工程施工現(xiàn)場區(qū)域定位系統(tǒng)研究

牛天勇，景維立，朱華軍

(北方工業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，北京 100144)

一、引 言

建筑行業(yè)是一個高危行業(yè)，每年的傷亡人數(shù)僅次于交通行業(yè)和采礦行業(yè)。建筑安全事故主要發(fā)生于建筑工程施工現(xiàn)場，并具備顯著的事故規(guī)律和特點。在諸多事故中，因高空墜落、坍塌、機械傷害等原因造成的死亡人數(shù)比例非常高。目前國內(nèi)工程施工現(xiàn)場應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)進行的安全管理工作中，多以視頻監(jiān)控、人員考勤等單一功能為主，安全管理延時性特點明顯，隱患及突變破壞管理有效性較差。因此，利用現(xiàn)代信息技術(shù)準(zhǔn)確定位施工現(xiàn)場人、機械、材料的動態(tài)位置，監(jiān)控施工現(xiàn)場自然環(huán)境、施工環(huán)境及資源的變化，預(yù)防碰撞、踏空、超負荷重物加載等事故將有利于安全管理目標(biāo)的實現(xiàn)，從而支撐整個工程項目的順利實施。

二、施工現(xiàn)場安全事故的主要根源和特點

建筑工程項目施工現(xiàn)場是包括人、機械、材料等多種資源在內(nèi)進行生產(chǎn)的復(fù)雜空間，各類資源的動態(tài)活動是在現(xiàn)場統(tǒng)一工作安排協(xié)調(diào)下的半有規(guī)則運動，各項資源的空間位置極易出現(xiàn)因距離過近、承載過大、空間重疊的現(xiàn)象，導(dǎo)致碰撞、坍塌、踏空等事故[1]。

從事故的根源上來看，可以從人的不安全行為、物的不穩(wěn)定狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素、管理的不可靠控制4個方面來分析。人的不安全行為主要體現(xiàn)在施工現(xiàn)場工人因?qū)χ苓叚h(huán)境、施工規(guī)程、相互配合、違章危害、自身狀態(tài)等方面的陌生和忽視而實施的各類有危害性的行為；物的不穩(wěn)定狀態(tài)主要是指機械設(shè)備車輛的故障、工具缺陷等；環(huán)境的不安全因素主要指作業(yè)環(huán)境、自然環(huán)境、社會環(huán)境等固有或動態(tài)變化產(chǎn)生的安全隱患；管理的不可靠控制是指投入、檢查、整改、較低、防護等管理制度和方法沒有做到可靠、可行、有效[2]。

從上述事故根源及大概率事故類別來看，加強對施工現(xiàn)場各種資源的管理和控制是降低安全事故率、減少傷亡的重要手段。其中，有效的施工現(xiàn)場區(qū)域定位是確定資源位置、警示危險狀態(tài)、預(yù)防安全事故的重要內(nèi)容。

建筑工程項目一般是在施工紅線內(nèi)進行開挖、支護、建造、安裝、裝飾、綠化等施工工序，按功能不同可以分為建造輔助區(qū)(含生活、辦公、加工、物料存放等場地)和建造區(qū)(建筑物外圍線向外擴展一定范圍內(nèi)的場地)。兩類區(qū)域的功能不同，也導(dǎo)致在安全管理中的內(nèi)容和重點有所差異，因此施工現(xiàn)場區(qū)域定位可以按照這兩類區(qū)域進行分類。在建造區(qū)定位中主要是確定施工電梯、垂直門洞、水平孔洞等危險源的具體位置，并控制動態(tài)活動的施工資源，知曉危險源位置，在靠近危險源時及時進行警示；在建造輔助區(qū)定位中主要是確定各類地形高差的邊界線，承載力警戒范圍，各類資源半有規(guī)則運動時人與人、人與物、物與物間的位置危險度等。

三、施工現(xiàn)場區(qū)域定位系統(tǒng)模型

1. 定位消除安全事故的基本思路

建筑工程安全事故的發(fā)生是一種多隱患并存下的突變破壞，是偶然性和必然性的發(fā)展結(jié)果。通過施工現(xiàn)場區(qū)域定位方式將分為兩個層面來解決安全事故的這幾個特性：第一個是管理層面，即通過規(guī)劃、檢查、整改等管理手段降低安全隱患的種類、數(shù)目及危害性；第二個是技術(shù)層面，即要采取技術(shù)手段及時警示突變破壞，確保事故發(fā)生前警示的即時性和有效性。圖1是兩個層面解決方案的基本內(nèi)容示意圖。

圖1 安全事故定位消除示意圖

2. 施工現(xiàn)場區(qū)域定位系統(tǒng)模型設(shè)計

隨著建筑行業(yè)現(xiàn)代化及工業(yè)化水平的逐步提高，現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍，BIM、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)得到逐步推廣和政策支持。在此背景下，本文提出施工現(xiàn)場區(qū)域定位系統(tǒng)模型的初步設(shè)計方案，該系統(tǒng)的主要組成部分有總控子系統(tǒng)、邊界子系統(tǒng)、定位監(jiān)測子系統(tǒng)、資源子系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 區(qū)域定位系統(tǒng)的主要組成部分

總控子系統(tǒng)是聯(lián)系各子系統(tǒng)的重要核心，包含系統(tǒng)設(shè)定、數(shù)據(jù)輸入輸出、數(shù)據(jù)存儲、施工進度同步、報表輸出等功能；邊界子系統(tǒng)是進行區(qū)域定位的基礎(chǔ)，是借助施工現(xiàn)場平面布置位置相對穩(wěn)定的特點進行設(shè)計，在平面布置圖的基礎(chǔ)上開發(fā)具備空間多屬性的邊界集，并根據(jù)施工的不同階段進行邊界范圍和邊界屬性的適時調(diào)整；定位監(jiān)測子系統(tǒng)是在邊界子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上集定位、監(jiān)測和報警于一體的安全監(jiān)控系統(tǒng)，采用無線網(wǎng)絡(luò)、Zigbee技術(shù)、RFID、GPS、可視監(jiān)控、NFC等現(xiàn)代信息技術(shù)及精確定位算法來進行位置定位和安全防護；資源子系統(tǒng)是對施工現(xiàn)場人、材料、機械等多種資源進行定義、分類、安全屬性設(shè)定、安全位置規(guī)劃、進出場記錄的系統(tǒng)，是區(qū)域定位系統(tǒng)的管理對象。這4個子系統(tǒng)共同支撐起施工現(xiàn)場區(qū)域定位系統(tǒng)的運行，并能根據(jù)施工現(xiàn)場平面布置形狀的調(diào)整、自然環(huán)境的變化、現(xiàn)場施工步驟的要求進行安全設(shè)防。

3. 施工現(xiàn)場區(qū)域定位系統(tǒng)模型的運行流程

因環(huán)境的多變性和施工現(xiàn)場的復(fù)雜性，施工現(xiàn)場區(qū)域定位的流程和所需設(shè)備有所不同。本文以物料堆積、車輛防撞及洞口防墜為例，分別模擬區(qū)域定位系統(tǒng)模型的運行流程。

1) 物料堆積。首先通過邊界子系統(tǒng)界定物料進場前的動態(tài)變化情況，劃定不同的重力承載區(qū)域，并在此基礎(chǔ)上進行物料進場過程預(yù)演；其次是在預(yù)演成功后進行物料進場、裝卸、堆積，在施工過程中，根據(jù)傳感系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)觀測并預(yù)測未來天氣、應(yīng)力、位移等方面的變化，進而自動計算承載能力和后續(xù)工序要求，給出物料移位、覆蓋等建議，以供決策。

2) 車輛防撞。首先通過資源子系統(tǒng)設(shè)定人、車輛、機械的身份，配發(fā)并在資源的合理位置安裝身份識別裝備。配備身份識別裝備的車輛在施工場地內(nèi)進行施工活動時，區(qū)域定位系統(tǒng)將實時獲取該車輛的具體位置，并記錄形成車輛行為軌跡。在車輛靠近承載力不足邊界范圍時通過車內(nèi)外燈光和警示信息進行提醒。在安全區(qū)域內(nèi)，發(fā)生車與車、人與車距離過近時也對雙方進行類似提醒，防止碰撞事故的發(fā)生。一旦持續(xù)警示時間超出范圍，將自動報警以便安全管理人員檢查和排除現(xiàn)場險情，如若事故發(fā)生，將根據(jù)資源行為軌跡快速確認責(zé)任方并進行事故處理工作[3]。

3) 洞口防墜。首先通過邊界子系統(tǒng)同步過來的施工進度信息設(shè)定該施工平面內(nèi)的孔洞位置及警示范圍，其次形成針對孔洞的安全防范計劃并同步給施工管理控制部門實時跟蹤防范措施的完成情況。在施工人員靠近洞口時，通過安全防范步驟中臨時安裝的紅外感應(yīng)及其他定位裝置準(zhǔn)確捕捉人員位置，并在其進入警戒范圍后給出燈光及聲音警示。一旦施工人員仍因其他因素不慎落入孔洞，定位系統(tǒng)將根據(jù)其進入危險區(qū)域的軌跡自動報警，減少事故發(fā)現(xiàn)及救援的時間，盡可能減少事故損失。

以上3種情況均包含及時的邊界界定、安全防范措施實施和突變破壞前預(yù)警等功能，能盡最大可能降低安全隱患的數(shù)目和危害性，并通過各種手段消減突變破壞發(fā)生的可能性。

四、施工現(xiàn)場區(qū)域定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

在圖2所示的系統(tǒng)模型中，每個子系統(tǒng)都是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)，要在這些重要環(huán)節(jié)中使其功能性得到充分的運轉(zhuǎn)，則需要利用和解決好以下幾個關(guān)鍵技術(shù)問題。

1) 邊界界定。準(zhǔn)確的邊界范圍劃定和邊界屬性定義是實現(xiàn)有效安全防護的基礎(chǔ)。在邊界界定中需要在工程CAD施工圖所示范圍的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，結(jié)合施工工序、現(xiàn)場進度安排、邊界范圍內(nèi)承載力、危險源位置、安全范圍等屬性進行定義，在區(qū)域定位系統(tǒng)中形成可視化、動態(tài)化、即時化的有效邊界。

2) 精確定位。建筑施工現(xiàn)場不同于采礦巷道或隧道施工，屬于線面綜合定位，對位置的精確性和準(zhǔn)確性要求較高。根據(jù)施工現(xiàn)場建造區(qū)和建造輔助區(qū)的空間特點來看，精確定位技術(shù)需要進行室內(nèi)外的單獨劃分。室外重點要通過定位預(yù)防碰撞、坍塌等安全事故，用到的是以無線定位、GPS定位、實時定位(RTLS)和射頻識別(RFID)為主的技術(shù)；室內(nèi)重點要通過定位預(yù)防高空墜落等事故，用到的是以紅外感應(yīng)、實時定位(RTLS)、射頻識別(RFID)為主的技術(shù)。精確定位技術(shù)對定位設(shè)備、基站布置和定位算法等有較高要求[4]。

3) 傳感監(jiān)測。施工現(xiàn)場安全事故的隱患多重性體現(xiàn)在個人意識、自然環(huán)境、機械故障、管理失控等方面，因此在應(yīng)對圖1所示隱患和突變破壞的時候要充分利用傳感監(jiān)測技術(shù)降低隱患數(shù)目及危害，并預(yù)警突變破壞。因此，溫度、濕度、光照、位移、壓力、流量、物位等傳感器的應(yīng)用及其對施工現(xiàn)場安全的有效預(yù)警和管控等方面需要進行系統(tǒng)化設(shè)計。

4) 網(wǎng)絡(luò)通信。根據(jù)區(qū)域定位成本及安全監(jiān)控效率來看，可對施工現(xiàn)場安全定位進行級別劃定，相應(yīng)也影響網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的選擇和應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)通信介質(zhì)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、計算機協(xié)議、以太網(wǎng)、局域網(wǎng)、開關(guān)技術(shù)等。

5) 安全預(yù)警。在上述關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，安全預(yù)警工作需要綜合考慮效率和成本的關(guān)系，根據(jù)施工現(xiàn)場的變化進行動態(tài)調(diào)整。從安全預(yù)警技術(shù)的角度來看，要做好安全性評估、即時預(yù)警、動態(tài)監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計、研發(fā)和實施工作，形成培訓(xùn)、監(jiān)測、預(yù)警、防范、調(diào)整一體化的安全預(yù)警體系。

五、施工現(xiàn)場區(qū)域定位系統(tǒng)的保障措施

1) 安全投入要合理。目前國內(nèi)建筑工程項目安全管理工作的主要工作依舊是以管理手段為主，安全信息化及數(shù)據(jù)化程度較低，安全投入比較少。這種情況與當(dāng)前建筑市場招投標(biāo)制度、項目實施及安全管理技術(shù)水平密切相關(guān)。隨著安全管理制度和技術(shù)的逐步改進，勢必要科學(xué)設(shè)定建筑工程項目安全投入的比例和數(shù)額，合理控制安全風(fēng)險成本。同時，在安全技術(shù)的研發(fā)上要跟上現(xiàn)代化步伐，加強新技術(shù)的研發(fā)、測試和推廣使用。

2) 研發(fā)力量要加強。從施工現(xiàn)場區(qū)域定位系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)來看，種類較多，效果明顯，體系化設(shè)計需求明顯。因此，需要轉(zhuǎn)變以往僅從數(shù)據(jù)信息化的角度來加強管理的安全管理模式，深入系統(tǒng)地研發(fā)本文所提及的和其他必需的安全管理技術(shù)，提高安全管理的技術(shù)含量和管理效率，降低事故率和傷亡人數(shù)。

3) 管理模式要規(guī)范。管理是實現(xiàn)技術(shù)要求、發(fā)揮技術(shù)效能的推動力。在本文所設(shè)計的施工現(xiàn)場區(qū)域定位系統(tǒng)中，技術(shù)要求較高，各環(huán)節(jié)間的配合和實施關(guān)聯(lián)性較強，這就對施工現(xiàn)場的管理模式提出一定的要求，即要通過規(guī)范化、信息化、數(shù)據(jù)化和經(jīng)濟化管理模式來科學(xué)合理地做好新技術(shù)的準(zhǔn)備、實施、監(jiān)控、檢查、整改和普及工作[5]。

六、結(jié)束語

在中外建筑行業(yè)安全事故的調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，因高空墜落和坍塌造成工作傷亡的比例非常高。以高空墜落為例，我國2008—2012年5年間因該原因死亡人數(shù)占同期整個建筑行業(yè)死亡人數(shù)的47%，合計1817人；美國2003—2012年10年間的該項比率為35%，合計3508人。本文根據(jù)對施工現(xiàn)場特點及事故規(guī)律進行的研究發(fā)現(xiàn)做好施工現(xiàn)場區(qū)域定位工作，并在此基礎(chǔ)上進行安全預(yù)警、評估等相關(guān)工作，將有利于降低安全事故隱患的數(shù)目和危害程度，同時還能預(yù)防突變破壞的發(fā)生。但在施工現(xiàn)場區(qū)域定位系統(tǒng)模型的設(shè)計中，也提出需要對邊界界定、精確定位、傳感監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)通信、安全預(yù)警等技術(shù)進行深入的研發(fā)設(shè)計。從當(dāng)前其他行業(yè)對上述安全技術(shù)的研究和應(yīng)用情況來看，本文設(shè)計的區(qū)域定位系統(tǒng)具有較強的可行性和較好地經(jīng)濟型，后續(xù)需加強對定位系統(tǒng)和安全管理的整合研發(fā)工作。

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