基于BIM和UWB技術(shù)的塔吊安全事故預(yù)警系統(tǒng)研究

姚艷芳 姚軼凡

摘要：基于BIM建筑信息模型和UWB定位技術(shù)，通過塔吊危險源分析，收集實時數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建安全事故預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場不安全行為和不安全環(huán)境實時監(jiān)控和安全預(yù)警，有效預(yù)防塔吊安全事故的發(fā)生，進而提高現(xiàn)場管理水平。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);UWB技術(shù);塔吊;安全預(yù)警

通過BIM 技術(shù)和定位技術(shù)的應(yīng)用，建立塔吊安全事故預(yù)警系統(tǒng)模型，實現(xiàn)對現(xiàn)場塔吊和工作人員的實時監(jiān)控和安全預(yù)警，有助于提升塔吊施工的安全治理水平，減少安全事故的發(fā)生。

1 BIM和UWB技術(shù)的含義

BIM （Building Information Modeling） 即為建筑信息模型，系指建筑物在設(shè)計和建造過程中，創(chuàng)建和使用的可計算數(shù)字信息。而這些數(shù)字信息能夠被程序系統(tǒng)自動管理，使得經(jīng)過這些數(shù)字信息所計算出來的各種檔案，自動地具有彼此吻合、一致的特性。在建設(shè)安全管理方面，BIM 主要應(yīng)用于危險源自動識別，施工現(xiàn)場布置與安全計劃，施工臨時設(shè)施（如模板和腳手架等）和部分危險部位（如臨邊和洞口等）的安全規(guī)則檢查，工程現(xiàn)場安全交底與溝通，事故應(yīng)急處置模擬等諸多方面。

UWB超寬帶定位技術(shù)屬于無線定位技術(shù)的一種。其主要特點是傳輸速率高、空間容量大、成本低、功耗低等。UWB可以用于實時記錄人員的運動狀態(tài)，分析人員運動情況，對于進入塔吊造成的危險區(qū)域的施工人員進行報警，提醒施工人員注意作業(yè)環(huán)境的危險狀態(tài)。根據(jù)施工現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)信息，進行現(xiàn)場施工情況的安全風(fēng)險分析，形成分析報告，同時可以記錄現(xiàn)場的實時狀態(tài)，為事故反查提供支持，大幅度提高安全管理工作效率。

2 事故致因理論以及塔吊危險源分析

2.1 事故致因理論

建筑事故對于施工人員的生命安全是一大威脅。事故致因理論是用來說明事故的原因、事故發(fā)生過程和事故后果，是對于事故發(fā)生的基本規(guī)律，基本原因的一種探索，這一理論能夠用來對事故表面現(xiàn)象的發(fā)生、事故不斷發(fā)展進行有理有據(jù)地分析，包括定量分析與定性分析。

隨著科研的不斷深入，基礎(chǔ)科學(xué)和科技水平不斷發(fā)展，對于事故致因理論的研究也不斷地深入，也出現(xiàn)了各種各樣的理論，比較典型的有早期的事故因果連鎖理論（“多米諾骨牌”理論）、能量轉(zhuǎn)移理論、近40年以來的軌跡交叉理論、事故致因論等。根據(jù)事故致因理論的發(fā)展，普遍認為事故發(fā)生的原因主要有兩點：一是直接原因即人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)，二是間接原因即管理等其他因素，包括技術(shù)原因、對人的管理、對環(huán)境的管理、對程序和方法的管理、安全監(jiān)督檢查和事故預(yù)防措施等。

2.2 塔吊危險源分析

針對塔吊事故的風(fēng)險源，不少學(xué)者進行了研究。余群舟針162起塔吊安全事故案例進行統(tǒng)計分析，得到造成塔吊事故的內(nèi)在因素包括人員素質(zhì)、安全管理和塔吊質(zhì)量。In Jae Shin通過對38起塔式起重機死亡事故的分析和訪談，發(fā)現(xiàn)塔式起重機安裝與拆卸過程中發(fā)生的事故占所有致命事故的68.4%，確定“不遵守工作程序”是這些事故的主要原因之一。綜合以上因素將安全事故風(fēng)險源概括為塔吊安全制度、基礎(chǔ)與工作環(huán)境、塔吊作業(yè)工作人員。

3 塔吊安全事故預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)需求分析

基于BIM和UWB定位技術(shù)的塔吊安全事故預(yù)警，需要對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行分析，對事故相關(guān)的不安全環(huán)境和不安全行為進行監(jiān)控。信息需求的基本原理是將 BIM模型中的實時位置信息、對象屬性信息、動作信息、環(huán)境信息四個方面的信息，有效地集成，并進行塔吊安全事故預(yù)警的反饋。

3.2 功能需求分析

功能需求的分析是整個系統(tǒng)開發(fā)的源動力。根塔吊預(yù)警系統(tǒng)主要概括為以下功能：現(xiàn)場數(shù)據(jù)自動化采集;信息集成和管理;可視化的安全監(jiān)測;BIM和UWB技術(shù)中的信息協(xié)同;自動的安全監(jiān)測和預(yù)警。項目在施工開始之前，需要對工人進行培訓(xùn)，相關(guān)的人員需要掌握系統(tǒng)的基礎(chǔ)操作。

3.3 預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

基于BIM技術(shù)與WSN技術(shù)的塔吊安全預(yù)警系統(tǒng)，因為 BIM 的信息特性，將其作為基礎(chǔ)，因為UWB和WSN的實時特性，為BIM提供施工現(xiàn)場的信息。各個模塊需要發(fā)揮各自的作用，并且多個模塊需要協(xié)同工作。確保塔吊安全預(yù)警系統(tǒng)能夠正常運作，提高安全等級。塔吊安全預(yù)警系統(tǒng)的研究框架如圖1所示。

4 總結(jié)

基于BIM和定位技術(shù)的塔吊安全事故預(yù)警系統(tǒng)，通過BIM技術(shù)和UWB 技術(shù)的結(jié)合，針對塔吊施工過程中可能發(fā)生的事故，進行預(yù)防和控制。一方面對現(xiàn)場的工作人員進行實時定位，另一方面對塔吊進行實時監(jiān)控，并制定預(yù)警規(guī)則，當(dāng)距離達到閾值時，系統(tǒng)會自動進行預(yù)警，將信號反饋給現(xiàn)場工作人員，警示危險并提醒相關(guān)人員采取措施該系統(tǒng)能夠有效地減少塔吊安全事故的發(fā)生。

參考文獻

[1] 劉文平. 基于 BIM 與定位技術(shù)的施工事故預(yù)警機制研究[D]. 北京： 清華大學(xué)，2015.

[2] 陳忠孝，張盼，秦剛等.塔吊群智能防碰撞系統(tǒng)研究[J].電子設(shè)計工程，2015（19）.

[3] 侯宇.基于BIM與UWB技術(shù)的塔吊安全事故預(yù)警的理論與方法研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2017.

課題：河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項目《基于 BIM 和 UWB 技術(shù)的塔吊安全事故預(yù)警系統(tǒng)研究》（QN2020509）。

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