工程施工现场区域定位系统研究

牛天勇，景维立，朱华军

(北方工业大学 经济管理学院，北京 100144)

一、引 言

建筑行业是一个高危行业，每年的伤亡人数仅次于交通行业和采矿行业。建筑安全事故主要发生于建筑工程施工现场，并具备显著的事故规律和特点。在诸多事故中，因高空坠落、坍塌、机械伤害等原因造成的死亡人数比例非常高。目前国内工程施工现场应用现代信息技术进行的安全管理工作中，多以视频监控、人员考勤等单一功能为主，安全管理延时性特点明显，隐患及突变破坏管理有效性较差。因此，利用现代信息技术准确定位施工现场人、机械、材料的动态位置，监控施工现场自然环境、施工环境及资源的变化，预防碰撞、踏空、超负荷重物加载等事故将有利于安全管理目标的实现，从而支撑整个工程项目的顺利实施。

二、施工现场安全事故的主要根源和特点

建筑工程项目施工现场是包括人、机械、材料等多种资源在内进行生产的复杂空间，各类资源的动态活动是在现场统一工作安排协调下的半有规则运动，各项资源的空间位置极易出现因距离过近、承载过大、空间重叠的现象，导致碰撞、坍塌、踏空等事故[1]。

从事故的根源上来看，可以从人的不安全行为、物的不稳定状态、环境的不安全因素、管理的不可靠控制4个方面来分析。人的不安全行为主要体现在施工现场工人因对周边环境、施工规程、相互配合、违章危害、自身状态等方面的陌生和忽视而实施的各类有危害性的行为；物的不稳定状态主要是指机械设备车辆的故障、工具缺陷等；环境的不安全因素主要指作业环境、自然环境、社会环境等固有或动态变化产生的安全隐患；管理的不可靠控制是指投入、检查、整改、较低、防护等管理制度和方法没有做到可靠、可行、有效[2]。

从上述事故根源及大概率事故类别来看，加强对施工现场各种资源的管理和控制是降低安全事故率、减少伤亡的重要手段。其中，有效的施工现场区域定位是确定资源位置、警示危险状态、预防安全事故的重要内容。

建筑工程项目一般是在施工红线内进行开挖、支护、建造、安装、装饰、绿化等施工工序，按功能不同可以分为建造辅助区(含生活、办公、加工、物料存放等场地)和建造区(建筑物外围线向外扩展一定范围内的场地)。两类区域的功能不同，也导致在安全管理中的内容和重点有所差异，因此施工现场区域定位可以按照这两类区域进行分类。在建造区定位中主要是确定施工电梯、垂直门洞、水平孔洞等危险源的具体位置，并控制动态活动的施工资源，知晓危险源位置，在靠近危险源时及时进行警示；在建造辅助区定位中主要是确定各类地形高差的边界线，承载力警戒范围，各类资源半有规则运动时人与人、人与物、物与物间的位置危险度等。

三、施工现场区域定位系统模型

1. 定位消除安全事故的基本思路

建筑工程安全事故的发生是一种多隐患并存下的突变破坏，是偶然性和必然性的发展结果。通过施工现场区域定位方式将分为两个层面来解决安全事故的这几个特性：第一个是管理层面，即通过规划、检查、整改等管理手段降低安全隐患的种类、数目及危害性；第二个是技术层面，即要采取技术手段及时警示突变破坏，确保事故发生前警示的即时性和有效性。图1是两个层面解决方案的基本内容示意图。

图1 安全事故定位消除示意图

2. 施工现场区域定位系统模型设计

随着建筑行业现代化及工业化水平的逐步提高，现代信息技术的应用越来越普遍，BIM、物联网等高新技术得到逐步推广和政策支持。在此背景下，本文提出施工现场区域定位系统模型的初步设计方案，该系统的主要组成部分有总控子系统、边界子系统、定位监测子系统、资源子系统，如图2所示。

图2 区域定位系统的主要组成部分

总控子系统是联系各子系统的重要核心，包含系统设定、数据输入输出、数据存储、施工进度同步、报表输出等功能；边界子系统是进行区域定位的基础，是借助施工现场平面布置位置相对稳定的特点进行设计，在平面布置图的基础上开发具备空间多属性的边界集，并根据施工的不同阶段进行边界范围和边界属性的适时调整；定位监测子系统是在边界子系统的基础上集定位、监测和报警于一体的安全监控系统，采用无线网络、Zigbee技术、RFID、GPS、可视监控、NFC等现代信息技术及精确定位算法来进行位置定位和安全防护；资源子系统是对施工现场人、材料、机械等多种资源进行定义、分类、安全属性设定、安全位置规划、进出场记录的系统，是区域定位系统的管理对象。这4个子系统共同支撑起施工现场区域定位系统的运行，并能根据施工现场平面布置形状的调整、自然环境的变化、现场施工步骤的要求进行安全设防。

3. 施工现场区域定位系统模型的运行流程

因环境的多变性和施工现场的复杂性，施工现场区域定位的流程和所需设备有所不同。本文以物料堆积、车辆防撞及洞口防坠为例，分别模拟区域定位系统模型的运行流程。

1) 物料堆积。首先通过边界子系统界定物料进场前的动态变化情况，划定不同的重力承载区域，并在此基础上进行物料进场过程预演；其次是在预演成功后进行物料进场、装卸、堆积，在施工过程中，根据传感系统收集的数据观测并预测未来天气、应力、位移等方面的变化，进而自动计算承载能力和后续工序要求，给出物料移位、覆盖等建议，以供决策。

2) 车辆防撞。首先通过资源子系统设定人、车辆、机械的身份，配发并在资源的合理位置安装身份识别装备。配备身份识别装备的车辆在施工场地内进行施工活动时，区域定位系统将实时获取该车辆的具体位置，并记录形成车辆行为轨迹。在车辆靠近承载力不足边界范围时通过车内外灯光和警示信息进行提醒。在安全区域内，发生车与车、人与车距离过近时也对双方进行类似提醒，防止碰撞事故的发生。一旦持续警示时间超出范围，将自动报警以便安全管理人员检查和排除现场险情，如若事故发生，将根据资源行为轨迹快速确认责任方并进行事故处理工作[3]。

3) 洞口防坠。首先通过边界子系统同步过来的施工进度信息设定该施工平面内的孔洞位置及警示范围，其次形成针对孔洞的安全防范计划并同步给施工管理控制部门实时跟踪防范措施的完成情况。在施工人员靠近洞口时，通过安全防范步骤中临时安装的红外感应及其他定位装置准确捕捉人员位置，并在其进入警戒范围后给出灯光及声音警示。一旦施工人员仍因其他因素不慎落入孔洞，定位系统将根据其进入危险区域的轨迹自动报警，减少事故发现及救援的时间，尽可能减少事故损失。

以上3种情况均包含及时的边界界定、安全防范措施实施和突变破坏前预警等功能，能尽最大可能降低安全隐患的数目和危害性，并通过各种手段消减突变破坏发生的可能性。

四、施工现场区域定位系统的关键技术

在图2所示的系统模型中，每个子系统都是整个系统的关键一环，要在这些重要环节中使其功能性得到充分的运转，则需要利用和解决好以下几个关键技术问题。

1) 边界界定。准确的边界范围划定和边界属性定义是实现有效安全防护的基础。在边界界定中需要在工程CAD施工图所示范围的基础上进行二次开发，结合施工工序、现场进度安排、边界范围内承载力、危险源位置、安全范围等属性进行定义，在区域定位系统中形成可视化、动态化、即时化的有效边界。

2) 精确定位。建筑施工现场不同于采矿巷道或隧道施工，属于线面综合定位，对位置的精确性和准确性要求较高。根据施工现场建造区和建造辅助区的空间特点来看，精确定位技术需要进行室内外的单独划分。室外重点要通过定位预防碰撞、坍塌等安全事故，用到的是以无线定位、GPS定位、实时定位(RTLS)和射频识别(RFID)为主的技术；室内重点要通过定位预防高空坠落等事故，用到的是以红外感应、实时定位(RTLS)、射频识别(RFID)为主的技术。精确定位技术对定位设备、基站布置和定位算法等有较高要求[4]。

3) 传感监测。施工现场安全事故的隐患多重性体现在个人意识、自然环境、机械故障、管理失控等方面，因此在应对图1所示隐患和突变破坏的时候要充分利用传感监测技术降低隐患数目及危害，并预警突变破坏。因此，温度、湿度、光照、位移、压力、流量、物位等传感器的应用及其对施工现场安全的有效预警和管控等方面需要进行系统化设计。

4) 网络通信。根据区域定位成本及安全监控效率来看，可对施工现场安全定位进行级别划定，相应也影响网络通信技术的选择和应用，包括数据通信介质、调制解调技术、计算机协议、以太网、局域网、开关技术等。

5) 安全预警。在上述关键技术的基础上，安全预警工作需要综合考虑效率和成本的关系，根据施工现场的变化进行动态调整。从安全预警技术的角度来看，要做好安全性评估、即时预警、动态监控等关键技术的设计、研发和实施工作，形成培训、监测、预警、防范、调整一体化的安全预警体系。

五、施工现场区域定位系统的保障措施

1) 安全投入要合理。目前国内建筑工程项目安全管理工作的主要工作依旧是以管理手段为主，安全信息化及数据化程度较低，安全投入比较少。这种情况与当前建筑市场招投标制度、项目实施及安全管理技术水平密切相关。随着安全管理制度和技术的逐步改进，势必要科学设定建筑工程项目安全投入的比例和数额，合理控制安全风险成本。同时，在安全技术的研发上要跟上现代化步伐，加强新技术的研发、测试和推广使用。

2) 研发力量要加强。从施工现场区域定位系统所涉及的关键技术来看，种类较多，效果明显，体系化设计需求明显。因此，需要转变以往仅从数据信息化的角度来加强管理的安全管理模式，深入系统地研发本文所提及的和其他必需的安全管理技术，提高安全管理的技术含量和管理效率，降低事故率和伤亡人数。

3) 管理模式要规范。管理是实现技术要求、发挥技术效能的推动力。在本文所设计的施工现场区域定位系统中，技术要求较高，各环节间的配合和实施关联性较强，这就对施工现场的管理模式提出一定的要求，即要通过规范化、信息化、数据化和经济化管理模式来科学合理地做好新技术的准备、实施、监控、检查、整改和普及工作[5]。

六、结束语

在中外建筑行业安全事故的调查时发现，因高空坠落和坍塌造成工作伤亡的比例非常高。以高空坠落为例，我国2008—2012年5年间因该原因死亡人数占同期整个建筑行业死亡人数的47%，合计1817人；美国2003—2012年10年间的该项比率为35%，合计3508人。本文根据对施工现场特点及事故规律进行的研究发现做好施工现场区域定位工作，并在此基础上进行安全预警、评估等相关工作，将有利于降低安全事故隐患的数目和危害程度，同时还能预防突变破坏的发生。但在施工现场区域定位系统模型的设计中，也提出需要对边界界定、精确定位、传感监测、网络通信、安全预警等技术进行深入的研发设计。从当前其他行业对上述安全技术的研究和应用情况来看，本文设计的区域定位系统具有较强的可行性和较好地经济型，后续需加强对定位系统和安全管理的整合研发工作。

参考文献：

[1] TEIZER J，ALLREAD B S， FULLERTON C E，et al. Autonomous Pro-active Real-time Construction Worker and Equipment Operator Proximity Safety Alert System[J]. Automation in Construction，2010， 19(5)：630-640.

[2] LU Y，HINZE J, LI Qining. Developing Fuzzy Signal Detection Theory for Workers’ Hazard Perception Measures on Subway Operations[J]. Safety Science，2011， 49(3)：491-497.

[3] HINZE J，TEIZER J. Visibility-related Fatalities Related to Construction Equipment[J]. Safety Science，2011， 49(5)： 709-718.

[4] 邢培育，王遥，刘小勇，等. ZigBee 定位技术在灌河大桥工程建设施工现场安全管理中的应用[J].中国安全生产科学技术，2013，9(8)：105-109.

[5] 牛天勇. 基于PHA-LEC 法的建筑工程项目安全评价问题研究[J].中国安全生产科学技术，2012，8(7)：94-98.