CN106228474A - 一种基于三维定位和bim的施工安全管控系统及方法 - Google Patents

一种基于三维定位和bim的施工安全管控系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于三维定位和BIM的施工安全管控系统，包括一个发射读写器和多个附加的接收读写器，数据处理装置,显示装置和报警装置。基于该系统的管控方法为，安全帽上的发射读写器发射信号至后台已知三维位置的多个接收读写器；由于其到达时间不同，而无线电波的传播速度在一定条件下为定值，数据处理装置可把时间差转化为距离差，之后利用DTOA算法计算出施工人员的准确三维位置；在后台管理系统上通过数据转换，实时传送到BIM模型中，在BIM模型中通过根据国家施工人员安全相关规范及施工管理人员多年施工经验预设的工地危险区域结合三维定位数据做出报警判断，并且通过安全帽的报警装置提醒施工人员,实现安全管控自动化。

Description

一种基于三维定位和BIM的施工安全管控系统及方法
技术领域
本发明属于工人行为安全管控领域，更具体地，涉及一种基于三维定位和BIM的施工安全管控安全帽，主要用于工程项目的施工现场。
背景技术
目前，工程项目的施工现场事故频发，虽然国家规范有许多相应的施工人员安全规范，且对施工行为有严格要求，但都是书面上的文件，没有相对完善的施工人员安全管控措施，只能依靠施工管理人员的人工提醒，但施工现场环境复杂，单单依靠管理人员的监督是不够的，且不同的管理人员因自身经验不同而对安全的理解程度不同，施工人员安全不能得到有效管控；而且当事故发生时我们因不知道施工人员的具体位置而不能及时对他们施救。
综上所述，鉴于传统的施工人员安全管控的缺陷，亟需一种能够自动对施工人员进行定位、实时自动提醒施工人员所处位置的安全状态、判断客观稳定的安全管控系统。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明旨在提供一种施工安全管控系统及方法，其目的在于即使对工人进行定位，判别其域危险区域的关系并发出提醒，减少施工现场事故以及便于及时搜救，由此解决施工人员安全管控上的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于三维定位和BIM的施工安全管控系统，包括：安全帽、一个发射读写器、已知位置的至少三个接收读写器、数据处理装置、BIM模型存储器、显示装置和报警装置；
任意三个接收读写器不共线，发射读写器、报警装置设于安全帽上，发射读写器的输出端连接接收读写器的输入端，接收读写器的输出端连接数据处理装置的输入端，数据处理装置的输出端连接显示装置和报警装置，BIM模型存储器中存有包含危险区域划分的BIM模型；
发射读写器用于向接收读写器发射无线信号，接收读写器用于接收上述无线信号并实时传递给数据处理装置，数据处理装置用于将接收到上述无线信号的时间差转化为距离差，并计算出发射读写器的三维位置，并将得到的位置输入到BIM模型中；
显示装置用于显示BIM模型以及模拟显示发射读写器在BIM模型中的位置；
报警装置用于根据发射读写器在BIM模型中的位置与BIM模型中划分的危险区域的关系判定发射读写器所处位置是否安全并根据判定结果实时报警。
进一步地，报警装置包括语音报警器和震动提醒器。
进一步地，报警装置包括AR眼镜，实时输出判定结果。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于上述施工安全管控系统的施工安全管控方法，包括以下步骤：
(1)建立施工现场危险区域数据库以及工程项目的BIM模型，并将施工现场危险区域数据库与BIM模型关联，在BIM模型中划分出危险区域；
(2)建立世界坐标系，发射读写器实时向预设的在世界坐标系中已知坐标的至少三个接收读写器发送无线信号；
(3)数据处理装置根据接收读写器接收到信号的时间差，计算出发射读写器的三维位置坐标；
(4)将发射读写器的位置坐标输入到BIM模型中，并与BIM模型中预设的危险区域进行对照，在判断出发射读写器进入危险区域后进行报警。
进一步地，BIM模型中危险区域包括中心危险区和周边警示区，周边警示区包围在中心危险区外，周边警示区至少有一层；步骤(4)中，发射读写器的坐标位置落在不同的周边警示区，报警装置对应发出的报警信号不同。
进一步地，报警装置设有语音报警和震动提醒，步骤(4)中，发射读写器的坐标位置所在的周边警示区越靠近中心危险区，语音的音量和震动的强度越大。
进一步地，周边警示区预设有识别码，报警装置预设有对应该识别码的报警语音信息，步骤(4)中，报警装置读取发射读写器的坐标位置所在的周边警示区的识别码，发出对应的报警语音信息，以提醒使用者当前与中心危险区的距离。
进一步地，报警装置包括AR眼镜，周边警示区预设有识别码，报警装置预设有对应该识别码的报警文字信息，步骤(4)中，报警装置读取发射读写器的坐标位置所在的周边警示区的识别码，在AR眼镜上显示对应的报警文字信息，以提醒使用者当前与中心危险区的距离。
进一步地，步骤(3)中，获取发射读写器三维位置坐标的方法如下：
设(x,y,z)为待测的发射读写器的三维位置坐标，(xi,yi,zi)为第i个接收读写器的已知位置坐标，i＝1、2、3，则有
2(xi,1,yi,1,zi,1,ri,1)(x,y,z,r1)T＝Ki-K1-ri,1 2 (7)
其中，
Ki＝xi 2+yi 2+zi 2；xi,1＝xi-x1；yi,1＝yi-y1；zi,1＝zi-z1；
r1-发射读写器和第1个接收读写器之间的距离；
ri,1-发射读写器至第i个接收读写器之间的距离和发射读写器至第1个接收读写器之间的距离的差值，直接由数据处理装置根据第i个接收读写器和第1个接收读写器接收到信号的时间差换算得到；
式(7)中x,y,z,r1是未知数，求解式(7)即得到发射读写器的三维位置坐标(x,y,z)。
进一步地，施工现场预设i个接收读写器，i>3，数据处理装置随机选择3个接收读写器接收到的信号进行计算，得出多组三维位置坐标(x,y,z)，取其均值作为最终结果输入BIM模型。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于能够实时管控施工人员的行为安全，能够取得下列有益效果：
(1)管控方便：传统的施工人员安全管控一般都是人工现场管控，该方法需要项目管理人员到施工现场进行安全管控，而不同的管理人员因经验的不同而对安全规范的把控不同，而且施工现场环境复杂，施工人员较多，人工现场管控较困难。基于三维定位和BIM的安全管控系统，只需安装好相关设备后，项目管理人员无需再到施工现场，便可依靠该系统及方法进行自动管控。
(2)实时管控：通过基于三维定位和BIM的安全管控系统，能够实现在复杂施工环境下对施工人员行为的实时管控，从而及时发现施工人员的不安全行为并报警提醒。
(3)智能判断：本发明采用三维定位技术与BIM技术相结合的方法，在BIM模型中通过预设的工地危险区域及报警规则结合三维定位数据做出报警判断，并且通过安全帽的报警装置提醒施工人员，实现智能化安全管控。
(4)高效报警：报警装置直接安装在安全帽上，不易被忽略。
附图说明
图1是本发明所述的一种基于三维定位和BIM的施工安全管控系统的基本功能结构图；
图2是本发明实施例实时流程图；
图3是TDOA算法示意图；
图4是危险区域设置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的一种基于三维定位和BIM的施工安全管控系统，包括：安全帽、一个发射读写器、已知位置的至少三个接收读写器、数据处理装置、BIM模型存储器、显示装置和报警装置。
任意三个接收读写器不共线，发射读写器、报警装置设于安全帽上，发射读写器的输出端连接接收读写器的输入端，接收读写器的输出端连接数据处理装置的输入端，数据处理装置的输出端连接显示装置和报警装置，BIM模型存储器中存有包含危险区域划分的BIM模型。接收读写器的数量越多，分布越广，定位越准确，发生事故时对相关人员的搜救也越及时。
发射读写器用于向接收读写器发射无线信号，接收读写器用于接收上述无线信号并实时传递给数据处理装置，数据处理装置用于将接收到上述无线信号的时间差转化为距离差，并计算出发射读写器的三维位置，并将得到的位置输入到BIM模型中。
显示装置用于显示BIM模型以及模拟显示发射读写器在BIM模型中的位置。
报警装置用于根据发射读写器在BIM模型中的位置与BIM模型中划分的危险区域的关系判定发射读写器所处位置是否安全并根据判定结果实时报警。
报警装置包括语音报警器和震动提醒器，施工人员越靠近危险区域或在危险区域内行进越深，语音报警的音量越大，震动提醒器的震动越强。
在其他实施例中(未图示)，报警装置还可以包括AR眼镜，实时输出判定结果，包括施工人员当前所处位置，是否安全，以及到危险区域的距离或进入危险区域的深度。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于上述施工安全管控系统的施工安全管控方法，包括以下步骤：
(1)建立施工现场危险区域数据库以及工程项目的BIM模型，并将施工现场危险区域数据库与BIM模型关联，在BIM模型中划分出危险区域；
(2)建立世界坐标系，发射读写器实时向预设的在世界坐标系中已知坐标的至少三个接收读写器发送无线信号；
(3)数据处理装置根据接收读写器接收到信号的时间差，计算出发射读写器的三维位置坐标；
(4)将发射读写器的位置坐标输入到BIM模型中，并与BIM模型中预设的危险区域进行对照，在判断出发射读写器进入危险区域后进行报警。
为了进一步的加强安全管理，可以对危险区域进行如下设置：BIM模型中危险区域包括中心危险区和周边警示区，将不允许进入的区域设为中心危险区，在中心危险区周围，依照管理经验或现场情况，设置周边警示区。周边警示区包围在中心危险区外，周边警示区至少有一层，周边警示区的宽度可以不等，例如宽1～5m；步骤(4)中，发射读写器的坐标位置落在不同的周边警示区，报警装置对应发出的报警信号不同，例如强度、语音内容等，AR眼镜上则可以直接显示处于几米警示区，语音可以直接播报处于哪个警示区。
作为一个优选实施例，报警装置设有语音报警和震动提醒，步骤(4)中，发射读写器的坐标位置所在的周边警示区越靠近中心危险区，语音的音量和震动的强度越大。由于在BIM模型中设置了危险区域以后，危险区域内的每个点的坐标也都是已知的，因此，报警装置也可以实时计算发射读写器的坐标距离危险区域边缘的最短距离，实时发出警报，以提醒施工人员距离危险区域的距离，可以直接语音播报距离并伴随震动提醒，也可以将距离信息实时显示在AR眼镜上，此时可以不设置周边警示区。特别地，如果周边有多个危险区域，警报装置可以实时计算出施工人员距离多个危险区域边缘的最短距离，并一起显示在AR眼镜上。
在其他实施例中(未图示)，也可以在周边警示区预设识别码，报警装置预设有对应该识别码的报警语音信息，步骤(4)中，报警装置读取发射读写器的坐标位置所在的周边警示区的识别码，发出对应的报警语音信息，以提醒使用者当前与中心危险区的距离。
在其他实施例中(未图示)，报警装置包括AR眼镜，周边警示区预设有识别码，报警装置预设有对应该识别码的报警文字信息，步骤(4)中，报警装置读取发射读写器的坐标位置所在的周边警示区的识别码，在AR眼镜上显示对应的报警文字信息，以提醒使用者当前与中心危险区的距离。
如图2所示，下面列举实例对本发明进行详细的说明。
(1)建立施工现场危险区域数据库
整理国家各行政机关出台的工程施工相关法律法规及施工标准中关于施工现场危险区域的规定，并结合工程管理人员多年的施工经验进行加工整理，建立施工现场危险区域数据库。
(2)在BIM模型中设定危险区域
在BIM中将施工现场进行建模，将施工现场危险区域数据库转换成三维坐标系统输入至已建的BIM模型中并进行设定。
(3)计算施工人员三维位置信息并输入至BIM模型中
发射读写器发射信号，到达不同的接收读写器，利用其到达每个接收读写器的时间不同，而无线电波的传播速度在一定条件下为定值，可把时间分发信息转换成距离信息，将时间差转化为距离差，之后利用通过TDOA算法计算出施工人员的准确三维位置，并输入至BIM模型中。
三维位置的计算：由于无线电波的传播速度在一定条件下为定值，所以相应的距离差可以用时间差来表示，只要测量出时间差就可以得到相应的距离差，在下面的TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)算法中，就用距离差来代替时间差。
如图3所示，TDOA定位的具体实现算法如下：
设(x,y,z)为待测的发射读写器的三维位置，(xi,yi,zi)为第i个接收读写器的已知位置坐标，则发射读写器和第i个接收读写器之间的距离ri满足
ri＝(xi-x)2+(yi-y)2+(zi-z)2＝Ki-2xix-2yiy-2ziz+x2+y2+z2 (1)
其中Ki＝xi 2+yi 2+zi 2,设ri,1为发射读写器至第i个接收读写器之间的距离和发射读写器至第1个接收读写器之间的距离的差值，则
ri,1＝ri-r1＝[(xi-x)2+(yi-y)2+(zi-z)2]1/2-[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2 (2)
由(2)式化简得到：
ri 2＝(ri,1+r)2 (3)
将(3)式展开，并将(1)式代入(2)式，则有
ri,1 2+2ri,1r1+r1 2＝Ki-2xix-2yiy-2ziz+x2+y2+z2 (4)
当i＝1时，代入(4)式得到
r1 2＝K1-2x1x-2y1y-2z1z+x2+y2+z2 (5)
(4)、(5)两式相减，得到
ri,1 2+2ri,1r1＝Ki-2xi,1x-2yi,1y-2zi,1z-K1 (6)
其中xi,1＝xi-x1,yi,1＝yi-y1,zi,1＝zi-z1
写成矩阵形式有
2(xi,1,yi,1,zi,1,ri,1)(x,y,z,r1)T＝Ki-K1-ri,1 2 (7)
将x,y,z,r1视为4个未知数，则式(7)成为线性方程组，求解该矩阵方程组便可以得到发射读写器的三维坐标位置(x,y,z)，即施工人员的三维位置。
(4)智能判定并发出警报
当施工人员的三维位置输入至BIM模型后，系统将进行自动识别，当其在BIM模型中的危险区域时，系统就启动报警装置进行报警，且当施工人员在危险区域深入时，系统的反映就会越来越强烈，从而引起报警装置的语音和震动越来越强烈，以此管控施工人员的安全。通过语音和震动两方面来进行报警提醒，由于施工现场环境复杂，声音嘈杂，有时候语音提醒并不能完全引起施工人员的注意，而震动则是施工人员自身很容易感受到的。如果语音直接播报距离，或者通过AR眼镜直接显示距离及警报信息，则更加直观便捷。
由于本发明是实时将施工人员的位置输入到BIM模型中，如果施工过程中发生危险，则可以立刻获知施工人员所处位置，及时展开施救。即使是由于事故导致定位功能不再起作用，通过查看BIM模型中的数据记录即可获知最后收到定位信息时施工人员所处位置，从而估算出事故地点。而本发明是在施工现场布置接收读写器，与发射读写器配合，所以可以避免地形限制，尤其适用于GPS定位无法涉及的隧道、山区、高楼密集区等施工地点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于三维定位和BIM的施工安全管控系统，其特征在于，包括：安全帽、一个发射读写器、已知位置的至少三个接收读写器、数据处理装置、BIM模型存储器、显示装置和报警装置；
任意三个接收读写器不共线，发射读写器、报警装置设于安全帽上，发射读写器的输出端连接接收读写器的输入端，接收读写器的输出端连接数据处理装置的输入端，数据处理装置的输出端连接显示装置和报警装置，BIM模型存储器中存有包含危险区域划分的BIM模型；
发射读写器用于向接收读写器发射无线信号，接收读写器用于接收上述无线信号并实时传递给数据处理装置，数据处理装置用于将接收到上述无线信号的时间差转化为距离差，并计算出发射读写器的三维位置，并将得到的位置输入到BIM模型中；
显示装置用于显示BIM模型以及模拟显示发射读写器在BIM模型中的位置；
报警装置用于根据发射读写器在BIM模型中的位置与BIM模型中划分的危险区域的关系判定发射读写器所处位置是否安全并根据判定结果实时报警。
2.如权利要求1所述的一种基于三维定位和BIM的施工安全管控系统，其特征在于，报警装置包括语音报警器和震动提醒器。
3.如权利要求1或2所述的一种基于三维定位和BIM的施工安全管控系统，其特征在于，报警装置包括AR眼镜，实时输出判定结果。
4.一种基于权利要求1所述的施工安全管控系统的施工安全管控方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立施工现场危险区域数据库以及工程项目的BIM模型，并将施工现场危险区域数据库与BIM模型关联，在BIM模型中划分出危险区域；
(2)建立世界坐标系，发射读写器实时向预设的在世界坐标系中已知坐标的至少三个接收读写器发送无线信号；
(3)数据处理装置根据接收读写器接收到信号的时间差，计算出发射读写器的三维位置坐标；
(4)将发射读写器的位置坐标输入到BIM模型中，并与BIM模型中预设的危险区域进行对照，在判断出发射读写器进入危险区域后进行报警。
5.如权利要求4所述的施工安全管控方法，其特征在于，BIM模型中危险区域包括中心危险区和周边警示区，周边警示区包围在中心危险区外，周边警示区至少有一层；步骤(4)中，发射读写器的坐标位置落在不同的周边警示区，报警装置对应发出的报警信号不同。
6.如权利要求5所述的施工安全管控方法，其特征在于，报警装置设有语音报警和震动提醒，步骤(4)中，发射读写器的坐标位置所在的周边警示区越靠近中心危险区，语音的音量和震动的强度越大。
7.如权利要求6所述的施工安全管控方法，其特征在于，周边警示区预设有识别码，报警装置预设有对应该识别码的报警语音信息，步骤(4)中，报警装置读取发射读写器的坐标位置所在的周边警示区的识别码，发出对应的报警语音信息，以提醒使用者当前与中心危险区的距离。
8.如权利要求6所述的施工安全管控方法，其特征在于，报警装置包括AR眼镜，周边警示区预设有识别码，报警装置预设有对应该识别码的报警文字信息，步骤(4)中，报警装置读取发射读写器的坐标位置所在的周边警示区的识别码，在AR眼镜上显示对应的报警文字信息，以提醒使用者当前与中心危险区的距离。
9.如权利要求4～8任意一项所述的施工安全管控方法，其特征在于，步骤(3)中，获取发射读写器三维位置坐标的方法如下：
设(x,y,z)为待测的发射读写器的三维位置坐标，(xi,yi,zi)为第i个接收读写器的已知位置坐标，i＝1、2、3，则有
2(xi,1,yi,1,zi,1,ri,1)(x,y,z,r1)T＝Ki-K1-ri,1 2 (7)
其中，
Ki＝xi 2+yi 2+zi 2；xi,1＝xi-x1；yi,1＝yi-y1；zi,1＝zi-z1；
r1-发射读写器和第1个接收读写器之间的距离；
ri,1-发射读写器至第i个接收读写器之间的距离和发射读写器至第1个接收读写器之间的距离的差值，直接由数据处理装置根据第i个接收读写器和第1个接收读写器接收到信号的时间差换算得到；
式(7)中x,y,z,r1是未知数，求解式(7)即得到发射读写器的三维位置坐标(x,y,z)。
10.如权利要求9所述的一种施工安全管控方法，其特征在于，施工现场预设i个接收读写器，i>3，数据处理装置随机选择3个接收读写器接收到的信号进行计算，得出多组三维位置坐标(x,y,z)，取其均值作为最终结果输入BIM模型。
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