基于BIM与物联网的地下工程施工安全风险预警与实时控制研究-陈永高

1、第32 卷 第7 期2016 年7 月科 技 通 报BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.32 No.7 Jul. 2016基于BIM 与物联网的地下工程施工安全风险预警与实时控制研究陈永高，单豪良（浙江工业职业技术学院，浙江 绍兴 312000）摘 要：地下工程建设具有投资大、周期长、技术复杂、不可预见风险因素多和对社会环境影响大等特点，是一项高风险建设工程，如何建立地下工程施工安全预警体系已经成为安全管理的重要课题。本文讨论了物联网和BIM 技术在地下工程施工中的适应性，提出了基于物联网和BIM 的安全预警管理框架。针对施工前安全风险，提出地下工程施工

2、安全风险识别方法，能有效定位危险施工工序及部位；针对施工时安全风险，开发集自动监测、实时预警于一体的地下施工安全集成控制技术，将预警信息及时发送给现场施工人员，便于及时有效地采取施工控制和应急措施，保障施工安全。关键词：物联网；建筑信息模型；风险预警；地下工程施工；实时控制DOI:10.13774/ki.kjtb.2016.07.019中图分类号：TU94文献标识码：A文章编号：1001-7119（2016）07-0094-05Research on Safety Risk Early-warning and Real-timing Safety Control of Underground

3、Engineering Construction Based on The Internet ofThings and BIMChen Yonggao，Shan Haoliang（ ZhejiangIndustryPolytechnicCollege ，ShaoxingZhejiang312000 ，China ）Abstract：Undergroundprojectis a high-riskand complexprojectwith vast constructioninvestment，long- term construction，complexityof constructiont

4、echnology，and unpredictabilityof risk factorsand socialcharacteristicsoftheenvironmentalimpact.Accordingtothecurrentsituationofsecurityrisk managementin undergroundengineeringconstruction，the paperanalysesthe problemsexistingin the undergroundengineering，discussestheadaptabilityoftheInternetofThings

5、(IoT ） andBuilding InformationModeling (BIM ）with the characters ，and puts forward a system framework for the safety risk management of underground engineering. For safety risk identification before construction, we brought up an approach based on Internet of Things and BIM for underground engineeri

6、ng construction, which is able to effectively identify and track dangerous construction process and locations. For risk early- warning during construction, we developed the integrated control techniques of automatic monitoring and real-time early-warning for underground engineering construction. The

7、 system send any early-warninginformationto constructionworkerson site,so that controllingmethodsand emergencymovescan be appliedin real time to ensureconstructionsafety.Keywords：internet construction；safetyof things （ IoT ）；buildinginformationmodeling （ BIM ）；underground risk early-warning；real-tim

8、ingsafety controlengineering收稿日期： 2015-08-10基金项目： 浙江省教育厅科研项目（Y201432555）；绍兴市科技计划项目（2014B70003）；浙江省住建厅科研项目（2014Z126 ） 。作者简介： 陈永高（1984- ），男，江苏盐城人， 硕士，讲师，主要从事土木工程建造与管理方面的研究。E-mail ： HYPERLINK mailto: 。第7 期陈永高等. 基于BIM 与物联网的地下工程施工安全风险预警与实时控制研究95物联网技术与建筑施工信息技术已经在土木工程施工中得到一些应用，如无线电射频识别RFID 技术、全球定位系统（GPS）、无

9、线传感网络、Zigbee、激光扫描技术、掌上电脑（PDA）以及建筑信息模型（BIM）等。目前这些前沿技术在地下工程施工安全管理领域的理论研究和工程应用还相对缺乏。以地下工程施工为依托，通过采集的多源信息进行分析，通过 BIM 系统可视化显现，构建地下工程施工前风险预警模型；在此基础上，提出地下施工过程中地质环境条件与既有结构的安全状态实时感知方法，利用光纤光栅传感技术， 构建施工过程中安全风险实时预警系统，并将安全风险预警信号实时传输到施工人员的定位节点上，实现地下工程施工安全风险施工前识别与预防、施工中实时预警与控制。地下工程施工安全控制关键技术体系地下工程施工出现安全事故的原因复杂多 样。

10、首要问题是施工安全信息采集、传输、分析、处理不及时和充分， 以及最终结果形象显示不足，地下工程施工全过程安全风险控制难度仍较大，表现在：地下工程施工安全风险多种多样，施工前安全风险识别主要由有一定经验的技术人 员查阅工程资料，根据以往经验预测等人工方式完成，主观性较大；施工中未能建立充分信息条件下的动态综合预警方法，而且缺乏在时间和三维空间上进行可视化实时显示的技术手段。地下工程施工所引发的各种灾害后果严重， 对社会环境影响大，在施工过程中迫切需要根据施工现场情况提供实时的安全状态分析结果，并能及时有效地采取施工控制和应急措施，因此建立基于物联网与 BIM 技术的集施工前自动监测、施工中人员跟

11、踪定位、实时预警于一体的安全风险控制系统尤为迫切。建筑信息模型（building information model ing，BIM）能够集成土木工程设计与建造的各种实体和功能相关信息的工程数据模型，对建筑物或建筑构件赋予属性信息， 并有机关联这些信息，提供虚拟实境模型，降低工程信息的遗漏和以及显示不直观的问题。其能够解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题，支持建筑全生命期动态的工程信息，应该包括构件材料、力学性能、施工资源等许多其他信息。具有可视性、可模拟性等特点，并纳入协同作业的理念。近年来国内外陆续开展了物联网在土木工 程建造等方面的应用研究。地下工程施工安全 风险管理具有多

12、主体，多目标等特征，成为 BIM 与物联网应用的新领域和重要发展方向。为此， 本文提出基于 BIM 与物联网的地下工程施工安全风险识别与预警技术，建立一套从风险识别、预警到控制的地下工程施工安全控制关键技术 体系，包括施工前安全风险识别与预防、施工中风险实施感知与预警和控制等关键技术，以实现复杂环境下地下工程施工周期中安全风险动态 控制。安全风险控制体系如图1 所示。图 1 地下工程施工安全风险控制体系Fig.1 System of the underground engineering construction safety control地下工程施工前安全风险识别与预警地下工程施工前的安全

13、识别和预警是控制 风险、预防安全事故发生的重要手段。地下工程施工的安全风险发生机理、与时间耦合的空间变化规律都难以准确的描述。最大限度地利用施 工前的设计文件和施工现场的各类信息、 资源， 尽早建立安全风险评估模型，对提高安全预警的科学性和可靠性意义重大。此外，地下工程施工安全风险随着时间的推移、 地质环境条件的变化，在空间上是不断变化的，借助 BIM 技术和监测信息，建立基于时间和空间的 4D 模型，对地下工程施工危险工序、部位进行动态标示及跟踪，96科技通报第32 卷能有效提高安全风险识别和预警的准确性。以此为思路提出地下工程施工前安全风险识别与预警方法。以往人工进行地下工程施工安全预警，

14、都由经验丰富的地下施工工程师或专家研究各种工程资料和数据，以及进行现场实地踏勘和巡视， 然后施工组织设计进度内判断地下工程施工中各种结构体、机械、材料、设备及周边环境等不安全因素的状态，做出预警决策。为了建立一个能够辅助和替代地下工程施工前安全风险人工识别的集成化、自动化、智能化预警模型，需要模拟人工预警过程对获得的信息进行搜集、加工、筛选、提炼、综合的过程，同时提高预警模型的精度和可靠性，设计基于多源信息融合的地下工程施工前安全风险识别与预警模型，主要由三方面构成：根据地下工程施工监测数据， 利用主成分分析、小波聚类分析等数据处理方法， 快速有效地实现监测数据的降噪去伪。以BIM 模型为载体

15、，监测信息为核心，构建时间、空间、情境相融合的多维模型，建立地下工程综合情境信息的数据库，对施工安全风险数据信息进行系统化处理和结构化存储，实现监测数据与情境的信息关联。通过模拟专家法进行地下工程施工警情的决策过程，基于地质环境条件、地下管线、周边建筑物、机械、设备、人员、结构本身、及其他巡视信息的监测数据和巡视数据，利用径向基函数神经网络（RBF ANN）智能集成多源信息与智能警情决策，实现充分信息条件下的快速安全预警。针对目前施工安全风险信息只能体现在二维平面的弊端，开发基于 BIM 的安全风险识别三维可视化技术，通过地下工程模型与进度计划相链接，形成地下工程施工的 4D 模型。以时间为控

16、制轴，将各种安全风险按施工进度进行叠加演化，得到不同施工行为、结构和地质环境条件等综合作用下的时间和空间耦合结果，形成基于BIM 的安全风险识别系统，从而在空间上定位危险部位，时间上跟踪危险工序。施工前安全风险识别与预警技术如图2 所示。地下工程施工中安全风险实时感知与预警图 2 基于BIM 的地下工程施工前安全风险识别与预警 Fig.2 Safety risk early warning model before construction basedon BIM visualization technology地下工程施工过程中安全风险较高，传统施工安全控制技术难以满足施工安全控制的综合 性

17、和实时性的要求，冻胀、开挖、支护及冻融等不可预见风险因素多，地下结构、初期支护和二次衬砌受力体系不断发生变化，一旦发生安全隐患和险情，常会引发不可估计的灾难性后果。因此， 为了降低地下工程施工中安全事故发生概率，需实时感知安全风险，以便及时防范事故发生。安全风险实时感知系统为了实现地质环境条件与结构的多物理量连续实时感知，提高地下工程施工过程应力、应变、温度和渗流等安全信息的采集和传输能力， 将传感技术引入到地下工程施工中，利用传感器具有多物理场耦合监测、高精度、自动连续、抗电磁干扰、不受水和潮湿环境影响以及其存活率 高、可靠性强及可远距离传输等优点， 分别进行周围地质环境条件、初期支护和既有

18、结构的温度、应变、周围土体渗流情况等进行监测，构建基于BIM 与物联网的地下工程施工多场耦合实时感知系统，实现施工过程中自动连续采集数据， 实时分析与并通过 BIM 系统实时显示与预警。施工中安全风险实时感知系统如图3 所示。图 3 安全风险实时感知与预警系统Fig.3 System of the safety risk real-time sensing and early- warning安全传感布设方案中，预先将光纤光栅传感器安装在小导管内壁，利用小导管保护，提高传感器成活率，减少零点漂移。再利用钻孔设备将第7 期陈永高等. 基于BIM 与物联网的地下工程施工安全风险预警与实时控制研究9

19、7预先安装好光纤传感器的小导管分段打入土层， 在小导管中按2 m 左右间隔布置一个温度补偿传感器，保证小导管中的传感器与结构、周边土体耦合良好。数据采集时，由数据采集器以低频率例如10 Hz 对传感器进行扫描采集，获得应变、温度、流量等相关数据信息，将数据上传至地面服务器进行运算分析，计算得到应力、变形、地下水位与渗流情况等安全相关数据，与BIM 模型数据进行比对，获得安全分析数据，同时通过 BIM 系统进行多维显示与风险预警。安全风险实时预警系统地下工程施工埋深大，距离长，且不可预测的地质环境条件、多专业的同时施工及采用多样的施工方法，使得地下工程项目的风险较高。因此，地下工程施工中，除了建

20、立“物的状态”（温度、应力、位移场）实时感知系统外，“人的行为”（身份、位置信息）的实时预警也尤为重要。在实时感知系统的基础上 ，通 过无线传感网络（WSN）、Zigbee 射频识别（RFID）等传输技术建立施工人员实时定位系统。将数据连接在中间服务器上，基于各种对数据的分析，实现人员实时定位、移动目标实时跟踪，并将施工过程中地质环境、结构和人的安全信息综合起来进行安全分析判断。同时人员定位等信息在BIM 模型中显示，及时准确地发布预警信息，并及时通知现场作业人员采取应急措施， 并启动相应的应急预案，实现安全控制实时化。基于物联网和 BIM 的施工现场人员实时定位系统的组成如图4 所示。（1）

21、地下部分在地下工程中每隔 50 m 布置一个定位探测器，用通讯电缆将其连接，使其信号均匀覆盖到地下施工区域。施工人员随身佩戴 RFID 识别卡和便携式预警终端，RFID 识别卡主要负责人员实时定位信息进行采集、预处理，通过定位探测器识别施工人员携带的 RFID 识别卡，比对系统中的识别卡参数，识别施工人员的姓名，类型，职能等信息。通过探测器建立的跟踪区域，获得施工人员的实际位置和行动轨迹等动态信息便携式 预警装置和 RFID 阅读器用 Zigbee 技术连接，实现数据的交换。然后通过 WSN 将RFID 阅读器、RFID 识别卡、便携式报警装置等信息传输在数据收集终端，存储、计算、分析后在 B

22、IM 系统中实时显示。图 4 现场人员实时定位系统架构Fig.4 System of personnel on site real-time tracking风井部分风井兼作数据垂直传输的通道，将在地下采集到的数据信号，通过数据电缆可靠地传输到地面。为方便物联网信息传输，通过串口服务器将各类传感器信息转换为基于 TCP/IP 协议的网络通讯数据，将RS-232 等串口转换为网络结构，并与无线 AP 相连，极大地扩大了数据传输距离，便于远程监控。地面部分地面部分是由远程计算机，应用服务器和数据库服务器等硬件系统和 GIS 系统处理、BIM 施工信息处理等软件系统组成。结合了物联网的数据通讯、数据

23、处理及 BIM 的可视化多维显示技术，能够及时、有效地将地下工程施工过程中各个区域人员动态地反映到地面控制中心，使地面管理人员能够随时掌握地下施工人员的总数及分布情况，下井、出井时间及运动轨迹，以便更加合理地掌控人员的实时动态信息。利用BIM 技术建立地下结构和环境的模型， 并采用反分析技术，计算、分析和比对各项数据， 评估在地下施工过程中的安全风险。通过物联 网数据通讯，及时地将安全警示信息发送到便携式报警装置，根据施工人员的位置信息，分析出最合理的应对策略，安全事故防范从被动管理转为主动管理。便携式预警终端预警终端装置可以随身携带， 主要由芯片、蜂鸣器、指示灯和震动器组成，可以提高现场施工

24、人员的应急处置能力。结语本文将风险控制理论与物联网及建筑信息98科技通报第32 卷技术相结合，构建地下工程施工安全预警系统， 实现地下工程施工前安全风险识别、施工中实时感知和预警。为地下工程施工安全风险管理提供了新的思路，具有重要的理论意义和应用价值。（1）针对传统感知方法存在的不足， 将 BIM 技术和物联网技术引入到地下工程施工中，提出基于BIM 和物联网的实时感知系统，分别进行周围地质环境条件和结构体的温度、 应力实时监有效地发布预警信息，并及时通知地下施工人员采取应急措施，实现安全风险识别、感知与预警， 提高施工人员的安全意识和水平，保障地下施工安全。参考文献：钱七虎，戎晓力. 中国地

25、下工程安全风险管理的 现状、问题及相关建议J. 岩石力学与工程学报，2008，27(4)：649-655.测，实现环境与结构的综合信息连续实时感知。23丁烈云，周诚. 复杂环境下地铁施工安全风险自动识别与预警研究J. 中国工程科学，2012，14(12)：85-93.朱鸿鹄，殷建华，靳伟，等. 基于光纤光栅传感技术的地基基础健康监测研究 J. 土木工程学报，2010，43(6) ：109-11.有效的安全控制必须建立在及时、 完整掌握各类安全信息的基础上。因此， 物联网、传感技术、高效数据通讯技术、大数据计算与分析技术、神经网络等智能算法等技术的综合应用，有利于提高地下工程施工安全信息相关数据

26、的采 集、传输、计算分析和挖掘能力，减少因人为判断导致的漏判、误判，降低施工安全风险，减少损失。地下工程施工安全管理包括施工前和施工中的安全控制。在施工前安全风险识别的基础上，在施工过程中将地下结构、支护和周边地质环境的等物的安全状态数据和人的安全行为数据无缝对接，包括实时感知和安全风险实时预警。预警系统用于提高施工现场安全信息的共享和利用程度，实现地下工程复杂施工环境下实时跟踪施工人员，并将地下工程施工过程中地质环境条件、结构和人的安全信息进行综合分析判断，在建筑信息模型 BIM 系统中实时显示，及时丁烈云，周 诚，叶肖伟，等. 长江地铁联络通道施工安全风险实时感知预警研究 J. 土木工程学报，2013，46(7)：141-150.郭红领，于言滔，刘文平，张伟胜. BIM 和RFID 在施工安全管理中的集成应用研究 J. 工程管理学报，2014，28 (4)：87-92.Ding L Y，Zhou C. Development of web-based