CN111784967A - 一种基于bim的建筑施工安全预警防护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，属于BIM建筑施工技术领域，信息输入模块用于将施工工地上的各项数据信息输入该系统，模型建立模块用于建立施工工地的模型，中央控制模块用于对整个系统进行智能化控制，分析预警模块用于根据建立的工地模型，分析施工过程中存在的各项危险行为，本发明通过建立二维模型以及平面直角坐标系，根据危险区域划分单元和行进轨迹预测单元，有效的实现对施工人员的行进轨迹预测，根据预测的行进轨迹判断施工人员是否会进入危险区域，再根据人脸识别和人脸信息输入单元，确定可以进入危险区域施工的施工人员人脸信息，可以有效的避免无关人员进入危险区域，可以有效的保障施工人员的人身安全。

Description

一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统

技术领域

本发明涉及BIM建筑施工技术领域，具体是一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统。

背景技术

建筑信息模型是建筑学、工程学及土木工程的新工具，它是来形容那些以三维图形为主、物件导向、建筑学有关的电脑辅助设计；

随着信息时代的高速发展，建筑施工的安全性也被转化为信息数据进行计算和存储，现有的BIM建筑施工只能进行建筑模型的设计和建设，但是无法对施工人员的人身安全进行保障，存在着以下缺点：

1、建筑施工过程中，对于建筑工人安全帽的佩戴只能通过人工提醒的方式进行佩戴，容易出现施工人员不佩戴安全帽或者忘记佩戴安全帽的现象，影响施工人员的人身安全；

2、建筑施工过程中，容易出现高空坠物的情况，严重危害了施工人员的人身安全，施工人员的人身安全得不到保障；

所以，如何在施工过程中进行安全施工的预警和防护成为了人们额待解决的问题，所以，人们急需一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，以解决现有技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，该建筑施工安全预警防护系统包括信息输入模块、模型建立模块、中央控制模块和分析预警模块；

所述信息输入模块用于将施工工地上的各项数据信息输入该系统，所述模型建立模块用于建立施工工地的模型，以便于根据建立的模型对工地的安全进行预警和防护，所述中央控制模块用于对整个系统进行智能化控制，所述分析预警模块用于根据建立的工地模型，分析施工过程中存在的各项危险行为，对危险行为进行预警和及时的制止，降低工地上施工事故发生的概率，保障施工人员的人身安全；

所述信息输入模块的输出端电性连接模型建立模块和中央控制模块的输入端，所述模型建立模块的输出端电性连接中央控制模块和分析预警模块的输入端，所述中央控制模块的输出端电性连接分析预警模块的输入端。

根据上述技术方案，所述信息输入模块包括机器视觉识别单元、人脸信息输入单元、工地数据输入单元、塔吊轨迹输入单元和塔吊施工时间单元；

所述机器视觉识别单元用于对建筑工地上的施工人员头顶的颜色进行识别，以此来判断建筑工地的施工人员是否佩戴安全头盔，所述人脸信息输入单元用于将需要进入危险区域进行施工的施工人员的人脸信息输入该系统，便于后期对进入危险区域的施工人员进行人脸识别，所述工地数据输入单元用于输入建筑工地的尺寸数据以及建筑物和塔吊的坐标值信息，便于进行危险区域的划分，所述塔吊轨迹输入单元用于根据塔吊的坐标值信息输入其施工过程中的运行轨迹信息，以便于根据塔吊的运行轨迹信息确认其运行轨迹上是否有施工人员施工，以便于保障施工人员的人身安全，所述塔吊施工时间单元用于对塔吊施工的时间段进行输入，以便于根据塔吊的施工时间段重新划分塔吊施工时的危险区域，避免塔吊的危险区域一直存在影响施工人员的正常施工；

所述机器视觉识别单元和人脸信息输入单元的输出端电性连接中央控制模块的输入端，所述工地数据输入单元、塔吊轨迹输入单元和塔吊施工时间单元的输出端电性连接模型建立模块的输入端。

根据上述技术方案，所述模型建立模块包括二维模型建立单元、危险区域划分单元和坐标值赋予单元；

所述二维模型建立单元用于建立建筑工地的平面二维模型，基于二维模型进行安全施工的预警和防护，所述危险区域划分单元用于在建立的二维模型上划分出建筑工地施工过程中的危险区域，此危险区域为会出现施工事故的区域，所述坐标值赋予单元用于赋予建立的二维模型以平面直角坐标系，便于对二维模型中的每一个点进行更加精准的定位，便于后期的分析和计算；

所述二维模型建立单元输出二维模型，所述坐标值赋予单元的输出端电性连接二维模型的输入端，所述二维模型的输出端电性连接二线区域划分单元的输入端。

根据上述技术方案，所述分析预警模块包括行为轨迹预测单元、人脸识别单元和危险区域更新单元；

所述行进轨迹预测单元用于对建筑工地上施工人员的行进轨迹进行预测，以此来判断施工人员是否会进入危险区域，所述人脸识别单元用于对预测即将进入危险区域的施工人员进行面部识别，以此来判断此施工人员是否必须要进入危险区域进行施工，便于控制进入危险区域施工的施工人员以及外来人员，降低施工事故发生的概率，所述危险区域更新单元用于根据塔吊的运行轨迹以及运行的时间不断的更新塔吊运行轨迹上的危险区域，避免危险区域的长时间存在，影响工地的正产施工；

所述行为轨迹预测单元、人脸识别单元的输出端电性连接中央控制模块的输入端，所述二维模型的输出端电性连接危险区域更新单元的输入端，所述危险区域更新单元的输出端电性连接中央控制模块的输入端。

根据上述技术方案，所述分析预警模块还包括预警防护警告单元；

所述预警防护警告单元用于对即将进入危险区域的非必要施工人员以及外来人员进行语音警告，还用于对建筑工地上未佩戴安全帽的施工人员进行语音警告，保障施工人员的人身安全；

所述中央控制模块的输出端电性连接预警防护警告单元的输入端。

根据上述技术方案，所述二维模型建立单元建立施工工地的二维模型之后，所述坐标值赋予单元以二维模型的一个顶角为圆心建立平面直角坐标系，使得整个二维模型都位于平面直角坐标系的第一象限，使得坐标值赋予单元赋予二维模型的坐标值都为正，便于后期的分析和计算，所述危险区域划分单元对二维模型中的危险区域进行划分，所述坐标值赋予单元赋予危险区域各个顶角的坐标值分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、…、(x_n,y_n)；

所述坐标值赋予单元对平面直角坐标系中的施工人员的位置进行实时定位，所述实时定位通过安装在安全头盔内部的定位单元实现，最终组成施工人员坐标位置的集合P＝{P₁，P₂，P₃，…，P_m}，每一个实时定位的坐标位置P_i的坐标值为(X_i，Y_i)。

根据上述技术方案，所述行进轨迹预测单元根据下列公式对施工人员的行进轨迹进行预测：

其中，θ表示施工人员行进方向与平面直角坐标系X轴或者Y轴之间夹角的锐角，X_i和X_i+1分别表示施工人员第i次位置定位和第i+1次位置定位在X轴上的坐标值，Y_i和Y_i+1分别表示施工人员第i次位置定位和第i+1次位置定位在Y轴上的坐标值；

根据下列公式对θ的具体数值进行计算：

根据下列公式对施工人员与危险区域顶角之间的角度α进行计算：

其中，α表示施工人员的位置(X_i，Y_i)与危险区域夹角的连线与平面直角坐标系X轴或者Y轴之间夹角的锐角，x_k表示危险区域的第i个顶角在X轴上的坐标值，y_k表示危险区域的第i个顶角在Y轴上的坐标值，X_i表示施工人员第i次位置定位在X轴上的坐标值，Y_i表示施工人员第i次位置定位在Y轴上的坐标值；

θ和α所参考的轴线为同一条轴线；

当θ＜α时，表明施工人员的行进轨迹不是朝向危险区域行进的，暂时不对该名施工人员的行进轨迹进行实时预测；

当θ＞α时，表明施工人员的行进轨迹为朝向危险区域行进，所述人脸识别单元对该名施工人员的人脸信息进行识别并比对；

当确定该名施工人员为必须进入危险区域进行施工时，不再继续对该名施工人员的行进轨迹进行预测和分析；

当确定该名施工人员为非必须进入危险区域进行施工的施工人员或外来人员时，需要对该名施工人员或外来人员的行进轨迹进行进一步的预测和分析。

根据上述技术方案，当需要对该名施工人员或外来人员的行进轨迹进行进一步的预测和分析时，将该名施工人员或外来人员在危险区域外的位置在X轴上的坐标值X_i或Y轴上的坐标值Y_i进行提取，在危险区域的边缘提取与X_i或者Y_i相等的坐标值X_k或者Y_k；

当X_i＝X_k时，计算Y_i与Y_k之间的距离L_Y：

L_Y＝|Y_k-Y_i|；

当Y_i＝Y_k时，计算X_i与X_k之间的距离L_X：

L_X＝|X_k-X_i|；

当L_Y≤L或L_X≤L时，表明该名施工人员或者外来人员即将进入危险区域，存在一定的危险性，所述中央控制模块向预警防护警告单元发送指令，所述预警防护警告单元通过语音播报提醒该名施工人员或者外来人员抓紧时间离开该区域，避免该名施工人员或者外来人员进入危险区域发生施工事故，可以有效的保障该名施工人员或外来人员的人身安全。

根据上述技术方案，所述塔吊轨迹输入单元根据建立之后的二维模型以及平面直角坐标系，输入塔吊运行过程中的轨迹坐标，组成塔吊运行轨迹坐标值集合Q＝{(M₁，N₁),(M₂，N₂),(M₃，N₃),…,(M_q，N_q)}，其中，q表示塔吊运行轨迹中以t为时间单元，经历过了q个坐标值，所述危险区域划分单元以塔吊运行轨迹坐标值(M_i，N_i)为圆心，以R为半径，建立塔吊运行轨迹上的危险区域，所述半径R根据下列公式进行确定：

其中，R表示相邻两个坐标值之间的距离。

根据上述技术方案，所述塔吊施工时间单元输入塔吊的施工时间段[T₁,T₂]，在时间段[T₁,T₂]范围内，对施工人员与塔吊运行轨迹坐标值之间的距离I进行计算：

当I≤R+a时，其中，a表示设定的波动值，Xk和Yk分别表示施工人员在直角平面坐标系上的横坐标值和纵坐标值，表明施工人员距离塔吊运行轨迹的危险区域的距离小于设定的阈值，存在危险，所述中央控制模块向预警防护警告单元发送指令，所述预警防护警告单元通过语音提醒的方式催促施工人员赶紧离开，避免塔吊在吊装建筑器材的时候发生高空坠物的情况对施工人员造成威胁，可以有效的保证施工人员的人身安全。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过建立二维模型以及平面直角坐标系，根据危险区域划分单元和行进轨迹预测单元，可以有效的实现对施工人员的行进轨迹预测，可以根据预测的行进轨迹判断施工人员是否会进入危险区域，再根据人脸识别和人脸信息输入单元，确定可以进入危险区域施工的施工人员人脸信息，可以有效的避免无关人员进入危险区域，可以有效的降低施工事故发生的概率，可以有效的保障施工人员的人身安全。

2、本发明通过对塔吊工作轨迹坐标值的输入，可以有效的确定塔吊的运行轨迹范围内的危险区域，可以根据塔吊运行的时间以及运行的危险区域，判断是否有施工人员在危险区域内，对在塔吊运行的危险区域内施工的施工人员进行及时的制止，可以有效的保障施工人员的人身安全。

3、本发明通过机器视觉识别单元可以有效的判断施工人员是否佩戴了安全头盔，可以自动化的对施工人员未佩戴安全头盔的现象进行提醒。

附图说明

图1为本发明一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统的模块组成示意图；

图2为本发明一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统的模块连接示意图；

图3为本发明一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统二维模型分析示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～3所示，一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，该建筑施工安全预警防护系统包括信息输入模块、模型建立模块、中央控制模块和分析预警模块；

信息输入模块用于将施工工地上的各项数据信息输入该系统，模型建立模块用于建立施工工地的模型，以便于根据建立的模型对工地的安全进行预警和防护，中央控制模块用于对整个系统进行智能化控制，分析预警模块用于根据建立的工地模型，分析施工过程中存在的各项危险行为，对危险行为进行预警和及时的制止，降低工地上施工事故发生的概率，保障施工人员的人身安全；

信息输入模块的输出端电性连接模型建立模块和中央控制模块的输入端，模型建立模块的输出端电性连接中央控制模块和分析预警模块的输入端，中央控制模块的输出端电性连接分析预警模块的输入端。

信息输入模块包括机器视觉识别单元、人脸信息输入单元、工地数据输入单元、塔吊轨迹输入单元和塔吊施工时间单元；

机器视觉识别单元用于对建筑工地上的施工人员头顶的颜色进行识别，以此来判断建筑工地的施工人员是否佩戴安全头盔，人脸信息输入单元用于将需要进入危险区域进行施工的施工人员的人脸信息输入该系统，便于后期对进入危险区域的施工人员进行人脸识别，工地数据输入单元用于输入建筑工地的尺寸数据以及建筑物和塔吊的坐标值信息，便于进行危险区域的划分，塔吊轨迹输入单元用于根据塔吊的坐标值信息输入其施工过程中的运行轨迹信息，以便于根据塔吊的运行轨迹信息确认其运行轨迹上是否有施工人员施工，以便于保障施工人员的人身安全，塔吊施工时间单元用于对塔吊施工的时间段进行输入，以便于根据塔吊的施工时间段重新划分塔吊施工时的危险区域，避免塔吊的危险区域一直存在影响施工人员的正常施工；

机器视觉识别单元和人脸信息输入单元的输出端电性连接中央控制模块的输入端，工地数据输入单元、塔吊轨迹输入单元和塔吊施工时间单元的输出端电性连接模型建立模块的输入端。

模型建立模块包括二维模型建立单元、危险区域划分单元和坐标值赋予单元；

二维模型建立单元用于建立建筑工地的平面二维模型，基于二维模型进行安全施工的预警和防护，危险区域划分单元用于在建立的二维模型上划分出建筑工地施工过程中的危险区域，此危险区域为会出现施工事故的区域，坐标值赋予单元用于赋予建立的二维模型以平面直角坐标系，便于对二维模型中的每一个点进行更加精准的定位，便于后期的分析和计算；

二维模型建立单元输出二维模型，坐标值赋予单元的输出端电性连接二维模型的输入端，二维模型的输出端电性连接二线区域划分单元的输入端。

分析预警模块包括行为轨迹预测单元、人脸识别单元和危险区域更新单元；

行进轨迹预测单元用于对建筑工地上施工人员的行进轨迹进行预测，以此来判断施工人员是否会进入危险区域，人脸识别单元用于对预测即将进入危险区域的施工人员进行面部识别，以此来判断此施工人员是否必须要进入危险区域进行施工，便于控制进入危险区域施工的施工人员以及外来人员，降低施工事故发生的概率，危险区域更新单元用于根据塔吊的运行轨迹以及运行的时间不断的更新塔吊运行轨迹上的危险区域，避免危险区域的长时间存在，影响工地的正产施工；

行为轨迹预测单元、人脸识别单元的输出端电性连接中央控制模块的输入端，二维模型的输出端电性连接危险区域更新单元的输入端，危险区域更新单元的输出端电性连接中央控制模块的输入端。

分析预警模块还包括预警防护警告单元；

预警防护警告单元用于对即将进入危险区域的非必要施工人员以及外来人员进行语音警告，还用于对建筑工地上未佩戴安全帽的施工人员进行语音警告，保障施工人员的人身安全；

中央控制模块的输出端电性连接预警防护警告单元的输入端。

二维模型建立单元建立施工工地的二维模型之后，坐标值赋予单元以二维模型的一个顶角为圆心建立平面直角坐标系，使得整个二维模型都位于平面直角坐标系的第一象限，使得坐标值赋予单元赋予二维模型的坐标值都为正，便于后期的分析和计算，危险区域划分单元对二维模型中的危险区域进行划分，坐标值赋予单元赋予危险区域各个顶角的坐标值分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、…、(x_n,y_n)；

坐标值赋予单元对平面直角坐标系中的施工人员的位置进行实时定位，实时定位通过安装在安全头盔内部的定位单元实现，最终组成施工人员坐标位置的集合P＝{P₁，P₂，P₃，…，P_m}，每一个实时定位的坐标位置P_i的坐标值为(X_i，Y_i)。

行进轨迹预测单元根据下列公式对施工人员的行进轨迹进行预测：

其中，θ表示施工人员行进方向与平面直角坐标系X轴或者Y轴之间夹角的锐角，X_i和X_i+1分别表示施工人员第i次位置定位和第i+1次位置定位在X轴上的坐标值，Y_i和Y_i+1分别表示施工人员第i次位置定位和第i+1次位置定位在Y轴上的坐标值；

根据下列公式对θ的具体数值进行计算：

根据下列公式对施工人员与危险区域顶角之间的角度α进行计算：

其中，α表示施工人员的位置(X_i，Y_i)与危险区域夹角的连线与平面直角坐标系X轴或者Y轴之间夹角的锐角，x_k表示危险区域的第i个顶角在X轴上的坐标值，y_k表示危险区域的第i个顶角在Y轴上的坐标值，X_i表示施工人员第i次位置定位在X轴上的坐标值，Y_i表示施工人员第i次位置定位在Y轴上的坐标值；

θ和α所参考的轴线为同一条轴线；

当θ＜α时，表明施工人员的行进轨迹不是朝向危险区域行进的，暂时不对该名施工人员的行进轨迹进行实时预测；

当θ＞α时，表明施工人员的行进轨迹为朝向危险区域行进，人脸识别单元对该名施工人员的人脸信息进行识别并比对；

当确定该名施工人员为必须进入危险区域进行施工时，不再继续对该名施工人员的行进轨迹进行预测和分析；

当确定该名施工人员为非必须进入危险区域进行施工的施工人员或外来人员时，需要对该名施工人员或外来人员的行进轨迹进行进一步的预测和分析。

当需要对该名施工人员或外来人员的行进轨迹进行进一步的预测和分析时，将该名施工人员或外来人员在危险区域外的位置在X轴上的坐标值X_i或Y轴上的坐标值Y_i进行提取，在危险区域的边缘提取与X_i或者Y_i相等的坐标值X_k或者Y_k；

当X_i＝X_k时，计算Y_i与Y_k之间的距离L_Y：

L_Y＝|Y_k-Y_i|；

当Y_i＝Y_k时，计算X_i与X_k之间的距离L_X：

L_X＝|X_k-X_i|；

当L_Y≤L或L_X≤L时，表明该名施工人员或者外来人员即将进入危险区域，存在一定的危险性，中央控制模块向预警防护警告单元发送指令，预警防护警告单元通过语音播报提醒该名施工人员或者外来人员抓紧时间离开该区域，避免该名施工人员或者外来人员进入危险区域发生施工事故，可以有效的保障该名施工人员或外来人员的人身安全。

塔吊轨迹输入单元根据建立之后的二维模型以及平面直角坐标系，输入塔吊运行过程中的轨迹坐标，组成塔吊运行轨迹坐标值集合Q＝{(M₁，N₁),(M₂，N₂),(M₃，N₃),…,(M_q，N_q)}，其中，q表示塔吊运行轨迹中以t为时间单元，经历过了q个坐标值，危险区域划分单元以塔吊运行轨迹坐标值(M_i，N_i)为圆心，以R为半径，建立塔吊运行轨迹上的危险区域，半径R根据下列公式进行确定：

其中，R表示相邻两个坐标值之间的距离。

塔吊施工时间单元输入塔吊的施工时间段[T₁,T₂]，在时间段[T₁,T₂]范围内，对施工人员与塔吊运行轨迹坐标值之间的距离I进行计算：

当I≤R+a时，其中，a表示设定的波动值，Xk和Yk分别表示施工人员在直角平面坐标系上的横坐标值和纵坐标值，表明施工人员距离塔吊运行轨迹的危险区域的距离小于设定的阈值，存在危险，中央控制模块向预警防护警告单元发送指令，预警防护警告单元通过语音提醒的方式催促施工人员赶紧离开，避免塔吊在吊装建筑器材的时候发生高空坠物的情况对施工人员造成威胁，可以有效的保证施工人员的人身安全。

实施例一：二维模型建立单元建立施工工地的二维模型之后，坐标值赋予单元以二维模型的一个顶角为圆心建立平面直角坐标系，使得整个二维模型都位于平面直角坐标系的第一象限，使得坐标值赋予单元赋予二维模型的坐标值都为正，便于后期的分析和计算，危险区域划分单元对二维模型中的危险区域进行划分，坐标值赋予单元赋予危险区域各个顶角的坐标值分别为(10,10)、(10,60)、(60,10)、(60,60)；

坐标值赋予单元对平面直角坐标系中的施工人员的位置进行实时定位，实时定位通过安装在安全头盔内部的定位单元实现，最终组成施工人员坐标位置的集合P＝{(0,0),(2,1),(5,3),(8，6),(13,7),(15,9)}，每一个实时定位的坐标位置P_i的坐标值为(X_i，Y_i)。

行进轨迹预测单元根据下列公式对施工人员的行进轨迹进行预测：

其中，θ表示施工人员行进方向与平面直角坐标系X轴或者Y轴之间夹角的锐角，X_i和X_i+1分别表示施工人员第i次位置定位和第i+1次位置定位在X轴上的坐标值，Y_i和Y_i+1分别表示施工人员第i次位置定位和第i+1次位置定位在Y轴上的坐标值；

根据下列公式对θ的具体数值进行计算：

根据下列公式对施工人员与危险区域顶角之间的角度α进行计算：

其中，α表示施工人员的位置(X_i，Y_i)与危险区域夹角的连线与平面直角坐标系X轴或者Y轴之间夹角的锐角，x_k表示危险区域的第i个顶角在X轴上的坐标值，y_k表示危险区域的第i个顶角在Y轴上的坐标值，X_i表示施工人员第i次位置定位在X轴上的坐标值，Y_i表示施工人员第i次位置定位在Y轴上的坐标值；

θ和α所参考的轴线为同一条轴线；

θ＞α，表明施工人员的行进轨迹为朝向危险区域行进，人脸识别单元对该名施工人员的人脸信息进行识别并比对；

当确定该名施工人员为必须进入危险区域进行施工时，不再继续对该名施工人员的行进轨迹进行预测和分析；

当确定该名施工人员为非必须进入危险区域进行施工的施工人员或外来人员时，需要对该名施工人员或外来人员的行进轨迹进行进一步的预测和分析。

当需要对该名施工人员或外来人员的行进轨迹进行进一步的预测和分析时，将该名施工人员或外来人员在危险区域外的位置在X轴上的坐标值X_i或Y轴上的坐标值Y_i进行提取，在危险区域的边缘提取与X_i或者Y_i相等的坐标值X_k或者Y_k；

当X_i＝X_k时，计算Y_i与Y_k之间的距离L_Y：

L_Y＝|Y_k-Y_i|＝|10-9|＝1；

L_Y≤L＝3，表明该名施工人员或者外来人员即将进入危险区域，存在一定的危险性，中央控制模块向预警防护警告单元发送指令，预警防护警告单元通过语音播报提醒该名施工人员或者外来人员抓紧时间离开该区域，避免该名施工人员或者外来人员进入危险区域发生施工事故，可以有效的保障该名施工人员或外来人员的人身安全。

实施例二：塔吊轨迹输入单元根据建立之后的二维模型以及平面直角坐标系，输入塔吊运行过程中的轨迹坐标，组成塔吊运行轨迹坐标值集合Q＝{(M₁，N₁),(M₂，N₂),(M₃，N₃),…,(M_q，N_q)}，其中，q表示塔吊运行轨迹中以t为时间单元，经历过了q个坐标值，危险区域划分单元以塔吊运行轨迹坐标值(M_i，N_i)为圆心，以R为半径，建立塔吊运行轨迹上的危险区域，半径R根据下列公式进行确定：

其中，R＝3表示相邻两个坐标值之间的距离。

塔吊施工时间单元输入塔吊的施工时间段[T₁,T₂]＝[8:00-10:00]，在时间段[T₁,T₂]范围内，对施工人员与塔吊运行轨迹坐标值之间的距离I进行计算：

I＝3.5≤R+a＝3+1，其中，a＝1表示设定的波动值，X_k和Y_k分别表示施工人员在直角平面坐标系上的横坐标值和纵坐标值，表明施工人员距离塔吊运行轨迹的危险区域的距离小于设定的阈值，存在危险，中央控制模块向预警防护警告单元发送指令，预警防护警告单元通过语音提醒的方式催促施工人员赶紧离开，避免塔吊在吊装建筑器材的时候发生高空坠物的情况对施工人员造成威胁，可以有效的保证施工人员的人身安全。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，其特征在于：该建筑施工安全预警防护系统包括信息输入模块、模型建立模块、中央控制模块和分析预警模块；

所述信息输入模块用于将施工工地上的各项数据信息输入该系统，所述模型建立模块用于建立施工工地的模型，所述中央控制模块用于对整个系统进行智能化控制，所述分析预警模块用于根据建立的工地模型，分析施工过程中存在的各项危险行为，对危险行为进行预警和及时的制止；

所述信息输入模块的输出端电性连接模型建立模块和中央控制模块的输入端，所述模型建立模块的输出端电性连接中央控制模块和分析预警模块的输入端，所述中央控制模块的输出端电性连接分析预警模块的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，其特征在于：所述信息输入模块包括机器视觉识别单元、人脸信息输入单元、工地数据输入单元、塔吊轨迹输入单元和塔吊施工时间单元；

所述机器视觉识别单元用于对建筑工地上的施工人员头顶的颜色进行识别，所述人脸信息输入单元用于将需要进入危险区域进行施工的施工人员的人脸信息输入该系统，所述工地数据输入单元用于输入建筑工地的尺寸数据以及建筑物和塔吊的坐标值信息，所述塔吊轨迹输入单元用于根据塔吊的坐标值信息输入其施工过程中的运行轨迹信息，所述塔吊施工时间单元用于对塔吊施工的时间段进行输入；

所述机器视觉识别单元和人脸信息输入单元的输出端电性连接中央控制模块的输入端，所述工地数据输入单元、塔吊轨迹输入单元和塔吊施工时间单元的输出端电性连接模型建立模块的输入端。

3.根据权利要求2所述的一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，其特征在于：所述模型建立模块包括二维模型建立单元、危险区域划分单元和坐标值赋予单元；

所述二维模型建立单元用于建立建筑工地的平面二维模型，基于二维模型进行安全施工的预警和防护，所述危险区域划分单元用于在建立的二维模型上划分出建筑工地施工过程中的危险区域，此危险区域为会出现施工事故的区域，所述坐标值赋予单元用于赋予建立的二维模型以平面直角坐标系；

所述二维模型建立单元输出二维模型，所述坐标值赋予单元的输出端电性连接二维模型的输入端，所述二维模型的输出端电性连接二线区域划分单元的输入端。

4.根据权利要求3所述的一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，其特征在于：所述分析预警模块包括行为轨迹预测单元、人脸识别单元和危险区域更新单元；

所述行进轨迹预测单元用于对建筑工地上施工人员的行进轨迹进行预测，以此来判断施工人员是否会进入危险区域，所述人脸识别单元用于对预测即将进入危险区域的施工人员进行面部识别，以此来判断此施工人员是否必须要进入危险区域进行施工，所述危险区域更新单元用于根据塔吊的运行轨迹以及运行的时间不断的更新塔吊运行轨迹上的危险区域；

所述行为轨迹预测单元、人脸识别单元的输出端电性连接中央控制模块的输入端，所述二维模型的输出端电性连接危险区域更新单元的输入端，所述危险区域更新单元的输出端电性连接中央控制模块的输入端。

5.根据权利要求4所述的一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，其特征在于：所述分析预警模块还包括预警防护警告单元；

所述预警防护警告单元用于对即将进入危险区域的非必要施工人员以及外来人员进行语音警告，还用于对建筑工地上未佩戴安全帽的施工人员进行语音警告；

所述中央控制模块的输出端电性连接预警防护警告单元的输入端。

6.根据权利要求5所述的一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，其特征在于：所述二维模型建立单元建立施工工地的二维模型之后，所述坐标值赋予单元以二维模型的一个顶角为圆心建立平面直角坐标系，使得整个二维模型都位于平面直角坐标系的第一象限，使得坐标值赋予单元赋予二维模型的坐标值都为正，便于后期的分析和计算，所述危险区域划分单元对二维模型中的危险区域进行划分，所述坐标值赋予单元赋予危险区域各个顶角的坐标值分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、…、(x_n,y_n)；

所述坐标值赋予单元对平面直角坐标系中的施工人员的位置进行实时定位，所述实时定位通过安装在安全头盔内部的定位单元实现，最终组成施工人员坐标位置的集合P＝{P₁，P₂，P₃，…，P_m}，每一个实时定位的坐标位置P_i的坐标值为(X_i，Y_i)。

7.根据权利要求6所述的一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，其特征在于：所述行进轨迹预测单元根据下列公式对施工人员的行进轨迹进行预测：

其中，θ表示施工人员行进方向与平面直角坐标系X轴或者Y轴之间夹角的锐角，X_i和X_i+1分别表示施工人员第i次位置定位和第i+1次位置定位在X轴上的坐标值，Y_i和Y_i+1分别表示施工人员第i次位置定位和第i+1次位置定位在Y轴上的坐标值；

根据下列公式对θ的具体数值进行计算：

根据下列公式对施工人员与危险区域顶角之间的角度α进行计算：

其中，α表示施工人员的位置(X_i，Y_i)与危险区域夹角的连线与平面直角坐标系X轴或者Y轴之间夹角的锐角，x_k表示危险区域的第i个顶角在X轴上的坐标值，y_k表示危险区域的第i个顶角在Y轴上的坐标值，X_i表示施工人员第i次位置定位在X轴上的坐标值，Y_i表示施工人员第i次位置定位在Y轴上的坐标值；

θ和α所参考的轴线为同一条轴线；

当θ＜α时，表明施工人员的行进轨迹不是朝向危险区域行进的，暂时不对该名施工人员的行进轨迹进行实时预测；

当θ＞α时，表明施工人员的行进轨迹为朝向危险区域行进，所述人脸识别单元对该名施工人员的人脸信息进行识别并比对；

当确定该名施工人员为必须进入危险区域进行施工时，不再继续对该名施工人员的行进轨迹进行预测和分析；

当确定该名施工人员为非必须进入危险区域进行施工的施工人员或外来人员时，需要对该名施工人员或外来人员的行进轨迹进行进一步的预测和分析。

8.根据权利要求7所述的一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，其特征在于：当需要对该名施工人员或外来人员的行进轨迹进行进一步的预测和分析时，将该名施工人员或外来人员在危险区域外的位置在X轴上的坐标值X_i或Y轴上的坐标值Y_i进行提取，在危险区域的边缘提取与X_i或者Y_i相等的坐标值X_k或者Y_k；

当X_i＝X_k时，计算Y_i与Y_k之间的距离L_Y：

L_Y＝|Y_k-Y_i|；

当Y_i＝Y_k时，计算X_i与X_k之间的距离L_X：

L_X＝|X_k-X_i|；

当L_Y≤L或L_X≤L时，表明该名施工人员或者外来人员即将进入危险区域，存在一定的危险性，所述中央控制模块向预警防护警告单元发送指令，所述预警防护警告单元通过语音播报提醒该名施工人员或者外来人员抓紧时间离开该区域。

9.根据权利要求8所述的一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，其特征在于：所述塔吊轨迹输入单元根据建立之后的二维模型以及平面直角坐标系，输入塔吊运行过程中的轨迹坐标，组成塔吊运行轨迹坐标值集合Q＝{(M₁，N₁),(M₂，N₂),(M₃，N₃),…,(M_q，N_q)}，其中，q表示塔吊运行轨迹中以t为时间单元，经历过了q个坐标值，所述危险区域划分单元以塔吊运行轨迹坐标值(M_i，N_i)为圆心，以R为半径，建立塔吊运行轨迹上的危险区域，所述半径R根据下列公式进行确定：

其中，R表示相邻两个坐标值之间的距离。

10.根据权利要求9所述的一种基于BIM的建筑施工安全预警防护系统，其特征在于：所述塔吊施工时间单元输入塔吊的施工时间段[T₁,T₂]，在时间段[T₁,T₂]范围内，对施工人员与塔吊运行轨迹坐标值之间的距离I进行计算：

当I≤R+a时，其中，a表示设定的波动值，Xk和Yk分别表示施工人员在直角平面坐标系上的横坐标值和纵坐标值，表明施工人员距离塔吊运行轨迹的危险区域的距离小于设定的阈值，存在危险，所述中央控制模块向预警防护警告单元发送指令，所述预警防护警告单元通过语音提醒的方式催促施工人员赶紧离开。

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