建筑施工作业区准入安全管理系统设计

魏 然， 李 琛， 蒋伟光， 骆汉宾

(华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

建筑业是高风险行业，伤亡事故不断发生。人的不安全行为是造成安全事故的一个重要原因[1]，其中，未经过培训、培训不合格或缺乏经验是工人不安全行为的主要原因。从事建筑施工的现场工人往往受教育程度较低，作业操作水平高低不一，对于作业安全风险和安全预防，缺乏足够的认识和了解。而有执业资格证或经过培训的工人更加具有安全意识，更加关注施工现场的安全要求。因此，禁止未培训、培训不合格、未取得作业资格的工人进入作业区作业，即检查工人作业区准入资格，是预防施工安全事故的重要方法之一。

作业区准入资格检查包括一般作业区准入检查(即进场准入检查)和特殊作业区准入检查。目前，作业区准入大多采用人工检查方式，不仅消耗大量的时间和人力，而且易出错。近年来信息技术取得重大进展，使利用信息技术自动检查工人作业区准入资格成为可能，如基于RFID(Radio Frequency Identification)的门禁系统[2]、基于人脸识别的工地考勤系统[3]等对工人进行进场准入检查，而对于特殊作业区准入资格检查目前仍采用人工检查方式。特殊作业区准入资格检查两个关键因素是工人位置和工人身份。

建筑工地是动态的，工人位置经常变化，为了获取工人实时位置，国内外研究者对实时定位技术在工程上的应用进行了大量研究，主要有两个方面：跟踪工人位置及轨迹、避免工人进入危险区。Woo等[4]研究基于Wi-Fi(Wireless Fidelity)的建筑工地定位系统的可行性；Cheng等[5]利用超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术对工人及车辆进行位置跟踪；Montaser等[6]提出了一种利用超高频无源射频识别(RFID)技术对工人及材料位置跟踪的方法；郭红领等[7]通过对危险区域的定义与分类，建立了集成BIM(Building Information Modeling)和RFID技术的工人实时定位与安全预警系统模型，可以识别工人是否进入危险区域；Chase等[8]把RFID标签贴到重型机械上，识别出进入机械工作范围内的工人。跟踪工人位置及轨迹，仅对工人进行实时跟踪，无法对工人进行危险区域预警；避免工人进入危险区，能对工人进行危险预警，但无法区分危险区作业人员与非作业人员。因此，特殊作业区准入资格检查还需判断工人身份，才能让有作业资格的工人进入特定的作业区。Yeung等[9]提出一种手持指纹识别系统，能准确读取工人身份，该系统可以确定工人在特定时间的位置，但此系统不能判断工人是否有授权进入特定的作业区域，且对工人的定位不是实时定位；Fang等[10]利用深度学习的方法使用摄像机对未认证的工人施工活动进行检测，但摄像机的分辨率不足，多物跟踪困难，物体易受遮挡等问题导致系统精度不高，且该系统检测正在进行工作的工人，不能达到安全事故预防的目的。

本文提出一种自动检查人员(包括工人和管理人员)作业区准入资格的安全管理系统，有助于实时、准确地进行作业区准入资格检查，减少因违规进入作业区而导致的安全事故。

1 系统设计

管理学的控制原理认为，一项管理活动由四个方面的要素构成：控制者、控制对象、控制手段和工具、控制成果[11]。在建筑施工作业区准入安全管理活动中，控制者即施工安全管理人员；控制对象，包括施工安全管理要素中的作业人员、设备和设施、安全信息等；控制手段和工具，包括安全生产规章制度、作业区准入资格检查等；控制结果，即作业区准入检查、安全评价的成果总结等[11]。通过改进或改变控制手段和工具，使控制者对控制对象的安全管理更加全面、深入，从而得到良好的控制成果，是强化施工作业区准入安全管理的方法之一。

实际工程施工，尤其在大型工程施工中，工种多、人员数量大、交叉作业频繁。作业人员中存在不符合建筑施工要求的人员(如未取得技能操作证书或认证，未经过安全教育培训，违规进行其他工种作业等)，安全管理人员需逐一检查作业人员的准入资格，禁止技能和安全意识不合格的作业人员进入作业区。随着作业人员的增多，安全管理人员面临安全管理任务繁重、安全检查工作易出错、无法实时监控人员作业等挑战。因此，亟需改进控制手段和工具来完成这一安全管理任务。

当代信息技术发展迅速，极大地推动了社会生产发展和科学技术进步。将信息技术应用于建筑施工作业区准入安全管理中，使用传感器获取人员身份及位置信息，通过传输网络将信息传递至后台服务器进行信息处理并完成人员自动识别匹配，实现人员作业区准入的实时自动管理。此外，管理人员通过前端浏览器进行监控和异常处理等工作。将信息技术整合在建筑施工作业区准入安全管理中，不仅能提高效率、节约人力和成本，而且能加强安全管控能力，减少安全风险。建筑施工作业区准入安全管理系统是针对建筑工程施工阶段现场人员不安全行为的安全管理系统，系统旨在将现场人员日常检查的随机性及主观性转化为自动化判断并记录，从而可以做到：(1)让合格的(培训)人员进入施工现场；(2)让施工作业得到实时监控；(3)让违规作业得到及时制止和纠正，实时管理工人行为，实现施工现场安全管理的数据电子化，流程信息化，管理远程化、自动化，使作业区准入安全管理更加准确、高效。

1.1 系统框架

系统框架包括感知层、传输层、服务层、应用层4个层次，如图1所示。

图1 作业区准入安全管理系统框架

(1)感知层是由定位基站、定位标签和摄像头组成。通过定位基站与定位标签的定位信道实现对定位标签的定位；通过摄像头实时采集视频数据。

(2)传输层分为无线传输网和有线传输网，无线传输网通过Wi-Fi信道为定位基站提供数据传输链路，有线传输网通过有线以太网方式为定位基站提供数据传输链路。传输层将感知层采集的定位数据和视频数据传输至服务层。

(3)服务层由定位引擎、人脸识别引擎、告警服务、报表服务等组成。定位引擎实现定位数据的结算，得到定位标签的坐标，实现对人员轨迹的追踪，进而达到对人员不安全行为的管理；人脸识别引擎用于对进场人员的识别。通过不安全行为规则告警，并通过报表输出。

(4)应用层包括JSA(Job Safety Analysis)、作业许可证管理、特殊作业区设置及准入识别、进场准入识别及报警、实时/历史轨迹显示及监控、安全智能分析、组织架构及人员管理等应用功能。

1.2 关键技术

系统自动检查作业人员准入资格需获取人员的身份信息和实时位置信息。其中，身份信息判断作业人员准入资格，实时位置信息判断作业人员是否可以进入作业区(人员处于活动状态)。利用两种信息，系统自动判断是否允许作业人员进入作业区作业。利用实时定位技术通过定位传感器获取人员实时位置信息，利用身份识别技术通过视觉传感器获取人员身份信息。

(1)实时定位技术

实时定位技术是一种基于信号的无线电定位手段，是一种在室内和室外环境中识别和跟踪目标位置的有效方法。常用的实时定位技术有GPS(Global Positioning System)、RFID、UWB、紫蜂(Zigbee)、Wi-Fi、蓝牙定位等。在过去十多年中，建筑领域对实时定位的研究比较活跃，实时定位用于定位人、材料和设备的当前地理位置，方便数据跟踪和管理，被认为是过去20年来改变了建筑业传统做法的创新之一[12]。系统利用实时定位技术获取人员实时位置信息，再利用BIM技术模拟建筑的数字信息并三维建模，实现实时监控人员的不安全行为及状态。

(2)身份识别技术

现有的身份识别技术中，生物特征识别技术具有最高的安全性和可靠性[9]，用于身份识别的典型生物特征包括：面部特征、指纹、掌纹、虹膜、视网膜、语音等[13]。其中，人脸识别技术是一种非接触的识别技术，具有快速、简便、可靠性高、难以假冒、成本较低等优点[14]。人脸识别，包括四个组成部分：人脸图像采集及检测、人脸图像预处理、人脸图像特征提取以及匹配与识别。人脸识别流程如图2所示。

图2 人脸识别流程

1.3 系统运行流程

当人员进入进场识别区域，人脸识别摄像机对人员人脸进行检测、抓拍、评分、筛选，输出最优的人脸抓拍图；将人脸抓拍图与提前录入的人员照片数据库中照片进行比对，得到人脸识别的相似度，根据相似度大小判断该人员是否为项目人员。若不是项目人员，现场监理将其劝离现场；若系统未报警，人员通过并进入施工现场；若系统报警，则现场管理人员介入，判断是否为错误报警，对正确报警违规人员进行处理并记录违规信息，对错误报警填写消警记录并说明原因。

人员进场后，系统实时跟踪人员位置。当其进入特殊作业区时，系统判断此人员与作业许可证人员是否匹配。若不匹配但其在特殊作业区内时间少于2 s，则表示无特殊作业资格人员误入特殊作业区，已及时离开，此时系统不报警；若不匹配且在特殊作业区内时间超过2 s，则系统报警并通知现场监理介入，然后由现场监理判断是否为错误报警，对错误报警填写消警记录并说明原因，对非错误报警违规人员进行处理并记录违规信息。作业区准入安全管理系统系统运行流程如图3所示。

图3 作业区准入安全管理系统运行流程

1.4 系统功能

建筑施工作业区准入安全管理系统主要功能包括：基础数据管理、JSA与PTW(Permit to Work)管理、进场管理、实时/历史轨迹管理、特殊作业区管理。

管理人员在作业人员进场前，将作业人员基本信息和注册人脸照片等录入数据库、分类储存，并向作业人员发放定位标签，标签信息对应作业人员录入数据库。作业人员进场，照相机拍摄照片传至后台服务器并与数据库中注册人脸照片对比；同时，将定位标签信息与数据库中人员信息对比，后台服务器自动处理并保存处理结果，并将处理结果传至前端。系统间隔1 s记录工人位置，并将位置数据储存在数据库中，在前端显示作业人员实施轨迹和历史轨迹。作业人员进行特殊施工作业前，安全管理人员通过作业安全分析，对危险性较大的作业开具电子作业票，确定作业人员、作业区域、作业时间等，并将作业票信息储存在数据库中。系统根据电子作业票确定的内容，对进入作业区域的人员电子标签信息与作业票中人员信息对比，实现自动化管理。

(1)基础数据管理

基础数据管理包括人员数据管理、组织数据管理、设备数据管理。人员数据管理是指对人员信息，如姓名、性别、工种、证书编号、照片等进行添加、删除及查询等；组织信息管理是指对工程相关组织类型(建设单位、施工单位、监理单位等)进行添加、分类、修改等；设备数据管理是指对系统设备(如摄像头、基站、标签等)的种类、数量、位置信息进行管理。基础数据管理是系统运行，实现系统功能的基础。系统基础数据管理系统界面如图4所示。

图4 基础数据管理系统界面

(2)JSA，PTW管理

作业安全分析(JSA)，又称作业危害分析，是针对具体作业的一种定性风险分析方法，是控制作业过程中危险的有效工具。作业许可证(PTW)，又称作业票，是对施工现场特殊施工作业活动的一种正式的书面的许可[15]。系统将作业许可证电子化，当施工单位有特殊作业需求时，项目安全管理人员根据JSA结果添加作业许可证内容，如施工单位、具体部位、具体内容、开始及结束时间及作业人员等，并录入系统，作业许可证管理如图5所示。通过JSA，PTW管理，能更加全面了解作业情况，规范作业人员，减少作业事故发生。

图5 作业许可证管理

(3)进场管理

建立人脸信息库，通过人脸识别检测，将进场人员信息与人脸库信息及佩戴标签情况进行匹配，当有面部识别不成功或未佩戴标签时，系统报警提示需进行相关处理。此外，特殊作业人员必须有对应的作业许可证才能进场，否则系统报警提示需进行相关处理。系统能展示未授权人员，记录正常进场、违规进场，如图6。通过进场管理，禁止非项目人员进入施工现场，并使特殊作业人员的作业资格得到保证，减少人员不安全行为造成的事故隐患。

图6 进场管理

(4)实时/历史轨迹管理

人员正常进场后，系统会自动定位人员位置，能显示现场当前所有人数以及危险行为人数。人员实时位置坐标数据以1 s/次留档，并形成实时轨迹和历史轨迹，可根据时段条件筛选查询该段时间内在场人员的位置信息及行动轨迹，如图7，实现远程、高效的现场安全管理，实现现场事件追踪溯源。

图7 实时轨迹模型

(5)特殊作业区管理

根据JSA风险等级，划分特殊作业区，隔离危险，防止非作业人员进入，特殊作业区模型如图8所示。无作业许可证人员进入该区域系统自动记录并产生报警。如系统发生报警，现场管理人员需立即查看报警情况，根据现场查看结果，判断是否属于系统误判或发生违章情况。系统误判时，应选择消警并记录消警原因；如发生违章情况时，应立即处理，并记录违章原因。通过特殊作业区管理，实现特殊作业区的规范作业，减少安全事故的发生。

图8 特殊作业区模型

2 案例分析

以某石化项目为背景，该项目施工面积近1万 m2，施工单位共4家，人员最多时有5百余人，施工现场全部实行封闭化管理。由于项目施工单位、人员、施工机械较多，施工空间有限、各种工序交叉、技术复杂、施工作业危险性较大，并且施工队伍素质参差不齐，施工人员安全意识薄弱，施工过程中存在较多的安全隐患，使施工现场安全管理困难。为了加强对施工现场人员的安全管理并提高现场安全管理效率，采用本系统，实现进场人员和特殊作业区人员的自动实时管理，禁止不合格人员进入作业区，减少安全事故的发生。

根据施工现场情况，现场共布置智能人脸筒型摄像机2台，布置在施工大门，实现对工人进出施工现场的管理，图9为人员进场人脸识别。

图9 人员进场人脸识别

由于蓝牙定位技术相比其他定位技术成本低、功耗小，能满足施工现场多人长期跟踪的要求，因此系统采用蓝牙定位技术，并使用天线阵列到达角(Angle of Arrival，AOA)测量定位方法。系统共布置蓝牙定位基站三十余个，累计发放定位标签5百余个。根据施工现场情况合理布置蓝牙定位基站，使信号有效覆盖整个施工场地。蓝牙定位基站分为远距离定位基站和近距离定位基站，覆盖面积分别为80，10 m半径的圆范围；采用10/100 M以太网(RJ-45)有线连接；供电方式为POE(Power Over Ethernet)供电或直流供电；蓝牙定位标签体积、质量小，可置于安全帽或工牌中；采用纽扣电池供电，续航时间2～7个月；定位距离50～100 m。蓝牙定位基站及定位标签如图10所示。

图10 蓝牙定位基站、标签

从2018年5月21日起至2019年3月7日，对项目人员进行进场监管，其中，正常进场4万余人次，违规进场1万余人次，未授权进场5万余人，人员识别的准确率稳定在85%左右。对非正常进场人员，及时排查，公示未授权进场人员，处理违规进场人员并记录。从2018年4月27日起至2019年3月7日，共累计定位数据9百余万条，现场人员定位精度保持在亚米级。针对特殊作业行为，累计设置特殊作业区20次，有效规范2百余人进入危险作业区域。系统实际运行情况良好，能处理大量的人员管理数据，节省人力，同时大大提高安全管理的效率；实时跟踪人员位置，有效禁止无作业资格人员进入作业区，提高了现场安全管理水平。

3 结 语

建筑施工作业区准入检查能有效减少现场人员不安全行为，但目前大都采用人工检查的方法，效率低、易出错。本文提出一种建筑施工作业区准入安全管理系统，介绍了系统整体架构、关键技术、系统流程及系统功能。此系统能将施工人员日常检查的随机性及主观性转化为自动化判断并达到以下目的：

(1)让合格的(培训)人员进入施工现场；

(2)让施工作业得到实时监控；

(3)让违规进入特殊作业区的行为得到实时监控及纠正。

将本系统应用于实际施工项目中，系统能有效地规范人员进场，降低了现场施工作业风险的发生几率，整体提高了项目安全管理水平。