CN113470308A - 基于物联网技术的预防高处坠落事故系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于物联网技术的预防高处坠落事故系统，它涉及一种预防高处坠落事故系统。包括感知层、网络层、平台层，应用层，所述的感知层是整个预警系统的基础层，负责对施工现场建筑工人位置信息的收集；所述的网络层用于数据的远程传输与接收；信号转换；数据交换；所述的平台层用于数据分析；边缘计算；数据转换；所述的应用层用于安全规则、BIM模型及位置信息的存储；预警信息可视化；用户信息查询。本发明是一种基于BIM和UWB的建筑工人高处坠落事故智能预警系统，BIM和UWB结合，可以更好地实现信息收集、传递、反馈控制。

Description

基于物联网技术的预防高处坠落事故系统

技术领域

本发明涉及的是一种预防高处坠落事故系统，具体涉及一种基于物联网技术的预防高处坠落事故系统。

背景技术

随着科技的发展，智能化技术相继出现，智能传感技术、无线传输技术、数字虚拟技术、声光报警技术都逐渐应用于各个领域。对于建筑施工行业，如果将智能化技术用于作业人员自身安全和作业环境的监测，可以提高施工现场作业人员的安全监管效率，实现自动化、信息化、可视化的实时监控，因此智能监测装备的研发和在建筑施工过程中的应用已经成为建筑领域研究重点。

据统计，每五个职业死亡人数就有一个来自建筑行业，因此建筑施工现场我国最危险的工作环境之一。在建筑业中，事故类型分布如图1所示。建筑工人高处坠落事故是施工安全的头号威胁，预防此类事故主要依赖于人工排查，但受相关人员经验限制、施工现场环境复杂以及人员流动性大等影响，传统预防手段效果有限。

表1传统监测技术与基于物联网技术监测对比

施工现场现有安全检测技术相对落后，项目部不能实时、全面、形象地掌握施工现场情况，更无法实现对建筑工人高处坠落事故的预警。所以，建筑工人高处坠落事故智能预警系统必须满足如下功能要求：

1、自动划分施工区域的危险等级，分级预警。

2、建筑工人位置信息实时采集。

3、建筑工人高处坠落区域可视化分析。

超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。

中国专利CN105023390 A公开了一种建筑工人高处坠落事故预警系统及方法，该系统是基于BIM技术与RFID技术支持，在施工现场划定的危险区域放置定位RFID阅读器，携带RFID标签的工人进入特定区域后，RFID阅读器读取RFID标签的位置信息，发送后台处理，后台给人员身上的振动器发射信号，对人员进行危险预警。由于其技术的局限性(覆盖范围小、穿透性弱)，该系统需要手动去施工现场的每一楼层放置定位RFID阅读器，操作麻烦；其次需要大量RFID阅读器与RFID标签，成本高；RFID技术传输距离短，抗干扰能力差，不适合室内密集场所的使用。定位技术对比见表2。

表2常见的七种定位技术比较

BIM(Building Information Modeling)技术是Autodesk公司在2002年率先提出，已经在全球范围内得到业界的广泛认可，它可以帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中，能有效提高工作效率、节省资源、降低成本、以实现可持续发展。BIM已经成为建筑、工程和建筑行业的关键。它增加了项目利益相关者之间的合作，从而改善了设计和施工的过程。在过去的二十年中，BIM除了几何维度之外，还增加了几个维度，扩展了其功能。

综上所述，基于传感器的自动监测系统比传统依靠人工检测步骤，采集信息更及时、分析数据更精准、评估风险结果更客观。结合物联网通讯技术通过危险警告工人和设备操作人员来预防事故的发生，也可以向安全经理或者现场监督人员发出通知，采取必要的措建立一套更主动、更有效、更智能的建筑工人高处坠落事故预警系统，具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种基于物联网技术的预防高处坠落事故系统，是一种基于BIM和UWB的建筑工人高处坠落事故智能预警系统，BIM和UWB结合，可以更好地实现信息收集、传递、反馈控制。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：基于物联网技术的预防高处坠落事故系统，包括感知层、网络层、平台层，应用层，所述的感知层是整个预警系统的基础层，负责对施工现场建筑工人位置信息的收集；所述的网络层用于数据的远程传输与接收；信号转换；数据交换；所述的平台层用于数据分析；边缘计算；数据转换；所述的应用层用于安全规则、BIM模型及位置信息的存储；预警信息可视化；用户信息查询。

所述的基于物联网技术的预防高处坠落事故系统的系统平台完成后，进行初始化设置，包括以下流程：1、预警等级划分；2、危险区域的划分；3、BIM模型的建立；4、人脸信息录入；5、布置人脸摄像头；6、放置定位基站；7、无线传输设备选择。

一种基于物联网技术的预防高处坠落事故系统的预警流程如下：

1、管理层预先通过BIM3D/4D模型与安全信息库相结合，模拟出待建项目有可能发生高处坠落事故的危险区域。

2、预先在BIM数据库集成管理平台输入临边作业人员、管理人员、其他人员个人信息，通过智能人脸识别摄像头抓拍，通过比对个人信息，实现UWB安全帽佩戴者与建筑工人的一一对应。管理层在下达任务安排前，根据实际需要向个人进行授权定义，使相关人员在特定时间段内获得进入特定区域的权限。

3、进入施工现场后，根据安全帽内置的UWB设备定位信息，通过网络层将读取的信息无线传输至平台层，通过平台层进行信息处理。

4、每张人脸都拥有一个ID和权限，通过UWB负责收集一个危险区域的个人信息，若平台层发现有个人权限非法，确定位置信息，并在BIM模型中展现。

5、当平台层接收到传输来的信息时，根据UWB定位确定危险区域高度以及危险区域距离，预警规则按照表4所列的建筑工人高处坠落事故预警等级划分。

本发明的有益效果：本发明的系统在建筑工人高处坠落事故的可视化识别与智能化预警方面具有一定优势。利用UWB定位技术实现人员定位，并将现场信息不断传回系统安全信息数据库中存储及更新，按照设定好的安全规则，进行判断人员是否处于安全范围，得以及时对安全风险采取措施。BIM与物联网的UWB技术进行集成，充分利用了两种技术的优点，相互取长补短，为管理人员开展安全监管工作提供了参考，可有效将降低施工阶段高处坠落事故的发生。

1、危险区域自动划分。本发明中的施工危险区域是依靠二次开发BIM平台自动划分，只需要项目施工图纸，建立3D模型，不需要在现场放置定位设备，操作简单。

2、系统搭建简单。UWB定位技术传输距离远，穿透性强，整个施工现场放置少量基站就能完成信息的传输工作。

3、定位精度高。UWB技术定位模式多样，支持0维、1维、2维、3维的无缝切换；并提供位置实时显示、历史轨迹回放和行为分析等功能。定位精度高达10cm，同时具备高动态、高容量、低功耗的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明背景技术中的建筑业安全事故类型统计图；

图2为本发明的系统架构图；

图3为本发明的施工区域危险等级划分平面图；

图4为本发明的系统预警过程示意图；

图5为本发明的系统具体运行流程图；

图6为本发明的管理平台逻辑流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图2-6，本具体实施方式采用以下技术方案：基于物联网技术的预防高处坠落事故系统，包括感知层、网络层、平台层，应用层，所述的感知层是整个预警系统的基础层，负责对施工现场建筑工人位置信息的收集；所述的网络层用于数据的远程传输与接收；信号转换；数据交换；所述的平台层用于数据分析；边缘计算；数据转换；所述的应用层用于安全规则、BIM模型及位置信息的存储；预警信息可视化；用户信息查询。

本具体实施方式的基于BIM和UWB的建筑工人高处坠落事故智能预警系统由感知层、网络层、平台层，应用层4个层次构成。各层次功能见表2，系统架构见图2。

表3各层次构成元件及功能

本具体实施方式的系统平台构建完成后，需要对系统进行初始化设置，定义相关规则及属性。根据功能需求分析及该预警系统架构，结合施工现场安全管理的实际需要，进行如下初始化工作，并将相关设置输入预警系统。

预警等级划分

根据施工现场的实际情况，将施工现场划分为Ⅰ-Ⅳ共4个危险等级，其中Ⅰ级为最严重等级。由于本预警系统要求可视化特征，系统引入颜色预警规则。以蓝色、黄色、橙色和红色分别代表一般警告、较重警告、严重警告和危险警告。基于GBT3608-2008标准及实际施工需要，将对2m以上作业高度进行预警，并提出表4所示的建筑工人高处坠落事故的预警等级划分。

表4建筑工人高处坠落事故的预警等级划分

危险区域的划分

通过识别BIM安全模型中的危险区域，系统可以及时判定人员是否处于安全区域，实现对人员作业过程中危险区域的监控，一旦发现危险隐患将立即预警。通过查阅相关文献资料，并结合高处坠落事故影响因素，得到建筑工人高处坠落危险区域的界定规则，根据该标准可得表5高处作业级别分类：

表4高处作业危险区域判断规则

BIM模型的建立

本系统在实施前必须根据传统的二维图纸建立BIM模型，以此实现将二维视图向三维视图的转化。BIM模型也是本系统可视化的载体，现场的所有实时信息以及预警信息均将在BIM模型中体现。

人脸信息录入

人脸是工人基本信息的存储载体，保存姓名、工号、主管领导等基本个人信息，一副面孔对应一个工人。对标签定义准入权限，获得授权的工人才能在规定的时间段进入规定的施工区域。

布置人脸摄像头

施工区域入口放置一个智能人脸摄像头，负责进场人员的人脸采集。

放置定位基站

施工区域按照一定规律放置一定数量的定位基站，保证整个施工区域的信号覆盖。

无线传输设备选择

ZigBee、蓝牙、WIFI是目前较为常用的无线传输技术，在煤矿工程、交通运输、电子监控等领域使用较广。由于施工现场面积较大，为实现信息传输的稳定性，需要大量的网络节点进行扩展。综合考虑系统灵敏度、成本等因素，本系统无线传输方式采用ZigBee技术。此外，考虑现场施工管理的实际情况，为便于系统信息处理的反应效率，本系统采用星型网络结构。

表6无线传输技术方案对比

本具体实施方式的系统运行流程如下：

基于BIM和UWB的建筑工人高处坠落事故智能预警系统预警过程如图4所示，具体运行过程如图5所示：

1、管理层预先通过BIM3D/4D模型与安全信息库相结合，模拟出待建项目有可能发生高处坠落事故的危险区域。

2、预先在BIM数据库集成管理平台输入临边作业人员、管理人员、其他人员个人信息，通过智能人脸识别摄像头抓拍，通过比对个人信息，实现UWB安全帽佩戴者与建筑工人的一一对应。管理层在下达任务安排前，根据实际需要向个人进行授权定义，使相关人员在特定时间段内获得进入特定区域的权限。

3、进入施工现场后，根据安全帽内置的UWB设备定位信息，通过网络层将读取的信息无线传输至平台层，通过平台层进行信息处理。

4、每张人脸都拥有一个ID和权限，通过UWB负责收集一个危险区域的个人信息，若平台层发现有个人权限非法，确定位置信息，并在BIM模型中展现。

5、当平台层接收到传输来的信息时，根据UWB定位确定危险区域高度以及危险区域距离，预警规则按照表4所列的建筑工人高处坠落事故预警等级划分。

本具体实施方式采用UWB技术实现工人位置信息实时采集。由于施工项目人员复杂、施工面积大、人员流动性大等因素，管理人员很难实现对施工现场的动态、全面监控。在此，采用UWB实现对现场人员的实时定位，正确把握人员位置信息。冲激脉冲具有很高的定位精度。采用UWB技术，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。UWB技术具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，超宽带无线电定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级，此外，超宽带无线电定位器在价格上更为便宜。

建筑工人高处坠落危险的实时预警。定位系统应用软件支持PC端和移动端访问，并提供位置实时显示、历史轨迹回放、人员考勤、电子围栏、行为分析、智能巡检等功能。定位精度高达10cm，同时具备高动态、高容量、低功耗的优点。

建筑工人高处坠落区域可视化。当有高处坠落事故发生可能或者存在安全隐患时，该预警系统能够以可视化、形象化的表现形式展现给项目管理层，为管理层采取相关应对措施提供参考。通过BIM技术模拟出待建项目有可能发生高处坠落事故的危险区域。若有人靠近该区域时预警系统激活并自动将系统状态调整为危险状态，将该危险区域按照危险严重性情况不同在BIM模型对应区域以不同颜色显现，以供管理层参考。

实施例1：

本实施例以某学院综合楼施工项目为例，展示该系统的具体使用过程。为验证基于BIM和UWB的建筑工人高处坠落事故智能预警系统的可靠性及实用性，首先根据图纸建立BIM模型，二次开发的BIM系统根据规定的危险区域定义规则自动将施工现场划分为Ⅰ-Ⅳ共4个危险等级，并以不同颜色表示。在此，选取本案例提供的待建物为例，对建筑工人高处坠落事故预警等级划分进行举例说明，具体划分形式如图3所示。

建筑工人进入施工区，首先要通过门禁系统，该系统由智能人脸识别摄像头与通道组成。摄像头先进行人员的安全帽检测，未佩戴安全帽的人员禁止通过门禁；同时摄像头通过抓拍人脸与后台数据库人员信息进行比对，对其赋予不同的权限。临边作业人员为一等权限，只会触发二级警报及其以上；其他人员为二等权限，会触四级警报。(临边作业人员是被允许进行临边及高空作业人员，经过相关的安全作业培训，具有专业的操作能力、心理素质和防护装备，因此给予一等权限)(其他人员一般不被允许进行临边及高空作业人员，没有经过相关安全培训，不具备相关专业操作能力及安全防护设备，因此给予二级权限)

进入施工区域后，安全帽内置的UWB定位立即捕获工人位置信息，上传至BIM数据集成管理平台后进行数据处理，计算出工人所处的危险区域级别及预警等级，并在BIM模型中显现出工人所处的具体位置及相关颜色警告。

人员甲，临边作业人员，具有一级权限，进入临边2m以内区域触发预警，安全帽震动并发出声响：您已进入二级危险区，请小心作业。同时后台管理系统显示该工人个人信息、位置信息、该危险区域人员数量等。

人员乙，项目管理人员，具有二级权限，进入临边4m以内区域触发预警，安全帽震动并发出声响：前方区域存在高处坠落危险，请小心。同时后台管理系统显示该人员个人信息、位置信息、该施工区域人员数量等，也可调出人员活动轨迹。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.基于物联网技术的预防高处坠落事故系统，其特征在于，包括感知层、网络层、平台层，应用层，所述的感知层是整个预警系统的基础层，负责对施工现场建筑工人位置信息的收集；所述的网络层用于数据的远程传输与接收；信号转换；数据交换；所述的平台层用于数据分析；边缘计算；数据转换；所述的应用层用于安全规则、BIM模型及位置信息的存储；预警信息可视化；用户信息查询。

2.根据权利要求1所述的基于物联网技术的预防高处坠落事故系统，其特征在于，所述的基于物联网技术的预防高处坠落事故系统的系统平台完成后，进行初始化设置，包括以下流程：(1)、预警等级划分；(2)、危险区域的划分；(3)、BIM模型的建立；(4)、人脸信息录入；(5)、布置人脸摄像头；(6)、放置定位基站；(7)、无线传输设备选择。

3.根据权利要求1所述的基于物联网技术的预防高处坠落事故系统，其特征在于，一种基于物联网技术的预防高处坠落事故系统的预警流程如下：

(1)、管理层预先通过BIM3D/4D模型与安全信息库相结合，模拟出待建项目有可能发生高处坠落事故的危险区域；

(2)、预先在BIM数据库集成管理平台输入临边作业人员、管理人员、其他人员个人信息，通过智能人脸识别摄像头抓拍，通过比对个人信息，实现UWB安全帽佩戴者与建筑工人的一一对应。管理层在下达任务安排前，根据实际需要向个人进行授权定义，使相关人员在特定时间段内获得进入特定区域的权限；

(3)、进入施工现场后，根据安全帽内置的UWB设备定位信息，通过网络层将读取的信息无线传输至平台层，通过平台层进行信息处理；

(4)、每张人脸都拥有一个ID和权限，通过UWB负责收集一个危险区域的个人信息，若平台层发现有个人权限非法，确定位置信息，并在BIM模型中展现；

(5)、当平台层接收到传输来的信息时，根据UWB定位确定危险区域高度以及危险区域距离，预警规则按建筑工人高处坠落事故预警等级划分。

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