王 偉,呂山可,張雨果,趙楚楠,何華剛

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

建筑施工過程中施工隊伍人員及工種構(gòu)成復(fù)雜，場地空間有限，且具有施工機(jī)械與設(shè)備眾多、交叉作業(yè)現(xiàn)象突出、施工周期長、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變等特點，使得建筑施工成為當(dāng)前高風(fēng)險行業(yè)之一[1]。要有效提高施工現(xiàn)場危險區(qū)域的管理，需要從兩方面入手：一是全面識別施工現(xiàn)場容易造成嚴(yán)重后果的危險區(qū)域，并對危險區(qū)域進(jìn)行分級管控；二是結(jié)合信息化技術(shù)，對施工人員入侵危險區(qū)域的行為進(jìn)行實時預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)并處理。國內(nèi)外學(xué)者在這兩方面都做了相應(yīng)的研究。在建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域識別方面，郭紅領(lǐng)等[2]確定了不安全區(qū)域的劃分規(guī)則，將施工現(xiàn)場劃分為墜落區(qū)、碰撞區(qū)及特殊崗位；趙挺生等[3]提出了危險區(qū)域分級管理理論，構(gòu)建了危險水平評價技術(shù)；華瑩等[4]將高層建筑施工現(xiàn)場劃分為土方開挖區(qū)等18個危險區(qū)域；翟越等[5]利用BIM技術(shù)構(gòu)建了三維數(shù)字化安全管理平臺，分析了建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域劃分及安全監(jiān)控等問題;Li等[6]通過實時定位系統(tǒng)采集施工人員位置信息并與施工現(xiàn)場歷史事故軌跡進(jìn)行對比，實現(xiàn)了施工現(xiàn)場危險區(qū)域的自動分類；Kim等[7]采用BIM及實時定位技術(shù)，建立了實時危險區(qū)域自動識別模型，對施工人員路徑進(jìn)行潛在危險區(qū)域的識別。在入侵危險區(qū)域預(yù)警方面,Li等[8]構(gòu)建了主動安全管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時地對施工人員入侵塔吊等危險區(qū)域的行為發(fā)出預(yù)警；高寒等[9]利用移動目標(biāo)檢測算法，實現(xiàn)了對基坑施工現(xiàn)場施工人員入侵基坑、洞口等危險區(qū)域的實時監(jiān)控。此外，也有一些研究人員利用UWB定位技術(shù)[10-12]、實時位置傳感定位技術(shù)[13-14]等定位技術(shù)，有效地實現(xiàn)了建筑施工現(xiàn)場人員定位與預(yù)警。

以上關(guān)于危險區(qū)域劃分的研究大多集中在建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域的劃分，少有針對各類危險區(qū)域提出的適當(dāng)區(qū)域風(fēng)險分級方法。同時，在危險區(qū)域入侵預(yù)警方面，大多研究都是利用RFID、UWB等定位技術(shù)獲取人和機(jī)械的位置信息，少有利用機(jī)器視覺技術(shù)來實時監(jiān)控工人入侵危險區(qū)域的研究。因此，本文基于建筑施工現(xiàn)場實際，通過BIM平臺展示施工現(xiàn)場危險區(qū)域及其分級，并利用機(jī)器視覺定位技術(shù)實時監(jiān)控，獲取施工人員及危險區(qū)域位置信息，提出了集成BIM與機(jī)器視覺技術(shù)的危險區(qū)域入侵預(yù)警模型，通過整合相關(guān)信息，實現(xiàn)對不同危險區(qū)域入侵行為全面、準(zhǔn)確的識別。

1 BIM技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)

建筑信息模型(Building Information Model，BIM)技術(shù)于2002年由Autodesk公司提出，其功能可服務(wù)于建筑工程全生命周期，因其可視化、協(xié)調(diào)性等特點在國內(nèi)外建筑業(yè)受到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。經(jīng)過國內(nèi)外專家學(xué)者的不斷拓展，該技術(shù)在建筑施工[5,7,10]、人員疏散[15]等安全領(lǐng)域也有較多的應(yīng)用。

隨著人工智能的興起，機(jī)器視覺技術(shù)也獲得了較大的發(fā)展。該技術(shù)主要通過采集現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)，利用ResNet[16]、R-CNN[17]等機(jī)器視覺算法獲取施工現(xiàn)場坐標(biāo)信息，從而實現(xiàn)施工現(xiàn)場人員的定位。機(jī)器視覺技術(shù)既能在施工現(xiàn)場原有視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，減少安裝成本、方便維護(hù)，在監(jiān)測過程中也無需與觀測對象接觸，減少了影響被觀測者正常工作的可能性，安全可靠。

2 危險區(qū)域類型及其分級

2. 1 危險區(qū)域類型

通過統(tǒng)計近些年我國建筑行業(yè)事故情況發(fā)現(xiàn)，我國建筑行業(yè)2018年發(fā)生事故數(shù)及傷亡人數(shù)仍呈上升趨勢，較大及以上事故次數(shù)仍然較多，安全形勢依然嚴(yán)峻。因此，在對建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域進(jìn)行劃分時須重點針對常見的以及容易造成重大人員傷亡事故類型所涉及的區(qū)域。

此外，建筑施工現(xiàn)場還存在動火作業(yè)等其他危險作業(yè)類型，極易造成人員傷亡，有必要根據(jù)相關(guān)要求界定其危險區(qū)域。本文在郭紅領(lǐng)等[2]、劉文平[10]研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮建筑施工現(xiàn)場的實際情況，將建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域類型劃分為高處墜落區(qū)、物體打擊區(qū)、坍塌區(qū)、起重傷害區(qū)、機(jī)械碰撞區(qū)和其他作業(yè)危害區(qū)，并確定了其危險區(qū)域邊界。建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域類型及其劃分規(guī)則見表1。根據(jù)表1的劃分規(guī)則，某建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域及其BIM展示見圖1。

表1 建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域類型及其劃分規(guī)則

圖1 某建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域及其BIM展示Fig.1 Hazardous area of a construction site and its BIM display

2. 2 危險區(qū)域分級

建筑施工場地狹窄，危險區(qū)域眾多，導(dǎo)致各作業(yè)環(huán)境下難免存在其他作業(yè)人員入侵的情形；此外，一些危險區(qū)域如臨邊加裝了防護(hù)欄等安全防護(hù)措施，使得該區(qū)域的風(fēng)險等級大大降低。因此，需根據(jù)建筑施工現(xiàn)場的實際情況，對危險區(qū)域進(jìn)行分級管理，本文將建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域分為三級：警戒區(qū)、危險區(qū)和核心危險區(qū)[3]。

由于不同建筑施工項目對項目內(nèi)部的安全要求不同，因此在對不同建筑施工現(xiàn)場的危險區(qū)域進(jìn)行分級時需綜合考慮危險區(qū)域自身的危險特性、工作人員的實時位置、建筑工程項目規(guī)模和現(xiàn)場復(fù)雜程度等因素。考慮到建筑施工現(xiàn)場入侵危險源與人員暴露在危險環(huán)境中的頻繁程度無關(guān)，且不同建筑工程項目對風(fēng)險的預(yù)期目標(biāo)不一樣，本文引入了改進(jìn)的LEC風(fēng)險評價方法對建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域進(jìn)行分級，其分級方法如下式：

D=L·E·C·R

(1)

式中：D為危險區(qū)域風(fēng)險評價分?jǐn)?shù)(風(fēng)險值)；L為危險區(qū)域內(nèi)固有危險源引發(fā)事故的可能性；C為危險區(qū)域發(fā)生事故的嚴(yán)重程度；E為人員進(jìn)入危險區(qū)域后受到傷害的可能性；R為修正系數(shù)，與工程項目規(guī)模、現(xiàn)場復(fù)雜程度以及風(fēng)險承受能力相關(guān)。

公式(1)中L、E、C分級及其取值，可由工程項目管理人員確定或參照LEC風(fēng)險評價方法標(biāo)準(zhǔn)確定。利用公式(1)確定D值后，比較D值與工程項目風(fēng)險各等級區(qū)間風(fēng)險值Dm，即可確定風(fēng)險等級，其中Dm由工程項目管理人員根據(jù)工程項目設(shè)計風(fēng)險等級及其風(fēng)險承受能力來確定。

圖2 挖掘機(jī)土方作業(yè)危險區(qū)域分級Fig.2 Classification of hazardous area for excavator earthwork

為了清晰地表達(dá)建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域的劃分方法，本文在不考慮風(fēng)險耦合的情況下，以某一挖掘機(jī)土方作業(yè)為例對其危險區(qū)域進(jìn)行了劃分并分級，見圖2。該圖顯示了挖掘機(jī)及自動載土車進(jìn)行土方作業(yè)時的平面危險區(qū)域。首先，根據(jù)表1確定了作業(yè)過程t時間內(nèi)機(jī)械可達(dá)位置及視野盲區(qū)為該作業(yè)的危險區(qū)域；其次，根據(jù)公式(1)計算各危險區(qū)域的風(fēng)險值D，并比較D值與該工程項目各危險區(qū)域的風(fēng)險承受能力Dm，從而確定以挖掘機(jī)臂長為半徑的圓形區(qū)域、載土車區(qū)域及前后行進(jìn)2 m區(qū)域為核心危險區(qū)(紅色區(qū)域)，挖掘機(jī)及載土車土方作業(yè)時2 s能夠到達(dá)的區(qū)域及其視野盲區(qū)為危險區(qū)(桔黃色區(qū)域)，其他區(qū)域為警戒區(qū)(綠色區(qū)域)。

3 危險區(qū)域BIM表達(dá)

要實現(xiàn)BIM環(huán)境下危險區(qū)域的表達(dá)，既要構(gòu)建建筑施工現(xiàn)場的三維模型，還要根據(jù)工程項目安全的需求，構(gòu)建危險區(qū)域IFC表達(dá)內(nèi)容，以便建設(shè)相關(guān)方添加危險區(qū)域信息。此外，工程項目管理人員需要根據(jù)安全檢查信息，定期更新BIM模型，從而保證建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域表達(dá)的準(zhǔn)確性、時效性。

3.1 危險區(qū)域的IFC表達(dá)

在BIM環(huán)境中，能表達(dá)建筑施工危險區(qū)域信息的IFC(industry foundation classes)實體存在于施工管理領(lǐng)域、共享的設(shè)備元素(如塔吊、腳手架等)、建筑施工領(lǐng)域(臨邊、洞口等)三個層次中。工程項目管理人員可以通過IFC架構(gòu)中IfcProduct(抽象實體)下的IfcSpatial Structure Element(空間結(jié)構(gòu)實體)和IfcElement(實體)拓展危險區(qū)域IFC框架，使得危險區(qū)域依附在建筑物或機(jī)械設(shè)備等元素上。圖3為建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域IFC拓展框架，該框架一是通過主線IfcElement新增危險區(qū)域?qū)嶓wIfcHazardous Area Element，危險區(qū)域的子實體包括IfcHigh Drop Zone(高處墜落區(qū))、IfcObject Strike Zone(物體打擊區(qū))、IfcCollape Zone(坍塌區(qū))、IfcLifting Injury Zone(起重傷害區(qū))、IfcMechanical Collision Zone(機(jī)械傷害區(qū))、IfcOperationa hazard Zone(作業(yè)危害區(qū))等，同時通過原有實體IfcProduct Representation(幾何屬性實體)和IfcRepresentation(區(qū)域形狀表達(dá)方法)拓展危險區(qū)域的幾何信息實體(IfcHazardous Area Soild)和IfcParameterized Profile Def(參數(shù)化實體)，包括IfcRectangle Profile Def(矩形)、IfcCizcle Profile Def(圓)、IfcEllipse Profile Def(橢圓)等；二是通過主線Spatial Structure Element(空間結(jié)構(gòu)實體)，新增IfcHazardous Area Space(危險區(qū)域空間信息)，并發(fā)展平面位置實體IfcLocal Placement(包括復(fù)合線IfcPoly Line和裁剪線IfcTrimmed Curve)和高度實體IfcZone High Level(包括枚舉類型IfcHazardous Area Type、邊界長度IfcLength Measure、空間邊界關(guān)系實體IfcRel Space Boundary、空間覆蓋關(guān)系實體IfcRel Covers Spaces等內(nèi)容)。

圖3 建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域IFC拓展框架Fig.3 Framework for IFC extension model of hazardous area in the construction site

通過以上方法對危險區(qū)域IFC內(nèi)容拓展，從而實現(xiàn)BIM環(huán)境中表示映射在地面上的危險區(qū)域在整個施工場地內(nèi)的位置、空間信息以及映射在內(nèi)部建筑物周邊的危險區(qū)域的位置、空間信息等內(nèi)容的IFC表達(dá)。

3. 2 施工環(huán)境的動態(tài)表達(dá)

在BIM環(huán)境中，工程項目管理人員可以將建筑施工現(xiàn)場的施工計劃導(dǎo)入到BIM平臺，實現(xiàn)建筑施工現(xiàn)場環(huán)境的動態(tài)表達(dá)。因此，為了更加準(zhǔn)確地表達(dá)建筑施工現(xiàn)場環(huán)境，工程項目管理人員可以將每天在建筑施工現(xiàn)場辨識的危險源信息、機(jī)械數(shù)量以及施工計劃、施工人員類型及數(shù)量等信息導(dǎo)入BIM平臺，以實現(xiàn)建筑施工現(xiàn)場危險源信息和危險區(qū)域的動態(tài)表達(dá)，同時根據(jù)BIM平臺中相關(guān)信息的表達(dá)，可視化建筑施工過程，重現(xiàn)關(guān)鍵施工流程，突出關(guān)鍵危險區(qū)域的安全風(fēng)險，管理建筑施工現(xiàn)場的危險區(qū)域以及危險區(qū)域與其載體的關(guān)系。

4 危險區(qū)域定位和工人信息識別

在建筑施工現(xiàn)場中一般包含兩類危險區(qū)域：一類是靜態(tài)的危險區(qū)域，如基坑周邊及臨邊等；另一類是動態(tài)的危險區(qū)域，包括卡車、塔吊等施工機(jī)械，在其作業(yè)或移動過程中產(chǎn)生的危險區(qū)域。針對這兩類危險區(qū)域需要實現(xiàn)在建筑施工現(xiàn)場BIM平臺內(nèi)的定位，同時需要對施工區(qū)域內(nèi)的人員信息進(jìn)行采集與分析，有效判別施工人員的工種類別、位置信息，輔助BIM平臺建立施工員入侵危險區(qū)域的預(yù)警機(jī)制。

危險區(qū)域定位和工人信息識別技術(shù)既要考慮定位精度、范圍、抗干擾能力、穿透障礙物能力和可拓展性，還需要考慮項目部的其他需求和經(jīng)費(fèi)承擔(dān)能力。為此，本文提出了一種基于機(jī)器視覺定位技術(shù)的危險區(qū)域定位和工人信息識別方法，以滿足建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域施工人員高效精準(zhǔn)定位的需求。

4. 1 危險區(qū)域定位

施工現(xiàn)場通過架設(shè)高點固定攝像機(jī)實施監(jiān)測，考慮到建筑施工場地大、現(xiàn)場復(fù)雜等特點，現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)需要布置多個高點攝像機(jī)，并盡量設(shè)置在開闊位置，避免遮擋等情況，且保證攝像機(jī)成像無干擾、照度應(yīng)達(dá)到0.02 lux、視距不小于50 m。采用張氏標(biāo)定法對高點攝像機(jī)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，通過參照物將建筑施工現(xiàn)場BIM模型中的位置坐標(biāo)與攝像機(jī)視場形成的高精度坐標(biāo)映射，再將標(biāo)定后的高點攝像機(jī)圖像進(jìn)行危險區(qū)域標(biāo)注，實現(xiàn)對危險區(qū)域的定位。其中，針對靜態(tài)危險區(qū)域，根據(jù)不同類型的危險區(qū)域邊界及其區(qū)域等級劃分規(guī)則，對危險區(qū)域的位置及邊界進(jìn)行測量，獲取其坐標(biāo)數(shù)據(jù)；針對動態(tài)危險區(qū)域，根據(jù)作業(yè)規(guī)律，獲取作業(yè)機(jī)械等的運(yùn)動區(qū)域范圍表達(dá)，通過標(biāo)記得出各危險區(qū)域的位置及范圍，并根據(jù)表1對危險區(qū)域及其等級進(jìn)行劃分。

4. 2 工人信息識別與定位

工人信息識別包括對工人工種類型的判別和對工人在施工現(xiàn)場的定位兩部分任務(wù)，需要在輸入視頻連續(xù)序列中找到工人目標(biāo)，并識別工人工種信息以及對工人運(yùn)動軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測。本文采用基于機(jī)器視覺技術(shù)的工人信息識別與定位方法，具體處理過程見圖4。首先采用Open Pose人體姿態(tài)估計算法對視頻圖像進(jìn)行預(yù)處理，并對視頻圖像中的目標(biāo)及其骨架進(jìn)行檢測，提取骨骼關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)；然后根據(jù)關(guān)節(jié)點分割目標(biāo)圖像，得到人體頭部區(qū)域和胸部區(qū)域，并基于ResNet殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別施工人員安全帽佩戴及工作服穿著情況，從而判斷工人工種信息；再后通過KCF(Kernel Correlation Filter，核相關(guān)濾波算法)跟蹤選定目標(biāo)，基于目標(biāo)先驗信息，在視頻序列中持續(xù)獲取目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)，得出該時段該目標(biāo)在攝像機(jī)視場內(nèi)的運(yùn)動軌跡；最后通過BIM模型中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，采用前述的危險區(qū)域定位的標(biāo)定方法對目標(biāo)人員的位置進(jìn)行標(biāo)定，并結(jié)合目標(biāo)的運(yùn)動軌跡形成工人在施工現(xiàn)場的運(yùn)動軌跡及其坐標(biāo)序列信息。

5 危險區(qū)域入侵預(yù)警模型及其應(yīng)用

5. 1 危險區(qū)域入侵預(yù)警模型的構(gòu)建

先將建筑工程項目施工計劃、危險區(qū)域表達(dá)、人員和機(jī)械信息、安全檢查信息等內(nèi)容導(dǎo)入BIM模型中，構(gòu)建建筑施工現(xiàn)場BIM模擬平臺；然后通過API接口將靜態(tài)危險區(qū)域、施工人員和機(jī)械設(shè)備的實時坐標(biāo)信息傳輸?shù)紹IM平臺上；最后系統(tǒng)通過比較危險區(qū)域與施工人員的位置信息，實現(xiàn)施工人員入侵危險區(qū)域的預(yù)警，其預(yù)警流程見圖5。

在BIM模型中確定坐標(biāo)原點后，危險區(qū)域和施工人員工作區(qū)域的坐標(biāo)區(qū)域可分別利用下式來表示：

Y=(x1,y1,z1),(x1,y1,z1)∈R3

(2)

圖4 基于機(jī)器視覺定位技術(shù)的工人工種識別與定位示意圖Fig.4 Schematic diagram of job identification and personnel positioning based on machine vision positioning technology

圖5 建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域入侵預(yù)警流程Fig.5 Process of early warning of intrusion into hazardous area in construction site

(3)

當(dāng)施工人員進(jìn)入危險區(qū)域時，預(yù)警系統(tǒng)通過下式(4)判斷是否需要預(yù)警：

(4)

其中，X表示施工人員三維坐標(biāo)，當(dāng)X∈Y時，表示施工人員進(jìn)入危險區(qū)域，即f(X)=1，系統(tǒng)需通過下式(5)繼續(xù)判斷是否需要預(yù)警；反之f(X)=0，系統(tǒng)無需預(yù)警。

(5)

其中,t表示施工人員進(jìn)入危險區(qū)域的時間；t′表示作業(yè)人員在該級別危險區(qū)域允許的入侵時間，其由工程項目管理人員根據(jù)危險區(qū)域等級取值。當(dāng)工作區(qū)域與危險區(qū)域不交叉的施工人員進(jìn)入危險區(qū)域，且在區(qū)域預(yù)警時間t′前未離開危險區(qū)域時，g(X，t)=1，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警；反之，g(X，t)=0，系統(tǒng)不預(yù)警。

5. 2 實例分析

本文以湖北某建筑施工現(xiàn)場為研究對象，構(gòu)建了該施工現(xiàn)場某一時段的BIM模型，并通過在施工現(xiàn)場架設(shè)高點攝像機(jī)獲取了某一施工人員在30 min內(nèi)的作業(yè)軌跡。該建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域BIM模型和施工人員作業(yè)軌跡俯視圖，詳見圖6。該施工人員的主要作業(yè)內(nèi)容為腳手架的拼裝，其工作區(qū)域與塔吊吊裝作業(yè)無交叉，工程項目要求非危險區(qū)域作業(yè)人員在核心危險區(qū)、危險區(qū)、警戒區(qū)允許的入侵時間分別為10 s、15 s、40 s。

圖6 某建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域施工人員入侵行為的預(yù)警示例Fig.6 Early warning example of intrusion behavior at a construction site

根據(jù)該施工人員的運(yùn)動軌跡，選出6個關(guān)鍵位置節(jié)點，其中位置1、2、6屬于其工作區(qū)域Y＇，位置3、5屬于危險區(qū)域Y，位置4屬于其他人員作業(yè)區(qū)域，其與施工人員工作區(qū)域Y＇、危險區(qū)域Y均無聯(lián)系。根據(jù)視頻軌跡發(fā)現(xiàn)：該施工人員處于位置3、5時入侵危險區(qū)和核心危險區(qū)的入侵時間都超過了警戒值，因此通過該預(yù)警模型對其分別發(fā)出了黃色預(yù)警和紅色預(yù)警；當(dāng)該施工人員處于位置1、2、4、6時則不發(fā)出預(yù)警。

6 結(jié) 語

本文利用LEC評價法、BIM技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)，構(gòu)建了建筑施工現(xiàn)場危險區(qū)域的實時預(yù)警模型，并結(jié)合工程實例對該預(yù)警模型進(jìn)行了具體應(yīng)用。結(jié)果表明：該預(yù)警方法既能根據(jù)工程項目需求對施工人員入侵危險區(qū)域的行為進(jìn)行預(yù)警，也能統(tǒng)計工人入侵危險區(qū)域的次數(shù)，以便有針對性地對工人開展教育和培訓(xùn)，提高施工人員的安全意識，降低施工人員入侵危險區(qū)域行為的發(fā)生，從而提高施工現(xiàn)場的安全管理水平。