基于电子围栏与智能安全帽的水利工程施工智能安全管理系统研究

张华栋

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024）

随着建筑施工行业信息化建设的不断探索，高效信息化成为工地建设的迫切需求。在复杂的工程施工过程中，施工人员作为施工现场中最活跃且贯穿整个工程的关键角色，其安全管理十分重要。传统工地的人员管理，主要依赖管理者人为管理、手动记录，人员管理工作繁琐而复杂，同时在管理过程中容易出现纰漏，管理者无法快速准确掌握施工人员的基本信息及工作信息。本文结合国内外研究现状，对水利工程施工现场人员安全辅助管理智能化存在问题进行了框架设计，以为相关研究提供借鉴。

1 国内外研究现状

水利工程项目不同于民用或商用建筑工程，其规模大、周期长、过程更加复杂。关于融合现代化信息技术与水利业务的理论创新和高水平指导类学术著作相对较少[1]。

在渠道管理过程中，利用LACME 智能电子围栏实施入侵者防护系统，有效提高了渠道周界限场威慑等级，保障了渠道沿程设施的安全性能[2]。利用智能手环、考勤设备、图像采集等设备综合实现了施工现场施工人员的实时定位，工作区域划分，人员自动考勤；克服现有技术所存在的不能对施工现场人员进行全过程、多方面监管的缺陷[3]。借助智能安全帽、无人机、无人船等设备，代替传统的人为巡检工作，通过巡检系统的应用，实现现场数据的采集和深度分析，提高了作业效率，同时为安全生产管理提供了决策意见[4]。

从上述应用的发展情况不难看出，水利工程现场人员安全辅助智能化管理还处于空白阶段，尚未形成集人员管理、安全预警、施工管理等于一体的智能化系统。

2 水利工程施工现场人员安全辅助管理智能化存在的问题

水利工程施工现场人员安全辅助管理系统智能化建设还处于起步阶段，受水利工程建设环境恶劣、工程复杂性高等特点的影响，现代信息化技术在工程建设中的应用难度较高，其技术壁垒致使水利工程施工现场人员安全辅助管理智能化进展缓慢。

2.1 应用技术单一，没有形成技术集成。

当前水利工程行业人员智慧化管理内容主要针对某一单一内容，如门禁、培训、实名制管理等，还未形成集成应用。数据信息不能够交互共享，难以进行大数据挖掘，远没有达到智慧人员管理系统的要求。

2.2 差异化、针对性不足。

水利工程不同于民用或商用建筑工程，其特点各异，施工方法、管理方法千差万别，针对人员的管理也各有不同。

2.3 涉及复杂的软硬件系统。

智能化安全管理系统不仅包含大量的数据采集设备，还包括强大的数据处理中心，复杂系统在运行过程中的稳定性和日常维护问题必然是将要解决的核心问题之一。

2.4 核心技术薄弱

我国智慧工地系统的核心技术尚处于研发阶段，国产软件的成熟度和运行效率较低，系统运行过程中所依赖的仿真计算软件、物联网信息传输技术等仍与国外优势品牌存在较大差距。

2.5 隐含伦理风险

实践中智慧化安全管理系统必然会与人员发生联系，“人-机”交互，会将人力资源“机器化”，刻板的组织安排施工人员任务归属，同时对于施工人员的信息监控，有可能侵犯劳动者的权益或隐私。

3 水利工程施工现场人员智能化安全管理框架设计

水利工程信息化水平发展目标：由单一系统过度到集成系统，实现数据共享，充分挖掘数据价值。功能由统一化向差异化发展，实现不同工程的建设应用，信息采集的及时性和准确性进一步提升。

依据施工现场人员安全辅助管理智能化建设目标，设计了现场人员智能化安全管理总体框架，包括电子围栏自动分区系统、智能安全帽系统以及其他外接系统。

框架设计核心内容包括：静态电子围栏、动态电子围栏、视频拍录、危险救援、脱帽报警、轨迹回放、即时广播、人员定位、明火识别、人脸识别、图像识别等，详见图1。

图1 智能化安全管理总体框架图

3.1 电子围栏自动分区系统

电子围栏自动分区系统建设。完成动、静态电子围栏自动化分区建设，实现电子围栏伴随施工过程的自动变更最终达到对施工现场内外工作人员的安全防护。

（1）静态电子围栏设定流程：在施工场地布置环节，将施工现场平面图矢量化导入系统平台，依据功能区属性划分匹配电子围栏，例如配电柜、柴油发电机等供电区域，配置与电工相匹配的属性；钢筋加工厂、钢筋堆放区等，配置与钢筋工相匹配的属性。

（2）动态电子围栏设定流程：依托施工流程进度计划，对施工过程中的不同工序及施工范围分片划分关联。图2 显示了动态电子围栏自动变更流程。

图2 动态电子围栏自动变更流程图

当上一个施工任务得到结束确认之后，该区域会自动将电子围栏的属性变更至下一施工任务对应的属性。

3.2 智能安全帽系统

3.2.1 视频拍录

智能安全帽可以在施工人员正常工作的状态下对施工环境进行记录，实时采集现场基础数据资料，同时通过现场基站或局域网及时回传至数据处理中心。在接收到前端感知设备回传的数据信息后，快速分析施工现场关键信息，并通过中控系统进行高效指导。在解决突发事件过程中，可把重要的监控图像进行系统存档，为后期事故分析留存现场资料。

3.2.2 危险救援

智能安全帽配备一键报警功能。施工人员遇到紧急突发情况时可直接按下求救按钮，数据处理中心可通过智能安全帽携带的GPS 定位模块快速获取求救人员位置信息，也可远程调用智能安全帽的音视频功能，第一时间掌握现场的实际情况，并进行紧急救援。

3.2.3 脱帽报警

在施工现场规范佩戴安全帽可以有效保护施工人员的安全，减少意外事故带来的人身伤害概率。值得注意的是安全帽佩戴规范的检验指标较为模糊，且脱帽监测方式极易受到使用者所处环境以及使用方法的影响，比如误触以及漏光，采集到的信息存在误差，准确性与真实性将无法保障。目前智能安全帽的脱帽报警系统的缺点是体积大、成本高、功耗高，若使用不当，则无法持续准确反应使用者是否脱帽的具体情况，有待进一步优化提高。

3.2.4 即时通讯

水利工程施工现场环境复杂，作业面宽广，下发的指令难以及时高效的传播至施工人员；利用智能安全帽的语音通讯功能，可以实现现场施工人员最新信息的传播与任务指令的下发；同时在规避风险过程中，如爆破、起吊等重大危险系数高的工程进行时，地震、突发性雷暴天气等重大自然灾害现象发生时，可以及时下发退场指令，保护施工人员生命安全。

3.2.5 人员定位

智能安全帽装配的GPS/北斗双模芯片，可对现场施工人员的位置信息进行实时回传。通过系统获取的实时位置回传，预测施工人员的行走路径，对施工人员是否将要面临危险情况进行预测，为施工人员生命安全提供另一重保障。

3.3 其他外接系统

该系统预留外接接口，意图实现系统的二次开发。基于工程的特点，该系统可外接其他系统，包括明火识别系统、人脸识别系统和图像识别系统。

3.3.1 明火识别

工地现场存在火灾隐患多，且易燃、可燃材料多，尤其是大型水利工程油库、储气间、模板堆放区等易燃易爆区域，对于火源的管控显得尤为重要。系统开发基于视频、红外成像方法，实现对火源的实时监控，保证禁火区、禁烟区的安全。

3.3.2 图像识别

利用计算机网络通信技术、视频数字压缩处理技术和视频监控技术结合图像识别技术，对施工现场中涉及的不同型号的机械或人员行为进行编库识别，利用计算机自动识别机械危险部位及人员危险行为，进而实现对存在隐含风险的机械及人员行为进行精准识别，加强施工过程中的人员安全管理。

4 结论

本文通过分析电子围栏与智能安全帽在水利工程中的应用，探讨了水利工程施工现场人员智能化安全管理的研究与发展。通过智能安全帽等一系列可穿戴设备，可以实现对施工现场基础数据采集；同时结合电子围栏等功能，可以实现工程建设过程中对工人的基础安全管控；通过系统预留的外接端口，可以实现后期不同功能的植入，逐步完善水利工程施工现场智慧化人员安全管理系统。