基于CBR的建筑施工塔吊事故预警模型研究.pdf

Jun.2023Journal of EnManagement2023年0 6 月No.3Vol.37理程第3期第37 卷报学管基于CBR的建筑施工塔吊事故预警模型研究彭波1,2，蒲红枭1，李英攀1，严沁雪1（1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430 0 7 0，E-mail：390 38 6 0 15 q q.c o m；2.中信数智（武汉）科技有限公司，湖北武汉430 0 14）摘要：随着建筑业的蓬勃发展，建筑施工塔吊得到了广泛使用，但其安全事故也频频发生。为了有效预警塔吊安全事故，利用案例推理方法，通过收集和整理2 0 19-2 0 2 1年全国塔吊事故调查报告构建塔吊事故案例库，并结合遗传算法和最近邻算法进行案例检索，找到与目标情景相似的情景，根据相似度的大小决定是否进行案例重用或者案例修改。将该预警模型应用到实际案例，验证该模型的准确性和可行性，研究结果表明该模型可实现建筑施工塔吊全生命周期、全类型的安全管理。关键词：塔吊事故预警；案例推理方法；安全系统理论：最近邻算法；遗传算法中图分类号：TU714文献标识码：A文章编号：16 7 4-8 8 59（2 0 2 3）0 3-12 5-0 5D0I:10.13991/ki.jem.2023.03.022Study on Early Warning Model of Tower Crane Accident in BuildingConstruction Based on Case-Based ReasoningPENG Bol,2,PU Hongxiao,LIYingpan,YAN Qinxuel(1.School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China,E-mail:;2.Citic Digital Intelligence(Wuhan)Technology Co.Ltd.,Wuhan 430014,China)Abstract:With the booming development of the construction industry,tower cranes in construction have been widely used,buttheir safety accidents also occur frequently.To effectively warn against tower crane safety accidents,this paper uses the case-basedreasoning method to build a tower crane accident case database by collecting and sorting out the investigation reports of tower craneaccidents nationwide from 2019 to 2021.Then the genetic algorithm and the nearest neighbor algorithm are combined for case re-trieval to find a similar situation with the target situation,and the case reuse or modification is decided according to the similarity.Finally,the model is applied to a practical case to verify the accuracy and feasibility of the model.The research results show that themodel can realize the whole life cycle and all types of safety management of tower cranes in construction.Keywords:tower crane accident warning;case-based reasoning method;safety system theory:k-nearest neighbor;geneticalgorithm在建筑业快速发展的大背景下，作为工程现场主要起重机械的塔式起重机（以下简称塔吊）得到了广泛应用。但塔吊事故也随之频频出现，造成了严重的社会安全问题。相关数据统计表明，仅2 0 2 1年5月，全国共发生塔吊事故18 例，共计死亡41人、受伤30 人。迄今为止，国内外学者对塔吊安全管理展开了收稿日期：2 0 2 2-10-15.基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（WUT:2014-IV-122）；湖北省自然科学基金资助项目（2 0 13CFB346）；工信部工业互联网创新发展工程研究项目（TC19084E1）广泛的研究，研究方向主要集中在塔吊安全影响因素分析、塔吊安全管理水平评价、塔吊监控系统设计和塔吊事故预警模型构建等。刘名强等 采用粗糙集（RS）对装配式建筑吊装作业安全预警指标进行筛选，并构建了基于改进粒子群算法-相关向量机的装配式建筑吊装作业安全预警模型。黄莺等2 运用Vensim-PL软件对塔吊施工阶段的安全影响因素进行分析，并构建了塔吊施工阶段安全风险的系统动力学模型。谢晨晨等3 结合建筑信息模型（BIM）和定位技术（RFID）构建了一种塔吊安全事故预警系统，该系统能够实现对现场不安全行为和不安全环126第37 卷理报程学管境的安全预警。LingardH等4 组织澳大利亚塔吊操作方面的专家人员开展小组访谈，总结了7 7 个建筑业起重机安全事故的原因和影响因素。既往大部分研究的塔吊预警模型只针对塔吊的使用阶段或是只针对某种类型的塔吊，而针对全生命周期、全类型塔吊事故的预警的研究较少。为此，本文运用案例推理技术实现某一类型或某一阶段的塔吊事故预警，同时实现全生命周期、全类型塔吊事故预警。通过预警模型找到与实际案例相似的多个塔吊事故案例，结合塔吊事故案例的解决方案给工程现场塔吊安全预防提供预警方案，从而有效减少塔吊事故的发生。1相关理论1.1案例推理理论案例推理（Case-based Reasoning，CBR）技术是通过总结过去经验去处理新遇到问题的一种方式5。案例推理的基本工作原理是：对目标案例及其属性进行描述，接着，通过基于案例推理的4R（检索、重用、修改、保存）循环模型，从相似案例集中选择与目标案例最相似的案例，对比新旧案例，对最相似的案例进行微调，从而推理出目标案例的预测结果，实现对实际案例的有效预警6 9。1.2安全系统理论安全系统理论是从系统视角出发的理论，事故系统和安全系统作为其关键分析对象。事故系统包括4个要素：人的不安全行为；物的不安全状态；环境不良；管理欠缺。通常称它们为“4M要素10 。人、物、环境、管理在安全系统理论中被作为一个系统看待，分析其相互作用，从中找出引发事故的原因，剖析出预防事故发生的方法，该理论是工程安全管理中运用普遍的基本理论依据。2建筑施工塔吊事故预警模型通过上文对于相关概念理论分析及结合建筑施工塔吊事故本身的特点，设计了本文的基于案例推理的建筑施工塔吊事故预警流程如图1所示。2.1塔吊事故案例属性表示本文对中国工程与起重机械质量安全工程技术信息资源共享平台（起重工程师）收录的12 7 个事故调查报告进行分析，筛选出事故数据最为完整的6 0 个塔吊事故案例形成建筑施工塔吊事故案例库，部分事故基本信息如表1所示。本文运用框架法表示塔吊事故的案例属性，形数据收集事故数据案例库案例属性案例表示文本类型属性枚举类型属性指标相似度计算指标权重计算模糊数类型属性全局相似度计算案例检索5个匹配案例N相似度 0.8？Y预警方案案例重用预警方案预警方案案例学习图1塔吊事故预警流程表1部分塔吊事故案例的基本信息汇总经济编发生事故发生事故 死亡案例名称损失号时间等级阶段类型人数（万元）S120210715阜宁县天鹅5:301拆卸塌倾覆2379湖国际广场塔吊事故S220210711潮州市外滩15:43I拆卸失足坠落1120湾腾瑞中心塔吊事故S320210912温州瓯江口9:151使用失足坠落1188新区塔吊事故S420210913重庆海成东6:301使用吊物坠落1160方府塔吊吊装事故Ss20210605禹城市恒利16:30使用失足坠落1107公园居项目塔吊事故S620210405西安市国际16:2 0一使用吊物坠落1184港务区塔吊吊装事故S720210319重庆北碚区9:15拆卸塌倾覆1120蔡家组团塔吊事故S：20201208杭州湾智慧6:20使用塌倾覆2248宜居区块塔机事故S9220201202汕头华润中15:10使用吊物坠落1124心万象城塔吊事故Sio20180822宜兴市丁蜀2 1:40使用塌倾覆1154镇塔吊事故成3个主框架，8 个一级框架，10 个二级框架，每个框架都代表一个案例属性，建筑施工塔吊事故案例的总框架如表2 所示。表2框架法表示的案例属性主框架C一级框架二级框架案例主题信息B案例编号BI案例名称B2事故描述信息K基本信息KI事故时间KI事故类型K12事故等级K13事故阶段K14事故后果K2经济损失K21死亡人数K22事故致因K3人为致因K31设备致因K32环境致因K33管理致因K34事故预警方案W应急处置W/事后处置W2防范措施W31127波，等：基于CBR的建筑施工塔吊事故预警模型研究彭第3期2.2塔吊事故预警模型评价指标体系基于安全系统理论，咨询有关专家，筛选、整理和归纳塔吊事故人为致因、设备致因、环境致因和管理致因4关键案例属性作为预警模型的评价指标，并根据相关的规范和标准进一步细化K31、K 32、K33和K34这4个案例属性，构建了4个一级指标和9个二级指标的预警指标体系，如表3所示。表3塔吊事故的预警指标体系一级数据二级指标指标说明指标类型人为工作经验情况未拿证（极差）、拿证且工作经验 10 年（极好）安全教育情况未参加正规安全教育考试（差）、安全教模糊K312育考试不合格（极差）、安全教育考试合数格（中）、安全教育考试良好（好）、安全教育考试优秀（极好）设备塔吊基本情况塔吊符合规定要求、品种型号不符合规无序致因K321定、超过使用年限、安全技术档案缺失、枚举K32其他不符合规定要求结构及机构情况经检验达到安全技术标准规定、结构件上无序K322有可见裂纹和严重锈蚀、主要受力构件存枚举在塑性变形、连接件存在严重磨损和塑性变形、钢丝绳达到报废标准、其他经检验未达到安全技术标准规定安全保护装置安全保护装置齐全未失效、变幅限位器缺无序情况K323失或失效、力矩限制器缺失或失效、起重枚举限制器缺失或失效、防坠安全器缺失或失效、其他安全保护装置缺失或失效环境天气情况K331正常天气、恶劣天气（风速9m/s、降水文本致因量2 5mm/d、降雪量5mm/d、能见度类型K33500m)温度情况K332低温（5）、常温（5 T)为实际案例与匹配案例的相似度；br为匹配案例S的事故属性Br的属性值。计算实际案例S10事故属性的发生概率如表6 所示。表6 S10的最大概率属性值属性最可能情况事故较大一般等级33.97%事故安装拆卸使用拆卸阶段17.34%51.09%16.55%事故倾覆失足坠落吊物坠落塌倾覆类型50.95%17.4816.55死亡12351人数34.03%16.98%17.34%16.63%经济60105280300959105损失17.34%17.48%16.98%16.63%616.55%注：表中死亡人数单位是人，经济损失单位是万元由表6 可知，S10的最大概率事故属性值为：一般事故、拆卸阶段、塌倾覆、死亡人数1人、经济损失10 5万元。这与直接经济损失154万元有轻微不同。通过上述分析，验证了基于CBR的建筑施工塔吊预警模型的可行性及有效性。4丝结语随着建筑业的蓬勃发展，塔吊在各类工程项目中得到了广泛应用，但塔吊事故也频频发生，造成了严重的社会安全问题。为了减少塔吊施工的安全事故，建立一个科学合理的建筑施工塔吊事故预警模型至关重要。本文构建了塔吊事故案例库，运用框架法对案例属性进行表示，并基于安全系统理论构建预警模型评价指标体系，进而结合案例推理方法、遗传算法和最近邻算法建立预警模型，计算实际案例与案例库的全局相似度，找到与实际案例相似的案例，从而实现全生命周期、全类型塔吊事故的预警。参考文献：1刘名强，李英攀，王芳，等基于RVM 的装配式建筑吊装作业安全预警模型 .中国安全科学学报，2 0 18，28（4)：10 9-114.2黄莺，瑚珊，姚思梦。施工塔吊安全管理的系统动力学分析.安全与环境学报，2 0 2 0,2 0（6)：2 0 6 0-2 0 6 8.3 谢晨晨，刘欣.基于BIM和定位技术的塔吊安全事故预警J建筑安全，2 0 2 0，35（11）：34-38.4 Lingard H,Cooke T,Zelic G,et al.A qualitative analysisof crane safety incident causation in the Australian con-struction industryJ.Safety Science,2021,133:105028.5 Xu L,Huang C,Niu J,et al.An improved case-basedreasoning method and its application to predict machiningperformanceJ.Soft Computing，2 0 2 1，2 5（7）:5683-5697.6于峰，李向阳基于基因结构的复杂应急案例表示方法J系统工程理论与实践，2 0 17，37（3）：6 7 7-6 90.7】张历强，赵高晖，仲梁维，等基于CBR的离心机选型系统的开发 信息技术，2 0 14（10）：17 8-18 1，18 7.8谢健民，秦琴，吴文晓基于本体的突发事件网络奥情案例推理模型 情报杂志，2 0 19，38（1）：7 9-8 6.9严爱军，魏志远案例推理分类器的权重分配及案例库维护方法.计算机应用，2 0 2 1，41（4）：10 7 1-10 7 7.10】宋国栋上海城市轨道交通公共安全管理能力提升路径研究D兰州：西北师范大学，2 0 2 0.11韩亚娟，彭运芳，魏航，等超启发式遗传算法求解带软时间窗的车辆路径问题J计算机集成制造系统，2 0 19，2 5（10）：2 57 1-2 57 9.12涂从良，吴明功，温祥西，等。基于粗糙集与遗传算法的航空器空中相撞事故因素分析 安全与环境学报，2 0 17，17（4）：12 43-12 48.13韩亚娟，彭运芳，魏航，等。超启发式遗传算法求解带软时间窗的车辆路径问题J计算机集成制造系统，2 0 19，2 5（10）：2 57 1-2 57 9.14杜太行，孟岩，孙曙光，等基于改进加权KNN算法的室内无线电发射源定位研究 中国测试，2 0 19，45(9)：10 5-111.作者简介：彭波（197 5-），男，产业教授，硕士生导师，研究方向：智能建造，建筑产业数字化；蒲红枭（1997-），女，硕士研究生，研究方向：工人安全，智能建造；李英攀（197 8-），通信作者，女，副教授，硕士生导师，研究方向：可持续性建设与智能建造，建筑产业数字化，建设项目投资与造价管理；严沁雪（1996-），女，硕士研究生，研究方向：工人安全，可持续性建设与智能建造