摘 要

随着建筑业的不断发展，建造现场施工人员的安全管理占据着越来越重要的地位，良好的安全管理不仅能够促进实现项目管理目标，而且有利于企业的更长远发展。但是由于建筑业的露天作业和高空作业较多、生产周期长、建筑工人基数大且文化水平参差不齐、施工机械操作难度大等特点，使建筑业成为一个存在极大风险的行业，屡有安全事故发生。因此基于新技术的安全管理方法的研究迫在眉睫。

本文根据建造现场施工人员安全管理的现状及其缺陷，通过对施工现场易发生的人员安全事故及对应危险区域的研究，将BIM与物联网共同应用于施工人员安全管理，构建了一个建造现场施工人员安全管理系统，分别针对易发生事故的危险区域、施工人员身体状况、施工人员操作情况及安全培训等方面提出了解决方案，期望能够从根本上有效减少施工人员安全事故的发生。本文的研究为建造现场施工人员安全管理提供了一种新的管理思路及管理方法，设计了基于数据驱动的建造现场施工人员安全管理系统。

关键词：数据驱动；物联网技术；BIM技术；人体行为识别；施工人员安全管理

Abstract

With the continuous development of the construction industry, the safety management of construction site construction personnel is playing a more and more important role. Good safety management can not only promote the realization of project management objectives, but also contribute to the long-term development of enterprises. However, due to the characteristics of more outdoor and high-altitude operations, long production cycle, large base of construction workers and uneven levels of education, and difficult operation of construction machinery, the construction industry has become an industry with great risks and safety accidents occur frequently. Therefore, the research of management method based on new technology is extremely urgent.

According to the present situation and shortcomings of safety management of construction site constructors, through the study of personnel safety accidents and corresponding dangerous areas in construction site, BIM and Internet of Things are jointly applied to safety management of construction site constructors, and a safety management system of construction site constructors is constructed. Solutions are put forward in the aspects of the dangerous areas prone to accidents, the physical condition of construction personnel ,construction personnel's operation and safety training, in the hope of effectively reducing the occurrence of construction personnel's safety accidents fundamentally. This study provides a new management idea and method for the safety management of construction site constructors, and realizes the safety management of construction site constructors based on data-driven.

Key words: data-driven; Internet of things technology; BIM technology; Human behavior recognition; Construction personnel safety management

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2.研究目的及意义 2

1.3.国内外研究现状 2

1.3.1物联网技术和BIM技术研究现状 2

1.3.2人体行为识别技术研究现状 3

1.4研究内容、方法及技术路线 4

1.4.1研究内容 4

1.4.2研究方法 4

1.4.3技术路线 5

第2章 相关理论基础和技术 6

2.1物联网技术 6

2.1.1物联网的概念 6

2.1.2物联网技术体系架构 6

2.1.3物联网核心技术 7

2.1.4物联网技术应用于施工人员安全管理的可行性 9

2.2 BIM技术 9

2.2.1 BIM的内涵 9

2.2.2 BIM技术在施工人员安全管理中的应用价值 10

2.3人体行为识别技术 10

2.3.1基于视频的人体行为识别 10

2.3.2基于传感器的人体行为识别 10

2.3.3人体行为识别过程 11

第3章 建造现场施工人员安全管理现状分析 13

3.1建造现场施工人员安全事故类型 13

3.2人员安全事故原因 15

3.3建造现场施工人员安全管理存在的问题 16

第4章 基于BIM 物联网技术的建造现场施工人员安全管理系统 17

4.1建造现场施工人员安全管理系统综述 17

4.1.1系统功能分析 17

4.1.2系统设计原则 18

4.1.3系统运行流程 19

4.2系统建立准备工作 21

4.2.1建造现场危险区域划分 21

4.2.2施工人员类别划分 22

4.2.3施工人员权限定义 23

4.3建造现场施工人员安全管理系统子系统详述 24

4.3.1定位监管子系统 24

4.3.2生命体征监测子系统 25

4.3.3行为识别子系统 25

4.3.4安全培训子系统 25

第5章 总结与展望 27

5.1总结 27

5.2展望 27

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1研究背景

在我国经济发展过程中，建筑业逐渐成为重要的支柱型产业，其所实现的产值占社会总产值的较大比重。根据国家统计局所发布的2018年度国民经济统计数据，建筑业总产值为235086.00亿元，占社会总产值的26.11%，同比增长9.88%。与此同时，在建筑业快速进步的过程中为社会提供了许多工作岗位，促进了社会的和谐发展^[1]。

由于建筑业的生产时间长、建筑工人基数大且文化水平参差不齐、施工机械操作难度大、有大量高空作业等特点，使建筑业成为一个存在极大风险的行业，常发生安全事故。随着建筑行业安全生产管理相关法律的依次出台，建筑行业的安全管理也开始变得越来越规范，但建造现场安全生产的形势仍然十分严峻。根据住房和城乡建设部办公厅发布的关于房屋市政工程生产安全事故和建筑施工安全专项治理行动情况的通报可以知道，在2018年，全国共发生房屋市政工程生产安全事故734起、死亡840人，与上年相比，事故起数增加42起、上升6.1%，死亡人数增加33人、上升4.1%。由于建造现场作业施工人员人数较多、影响范围广，所以其潜在危险程度也相对高于其他行业。一旦发生人员安全事故，不仅对工人自身及其家庭造成极大伤害，也会影响工程工期、费用等，还会对施工单位及建设单位的声誉造成较大影响。

在经济快速增长和社会稳步发展的过程中，安全问题越来越受到整个社会的广泛关注和极大重视。因此施工单位和建设单位都应加强对建筑施工人员安全管理的重视程度，这样不仅能够促进实现项目管理目标，而且有利于企业的更长远发展。

物联网技术近年来在应用方面逐渐成熟，物联网是指把控制器、传感器、机器、物品和人员等通过局部网络或互联网等信息技术连接在一起，使物体与物体、人类与物体之间联系起来。在物联网的基础上，可以利用中心计算机集中统一管理和控制设备、机器和人员，同时产生的这些数据将被收集起来，最终聚集形成大数据。通过对大数据分析，可以帮助人们科学决策和规划^[2]。因此，物联网技术可以有效地加强对建造现场建筑工人的安全管理，以减少由于安全事故的发生所造成的各种危害。

作为一种新型工程项目管理辅助技术的BIM技术，为建造现场的工人安全管理提供了更快捷高效的服务。BIM技术的3D数字化特点可以应用于建设项目的整个生命周期，它通过一个其全生命周期都能使用的格式，收集该工程全部相关信息，并在此基础上建立一个信息相互协调的信息化模型，这个信息化模型可以作为项目决策和共享信息资源的基础^[3]。BIM所具有的建筑信息全面性及可视化等特点，在建筑施工人员安全管理中发挥了关键性作用，例如能够加强施工人员安全教育、危险因素识别、构建实体之间的协调等方面的效果。

1.2.研究目的及意义

本研究课题的提出可以使建设项目建筑工人安全管理方法及理论得到进一步的充实丰富，单一技术理论的应用效果有限，而多技术的有效结合则可以极大改善应用效果。本文将物联网技术、BIM技术以及人体行为识别技术有效结合，即将利用BIM技术建立3D信息模型并集成多种信息数据、利用传感器和FRID技术进行现场采集的数据信息以及利用人体行为识别技术识别施工人员行为结合起来，最后在平台中进行集成构建一个系统。物联网技术、BIM技术和人体行为识别技术的结合能够对建造现场的每一位建筑施工人员进行实时的全方位监控与反馈管理，更加有效地保障现场施工人员生命安全。

利用物联网技术、BIM技术和人体行为识别技术进行施工作业人员安全管理具有一定理论及现实意义。

（1）有利于施工单位健康的持续发展。施工单位的竞争力不仅体现在建设速度、质量、造价等方面，建造现场的安全事故发生率也是评判标准之一。而将物联网技术、BIM技术和人体行为识别技术应用于建筑工人安全管理上可以有效避免潜在安全事故以及减少安全事故的发生，提高施工单位竞争力，并且获得良好发展。

（2）有利于减少损失，保证建筑质量。利用物联网技术实时收集的各种信息同步到利用BIM技术建立的虚拟模型中，并在后台服务器中最终集成处理，同时利用人体行为识别技术实时监测施工人员的作业行为，能够及时准确的预测安全事故，管理人员根据实际情况迅速做出判断，能够有效避免安全事故的发生，同时也能够使工程质量得到更好的保障。

（3）有利于使建筑施工人员安全管理朝向信息化、规范化发展。建筑施工人员安全管理与物联网和BIM等信息集成技术的深度融合，有利于信息技术的支撑和引领作用在建筑业中得到充分发挥，促进形成建筑业新态势^[4]。

1.3.国内外研究现状

1.3.1物联网技术和BIM技术研究现状

国内许多学者已经开展了BIM和物联网在应用在建筑业方面的研究。董大渂与冯凯梁提出利用基于RFID技术和WSN的物联网技术来获取建造现场所有危险源的动态数据，形成安全管理定位系统，当出现潜在危险状态时，后台将发出预警以避免安全事故的发生^[5]。罗洁提出可以利用RFID、定位技术作为辅助，将其实时采集到的数据通过移动网络汇集起来形成连续动态的监测数据，用实时化的数据为BIM模型赋予“生命”^[6]。孙靖文提出可以利用射频识别RFID技术对施工人员进行定位，一旦发生危险情况后台自动报警提醒；也可以对重大危险源进行检测，同时利用三维模型及时预测、判断各设施的安全状态^[7]。闫鹏提出BIM的三维可视化特点可以结合物联网技术建立应急管理平台，使突发事件的应急响应能力得到提高，改善救援能力；并且能够极大提高模拟培训的效果^[8]。郭红领等人针对施工现场复杂的环境以及工人的监控不到位等情况，构建了一个集成了BIM技术和FRID技术的实时定位与安全预警系统模型，能够有效提高施工人员安全管理的效果，并降低安全事故的发生概率^[28]。

Peter Ruckebuch等人首次提出也是最重要的观点——GITAR，它是物联网架构的通用扩展，使应用程序得到运行时更新^[9]。M. Abderrahim和E. Garcia等人设计了配置了微型定位和通讯工具的安全头盔，可以定期对每个工作人员的位置和ID进行采样并通过无线电发送到监控站，能够连续采集工作人员和机器的动态数据，可以及时识别风险情况并发出预警^[10]。Z. Riaz和D.J. Edwards等人创建了一个健康安全管理系统，通过结合GPS（全球定位系统）、智能传感器和无线网络来实时追踪工作人员和机械设备的状态，发生事故时能够及时通知管理人员和员工潜在危险，能够有效降低事故率；该系统还能够提供已发生的危险事件的报告，从而使管理人员能够从以往的项目管理中获取更多经验，使管理人员的能力得到有效提升^[11]。Ung-Kyun Lee和Joo-Heon Kim等人针对高空坠落事故建立了一种基于超声波和红外传感器的安全监测系统，该系统包括用于检测工人进场的移动传感装置、用于将检测到的信息发送到接收器的发射机组和中继器以及用于解释该信息的专用软件，该系统利用物联网技术，在易发生高空坠落事故的区域布置传感设备，当传感设备检测到有人靠近时系统便会发出预警^[12]。卡尔拉·洛佩兹·德普尔托等人通过实例讨论了基于BIM技术的安全控制措施，重点为监测并预警潜在工程安全隐患，通过3D模型的三维可视化特点不仅可以在设计阶段便尽早发现潜在危险，还可以使设计人员、施工人员加强合作，提高施工人员安全系数^[13]。Sijie Zhang和Jochen Teizer等人针对涉及坠落危险的不同情况开发了自动分析建筑模型以检测安全危险并向用户提出预防措施建议的算法，开发的自动安全检查平台在施工开始前将潜在危险的原因、时间、地点以及应采取的措施提前通知管理人员和施工人员^[14]。

1.3.2人体行为识别技术研究现状

人体行为识别技术已经从最初的初步研究阶段的行为定义描述和逐步探索阶段的利用数学模型识别人体行为，发展到了目前的快速发展阶段。最近十年来研究者们将研究重心逐渐从受控环境下的简单人体行为识别转变到了不受控场景（现实情况）下的复杂人体行为识别^[21]，并且国家目前也重点关注人体行为识别技术在面向社会公共安全需求方面的应用。

Laptev等人提出了局部时空特征的观点，说明了如何通过具有局部时空特征的视频来检测具有封闭和动态杂乱背景的场景中的人，使人体行为识别技术实现了突破性进展。Zhengkui等人将变长边缘轨迹（LV-ET）和时空运动骨架（STMS）技术获得有效而紧凑的动作表示，并对验证了该方法的有效性^[29]。Grushin,A 等人将长短期记忆（LSTM）应用于人体行为识别技术，并证明出了其在现实场景中具有强大的动作识别潜力^[30]。

1.4研究内容、方法及技术路线

1.4.1研究内容

本文以国内外既有物联网技术、BIM技术、人体行为识别技术相关研究为理论基础，结合建造现场工人安全管理自身特点进行研究，主要研究内容如下：

（1）在对物联网技术、BIM技术、人体行为识别技术及建造现场工人安全管理的国内外研究现状进行归纳和分析的基础上，制定出本文的研究架构。