基于BIM和RFID传感器集成技术的施工安全预警研究

2020-07-14陈悦华申钱依

湖北农业科学 2020年8期

陈悦华申钱依

摘要：为了降低安全事故率、提高安全管理水平，通过引入BIM和RFID传感器集成技术，从危险源管控角度出发，识别人、物、机械设备三方面的危险源，构建应用于施工现场的安全预警系统，最后运用层析分析法和模糊综合评价方法对使用该系统前后的安全管理水平进行评价。该系统能明显提高施工现场安全管理水平，为安全管理提供了一种新的管理方式。

关键词：BIM;RFID传感器;施工安全管理

中图分类号：TU714

文献标识码：A

文章编号：0439-8114（ 2020） 08-0145-06

DOI：IO.14088/j .cnki.issn0439- 8114.2020.08.033

随着中国城镇化进程的加快，建筑行业快速发展，高居不下的建筑安全事故发生率不容忽视，建筑安全作为项目管理中的关键组成部分，对建设项目的进程、施工工人生命安全和建筑行业的稳定具有十分重要的意义。建筑安全事故.不仅影响了项目施工的效率和经济效益，还对施工工人个体、家庭、企业甚至社会产生了较大的负面影响。因此，如何加强建设工程安全管理，提高项目安全管理水平，进而保障人民群众生命和财产安全，是当前亟需解决的问题.

1 建筑安全施工管理现状、方法与不足

1.1 建筑安全施工管理现状

近年来，中国建筑施工安全事故频发。2010-2018年建筑安全事故情况如图1所示。由图1可知，2010-2015年建筑安全事故发生数量略有下降和波动，但2015-2018年安全事故发生频数增长较快，2018年全国共发生房屋市政工程生产安全事故734起、死亡840人，与2017年相比，事故增加42起、死亡人数增加33人，同比分别上升6.1%和4.1%[1]。目前，中国建筑安全事故总量一直高居不下，亟需解决建筑施工安全问题和提高施工安全管理水平。

1.2传统建筑安全施工管理方法

传统施工安全管理多采用人工模式，即管理人员通过巡查与排查进行管理。在传统的安全管理中，监测工程师是安全管理监测的核心。监测工程师隶属于工程项目部，并接受工程项目部的直接管理，同时就安全管理问题向业主方负责，对项目经理、现场监测人员等相关人员提供的意外缺陷报告、现场监测报告制定相应的计划并进行审查。针对某些突发事件则还需提供计划修正方案，并最终向业主方提供项目安全报告和建议[2]。在这个过程中，传递信息一般借助纸张资料，且安全管理相关方需要通过监测工程师进行沟通。

1.3 传统建筑安全施工管理方法不足

1）信息获取不及时、不便利、不全面。传统的建筑安全管理模式中，信息获取需要通过重复繁杂的统计分析工作，并非简单有效。施工方安全工作人员主要是通过纸张记录信息并进行传递信息，人工巡逻监管记录的方式，也需要及时对记录的数据信息进行统计和分析整理，对施工方的监管存在滞后性。若现场监测人员存在故意违章操作的情况，工程项目部要全面地掌握安全管理资料和制定相应的应对措施，因而不能及时发现可能存在的危险源，对施工现场进行安全管理控制，消除施工过程中的安全隐患。

2）安全管理方法落后，缺乏先进的施工安全管理技术。传统的建筑安全管理模式中，主要依靠人工进行现场管理，对新技术的接受度不高。在信息工业化时代下，建筑形态多样化、施工环境愈发复杂、施工难度和施工工艺愈加复杂，传统的人工监测方式进行安全管理可能无法及时应对复杂的施工现场的安全问题[3]。人工观测耗费巨大的人力、物力和财力，如果不跟随时代更新技术，随着施工设备的老化和安全管理方法的落后，会带来更多的安全隐患，造成更多的建筑施工安全事故。

2 BIM-RFID传感器集成技术的适用性

BIM（ Building Information Modeling）技术也称建筑信息模型，就是把建设工程项目的各相关信息数据作为模型的基础，建立建筑模型，然后运用数字信息技术搭建共享平台，仿真模拟建筑物所包含的全部信息，实现全生命周期实施[3]。BIM技术集可视化、参数化、协同性、优化性等特点于一体，能实现拟建建筑的可视化显示，展现建筑结构的所有位置信息和技术信息[41。

RFID传感器技术是将无线射频识别技术与传感器技术进行结合（图2），包含有源和无源两类，有源RFID传感器电子标签内装有电池，通常支持远距离识别，设备器件成本较高;无源RFID传感器，即无源射頻电子标签无内装电池，可在无主动功率和信号处理电路供给情况下实现测量。RFID无线射频识别技术可通过无线电传播信息，运用该技术可将BIM技术传递的施工现场模型信息精准地传递给施工人员，这种技术无需在系统与特定目标之间建立连接就可以通过无线电波识别特定目标及其所包含的相关信息[5]，最终达到规避风险的目的[6]。结合传感器技术，带有传感器的电子标签天线可捕获周围环境、化学特性等情况发生变化产生的变动，这些变动会被读写器接受并传递信息，传感器拥有传统RFID标签天线的各种优点，其通用性也更强[7]。

目前，建筑业向产业化、信息化、智能化发展，建筑业开始重视BIM技术和RFID以及传感器技术的应用。而BIM技术为建设项目的规化、设计、施工以及后期运维提供了有效的支撑。而RFID技术在库存管理、监控管理、进度管理、设施维护管理、工具追踪、物料管理和质量控制方面得到较广泛的应用[8]。在建筑安全管理方面，BIM技术在安全预警、安全疏散、预防高空坠物方面有相应的研究;RFID技术在人员定位，危险源监控、人机碰撞事故预防、施工现场管理等方面有相应的应用[9]。传感器技术应用于施工现场物的状态以及环境的状态可被安全监测。

海里因希（Heinrich）事故致因理论表明，安全事故发生的重要原因是人的不安全行为[5]与物的不安全状态。本研究将基于BIM和RFID传感器技术的集成应用，建立施工现场人、物、机械危险源监测预警系统模型，预防建筑施工安全事故的发生。

将BIM技术与RFID传感器技术集成，构建施工现场安全监控预警系统，用于解决目前施工现场安全监控预警系统空白或者手工录入纸质传递、施工方一方主导、凭经验管理、信息传递不及时和沟通不顺畅等问题，以实现施工安全的自动化、信息化、可视化、全程性的高效预警监控[10]。

3 施工现场安全监控预警系统的构建

为确保项目的施工安全，需要对可能引发安全事故的危险源进行监控与预警，本研究将引入BIM-RFID传感器集成技术到项目施工安全管理中，构建施工现场安全监控预警系统。该技术在施工安全管理中的应用原理如下：①危險源识别。根据BIM技术建立的BIM5D模型，结合SCL安全检查法，分析识别出项目在施工过程中存在的危险源;②危险源管理。识别出危险源后，安装RFID传感器标签，然后在BIM模型中标识出装有RFID传感器标签的危险源，并在危险区域安装RFID阅读器;③数据处理中心管理。数据处理中心根据阅读器反馈至数据中心的信息，实现对危险源的实时监控和对工作人员的预警。主要应用原理如图3所示。

3.1 系统危险源识别与实时监控

将BIM-RFID传感器集成技术应用到施工安全管理中首先是危险源识别。危险源可分为固有危险源和随机危险源两类，前者是指施工现场已被识别的危险源，一般与建筑永久结构或临时设施有关，如洞口、临边、脚手架踏板等因边缘未设置防护或设置防护不规范等，其危险特性己被分析透彻且能被人们所控制。而随机危险源是指在施工过程中，在受到各种内部、外部条件的影响下，系统中每个元素相互作用，可能会导致系统状态恶化而带来危害的一种变化的客观存在[11]。

利用BIM-RFID传感器集成技术，两类危险源均可有效地被识别。危险源识别过程中，固有危险源可以通过已经建立的BIM4D模型自动安全检查生成的BIM安全模型进行识别，如在BIM建筑模型中存在未进行防护的楼板临边时，通过BIM自动安全检查发现了该危险源，然后自动在楼板临边位置设置足够高度的防护栏杆，在楼板临边添加防护栏杆后形成的模型即为BIM安全模型。随机危险源包含了人、物和机械设备3个方面。首先，通过BIM的碰撞检查及施工模拟，得到建筑物中比较重要的结构部位，这些结构部位失稳容易引发安全事故，可以将其列为物的危险源。其次，对于机械设备，可以根据BIM技术的施工模拟，对于机械设备位置以及工作区域进行危险源识别。最后，采用SCL安全检查法，从人、物、机械方面进行现场施工危险源识别，将识别的危险源信息导入BIM系统。利用BIM-RFID传感器集成技术，可以通过跟踪监视将随机危险源固化为固有危险源，从而进行安全防控。

3.2 系统危险源管控

基于BIM技术分析识别出危险源后，利用BIM-RFID传感器集成技术对其从人的不安全行为、物和机械设备的不安全状态3类危险源进行管理。

人的不安全行为的管理。主要是基于智能安全帽系统的应用。其原理主要是将RFID传感器标签嵌入在安全帽中，并在施工现场安装阅读器，当有施工人员进入工作区域时，阅读器通过读取安全帽中嵌入的RFID传感器标签来获取入场施工人员基本信息，同时通过传感器标签中的图像信息处理功能获取施工环境信息。通过RFID传感器技术在智能安全帽系统中的应用，能够将现场工作人员集中在统一的平台，实现对施工现场人员的高效安全管理[12]。

物的不安全状态的管理。物的危险源主要分为施工危险主体和建设工具两大类。①施工危险主体的安全管理主要是基于BIM模型分析，确定建筑物施工过程中和施工后易发生危险事故的结构，在BIM模型中添加RFID温度传感器标签和位移传感器标签，其目的是在施工过程中实时监测危险结构的现浇养护情况，实时监测施工工艺;RFID位移传感器标签可以通过传感器中因受力改变而产生的位移变化实时监控结构主体的安全性能，保证建筑主体的质量和安全性能。②建设工具主要指用于辅助完成建筑施工的工具，如三脚架和模板支架等。为确保施工工艺的安全进行，脚手架和模板支架搭建在施工期间安全性能必须严格监测。在三脚架和模板支架中嵌入RFID倾斜度传感器标签，用集成垂直度的传感器测量三脚架及模板支架的倾斜度。

机械设备的不安全状态的管理。机械设备的危险源主要分为机械操作异常和机械故障两大类。①机械操作是否规范主要取决于机械是否满足施工现场要求，在入场前对大型重点机械安装RFID传感器标签，施工现场安装阅读器。②机械故障主要是在施工过程中，利用RFID传感器标签实时搜集机械的运行相关数据，记录设备的工作时间和运行状态，实时监控机械设备是否正常工作，实现对大型机械设备的施工进行安全管理。

3.3 系统数据中心管理

为了实现安全预警功能，需要进行信息的收集、分析处理以及传输，本研究危险源信息传递如表1所示。在信息采集方面，采用了RFID传感器技术，收集人员信息，如人员姓名、工号、工种、工龄等信息;收集物体信息，如建筑结构位移、温度等信息;收集机械设备的状态信息等。通过无线网络传输至数据层进行处理分析。在数据处理平台，将得到的信息进行分析与判断后进行安全管理。

利用BIM-RFID传感器集成技术进行危险源管理后，RFID传感器标签将对危险源地定位和搜集的实时信息传输至BIM数据处理中心，由数据处理中心进行分析信息和输出结果，达到入场判断和实时监测安全状态的作用。如施工人员进入施工区域，然后计算机数据处理中心通过获得的阅读器读取的数据进行信息处理，判断施工人员是否正常进入和实时监控施工人员及工作环境，当有异常人员进入或施工环境出现危险时及时提供预警;物的状态测量数据被实时反馈到BIM模型中，在数据处理中心判断状态是否符合施工要求，在出现异常时及时对工作人员发出警报;机械设备的状态数据被传送至数据处理中心进行检查和判断，是否满足施工现场要求，同时向现场工作人员发出“大型设备施工准备，无关人员远离”警示。

4 应用BIM-RFID传感器集成技术进行安全管理的效果评价

建筑施工过程安全是检验施工安全管理过程中应用BIM-RFID传感器集成技术进行危险源识别、管理和数据处理中心管理等过程后最直接的效果检验。结合某桥梁物联网云平台项目中施工过程采用了BIM-RFID传感器集成技术的经验，为了研究应用BIM-RFID传感器集成技术前后项目安全管理的差异，为建筑施工安全管理提供决策参考。本研究运用层次分析法和模糊综合评价方法对应用BIM-RFID传感器集成技术的安全管理进行安全评价，判断该技术的实施效果。首先，建立建筑施工安全的評价指标体系，然后利用层次分析法确定指标权重，最后根据模糊综合评价进行评价。

4.1 建立评价指标体系

在遵循科学性、全面性、针对性、可操作性与可比性等原则的基础上，参考文献[13，14]以及JGJ59-2011《建筑施工安全检查标准》等相关法律法规，根据4MIE理论以及在桥梁物联网云平台项目建设过程中安全管理模块的具体应用，结合BIM-RFID传感器集成技术本身的特点和专家的意见，构建建筑施工安全管理安全评价指标体系（表2）。

4.2 确定指标权重

由于二级指标之间相互独立，运用层次分析法，构造一个10×10的判断矩阵，通过给5个参与项目的安全管理人员发放问卷，得到打分数据，计算出二级指标的权重，运用Matlab软件得到评价指标权重，如表3所示。

由4组有效数据得到二级指标的权重（表2），将其相加可以得到相应的一级指标权重集A={0.386 0.0.115 1，0.499 1}，归一化各向量权重可以得到二级指标的权重如下：

A1= （0.106 7，0.686 5，0.206 8）

A2= （0.163 4，0.128 6.0.472 6，0.235 4）（1）

A3= （0.471 6，0.266 1，0.262 3）

4.3 模糊综合评价

首先，将建筑施工安全管理水平划分为好、较好、一般、较差、差5个等级，并赋分表示为V={v1，v2，V3，V4，v5}={90，75，60，45，30}，然后根据项目参与人员的评价计算各等级的隶属度，进一步计算得到应用BIM-RFID传感器集成技术前后模糊综合评价对比结果。

4.3.1 应用BIM-RFID传感器集成技术前

1）构造模糊综合评价矩阵。对于人员因素U.中的人员操作技术U1，，统计结果表明，有60%的人认为其处于好，有30%的人认为其处于较好，有5%的人认为其处于一般，有3%的人认为其处于较差，有2%的人认为其处于差。则该指标的评判集为（0.60，0.30，0.05，0.03，0.02）;同理可得，各因素评判集的隶属度组成评判矩阵。

0.60 0.30 0.05 0.03 0.02

R1=10.50 0.20 0.10 0.15 0.01 （2）

0.20 0.40 0.20 0.10 0.10

2）进行模糊综合评价。由综合评判模型B=A。R可得一级因素的评判集，其隶属度组成的评判矩阵如下：

由建筑施工安全性的综合评判模型B=A。R可得归一化处理后的评价结果为：

B= （0.428 9 0.2274 0.152 8 0.114 6 0.076 3）（4）

最后该建筑施工安全管理评价总体得分为：

S= 0.428 9×90+0.2274×75+0.152 8×60+0.114 6×45+0.076 3×30=73

应用BIM-RFID传感器集成技术预警系统前该建筑施工安全评价处于一般水平，还未达到较好水平。

4.3.2 应用BIM-RFID传感器集成技术后第二次向项目参与人员发放问卷主要是针对应用了BIM-RFID传感器集成技术。评价结果为：

B= （0.715 9 0.165 1 0.0714 0.047 6 0.0）（5）

该建筑施工安全管理评价总体得分为：

S= 0.715 9×90+ 0.165 1×75+ 0.071 4×60+0.047 6 x45+0.0×30= 83

应用BIM-RFID传感器技术前后，各评价指标得分的变化如表4所示。由表4可知，应用BIM-RFID传感器集成技术预警系统，明显提升了人员因素、设备因素效果。其中人员因素评价得分提高幅度最大，表现为人员安全意识水平及人员疲劳程度评价得分的提高，可能原因是带有RFID传感器标签的安全帽等安全设备的佩戴，使工作人员的安全意识得到提高以及在预警系统下，能实时监控施工人员的疲惫工作状态和不安全行为。在设备因素中，对机械设备防护因素评分有很大提高，其原因可能是对机械设备可能造成的危险区域进行预警，禁止施工人员进入，从而保证了人员的安全。管理因素在应用预警系统前后的安全得分相差不如前两个因素大，原因可能是由于管理因素对施工安全管理主要是通过对人和物以及机械设备进行管理，从而间接影响施工安全，而预警系统直接对人、物、机械产生影响，因而管理因素方面的变化幅度相对较小。

5 小结

针对传统管理方式的缺陷，通过引入BIM-RFID传感器集成技术，构建了安全预警系统应用于施工现场安全管理并对该系统进行了安全评价：①从人、物、机械设备3个方面进行了较为全面的危险源识别;②借助BIM-RFID传感器集成技术，实现了危险源危险状态的实时监控和安全预警功能;③通过层次分析法和模糊综台评价方法对系统进行安全评价，该系统能有效提高安全管理水平。

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