基于KanBIM与WSN的施工项目安全预警系统构建研究

郭玉莹，刘　　全　

（1.　上海电气电站环保工程有限公司，上海　201108，E-mail：guoyuying1991@163.com；　2.　南京工业大学　经济与管理学院，江苏　南京　211816）

基于KanBIM与WSN的施工项目安全预警系统构建研究

郭玉莹1，刘全2

（1.上海电气电站环保工程有限公司，上海201108，E-mail：guoyuying1991@163.com；2.南京工业大学经济与管理学院，江苏南京211816）

摘要：针对目前施工项目中安全管理方法落后，安全监测过程及安全状态无法可视化显示、安全预警信息传递不及时及信息沟通不畅等问题，提出了基于KanBIM与WSN的施工项目安全预警系统，包括KanBIM单元，WSN单元，信息协同单元，安全预警单元。系统中利用KanBIM制定施工项目的各阶段计划，利用WSN实时采集计划中确定的监测对象的信息，对获取的全面信息进行协同处理并在Kanban中可视化展示，一旦超出预警值则实时发出预警通知。该系统实现了项目各参与方之间安全信息的实时沟通与交流，同时显著增强了安全预警效果，有助于实现建筑施工项目安全预警的实时化、可视化、信息化，对提升企业的安全管理水平具有一定意义。

关键词：KanBIM；无线传感器网络；安全预警；可视化显示

根据国际职业安全和健康协会统计的数据显示，建筑行业在所有行业中的事故发生率一直居高不下，引发事故的主要原因有工人的不安全行为，施工现场的复杂环境，缺乏科学有效的安全管理等，进而导致机械操作不当以及形成不安全的工作方法和工作程序［1］。传统的安全管理方法，如事前工人安全培训和事中日常的安全例行检查等方式已不能应对施工现场环境复杂变化、人员流动性大的情况，因此，高效的安全监控及预警在施工项目安全管理中起着十分重要的作用。

现代信息技术的快速发展及应用为弥补传统安全管理方法的不足提供了解决的思路。郭红领等［2］集成BIM和PT技术构建出工人不安全行为预警系统，有效预防现场事故的发生；Chae S等［3］利用RFID技术对重型装备和工人设备进行标记，一旦有工人或机械设备进入危险区域，立即发出安全预警通知；仲青等［4］将BIM作为信息沟通和共享平台，集成RFID技术实时采集现场人、材、机的安全信息，实现施工现场实时、高效的安全预警；Zainab Riza等［5］集成BIM与无线传感技术（WSN）实时预警工人在局限空间施工中的不安全状态。

以上研究多采用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）作为项目预警中安全信息沟通与交流的平台，然而BIM中只包含与项目本身有关的信息，并没有涉及与施工现场工作及工作流程相关的信息，与此同时，BIM无法在施工现场出现变更后作为各参与方协商变更的平台。因此，本文引入KanBIM概念［6］以弥补BIM的不足，并结合无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）技术的实时感知环境信息、有效半径大、成本低廉等优势，构建基于KanBIM与WSN的施工项目安全预警系统，以实现项目安全预警的实时可视化和信息化。

1　系统支撑技术

1.1KanBIM内涵

KanBIM即使用了BIM的Kanban，它融合了精益建造（Lean Construction，LC）思想和BIM［7］，由程序、软件和硬件组成，以支持施工现场精益工作流控制。KanBIM有助于短期工作的计划及监控，并通过在施工现场布设大型全天候可触控的、含有建筑模型的显示屏，可视化显示工作的状态。

图1　　KanBIM系统结构图　

KanBIM原型系统结构如图1所示［8］，系统的核心为生产、过程、状态模型，其输入端由BIM建模者及各参与方提供项目的相关信息，输出端为用户使用界面。由于 KanBIM是在最后计划者体系（Last Planner System，LPS）下编制各阶段计划，因此用户使用界面的功能是通过各阶段计划将对应的项目参与人员与工作流程连接，通知人员施工过程的状态，同时允许人员可以在过程状态中实施变更。

在KanBIM原型系统中，生产模型由BIM建模者从设计生产模型和建造模型中抽取丰富的信息数据而形成，同时，它是整个KanBIM系统数据库的基础，各方通过BIM平台能够传递项目信息并查看、修改数据信息；过程模型包含各种施工方法、工序生成目标以及资源生成目标；状态模型包含了未来工作、当前工作以及正在施工工作的状态。因此，KanBIM系统不仅能够可视化建筑模型，同时也能够可视化施工项目的工作流程和工作状态。

1.2无线传感器网络技术内涵

无线传感器网络WSN是由部署在监测区域内大量廉价微型的传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者［9］。借助于节点内置的、形式多样的感知模块，可探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分以及移动物体的大小、速度和方向等众多需要监测的物质现象。

WSN包括传感器节点（Sensor Node）、汇聚节点（Sink Node）和管理节点，在传感器网络中，传感器节点具有一定的感知、计算与无线通信能力，节点被任意部署在监测区域内，通过自组织形式构成网络，以协作的方式收集数据，并经过多跳的方式将监测的数据送给汇聚节点，最终借助互联网、无线网络或卫星将数据信号送至管理节点。系统用户可以通过管理节点查看、查询、搜索相关的监测数据，并对传感器网络进行配置和管理。

目前研究多将RFID技术用于施工项目的安全预警中，然而由于RFID抗干扰性较差，且有效距离一般小于10m，因此效果并不理想。而利用WSN技术可以形成高达100m有效半径的监测区域，从而能够实时、高效感知目标信息。

KanBIM中的拉式流控制思想将进度计划层层分解，直至形成最小的日计划单元，而每日计划可以确定每日的工序安排，并结合WSN实时采集工序中监测对象的安全信息，以工作流推动信息协同流，最终在KanBIM中可视化显示安全监控过程及安全状态。

2　基于KanBIM和WSN的施工项目安全预警系统架构

施工项目安全预警系统由4个单元组成，分别为KanBIM单元、WSN单元、信息协同单元、安全预警单元，如图2所示。

图2　　安全预警系统结构图　

2.1KanBIM单元

KanBIM是在LPS体系下编制项目的各阶段计划，同时，它弥补了LPS无法实现日计划和无法获取过程状态更新信息的不足，是对LPS体系思想的一种延伸。图3为KanBIM工作流模型图，项目流程开始于主控计划，主控计划由业主和施工单位编制，该计划是对项目的宏观把控，需要确定里程碑事件；阶段性计划是主控计划的分解，其内容包括确定关键工作、编制具体进度计划和生产能力计划，起到衔接主控计划和前瞻计划的作用，由施工单位编制，并报审业主和监理；作为阶段性计划的细化，前瞻计划包括确定工作顺序和工作包大小约束分析，仍由施工单位负责编制并送监理审核，以上3个阶段计划和标准LPS一致，但都在KanBIM系统中的BIM中执行。周工作计划的主要任务是确定具体工作量和选择最优工作顺序，此阶段的安全管理体现在3个层面。

（1）施工单位的最后计划者（Last Planner LP）需对编制的周计划进行详细的约束分析，以确定该阶段内的工作量、工作顺序、持续时间和协调供应商的进场时间。

（2）由于施工现场环境错综复杂，人工检查等方式无法实时反馈工作中监测对象的安全状态信息，因此由施工单位的班组长和现场安全管理人员共同决定是否需要布设传感器以实时采集信息。

（3）一旦需要布设无线传感器，应及时调整周工作计划。

图3　　KanBIM工作流模型图　

KanBIM中流程的核心为日计划，同时也是系统中的最小计划。当工作都按计划进行，由业主和监理单位完成检查后该工作就结束；若工作中出现了变更，施工单位需对变更提出解决方案并重新与供应商确定供应计划，而业主、设计单位可通过KanBIM系统对变更方案提出改进意见，待变更工作完成后由监理审核，如变更后的工作仍不符合要求，需反馈到周计划中进行调整，重新协商直至通过审核为止。

2.2W SN单元

在施工现场，可能引发安全事故的重大危险源如表1所示。施工单位的现场人员需在周计划阶段认真分析施工现场的潜在危险源，确定监测对象和所需要的传感器类型，并在每日工作中采集感知信息，同时反馈到KanBIM中。目前可与BIM集成的传感器类型很多［5］，结合现场的重大危险源及控制要点，本文提出主要对移动类和非移动类两类监测对象部署传感器节点，如表2所示。

2.2.1覆盖控制及节点部署

根据监测对象选择合适的传感器类型之后，需要考虑WSN中的覆盖控制及节点部署问题。覆盖控制的目的是使网络中的感知节点对被监测区域进行有效覆盖，不要形成覆盖盲区或死区，确保对监测区域进行全面的监测。在施工过程中，根据不同监测对象的特点，应选择对应的覆盖类型（见图4）。针对非移动类监测对象（如基坑），可以进行点覆盖控制，如图4（a）所示，这类对象的监测区域中布设了有限个离散的目标点，因此只需对几个特定的目标对象进行监控，无须掌握全局信息。而对于移动类监测对象（如人员、机械），应当进行区域覆盖控制，如图4（b）所示，由于施工现场某一区域内人员、机械发生无规则运动，因此工作节点的传感范围应完全覆盖整个区域，即区域中任意一点至少被一个传感器节点覆盖，从而保证目标区域内发生的任何事情都能够被有效监测，对于空间较为复杂的监测区域，也可以采用三维区域覆盖方式进行全方位监测。

表1　　重大危险源及控制要点　

表2　　施工现场主要监测对象　

图4　　覆盖方式　

由于传感器节点的感知能力相对有限，常需要多个节点协同工作才能完成对外界环境的信息采集，而施工现场被划分为若干区域，因此可采用确定性部署方式，构成规则的拓扑结构，便于现场班组长最大限度地获取信息，同时也延长无线网络的寿命。

2.2.2节点定位及目标跟踪

在WSN应用中，传感器节点所采集到的信息必须结合其在测量坐标系内的位置才具有价值，因此，在施工现场的监测过程中，只有知道传感器节点的位置信息，才能准备地获知信息来源，现场人员才能够快速确定危险源。KanBIM系统数据库的核心基础即为BIM模型，因而可以将现场部署的若干节点在 BIM模型中进行标注，并配上必要的编号、位置、感知功能等信息。

WSN节点自身具有体积小、价格低、采用无线通信方式的特点，以及传感器网络具有部署灵活、自组织性、鲁棒性、隐蔽性等特点，使得WSN非常适合于移动目标的跟踪［10，11］。由于目标（现场人员、施工机械）运动轨迹没有规律，而且目标还可能作加速或者减速运动，因此本文利用信息驱动的协作跟踪方法，使得传感器节点能够通过交换局部信息来选择合适的节点检测目标并传递信息。图5为信息驱动下的协作跟踪示意图，图中Q为汇聚节点。当目标进入传感器区域时，离目标最近的节点a获得目标位置的初始值，随着目标的移动，节点a负责唤醒并将现有的跟踪信息值传递给下一个跟踪节点b，b用同样标准传递给下一个跟踪节点c，不断重复，同时，每隔一段时间就将目标的位置信息返回到汇聚节点，最终用户就可以查询目标跟踪信息，实时监测目标的位置状态。

2.3信息协同单元

系统中信息协同体现在如下3个方面：

（1）在KanBIM中，项目各参与方基于BIM平台协同工作，在线沟通和协商变更问题，同时，利用现场 Kanban可实时查看项目工作过程及安全状态信息。

图5　　协作目标跟踪示意图　

（2）在WSN中，往往有多个传感节点同时感知到目标，而不同位置、不同类型的传感器，其感知范围、感知精度、感知的属性类别等都不尽相同，因此需要对多源的目标信息进行有效融合，从多个节点的协同中获取需要的信息，进行协同信息的感知和处理。

（3）获取的全面信息可在Kanban中以工作状态图标形式协同展示（见表3），并实时更新，从而使各参与方全面掌握工作信息。

表3　　工作状态图标　

2.4安全预警单元

在安全预警单元中，施工单位的LP班组长通过Kanban执行工作任务，如图6所示。在工作正式开始之前，现场技术人员部署相应的传感器节点，然后班组长选定工作，点击开始按钮，使工作状态处于进行中，一旦在施工过程中监测到安全隐患，系统会自动显示其风险等级，与此同时，任务被中止，直到安全问题得到解决，重新点击开始按钮，使工作继续进行，直至顺利完成。

图6　　工作执行状态图　

在图6中，工作开始前应设定预警值。针对表1中移动类监测对象，班组长应利用WSN实时获取对象的位置信息，并根据工作具体情况和特点合理设定预警值，如当工人处于距施工机械1m范围内为重要危险区域，对应为高风险，处于距施工机械1～3m范围内为较危险区域，对应为中等风险，处于距施工机械3～5m范围内为一般危险区域，对应为低风险。针对非移动类监测对象，施工单位现场人员可以根据相关监测技术规范预先设定预警值，然后，通过WSN获取目标精确的监测数据，由此确定安全问题对应的风险等级。

此外，不同风险应有不同的应对措施，当为低风险时，现场班组长应及时通过Kanban与负责解决安全问题的人员直接在线沟通；当为中等风险时，班组长应与安全管理人员沟通，共同查看BIM模型中危险源位置，并协商制定解决措施；当为高风险时，班组长、安全管理人员应共同请示施工单位项目经理，并由班组长在KanBIM中实时发布安全问题信息，以便项目各参与方在线沟通和交流，快速制定应对措施，以确保工程的顺利进行。

3　安全预警系统的工作流程

施工项目安全预警系统的工作流程如图 7所示。首先，施工单位的最后计划者（一般为现场班组长）以及项目的其他参与各方通过用户界面进入KanBIM单元，全面构建生产、过程、状态模型，然后利用程序接口将 KanBIM与安全预警系统相连，形成的推拉结合工作流有助于制定工作计划并确定现场所需要传感器类型，之后现场人员部署传感器节点，实时感知和协同处理监控对象的信息。施工现场的班组长一旦发现安全隐患，应当立即在KanBIM中发出停止工作的通知，同时在BIM模型当中的对应区域可视化显示风险等级，使各参与方随时了解工作安全状态，并及时消除安全隐患。

由于施工现场环境动态变化，以及项目发生变更等情况，使得节点实时感知到的信息和BIM模型中的信息持续得到补充和更新，最终建立施工项目的安全信息数据库，为企业项目的安全监控及预警提供完整的数据支持，同时，为建筑行业的安全管理和决策提供依据。

施工项目安全预警系统涵盖了从信息的获取到信息的加工处理，到最终协同应用的全过程，以工作流推动信息协同流，有助于实现施工项目高效、全面的安全预警。

图7　　安全预警系统流程图　

4　结语

本文提出的基于KanBIM和WSN的施工项目安全预警系统，旨在弥补目前施工现场安全管理中的不足，能够可视化显示安全监控过程及安全状态，实时获取和传递监测对象信息，使各方能够在线沟通和交流项目安全信息，及时制定应对措施，从而降低现场事故的发生率，充分实现施工项目安全预警的实时可视化。同时，最终建立的项目安全数据库，对提高企业的安全管理水平和建筑业信息化程度具有一定的借鉴意义。

参考文献：

［1］Melzner J，Zhang S，Teizer J，et al.A case study on automated safety comp liance checking to assist fall protection design and planning in building information models［J］.Construction Management and Economics，201331（6）：661-674.

［2］郭红领，刘文平，张伟胜.集成BIM和PT的工人不安全行为预警系统研究［J］.中国安全科学学报，2014，24 （4）：104-109.

［3］Chae S，Yoshida T.Application of RFID technology to prevention of collision accident w ith heavy equipment［J］.Automation in Construction，2010，19（3）：368-374.

［4］仲青，苏振民，王先华.基于RFID与BIM的集成施工现场安全监控关键技术研究［J］.建筑科学，2015，31 （4）：123-128.

［5］Riaz Z，Arslan M，Kiani A K，et al.CoSM oS：A BIM and w ireless sensor based integrated solution for worker safety in confined spaces［J］.Automation in Construction，2014，45：96-106.

［6］Sacks R，Radosavljevic M，Barak R.Requirements for building information modeling based lean production management systems for construction［J］.Automation in construction，2010，19（5）：641-655.

［7］Ury Gurevich，Rafael Sacks.Exam ination of the effects of a KanBIM production control system on subcontractors'task selections in interior works［J］.Automation in Construction.2014（37）：81-87.

［8］Rafael Sacks.KanBIM Workflow Management System：Prototype Implementation and Field Testing［J］.Lean Construction Journal，2013：19-35.

［9］彭力.无线传感器网络原理与应用［M］.西安电子科技大学出版社，2014.

［10］Liu J，Cheung P，Zhao F，et al.A dual-space approach to tracking and sensor management in wireless sensor networks［C］.//Proceedings of the1st ACM international workshop on Wireless sensor networks and applications.ACM，2002：131-139.

［11］Mechitov K，Sundresh S，Kwon Y，et al.Cooperative tracking with binary-detection sensor networks［C］.//Proceedings of the1st international conference on Embedded networked sensor systems.ACM，2003：332-333.

中图分类号：TU714

文献标识码：A

文章编号：1674-8859（2016）03-127-06

DOI：10.13991/j.cnki.jem.2016.03.022

作者简介：

郭玉莹（1991-），女，硕士研究生，研究方向：项目管理；

刘全（1990-），男，硕士研究生，研究方向：项目管理。

收稿日期：2016-03-26.

Establishment of a Safety Warning System for Construction Project Based on KanBIM and WSN

GUO Yu-ying1，LIU Quan2
（1.Shanghai Electric Power Generation Environment Protection Engineering Co.Ltd.，Shanghai201108，China，E-mail：guoyuying1991@163.com；2.School of Econom ics&Management，Nanjing Tech University，Nanjing211816，China）

Abstract：According to the current situation of construction project that the method of safety management is backward，the level of visualization of safety monitoring process and safety status is not high and the safety warning information utilized by project participants is seldom.Therefore，this paper introduces a safety warning system for construction project based on KanBIM and WSN，including KanBIM cell，WSN cell，information synergy cell，safety warning cell.First，KanBIM can make stage plan，then getting the information of monitoring objects by WSN technology.Secondly，conducting the information and visually displaying the information of safety statue of task on the Kanban.Finally，once exceeding the w arning values，the system must send out w arning notifications.The proposed system will contribute to timely communicating and sharing the safety information across the participants can improve the safety warning effectiveness.It w ill also improve the level of safety management for construction enterprise.

Keywords：KanBIM；WSN；safety warning；visualization display