建筑领域安全形势严峻, 运用信息技术加强建设安全管理是必然趋势。从信息生命周期管理 (Information Lifecycle Management, ILM) 角度看, 建设安全管理是一个对安全信息进行全生命周期管理的过程, 包括安全信息收集、传输与存储、分析、评价及反馈等, 这些信息管理活动由不同的信息技术来支撑实现, 包括安全信息获得与收集技术, 如GPS (Global Positioning System, 全球定位系统) , 激光扫描, RFID (Radio Frequency Identification, 射频识别技术) 及UWB (ultra-wide Band, 超宽带) 传感器, CV (Computer Vision, 计算机视觉技术) ;传输与存储信息技术, 如WN (Wireless Network) , 各类数据库等;风险评估与事故预测平台技术等, 如GIS (Geographic Information System) , BIM (Building Information Modeling) , 多维可视化信息模型ND (N Dimension) 及虚拟现实技术VR (Virtual Reality) 等。

建设安全领域是一个多学科交叉的综合研究领域, 各类信息技术在建设安全改进中的应用近年来已成为建设安全改进的研究热点, 但目前尚未见到从ILM角度综述信息技术在建设安全管理应用的研究文献。从信息生命周期角度进行信息技术在建设安全改进中应用的研究一方面是对信息技术在建设工程管理、安全科学与工程等交叉学科所组成的建设安全管理领域成果应用的梳理;另一方面则是对信息生命周期的全新解释, 将促进从信息的集约、综合利用角度开展促进建设安全管理改进的研究与实践。本文从安全信息管理视角出发, 综述典型的信息技术在建设安全管理中应用, 并展望未来的发展方向。

ILM的系统研究始于20世纪80年代末到90年代初, 是信息管理主体以简单、可靠、经济、有效的方式, 依据不同信息在不同阶段的预期价值实施不同的管理策略, 以实现信息生命周期的每一阶段都能获取信息价值最大化的管理战略。目前, 理论界关于信息生命周期管理的研究成果包括ILM综述, ILM的采集、存储等相关技术, 不同载体的ILM, 金融、工业制造、信息服务等行业与ILM, 信息专业数据存储公司的产品和策略等。

对信息进行贯穿其整个生命周期的管理需要相应的策略和技术实现手段, 即信息管理与信息技术。信息管理就是对信息资源和信息活动的管理, 是指在整个管理过程中, 收集、加工和输入、输出信息等活动的总称, 这些活动所经历的过程就是信息管理过程, 也即ILM中所经历的各个阶段, 包括信息收集、传输与储存、应用等。信息技术是应用于信息管理过程中信息的产生、发送、传输、接收、变换、识别和控制等技术的总称, 架起了信息科学和生产实践之间的桥梁。

从ILM角度, 信息技术在建设安全管理中的应用主要体现在建设安全信息的收集、传输与存储、建设安全管理信息分析与评价及反馈的可视化应用平台等信息管理过程中。建设安全信息贯穿项目前期规划、设计、施工、验收、投入使用几个阶段。施工阶段现场是人流、物流、信息流交汇的点, 因此, 本文主要针对项目施工阶段的安全信息管理, 从信息生命周期管理的收集, 传输与存储, 分析、评价及反馈过程等角度综述信息技术在建设安全管理中的应用现状, 展望其应用的前景与发展趋势。

建筑施工现场安全监控因素多、难度大, 目测及人工检查受管理人员经验局限性大, 不便快速识别隐患、全面预防和及时处理, 从而造成项目的损失。随着信息技术的发展, 施工现场安全监控技术日趋先进。利用多种传感技术代替人工管理, 通过实时采集施工现场的工人、建材及施工机械信息, 进行身份识别, 跟踪定位及行为分析, 实现及时安全预警、实时监控施工安全状态, 对于预防与控制事故的发生, 提高施工安全管理水平具有重要意义。

当前应用于施工现场最具有前景的信息收集技术基本上可以分为两类, 一类是传感技术;另一类是计算机视觉技术。

(1) RFID。RFID是一种非接触式的利用无线通信进行目标身份识别的技术, 采集及时准确, 自动化程度高, 作用对象广泛并具有信息存储功能, 通常由读写器、RFID标签组成。标签进入磁场后, 接收解读器发出的射频信号, 凭借感应电流所获得的能量发送存储在芯片中的信息 (无源标签或被动标签) , 或者主动发送某一频率的信号 (有源标签或主动标签) ;解读器读取信息并解码后, 送至中央信息系统进行有关数据处理。RFID标签十分适合应用于比较恶劣复杂的施工现场环境。国内外学者对RFID技术在施工现场安全监控方面做了较多的理论与实践研究。

RFID主要应用于建材、工人和施工机械管理安全信息的采集3方面: (1) 建材管理方面, 可用来辅助物流和供应链管理、库存管理、建材质检以及废料管理; (2) 工人管理方面, 可用作进出场控制及出勤考评、安全预警等; (3) 施工机械管理方面, RFID技术可以跟踪施工机械及工具、记录施工操作及机械维护等。具体地, 利用RFID进行人员和施工资源的定位, 实现人员和机械的碰撞事故预防以及现场管理, 例如利用RFID技术标记重型装备和工人安全设备, 当工人和设备进入危险工作领域将触发警告并立即通知工人及相关管理者, 增强现场人员管理, 利用RFID技术与ZigBee技术结合构建安全信息管理模式可以主动预防高空坠物等。

(2) UWB。超宽带通信 (UWB) 是一种利用超宽带信号进行多目标定位的技术。典型的UWB系统主要包含数据处理计算机、集线器、接收器和射频标签。UWB因其多目标实时精确定位能力, 被广泛地应用到施工现场的工人、机械、建材定位中, 以开展施工安全监控、施工操作分析等工作。例如利用UWB对工人进入虚拟危险区域进行报警, 对塔式起重机机械碰撞进行动态监测与预警, 对工人以及建材运动轨迹分析。

(3) GPS。GPS是较早被应用到施工管理中的技术, 其最大的优点是无需其他配套设备。Oloufa等利用差分GPS跟踪施工机械, 根据其实时位置, 提出一种防碰撞方法, 以增强施工安全。GPS可以方便地定位单一目标, 但在多目标同时定位时, 不具备辨别目标身份的能力。因此有研究者尝试将GPS与RFID相结合, 以达到多目标定位的目的。Ergen等利用GPS和RFID来跟踪预制件供应过程。Grau等采用了同样的方法来自动跟踪工件在施工现场的流转, 并与人工计件的方法相比, 验证了其效率优势。

由于数据采集方便、成本低廉、所获取信息丰富, 同时相对于RFID类传感器而言, 计算机视觉不需要在目标物上附着标签, 近年来在施工管理中得到了较为广泛的应用。机器视觉技术通过视频或照片收集现场数据, 利用计算机对图像或视频数据进行分析, 获得丰富信息 (如项目要素的位置和行为, 现场环境等) , 便于迅速、准确及综合地理解复杂的现场施工任务。计算机视觉在施工管理中的应用包括对施工过程的参与者 (包含工人、建材、施工机械等) 进行跟踪定位, 对施工危险行为进行识别或者进行视频分析。

建设安全管理信息传输技术包括WN (Wireless Network) , Zigbee, Bluetooth等多种方式。WN是指采用无线传输媒介的计算机网络, 结合了最新的计算机网络技术和无线通信技术。WN使用无线技术来发送和接收数据, 减少了用户的连线需求, 具有开发运营成本低、时间短, 投资回报快, 易扩展, 受自然环境、地形及灾害影响小, 组网灵活快捷等优点。可实现“任何人在任何时间, 任何地点以任何方式与任何人通信”, 弥补了传统有线网络的不足。局域网 (Local Area Network, LAN) 可以支持施工现场内计算机之间的联结和团队之间信息的传输, 个域网 (Personal Area Network, PAN) , 包括蓝牙 (Bluetooth) 和Zigbee可以支持短距离内个人信息的传输。ZigBee是一种可靠的、低成本的、易于安装的无线传感器网络解决方式, 可采用Zigbee RFID传感器网络防止工人被坠落物体砸伤, 跟踪工人、设备及材料的踪迹以预防事故发生。

建设安全信息存储是将经过加工整理序化后的信息按照一定的格式和顺序存储在特定的载体中的一种信息活动, 其目的是为了便于信息管理者和信息用户快速地、准确地识别、定位和检索信息。存储虚拟化技术、分级存储技术等新技术的使用将在建设安全管理信息存储方面发挥更大的价值。

建设安全管理信息应用技术包括安全信息分析、评价及反馈等。此过程中的许多信息技术通过与信息收集技术、传输技术结合使用, 获得建设安全管理信息的有效应用。如获得可视化安全评估与安全监测结果, 达到避免安全风险与事故的效果。

BIM由查克·伊斯曼 (Chuck Eastman) 提出。BIM技术通过参数模型整合各种项目的相关信息, 在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递, 使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对, 为各方建设主体提供协同工作的基础, 在提高生产效率、节约成本和缩短工期等方面发挥了重要作用。

在建设安全管理改进中, BIM可应用于项目的设计、施工前、施工和运营等多个阶段。在设计阶段, BIM可用于碰撞检查, 发现传统的基于图纸的方法所发现不了的设计失误, 在结构设计阶段排除一些建设安全风险, 进而避免返工可能引发的事故;可用于逃生设计中的合理检测和改善。在施工前安全管理中, 用于在施工前的虚拟环境中发现潜在的安全隐患并予以排除。在施工阶段, 用于安全培训及动态识别现场危害。此外, 还可用于建筑后期维护工作的安全管理。

与基于RFID的安全管理系统相比, 基于BIM的系统由于信息完备性和可视化的特点, 在宏观的安全措施制定和安全控制上具有更大的优势。基于BIM和4D技术的系统可从较为宏观的角度提高安全管理效率, 比较全面地完成危害识别、安全措施制定和安全控制等任务。

BIM作为一个虚拟化的可视化平台, 可与其他技术结合使用, 与实际的施工过程联系起来获取施工现场相关的安全信息, 实现虚拟模型与物理建造的集成进行安全管理, 这些技术包括激光扫描, RFID, 相机等。

地理信息系统 (GIS) 是一种高效的集成大量空间信息的管理技术, 具有定位、动态监测和可视化的功能。GIS在建设安全事故中能够发挥重要作用。通过使用GIS, 实时的数据将得以整合与分析, 从而在决策反馈阶段借助可视化和自动化的功能来提高决策的效率。

虚拟现实技术具有仿真度高、身临其境的特点, 可使操作者有能力从不同角度观看目标物, 并且可以在虚拟世界中提取、监测和修改目标, 达到迅速的控制反应与高度参与。虚拟现实技术在建筑安全培训方面获得了充分应用。

多维信息模型基本的处理对象为几何实体, 包括点、线、圆、多边形等, 2D图形即用x、y坐标表示的图形, 如目前使用的各类方案图、初步设计图和施工图。3D模型分类两类, 一类是3D几何模型, 其主要作用是对工程项目进行可视化表达。第二类则是BIM 3D或BIM模型, 包含了工程项目所有的几何、物理、功能和性能信息。4D是在3D的基础上加上时间轴, 也就是进度计划, 用来研究建筑物可施工性、施工计划安排以及优化任务和工作顺序。5D是基于BIM 3D的造价控制。在6D的范畴, 其应用将更多的基于BIM做建筑的一些性能分析, 如抗风压性能分析及试验模拟;抗震性能分析及试验模拟等。ND模型将多维的参数集成在一个全局模型上, 进而使得使用者可以在可视化的环境中进行全生命周期的建设安全管理。

实际上, 上述几种信息可视化应用平台往往在一起结合使用才能发挥巨大的效果。如在设计阶段中, 在结构设计中的应用, BIM与GIS和VR技术的结合在火灾逃生中的应用。GIS作为一个相对成熟的空间技术, 因其空间技术的优势适合辅助安全设计。如果能与BIM相结合, 将会在逃生设计的合理性检测和改善上具有相当的应用潜力。VR技术则对真实情形的仿真度高, 基于VR的火灾模拟更加侧重于人的感受, 可利用这一优势来检验安全设计的可靠性。通过这个系统, 安全管理人员可以更准确地预测人在遇灾害时的行为并依此来检测安全设计的可靠性, 此外, 基于模拟的结果还可用于制定更加高效的疏散计划来最小化伤害。

在施工前安全管理规划中, BIM提供的建筑信息与GIS提供的地理信息相结合可以更加完善规划阶段的安全管理。搭建一个包含全部建筑信息的BIM模型, 然后在一个交互式的虚拟环境下基于已搭建的模型进行虚拟施工模拟, 从而找出施工方案存在的问题并予以解决。特别是在引入4D以后可以动态地分析施工过程可能发生安全隐患的关键点。

在施工阶段, BIM和VR技术可用于现场安全培训, 基于RFID和4DCAD的模型在施工管理和自动化控制上存在很大的应用潜力, 可间接改进建设安全管理水平。RFID与BIM技术结合构建施工现场安全监控系统, 利用RFID实时获取现场位置信息, 对BIM进行实时更新, 实现工人不安全行为预警, 高处坠落事故智能预警, 现场安全监控等。

综上所述, 新兴信息技术当前已在建设领域迅速展开, 多种技术的综合应用在将来必将在建设安全改进中发挥最大的作用。

信息技术在建设安全管理中的应用作为一个新兴的研究领域, 存在一些亟待解决的问题。

当前, 信息技术已经在施工现场安全信息收集、人数统计、报警等方面进行了一定的应用, 但应该扩大信息技术的应用的范围:一是, 目前部分信息技术的应用还集中在某些施工现场, 需推广至更多的建筑工地现场进行使用;二是, 从ILM角度, 信息技术目前在项目的施工阶段的信息收集、传输、应用较为广泛, 应该推广至项目整个生命周期, 如规划设计阶段和使用阶段, 以实现集成式的ILM管理。

当前, 各类信息技术在建设安全管理中的应用的研究与实践进展更加多样化, 这些多样化信息技术的应用取决于各类新技术的出现及建设安全管理的需求, 需要进一步探索新型信息技术种类, 比较研究不同信息技术在建设安全改进方面的应用特点, 寻求最适合建筑行业安全改进的信息技术。另外, 当前的许多成果还局限于研究领域, 应该进一步探索如何将成果推广应用于实践, 使其真正地在改进建设安全管理中发挥作用。

一个建设项目往往持续几年时间, 建设安全管理过程中收集的信息数据形成复杂且庞大的大数据集合, 使用现有的数据管理方法或者传统的数据处理应用很难应付, 需要改进大规模数据的传输、存储、过滤、移植和检索的效率等各类数据处理分析技术。

鉴于信息技术应用于建设安全管理的必要性、重要性和紧迫性, 各种信息技术在建筑安全管理中将获得更加广泛地应用, 这是未来的必然发展趋势。

以往的建设安全管理往往是“被动式”或“反应式”的事后管理, 比如安全评价, 致因分析, 应急管理等。必须将“被动式”转化为“主动式”的安全管理, 包括安全设计, 安全监测等, 才能更好地实现安全管理的目标。而获得建筑施工现场的实时安全信息是实现“主动式”安全管理的关键, 当前各类建设安全信息收集技术的发展, 使各类信息的实时收集能够极为方便地实现, 这是实现“主动式”安全管理的基础。因此, 信息技术将促使建设安全管理由“被动式”向“主动式”转变。

在当前信息化的大背景下, 单一信息技术的应用将不复多见。综合利用多种信息技术, 优势互补, 这是信息技术在建设安全领域应用的一个大趋势。多种信息技术的综合应用将使安全管理效果更加凸显, 推动建设安全管理步入新一个台阶。

集成才能收益最大化。对各类建筑安全信息数据的充分应用是集成化的前提。从ILM角度研究建设安全信息资源在建设管理过程中的集成及集约应用, 实现信息资源利用的最大化是未来的研究重点, 将促进建设安全管理的实质性改进。

在当前形势下, 信息技术在建设安全改进中的各类研究与实践必将进一步深入展开, 包括充分开展各类新型信息技术在建设安全改进中的应用研究与具体实践;信息技术在建设安全改进中应用的实践应用效果的追踪评价, 相应改进对策的研究;信息技术在建设安全管理中的集成应用等。

建设项目事故后果的严重性, 当前信息技术在建设安全领域应用的巨大的潜力, 决定并提供了采用信息技术来改进建设项目安全的必要性和可能性。毋庸置疑, 信息技术必将在建设安全管理领域发挥更大的作用, 该领域具有广阔的发展前景, 但信息技术在建设安全领域应用目前是一个新兴的学科, 总体而言目前尚处于起步阶段, 研究基础有待进一步深入和开拓。

从信息生命周期管理角度开展建设安全管理的改进的研究与实践是一个崭新的视角, 有利于促进安全信息资源在建设过程中的集成、集约应用, 实现信息资源利用的最大化。本文从建设安全信息收集, 传输与存储, 信息分析、评价及反馈管理的过程出发, 对所涉及的不同的信息技术在建设项目安全管理中的应用进行了综述, 包括信息收集阶段的传感技术与计算机视觉技术;信息传输技术;信息应用阶段的可视化应用平台等。在此基础上, 对信息技术在建设安全管理中应用问题进行了分析, 对未来发展方向进行了展望。