RFID在施工安全管理中的集成应用研究[J].工程管理学报，2014，28（4）：87-92.

[4]仲青，苏振民，王先华.基于RFID与BIM的集成施工现场安全监控关键技术研究[J].建筑科学，2015，31（4）：123-128.

[5]李丽，周彦伟，吴振强.无线网络定位技术研究[J].计算机技术与发展，2011（10）.

[6]张泾杰，韩豫，马国鑫，韩诗纯.基于BIM和RFID的建筑工人高处坠落事故智能预警系统研究[J].工程管理学报，2015.29（6）：17-21.

[7]谷月雁，司刚，刘清瑞.无线定位技术在变电站作业安全管理中的应用[J].电气技术.2012（12）：78-81.

作者简介：左睿（1983-），男，湖南省人，硕士研究生毕业，工程师，从事电力自动化运行的专业研究与工厂供配电设计工作。