基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)傳感的登高車安全管理技術(shù)研發(fā)

陳淵鴻 陳 燕 陳 禹

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

隨著城市化進(jìn)程加深，城市空間逐步向高空發(fā)展。在大型工程建設(shè)過程中，登高車是常用的登高作業(yè)平臺(tái)。在實(shí)際操作過程中，由于登高車存在部分視覺盲區(qū)，操作人員往往無法判斷登高車平臺(tái)與結(jié)構(gòu)之間的間隙[1-4]，因此，作業(yè)過程中常常出現(xiàn)碰撞問題，甚至導(dǎo)致傾覆、設(shè)備損壞等事故。

為了減少登高車作業(yè)過程中平臺(tái)與主體結(jié)構(gòu)的碰撞問題，本文基于BIM技術(shù)，研發(fā)出GPS模塊定位與RFID通信這2種登高車防撞安全管理系統(tǒng)，基于BIM模型設(shè)計(jì)行進(jìn)路線、作業(yè)位置、頂升姿態(tài)等，通過物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)對(duì)登高車平臺(tái)周邊障礙物進(jìn)行感知，針對(duì)可能出現(xiàn)的安全隱患進(jìn)行預(yù)警，從而最大程度地減少碰撞事故風(fēng)險(xiǎn)。

1 基于BIM與GPS的登高車安全作業(yè)技術(shù)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由GPS感知子系統(tǒng)、虛擬仿真子系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)組成，虛擬仿真子系統(tǒng)分別與GPS感知子系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)連接。GPS感知子系統(tǒng)包含若干GPS感應(yīng)模塊，布設(shè)于登高車平臺(tái)護(hù)欄周圍邊角等容易碰撞部位，可通過衛(wèi)星定位感知模塊所在位置坐標(biāo)。虛擬仿真子系統(tǒng)搭載于現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器，計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)區(qū)域BIM模型，制定登高作業(yè)專項(xiàng)施工方案時(shí)，在BIM模型中劃分安全作業(yè)區(qū)域，并對(duì)車輛行走路徑、作業(yè)時(shí)登高臂姿態(tài)等進(jìn)行三維模擬，確定作業(yè)方案，并將模擬確定的優(yōu)化方案相關(guān)信息存儲(chǔ)于BIM模型。此外，登高車模型中具有GPS模塊信息，預(yù)留GPS模塊位置信息接口，根據(jù)安全規(guī)范要求設(shè)置安全距離要求。預(yù)警系統(tǒng)包括報(bào)警喇叭、報(bào)警顯示屏和報(bào)警燈等模塊，可接收服務(wù)器發(fā)出的預(yù)警信息。當(dāng)感知系統(tǒng)檢測(cè)到登高車位置處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)操作人員和相關(guān)安全管理人員進(jìn)行提醒，并在模型中定位坐標(biāo)進(jìn)行展示，避免發(fā)生碰撞事故，提高安全管理效率。

1.1.2 系統(tǒng)運(yùn)行原理

BIM技術(shù)是以工程設(shè)計(jì)、施工、管理控制為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)化工具，是數(shù)字化建造的主要組成，通過建立虛擬模型，為施工作業(yè)提供清晰完整、契合現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)庫。借助這個(gè)包含建筑工程信息的三維模型，大大提高了工程的信息集成化程度，從而為工程項(xiàng)目的相關(guān)參與方提供一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)。

GPS技術(shù)通過其準(zhǔn)確、智能的定位能力成為當(dāng)前位置定位的主要技術(shù)之一，用戶可利用GPS技術(shù)獲得準(zhǔn)確的位置信息等相關(guān)數(shù)據(jù)。再通過互聯(lián)網(wǎng)媒介將位置信息傳給所需連接的設(shè)備，連接設(shè)備通過對(duì)該信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和變換（如地圖投影變換、坐標(biāo)系統(tǒng)的變換等）后再傳遞給相關(guān)移動(dòng)終端，以得到具體細(xì)致的位置信息。GPS定位技術(shù)的精度最高可達(dá)到0.1 m。

系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)登高車進(jìn)行改造，將BIM模型與GPS模塊采集的點(diǎn)位信息相結(jié)合，首先建立登高作業(yè)區(qū)域BIM模型，該模型包含作業(yè)區(qū)結(jié)構(gòu)、大型機(jī)械、道路、堆場(chǎng)、基坑圍護(hù)等信息，還具有登高車模型，同時(shí)搭載GPS模塊，并設(shè)置該模塊感應(yīng)數(shù)據(jù)的接口。確定作業(yè)方案時(shí)，首先通過BIM模型確定登高車的進(jìn)場(chǎng)及行進(jìn)路徑、登高作業(yè)位置及作業(yè)方案，確保作業(yè)安全。將該路徑關(guān)鍵位置坐標(biāo)存儲(chǔ)于BIM模型，并搭載于現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器。作業(yè)時(shí)，登高車平臺(tái)上搭載的GPS模塊通過衛(wèi)星定位定時(shí)獲取位置坐標(biāo)信息，待所有信息匯總存儲(chǔ)至服務(wù)器后，服務(wù)器將傳感信息與模型信息進(jìn)行分析比對(duì)，當(dāng)所測(cè)路徑與規(guī)劃路徑偏移、臨近危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域或?qū)⑴c鄰近結(jié)構(gòu)碰撞時(shí)，通過預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)登高車防撞報(bào)警功能，為現(xiàn)場(chǎng)的安全施工提供了保障。另一方面，駕駛?cè)藛T通過移動(dòng)終端訪問服務(wù)器，可在駕駛艙中查看登高車所在狀態(tài)，接收預(yù)警系統(tǒng)傳出的風(fēng)險(xiǎn)信息。本系統(tǒng)將GPS模塊應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)登高車的智能防撞報(bào)警、精確定位功能，實(shí)現(xiàn)了工地現(xiàn)場(chǎng)智能化、信息化。

1.2 技術(shù)應(yīng)用方式

如圖1所示，GPS型防撞登高車對(duì)車體進(jìn)行了改造，為保障最大限度減少碰撞，此類登高車將傳統(tǒng)的長方形平臺(tái)改造成正方形。正方形樣式車體對(duì)GPS數(shù)據(jù)精度的采集具有較好的效果，定位準(zhǔn)確性較高。操作臺(tái)圍欄邊緣位置部署GPS模塊，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)工作登高車車體的位置信息，配合使用BIM三維模型進(jìn)行計(jì)算，從而得出整個(gè)檢測(cè)物的整體點(diǎn)位信息，進(jìn)而設(shè)定登高車安全活動(dòng)區(qū)域的邊界點(diǎn)。得到位置信息后，將定位信息傳輸至服務(wù)器；服務(wù)器將接收到的登高車車體的位置信息與BIM模型中的安全區(qū)域進(jìn)行比對(duì)，使登高車在超出安全區(qū)域時(shí)會(huì)及時(shí)預(yù)警，預(yù)警信號(hào)通過報(bào)警系統(tǒng)對(duì)終端發(fā)送相關(guān)指令，最終指導(dǎo)操作人員控制登高車做出相應(yīng)的規(guī)避動(dòng)作。

圖1 GPS型防撞登高車防撞報(bào)警系統(tǒng)

2 基于BIM與RFID的登高車安全作業(yè)技術(shù)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研發(fā)的基于BIM與RFID登高車安全作業(yè)技術(shù)包含接近檢測(cè)系統(tǒng)、RFID定位系統(tǒng)、虛擬仿真系統(tǒng)及安全預(yù)警系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)采用激光雷達(dá)傳感測(cè)距技術(shù)，不受光照影響，能量集中，具有很高的靈敏度和分辨率，抗干擾能力強(qiáng)，可準(zhǔn)確測(cè)定登高車護(hù)欄邊緣與結(jié)構(gòu)的距離。RFID定位系統(tǒng)由RFID芯片及RFID讀卡器組成，RFID芯片搭載于登高車平臺(tái)，讀卡器安裝于作業(yè)區(qū)附近結(jié)構(gòu)邊緣位置，讀卡器讀取芯片發(fā)射的信號(hào)，通過信號(hào)強(qiáng)弱判斷距離，通過三角定位算法得到坐標(biāo)。虛擬仿真系統(tǒng)搭載于服務(wù)器，包含作業(yè)場(chǎng)景、危險(xiǎn)源、行進(jìn)路徑及登高車作業(yè)方案等詳細(xì)信息，安全預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)與BIM結(jié)合GPS系統(tǒng)的安全預(yù)警系統(tǒng)有著相似性，都是通過系統(tǒng)與終端服務(wù)器相連接。當(dāng)設(shè)備在進(jìn)行登高作業(yè)出現(xiàn)安全隱患時(shí)，可觸發(fā)預(yù)警信號(hào)進(jìn)行設(shè)備預(yù)警，預(yù)警的方式有：報(bào)警聲、報(bào)警信息提示、打開報(bào)警燈等。

佟老板來到魚塘?xí)r，我以為是來釣魚的，就把一桿小稱遞過去，同時(shí)把一塊寫了價(jià)格的牌子指給他看。城里來釣魚的都知道我的價(jià)格，我的價(jià)格也不貴，比市場(chǎng)上便宜得多，純野生的鯉魚每斤四塊五，草魚六塊，黑魚八塊。城里經(jīng)常有人來釣魚。我對(duì)城里人是不拒絕的。我說歡迎來釣魚，我看你是第一次來，到這里釣魚有個(gè)規(guī)矩，釣到的魚必須買走，你找了樂呵，我也賺點(diǎn)酒錢。

2.1.2 系統(tǒng)運(yùn)行原理

基于BIM與RFID的登高車安全作業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行原理如圖2所示。該系統(tǒng)通過激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)和RFID定位技術(shù)相結(jié)合，在車體的操作臺(tái)部分裝設(shè)激光雷達(dá)傳感器和RFID芯片，同時(shí)通過連入本地服務(wù)器對(duì)接激光雷達(dá)傳感器和RFID讀卡器，車體所搭載的RFID讀卡器在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，通過讀取RFID芯片來發(fā)射相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)。

圖2 RFID防撞登高車原理

防撞登高車所配備的激光雷達(dá)傳感器可通過4個(gè)方位進(jìn)行探測(cè)預(yù)警，通過4個(gè)方位數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)區(qū)域進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)，一旦區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)障礙物，傳感器立即把相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送到本地服務(wù)器，隨后RFID芯片預(yù)向讀卡器進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，最終登高車將通過報(bào)警系統(tǒng)提示操作人員相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，RFID讀卡器讀取RFID芯片發(fā)射的信號(hào)并傳輸?shù)教幚砥鳎ㄟ^三角定位算法計(jì)算得到登高車所在坐標(biāo)位置，將相應(yīng)數(shù)據(jù)同步至BIM數(shù)據(jù)庫，并將防撞登高車所處的位置信息在三維模型中表示出來；現(xiàn)場(chǎng)工作人員通過三維模型可以及時(shí)查看登高車所檢測(cè)的位置信息以及使用的相關(guān)狀態(tài)，一旦出現(xiàn)突發(fā)緊急狀況，工作人員也能夠及時(shí)趕到事發(fā)位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)支援。

2.2 技術(shù)應(yīng)用方式

以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，將RFID芯片技術(shù)融入登高車以達(dá)到安全作業(yè)的目的。此類型改造，是在設(shè)備上裝載RFID芯片和激光雷達(dá)傳感器，通過芯片、雷達(dá)的技術(shù)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位以及智能防撞效能，通過4個(gè)方位的數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)區(qū)域進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)，一旦區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)障礙物，傳感器立即把相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送到本地服務(wù)器，隨后RFID芯片預(yù)向讀卡器進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，最終登高車將通過報(bào)警系統(tǒng)提示操作人員相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)工作人員通過登高車進(jìn)行登高作業(yè)時(shí)，登高車到達(dá)服務(wù)器RFID讀卡器所覆蓋的預(yù)定范圍時(shí)，附近的RFID讀卡器即迅速激活車體上搭載的RFID芯片，來精準(zhǔn)定位登高車所在位置區(qū)域，同時(shí)由終端處理器在移動(dòng)端上以BIM三維模型將情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)展示，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)情況的全局掌握，進(jìn)而提高了操作的安全性。

同時(shí)，設(shè)備服務(wù)器所搭載的RFID讀卡器可以準(zhǔn)確識(shí)別相關(guān)RFID芯片，通過芯片連接服務(wù)器，再以三維模型進(jìn)行顯示。

3 BIM與物聯(lián)網(wǎng)登高車安全作業(yè)技術(shù)應(yīng)用

某大型市政工程為穿越主城區(qū)主干道，設(shè)計(jì)車速80 km/h，雙向6車道，兩側(cè)設(shè)非機(jī)動(dòng)車道及人行道，紅線寬度60 m。為了最小限度降低施工作業(yè)影響，采用預(yù)制橋梁進(jìn)行建造，利用登高車輔助完成部分高處作業(yè)工作（圖3）。該項(xiàng)目為重大市政工程，作業(yè)覆蓋面廣，對(duì)作業(yè)安全性有極高要求。為了提高登高作業(yè)安全性，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，采用基于BIM與GIS的登高車安全作業(yè)技術(shù)進(jìn)行施工。

圖3 登高車輔助高空作業(yè)立面示意

登高車主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 登高車主要技術(shù)參數(shù)

本系統(tǒng)主要應(yīng)用內(nèi)容有如下幾個(gè)部分：

1）登高作業(yè)方案模擬。通過BIM模型設(shè)置登高車運(yùn)行路徑、?？课恢谩㈥P(guān)鍵姿態(tài)等，模擬分析登高作業(yè)方案，優(yōu)化作業(yè)方案，減少可能存在的安全隱患，基于三維模型進(jìn)行可視化交底（圖4）。

圖4 登高車BIM作業(yè)模擬

2）登高車作業(yè)位置管理。服務(wù)器匯總登高車定位信息，并在三維BIM模型進(jìn)行定位。使用登高車進(jìn)行工作前，首先通過GPS模塊采集檢測(cè)物上某個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)信息，服務(wù)器配合使用BIM三維模型計(jì)算出整個(gè)模型所有的點(diǎn)位信息，繼而在三維模型上設(shè)定登高車活動(dòng)的安全區(qū)域，如假設(shè)登高車4個(gè)方位離檢測(cè)物的距離不得小于1 m，通過GPS技術(shù)采集安全區(qū)域邊界線的點(diǎn)位信息，將登高車點(diǎn)位信息與安全區(qū)域點(diǎn)位信息比對(duì)，通過BIM三維模型展示現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，同時(shí)結(jié)合GPS技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全區(qū)域的點(diǎn)位信息進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)在線掌握現(xiàn)場(chǎng)登高車工作情況，管理人員可集中管理登高車所在位置信息，操作人員可通過移動(dòng)終端查看自身所在位置。

3）登高車作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。登高車在工作時(shí)，通過GPS技術(shù)實(shí)時(shí)采集登高車的點(diǎn)位信息，傳送至服務(wù)器，通過服務(wù)器中BIM數(shù)據(jù)庫對(duì)登高車點(diǎn)位與安全區(qū)域邊界點(diǎn)位信息進(jìn)行計(jì)算分析，一旦發(fā)現(xiàn)運(yùn)行軌跡超出運(yùn)行范圍、進(jìn)入危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域或點(diǎn)位計(jì)算得出距離小于設(shè)定值，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)送指令給登高車的報(bào)警系統(tǒng)，登高車的報(bào)警器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，提醒現(xiàn)場(chǎng)人員停止登高車前進(jìn)并退回至安全區(qū)域，避免現(xiàn)場(chǎng)登高車與檢測(cè)物發(fā)生碰撞，實(shí)現(xiàn)登高車防撞報(bào)警功能。GPS防撞登高車同時(shí)結(jié)合GPS技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全區(qū)域的點(diǎn)位信息進(jìn)行采集，通過線上移動(dòng)端實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)登高作業(yè)相關(guān)情況，防止出現(xiàn)安全隱患的相關(guān)操作，以達(dá)到規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)的目的，有效減少施工現(xiàn)場(chǎng)安全事故的發(fā)生。

4）安全作業(yè)指引。通過在登高車上GPS設(shè)備反饋信息，對(duì)登高車點(diǎn)位信息與安全區(qū)域點(diǎn)位信息比對(duì)，通過BIM三維模型展示現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，指引現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行登高作業(yè)。

4 結(jié)語

本文將BIM技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)相結(jié)合，分別基于GPS與RFID傳感技術(shù)，研發(fā)了2種基于BIM技術(shù)的登高車防撞技術(shù)，該技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）GPS防撞登高車與RFID防撞登高車的使用避免了人員操作的高度視覺盲點(diǎn)，降低了登高工作中出現(xiàn)事故的概率。同樣適用于各種復(fù)雜的登高作業(yè)，通過對(duì)“路徑”和“空間”的設(shè)定，能夠有效地避免操作作業(yè)中的各種碰撞事件。

2）兩類防撞登高車基于BIM技術(shù)而設(shè)定，因此，登高作業(yè)過程也可以在BIM平臺(tái)得到記錄顯示，操作人員可在平臺(tái)上模擬實(shí)施登高作業(yè)，以排查作業(yè)中出現(xiàn)的各種安全隱患。

3）防撞登高車所搭配的設(shè)備及技術(shù)性價(jià)比高，對(duì)工作效率的提高及安全作業(yè)有著較好的使用效果。