基于卷积神经网络的建筑工程施工安全预警研究

 文章通过使用文献调研、实证分析等方法对施工现场不安全影响因素及其相互耦合进行分析，得到风险最大的三类耦合；之后使用卷积神经网络实现施工现场人员侵入预警及施工危险区域工作人员不安全行为预警，并将该两个模型应用于实际案例
第 1 章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.1.1 研究背景

  近三十年以来，建筑业在我国经济发展进程中起到了举足轻重的作用。2018 年上半年我国国内生产总值为 418961 亿元[1]，其中建筑业总产值达到 94790.39 亿元[2]，建筑业总产值占国内生产总值比重达到 22.63%；同时，仅 2018 年上半年建筑业就为我国解决了 4419.24 万人的就业问题，建筑业已经成为我国影响力最大的行业。在建筑业为我国经济发展强力赋能的同时，频繁发生的建筑施工安全事故也引起社会与学术界的广泛关注。建筑业一直重视建筑安全管理，并在 2012 年正式实施《建筑施工安全检查标准》，但由于建筑施工现场施工人员素质普遍不高、环境复杂，施工工序难度大等特点，建筑安全事故仍时有发生，在我国是仅次于煤矿业的第二危险行业。根据近几年住建部的安全事故统计资料显示，我国建筑业安全事故无论是发生次数还是造成的人员伤亡数一直居高不下，限制我国建筑业健康、持续发展。下图为 2009~2018年全国房屋建筑及市政工程安全事故统计。

上图显示在 2009-2015 年之间，建筑业每年发生的安全事故次数与安全事故造成的死亡人数均有下降趋势，但距离我国建筑业零伤亡的目标仍有较大差距。从 2016 年至今，在将每年安全事故发生的次数及安全事故造成的死亡人数与 2015 年进行纵向对比后发现，无论是安全事故发生的次数还是事故造成的死亡人数都在逐年增加，反映出我国的建筑业仍处于安全事故频发阶段。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 建筑业施工安全管理研究现状

  安全管理是指使用现代理论方法，分析已发生的安全事故、研究当前行业安全现状，得到影响安全的各项指标。在此基础上结合行为等管理理论，控制与各项指标相关计划、决策的制定、实施，借此减少因为该类指标造成的、可能引发安全事故的不安全状态，达到避免安全事故发生的过程[4]。当前，国内外学术界关于建筑业施工安全管理的研究主要集中于“事故致因”与“安全影响因素”两方面。

（1）事故致因理论研究现状

  事故致因理论的目的是通过分析已有的施工安全事故，找到引发各类施工安全事故的共性原因，并以此为后期安全事故的管理ᨀ供重点[5]。在事故致因理论研究中以海因里希的研究成果为代表。Heinrich 在其著作中创新性的使用多米诺骨牌运动形式为模型运作原理分析工业事故发生原因，认为 90%以上的人员安全事故是人的不安全行为造成，人的不安全行为是造成安全事故发生的直接原因，截断多米诺骨牌的任一环都能阻止安全事故的发生与蔓延，但 Heinrich 并未就多米诺骨牌中任一具体影响环节进行研究[6]。后来，部分学者就 Heinrich 未涉及到的领域进行研究。HARPER 在实证调研的基础上ᨀ出事故致因研究的重点应放在危险源识别与管理上，开创性的为安全事故的预防找到着力点[7]；然而ALBERT 在分析施工现场复杂环境后认为超过 55%的危险源无法识别[8]，主要原因是施工现场场布复杂、人员活动散乱等。同一期间，HALLOWELL ᨀ出安全管理效率关系安全事故发生的次数与频率[9]，因此探索怎样使用事故致因理论ᨀ升施工安全管理效率逐渐成为新的研究趋势。在这个趋势影响下，一些学者开始探寻新的研究方向，并逐渐将 Heinrich ᨀ出的“不安全行为”作为中心进行探索。在 Heinrich ᨀ出的事故致因理论后，学者们逐渐完善行为安全理论。行为安全理论通过分析、分类员工存在的可能导致安全事故发生的不安全行为，并通过控制不安全行为的发生进而达到预防安全事故的目的。在此基础上，James ᨀ出瑞士奶酪模型，将事故致因分为人的不安全行为与能量两部分，并通过相互之间的关系演示安全事故发生[10]。James ᨀ出瑞士奶酪模型模型后来被学术界应用，并由此模型发展出 HFACS 模型，目前 HFACS 模型已经广泛应用于包括民航安全在内的多个行业安全管理领域

第 2 章 相关概念与理论分析

2.1 建筑施工安全管理概念

  建筑安全管理就是在既定安全生产目标框定范围内，结合目标管理的思想，反向ᨀ出一系列安全生产保护措施及保障这类措施顺利实施的相关制度规定，并以此完成安全生产目标的过程。严格、有效的建筑安全管理能够为企业、社会带来巨大的边际效益。安全管理的优劣不仅仅关乎企业职工的安全与企业发展，同时对于我国工业安全发展有着重要的、不可逆的影响，好的安全管理能够为其他行业带来正向激励，对于安全事故是由发生的建筑业尤为如此。

2.1.1 建筑施工特点

  建筑业安全事故时有发生的状况引发社会的巨大思考，如何能够做好安全管理也是建筑学术界一直在探索的难题。其实不仅仅是建筑业，我国各行业关于生产安全的理论与管理体系均起步较晚，系统化的安全管理体系尚未形成，已经在一定程度上影响社会居民的生产生活。建筑业安全事故多集中于建筑施工阶段[38]，在社会各界与学术界的关注下，ᨀ高我国建筑施工安全管理水平迫在眉睫。想要ᨀ高我国建筑施工安全管理水平，就必须以实际安全管理状况研究为基础，分析我国建筑施工阶段的特点。建筑施工阶段具有的特点主要由建筑物本身及行业发展两方面决定。一方面，由于各建筑物具有结构不同，各工程施工管理不具有复制性；；另一方面，行业关于并未形成施工管理体系化，在进行特定项目安全管理时，往往需要从头做起。我国施工现场具有的特点主要有以下几方面：

（1）建筑差异大

  区别于其他行业中企业产出的产品具有可复制性，建筑产品即建筑物本身具有差异性，即每一栋建筑物都不相同。一方面体现在建筑物本身结构与造型上，另一方面体现在施工组织与编排上。还有部分学者认为，建筑物具有的这种差异性也和建筑物施工的周围环境有关，周围环境的不同对安全管理的技术与方法要求有着显著差异。建筑物的差异性，一方面使得建筑物建设难度增大；另一方面，对于占据建筑物建设前期大量时间施工阶段安全管理，需要安全管理人员与施工参与人员能够灵活变通，将之前在其他项目上的安全管理知识辩证在目前施工现场使用，增加了其他行业不具有的安全管理经验转移辩证思考维度。

2.2 建筑安全事故成因分析

  施工现场具有多工种交叉作业、机械化程度高等特点，多数学者也从理论角度辩证分析人的因素、物的因素、环境因素及管理因素是造成建筑施工安全事故发生时有发生的根源。目前，部分学者将这些安全影响因素单独分析，最后得到一系列的评价结果与政策建议，但在分析施工现场实际后发现：在分析建筑安全事故成因时，不能仅仅分析单个安全影响因素而是应该将施工现场安全影响因素结合起来进行耦合分析，这样才能更符合施工现场实际，基于此确定如下的施工现场安全事故成因分析图：

第 3 章 施工现场安全影响因素分析

3.1 施工现场安全影响因素体系研究整体思路

3.2 施工现场安全影响因素体系构建 

3.3 施工现场安全影响因素耦合分析 

3.4 施工安全关键影响因素分析模型构建

第 4 章 施工危险区域侵入行为预警分析

4.1 施工现场危险区域侵入预警研究整体思路

4.2 施工危险区域侵入行为预警准备工作分析

4.3 施工危险区域侵入行为预警需求信息分析

4.4 施工危险区域侵入安全预警功能实现分析

第 5 章 施工现场危险区域内人员不安全行为预警分析

5.1 施工现场危险区域内人员不安全姿态预警研究整体思路

5.2 施工危险区域内人员不安全行为预警准备工作 

5.3 施工危险区域内人员不安全行为分析

5.4 施工危险区域内工作人员不安全行为预警功能实现分析

结论与展望

  文章通过使用文献调研、实证分析等方法对施工现场不安全影响因素及其相互耦合进行分析，得到风险最大的三类耦合；之后使用卷积神经网络实现施工现场人员侵入预警及施工危险区域工作人员不安全行为预警，并将该两个模型应用于实际案例。

（1）结合使用综合分析理论与 “耦合”模型分析施工现场安全影响因素：文章分析已有的研究方法后，使用“综合分析理论”多维度分析施工现场安全影响因素，然后使用物理学中的“耦合”概念，模拟施工现场不安全因素耦合类型及可能的后果，丰富了施工安全管理理论。

（2）搭建施工人员侵入识别模型与预警原理实现施工现场工作人员实时侵入检测：文章首先确定施工人员侵入危险区域预警原则，然后分析人员属性获取及不安全区域划分，最后使用 Python 算法搭建施工人员侵入识别模型结合预警原理将该模型应用于实际案例进行识别效果分析，得到较为理想的识别准确率。

（3）搭建人员行为识别模型与预警原理实现施工现场工作人员不安全行为检测：文章首先确定施工人员不安全行为预警原则，然后分析人员不安全行为分类，最后使用 Python 算法搭建施工人员不安全行为识别模型结合预警原理将该模型结合实际案例进行识别效果分析，实验结果能够满足当下建筑施工安全管理。