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人工智能工程项目安全预警平台构建研究

2023-09-10 70 上传者：管理员

摘要：该文首先分析传统施工现场安全管理存在的问题，其次在梳理人工智能技术内涵的基础上，构建施工项目安全预警平台。该平台由动态监测系统、预警诊断系统、协同响应系统和安全教育系统构成，验证实时、在线、快速和连续的事故隐患监测要求，并实现工程项目安全管理预警功能，达到培养作业人员安全意识和警觉心理的目的，以提高工程项目建设过程中的安全性，最后附以实际案例进行论证。

关键词：
人工智能
安全管理技术
安全预警
平台构建
闭环控制
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安全生产是一项系统性、综合性的生产过程，其内容贯穿于建筑生产的各个环节。为降低工程项目安全事故的发生概率，减少损失，提高施工企业的安全管理水平，国家安全生产监督管理总局颁布了《企业安全生产标准化基本规范》，要求施工企业建立安全标准化管理系统，以使企业安全生产逐步实现科学化、规范化和系统化。施工现场的安全信息具有来源分散、信息量大、隐蔽性强、难于辨别等特点，而我国大部分建设项目安全管理依靠安全员的现场监督、检查、提醒及安全会议教育与培训等方式。此方法具有事后性、培训范围小、影响小等缺点，难以满足大型施工项目现代化、智能化建设的需要，因此快速、准确地获得施工现场安全生产的信息，实现信息之间的共享和交流，保障安全隐患尽快及时排除，降低人员伤亡和经济损失，是目前施工现场安全管理亟待解决的重要问题之一。人工智能的发展为建设项目智能化安全预警平台的构建提供了技术支撑，推进人工智能与工程项目安全管理的深度融合，以智能化拓展安全管理的新空间；加强人、材、机、法和环等安全风险要素的动态识别、实时监控、即时提醒，可极大减少施工现场安全事故的发生。

1、施工现场安全管理痛点分析

1.1突发性安全事故多

工程建设受到多因素（人、材、机、管理和环境）耦合作用的影响，安全问题层出不穷。人的不安全行为、物的不安全状态、不利的施工作业环境及安全管理缺陷[1]等都会引发安全事故；作业人员缺乏安全意识，如未按规定佩戴安全帽，酒后违章作业、地上地下同时施工、多层多工种同时作业等，导致安全事故的发生具有突发性和紧急性。

1.2周期性检查跨度大

工程项目施工周期较长，建设过程易受到自然气候条件的影响，恶劣气候条件会对工人的肢体操作灵活性产生影响，自然环境也会腐蚀施工机械及安全防护装置。传统安全管理中，建筑工程施工现场定期安全检查时间跨度较大，无法实现7×24小时在线监督、实时监控及异常状况及时提醒的要求。

1.3劝服式管理收效慢

当前，建筑工地的作业人员多为农民工，未经任何培训直接从农民转化为生产工人。用工模式上，多数施工队伍为包工头+闲散农民工模式，缺乏有效的组织与培训。农民工的文化水平低、安全意识薄弱，对于施工过程中较为危险的物体缺乏警觉和戒备的心理，若仅通过三级教育（企业、项目、班组）、岗前教育、日常教育等方式对工人进行劝服管理与安全教育，收效甚微。

2、智能化安全管理理论与技术

2.1智能化安全闭环控制理论

本文在对大量文献阅读[2,3,4,5]及总结工程实践经验的基础上，发现施工现场安全管理涉及人员、材料、机械、在建物、管理和环境等因素，其共同理论基础是感知、分析、控制和持续优化的闭环控制理论，即“全面感知、真实分析、实时控制和持续优化”，从而确保工程建造全过程内人员、机械、结构工作性态安全和管理活动的可知可控，以提升建造过程的安全水平。

全面感知是指利用定位跟踪技术、传感技术、物联网等新兴技术，全面实时地获取和传输建设过程中在建物、设备、人员之间相互作用的环境、状态、要素特征数据。真实分析是指利用大数据及BIM技术，对收集到的实时数据，进行统计、分析、计算，对工程建设安全要素中涉及的状态稳定、数据偏差进行分析、预测、优化并反馈。实时控制就是通过智能设备及软件，针对安全隐患和管理盲点，进行及时有效的控制，达到实时动态调整和预报预警的目的。持续优化是指对生产过程中偏离目标的体系、制度以及人员意识，不断地进行优化和调整。

2.2智能化安全管理技术

智能化安全管理是在传统安全因素识别、安全隐患管理基础上融合传感技术、通信技术、大数据技术。目前，智能化安全管理主要支撑技术包括：(1)大数据技术。通过对海量数据的收集、统计、分析和计算，利用数据的瞬时传输功能，来判定人工、材料、机械和在建物等资源要素是否处于一种稳定的状态，是否存在安全隐患。(2)GPS定位技术。利用车载定位系统、人载定位系统、手机GPS，可全方位、多角度地动态识别人员、材料、机械设备等资源要素的位置和状态，极大减少人盯式管理难度大的痛点。(3)BIM技术具有可视化及虚拟模拟等特点，可提高项目安全管理的信息集成化程度，可在设计模型（3D）的基础上添加安全、成本、进度等要素，组合成六维模型，在工程实际开始之前，统筹考虑技术、安全、成本、质量和进度等要求，把实际施工过程中可能发生的各种问题解决在虚拟施工中，为工程项目的安全管理提供一个信息集成和共享的安全平台。(4)物联网，把施工现场人员、材料、设备、技术和环境通过监控识别、GPS定位系统等各种信息传感设备与互联网连接起来，实现物与物、物与人、人与人的泛在连接，从而实现安全隐患的实时发送与统计。(5)移动小程序（手机APP，微信小程序），很好地解决施工现场客户端零部署，使信息传递扁平化、数据安全可靠、功能体验更丰富，此技术能起到直接、瞬时传递消息的作用，可以快速解决工程建设活动现场人员安全性提醒、重点信息推送的技术难题。

3、智能化安全管理系统

3.1动态监测系统

动态监测系统是基于全面感知理论，利用目前的智能化设备，通过定位、识别、监控等技术，全面实时地获取和传输建设过程中在建物、设备及与人之间相互作用的环境、状态、要素特征数据。此系统用于对被采集对象及其相关信息进行定位、监控，属于平台的基础性功能（如图1所示）。

3.1.1实时定位模块

针对工人的状态（人员身份、空间位置、安全防护）、机械设备的状态（机械位置、空间参数、作业参数）通过穿戴智能安全帽、反光衣进行定位和跟踪，GPS/北斗定位系统进行实时定位，实现工程建设管理安全化、智能化，须解决流动性载体的定位跟踪技术。工程建设项目施工范围广、参与主体多、业务流程繁琐，可通过身穿反光衣等实现人员定位，此模块主要用于夜间作业、人-机协同工作区、管理死角区。

3.1.2人员识别与准入模块

工程建设施工过程中，人员数量大，流动性强，进出场次数频繁，缺乏安全意识等都成为安全事故隐患。为加强建筑施工安全管理，禁止不明人员进入现场，需要解决人员身份识别问题。可通过在出入口安装无感通行考勤系统，该系统可设置人脸对比、人员跟踪等算法，联动项目人员实名制，摄像头识别人员等信息。同时，系统监测到实名制范围外人员自动报警，防止场外人员尾随，此模块主要应用于人员出入口、交叉作业口。

3.1.3危险区域识别模块

危险区域识别是针对脚手架、深基坑、垂直运输设施和临边洞口等作业区危险因素的识别。通过安装无感监测仪器来监测危险区域状态，将具体监测数值与安全区域划分数值进行比较，判断人员是否安全、环境是否稳定、技术是否可行，管理是否合理。此模块主要应用于电气危险区域、深基坑外围、高空作业面外围。

图1动态监测系统图

3.2预警诊断系统

预警诊断系统是基于真实分析理论，利用云计算技术，对动态监测系统传输的数据和信息进行统计和分析，并开展工程真实工作性态仿真，对工程建设过程中的安全要素涉及的稳定、偏差进行预测、分析并反馈。此系统对被采集对象的数据进行统计、分析及判断，对平台的正常稳定运行具有重要支撑作用，是平台构建的重要过程。

3.2.1数据输入模块

数据统计模块是对收集到的海量数据、信息进行统计，得到相关工作人员的自身属性（人员身份、年龄、健康状况）、工作属性（工种、工作范围、工作强度）、空间位置属性和安全防护，统计其安全装备佩戴情况，形成违规人员数量统计表。通过对机械的定位与监测，形成整个施工现场的机械设备的位置信息及机械故障统计报表，并将其推送至管理人员处及数据计算模块。

3.2.2数据分析模块

数据分析模块则通过数据统计模块反馈的信息，利用大数据技术进行计算。根据定位系统获取人员的工作信息及机械工作信息，计算人员位置安全指数与机械操作稳定指数。根据物体监测系统获知物体的安全状态，计算安全指数，根据气候、在建工程周边环境计算环境的安全指数，并输出至信息输出模块。

3.2.3信息输出模块

输出模块则根据计算结果的数值，结合系统中的建设项目安全标准，判断预警指标是否超出安全临界状态或安全警域值，确定预警等级，明确事故高发区域，并制定专项安全控制措施及安全实施方案。一旦危险发生，立即释放对应的预警信号，并采取相应的应急方案，消除事故隐患。

3.3协同响应系统

协同响应系统是基于实时控制理论，针对预警系统反馈的信息，对照规则和标准，做出即时提醒及预报预警的目的，阻止安全事故的发生，实现管理目标、建造过程和行动的有效控制。此系统属于该平台系统的业务功能核心，是安全平台智能化成果的核心体现。

3.3.1自动警报模块

基于计算机深度学习的施工不安全区域识别方法，通过定位技术采集施工人员坐标信息，对不安全区域内的施工人员进行实时危险距离预警。比如，开发工地围挡翻越警报功能（区域、越界）及危险区域越界警报功能，一旦施工人员越过安全距离后，可联动触发报警装置，警报模块将自动发出警报和警告，避免事故的发生。

3.3.2移动互联提醒模块

对于工作人员在施工现场的危险举动，以及不当的操作流程和工艺方法，施工机械设备是否正常操作运转，可采用移动APP开展安全隐患排查治理，并结合定位轨迹数据，挖掘危险源与人员活动相关规律，当工作人员进入危险源后，系统及时将预知的危险源推送至区域相关人员，提醒工作人员注意安全。

3.4安全教育系统

安全教育系统是基于持续优化理论，通过前述系统反馈的隐患事故、安全事故的统计数据，对于危险性较大、高频事故等应做好安全教育培训。此系统通过对作业人员的培训和评价，为培养作业人员的安全警觉心理和危险防范意识提供了技术支持，是平台构建的目的。

3.4.1教育培训模块

针对工人缺乏安全防护意识及安全知识储备不足等问题，可在工程施工之前，根据施工方案，结合BIM技术对较危险的施工过程进行施工模拟。结合模拟技术，使工人在开始之前就了解和熟悉具体工作的操作要求、程序、步骤和注意事项，以及将来可能发生的危险等。对技术人员和安全人员所进行的讲解和培训，有利于工人了解此项工作的危险和风险。

3.4.2教育筛查模块

基于BIM平台所提供的智能化工程项目模拟，定期让施工现场的安全管理员对工人的安全生产意识、与安全相关的知识和技能进行测试，根据测试成绩进行评价，通过数据筛查，对于排名较后的工作人员推送至区域内管理人员，加以重点关注和培训。这样可消除施工人员安全意识松懈、安全知识不足等问题，以提升现场安全管控效力。

4、价值创造案例

智能化安全预警平台的构建与应用，其本质还是产生价值。本文以陕西韩城恒大御景半岛项目为例，介绍施工安全智能化系统的应用。

项目概况：建筑面积541300.76m2，施工人员600人。

项目痛点：(1)个别人员缺乏进工地立即戴安全帽的意识；(2)施工面积大，作业分布广，工作人员多；(3)全项目仅配备1名专职安全管理员，4名安全员；(4)传统人工盯梢，易疲劳、难覆盖，存在安全管理死角漏洞；(5)部分人员休息下班间隙返回施工区域打水、取物，存有安全隐患；(6)智能化安全设备不足。

解决方案：经过工地现场实地勘探，利用现有条件，在工地入口左右拐角处和最远端共计3个灯塔顶端各部署1台F系列双目球机。施工作业和内部主通道监控全覆盖，再配合安全着装管理模块对工地现场人员安全帽、反光衣穿戴情况进行7×24小时在线监控。设置报警音柱对违规人员实时警报，提醒人员安全着装。

项目成效：形成安全管理闭环控制，有效填补管理疲劳、漏洞，提升安全帽、反光衣穿戴率，降低人力管理成本。

5、结束语

通过对建筑工程施工现场安全管理的痛点分析，基于智能化安全闭环控制理论和人工智能技术的发展，构建人工智能工程项目安全管理预警平台，有利于提高施工过程中安全管理的智能化水平。

预警平台包括针对施工过程中人-机-环等安全要素的动态监测系统、安全信息的预警诊断系统、安全事故的协同响应系统以及作业人员安全教育的实施系统，实现了对施工人员全方位的监测和教育，对施工流程的全过程的模拟和监控，降低安全事故发生的概率。

通过安全预警平台在具体实例的应用，可提高施工现场智能化安全管理水平，形成安全管理闭环控制，降低人力成本，说明预警平台的构建和应用能够产生一定的经济价值。