基于物联网的建筑施工动态安全管理实时监控技术

基于物联网的建筑施工动态安全管理实时监控技术

徐晓敏

上海奉贤建筑安装有限公司 上海 201400

摘 要：在建筑领域，施工本质上是一个动态管理过程。同时，安全事故往往伴随着施工进度不断地发生变化，实时监控是最直接有效的控制安全事故的方法，可以从本质上消除危险。物联网是将人、物、计算机联系起来形成的网络，可以有效地监控网络范围内的所有物体属性，输入计算机形成系统信息网络。RFID（射频识别技术）可以很好地应用于施工安全管理中，构建物联网，监控现场每一工人、设备、材料等；其次，该技术操作简单、便宜、利于推广使用，因此将物联网应用于建筑施工安全领域具有重大意义。本文最后结合施工机械设备碰撞事故预防的实际案例，将物联网技术应用于安全管理。

关键词：物联网；动态安全；建筑施工；监控技术；RFID；预先警告

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1 概述

建筑业作为高风险行业之一，许多学者和专家都积极研究如何将安全风险降至最低，但都没有一个系统的方法有效消除危险。如果可以在施工现场安全事故发生之前就预测到事故可能发生，并向工人，管理人员发出警告，将是从本质上解决事故频发的关键途径之一。^[1]

随着监控信息技术的不断发展，越来越多行业采用了监控手段来保证生产的顺利进行。在建筑施工领域中，目前已有类似的技术进行使用：Sze-wing Leung等人（2008）提出利用实时信息系统来监控施工进度与质量控制，构建一套完整的系统平台，包括：长距离无线网络、安装于塔吊上部或者附近大楼顶楼的无线网络摄像头以及网络视频信息沟通软件等，对于施工现场总体所有资源进行动态监控，并实时开展视频会议。^[4]Vacharapoom Benjaoran与Sdhabhon Bhokha（2010）提出将4D CAD技术应用于可视化建筑施工安全管理中，在3D CAD模型的基础上引入时间概念，形成四维实时监控信息系统，可在软件模拟中，发现各类危险源并预防。^[5]Min-Yuan Cheng等人（2002）利用基于决策系统（DSS）的地理信息系统（GIS）来监控与控制建筑施工土方开挖工程，并构建施工现场数据信息库，控制与记录所有可能发生的危险事故。^[6]以上已采用的监控技术，仅是从施工安全、施工质量、施工进度角度进行简单应用。但是鉴于施工安全管理的复杂性与动态性，这些技术并不能准确有效地预测出危险源，并发出警告。因此，在此基础上，采用物联网系统和RFID技术进行施工现场动态实时安全管理是可行的方法。

2 建筑施工动态性与复杂性

施工项目的危险源是一个十分复杂的、开放的、动态的巨系统。危险源管理是一个系列化的动态过程，随着工程进展和施工条件的变化，危险源及其潜在危险性并不是一成不变的，危险源的存在及分布、危险程度等级都会随之变化。在危险源初辨识的基础下，对局部危险源进行不断地动态监控，建立施工安全网络计划模型，获得辨识时间段内的所有危险源，并对施工项目以动态工作单元为系统开展危险源辨识、评价、控制和优化活动。^[2]

一般来讲，施工现场可以看作由人、机械设备、材料和半成品等资源组成的，在有一定组织的空间范围内，进行动态作业过程的场地。由于现场存在一定的无序的、条件复杂的动态环境，往往导致这些资源无法妥善管理，就容易发生安全事故。这就需要我们进行现场各种资源的合理安排和协调，监控各种危险源，来降低这类事故的发生。

3 物联网

物联网（The Internet of things）在1999年由麻省理工学院（MIT）与物品编码组织EAN.UCC共同开展一个研究项目中提出。它是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

采用射频识别技术（RFID）以及无线感应网络（WSN）来捕捉、获取施工现场内所有危险源的动态，建立以RFID为基础的危险源监控系统平台，来收集、过滤、监控、管理、分享所有相关信息^[9]。利用RFID技术可以具体应用于自动跟踪施工现场的工人、材料、机械设备等，方便管理人员实时监控复杂动态环境；其次，如果被监控对象进入潜在危险环境，RFID系统的报警装置就会发出预警，警告操作工人并通知管理人员；最后，RFID系统将所获得的所有动态信息输入信息库，形成一套完成的系统，为将来管理人员进行施工现场安全布局，提高安全管理水平打下基础。

随着通信信息技术的不断发展，不同的监控技术应运而生。特别是随着物联网概念的提出，将其很好地应用于建筑施工安全生产过程中，是实现信息和通讯设备、施工现场资源实时互动，实现有序化施工，提升施工现场安全的可靠保障。

4施工碰撞事故举例

现场施工机械设备碰撞事故是建筑施工五大危险类型之一

^[11]，发生事故的主要原因有：未发现靠近的施工人员，未进行紧急制动；对周边环境不了解，存在视觉盲点；工人不符合规范操作等^[9]。根据物联网系统和RFID技术应用特点，将施工现场的人、机、料、法、环等因素影响下的危险源划分为全局性危险源和局部性危险源。在本事故案例中，我们将施工人员（如司机、起重工、其他工种人员等）、机械设备（如吊车、挖掘机、运输车等）、周围已建构建物划归为全局性危险源；将现场施工环境（如视线、天气情况、挖土属性等）、周围临时构建物（如临时脚手架、围墙等）、周围堆放材料或半成品划归为局部性危险源。

利用RFID技术可以准确判断出施工环境是否适合进行各类机械设备运行，以及施工现场范围内的机械设备与其他人、机、料等距离。这些数据可以通过物联网系统，当监控对象之间的安全距离小于设定的临界值时，将通过声音或图像等警示手段予以提示，以此有效预防碰撞事故的发生。以下仅就利用RFID的物联网中的核心技术在文中做一说明。

4.1 利用RFID技术设计预防系统

RFID工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签)；读写器读取信息并解码后，送至中央信息服务器系统进行有关数据处理。如图1：

图1 RFID技术简易关系示意图

（1） 标签（标签层）

包含一个很小的半导体芯片(面积小于2平方毫米)和一个集成的小天线，一般保存有约定格式的电子数据，根据标签的不同，通常能储存几千bit的数据，不同施工危险源需要的监控数据信息大小不同。通过与读写器耦合的方式进行数据交换，包括读写都通过无线信号转递。在施工现场开放的环境中，一般需要微波高频率才能达到大范围监控。

为了便于标签识别，科学地管理，将这危险源划分为：全局性危险源与局部性危险源^[2]。全局性危险源指的是贯穿整个施工过程中存在的危险源；局部危险源指的是随着施工过程的进展，而发生变化的危险源。基于此分类，设计两种类型的RFID识别标签，即永久性固定性标签，主要贴在人员、施工机械、材料和半成品、PPE等全局性危险源，通过身份认证来标识；临时过程性标签，主要贴在环境、管理、技术等局部性危险源。另外，根据有无自带电源，将标签分为有源式和无源式，分别适用于不同类型的施工危险源监控。例如，全局式危险源大多可使用无源式标签，局部危险源需要使用有源式标签。

（2） 读写器（读写层）

分固定式和手持式，可无接触地读取并识别应答器中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的，可同时读取多个电子标签，并可以与中央信息服务器系统连接实时互通。读写器可附着于机械设备，或现场特殊点。读写器必须有一个或多个天线，由于施工现场复杂环境，无线网络的稳定性是首要考虑的因素，标签的稳定性会受到温度、湿度、周边阻隔的各种因素而发生变化，天线可以提高无线网络的稳定性，能同时接受更多的标签信号。

读写器的布局需要依据施工现场平面图来布置，其依据就是标签可接受信号的范围，一般而言，微波的距离可以达到10m以上，需要在现场有组织地布置若干读写器。除了传输标签的数据信息之外，读写器另一重要功能就是与服务器组成系统，可以发出警告与接受命令。

（3） 服务器（服务器层）

包括主机和软件，对数据进行处理识别，通过网络实现获取读写器信息，对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。其主要功能分为：发出命令与接受警告。^[10]

命令：主机向读写器发出命令，引起某些来自读写器的反应或改变读写器的某些状态，例如，改变读写器对施工现场某些特殊资源的监控方式。

警告：一旦读写器得到一个测读记录或产生一个警告，它就必须向主机发出关于这些测读记录或警告的通知。这种通信可以是由读写器发起（异常通信）或是由主机的查询请求发起（同步通信）。施工现场管理人员只要实时观测主机，就可以了解到现场一切发生的潜在危险源，并及时作出相应的措施。

（4）中间件与信息服务

RFID中间件能支持读写器的发现、备份、监管和管理；它也提供数据收集、转换、汇集、过滤和分组机制；它还支持面向服务的借口，诸如Java、J2EE、.NET等标准的接口和Web服务器，提供远程监控和管理能力。这是实现建筑施工安全信息化的关键环节。

在施工安全RFID系统中会产生大量的数据，这些动态的数据会变得非常巨大，如何管理这些数据，并为以后安全管理提出建议，实现一套完整的系统允许施工安全管理人员进行控制和监视自身以满足其业主方的需要。

总之，在配有一套完整的RFID系统的施工现场，可以完全实现动态监控，并形成完善的自组织系统，将复杂的施工现场进行简单化管理。下面举个具体案例，构建一套完整的大型施工设备预防碰撞RFID系统，如何从本质上把安全事故扼杀在萌芽之中。

4.2 事故预防安全距离模拟

整个预防碰撞系统主要由四部分组成：分类全局性或局部性危险源、规定安全区域、潜在危险区域、事故发生区域；信号数据收集与计算判断以及预警、警告系统等。

每一个可能发生碰撞事故监控对象，包括全局性危险源与局部性危险源贴有RFID各类标签，并连续地发出地点信号给读写器。读写器根据所能接受到网络信号的距离，有组织地布置于施工现场，通过感应到标签的信号数据来判断监控对象的实时动态，并将结果发送至服务器。服务器通过主机对于各类危险源的动态变化作出不同的判断，如预警或警告。

在施工环境允许施工的条件下，对于各类监控对象的安全距离判断是有效预防碰撞事故的关键因素之一。利用RFID技术能有效地测得动态安全距离，建立理想空间模型进行分类分析，如图2：

图2 理想状态下监控对象之间的安全、预警、警告距离

假设有两个贴有标签的对象，i代表监控对象1，i+1代表监控对象2，分别带有空间三维立体属性，分别设为： ， 。每个对象都有一个预警距离（WARNING），分别设为： ， 。每个对象还有一个报警距离（ALERTING），分别设为： ， 。

（1）安全范围

当两者标签之间的距离大于预警距离时，预警信号与报警信号不会发出，即：

（4-1）

（2）预警范围

当两者标签之间的距离小于预警距离，大于警报距离时，事故会有发生的可能性。RFID系统会给施工人员以及司机发出预警信号，让双方保持安全距离之外，即：

（4-2）

（3）警报范围

当两者标签之间距离小于警报范围，会有随时发生碰撞事故。RFID系统就会发出警报信号，机械设备会强制自动制动，管理人员马上赶到现场，警告并制止双方作业，即：

（4-3）

4.3 人机碰撞实验模拟

通过读写器的信号强弱，时间长短来确定贴有标签的机械设备、施工人员、材料等全局性危险源在施工空间中的动态位置，其主要目的就是为了监控安全距离，以保证潜在事故可控的范围内。这里选取一个简单地基开挖施工工地现场进行模拟实验。

（1）RFID设备仪器安装与规定区域

所有监控对象都贴上有源标签，内置电池，操作频率为315MHz，最大工作距离为10m。整个施工现场面积范围内，进行开挖作业。3个读写器，分别安装于区域A（开挖区域，即报警区域）、区域B（潜在危险区域，即预警区域）、区域C（安全区域）。3个标签，分别安装于施工人员X（允许进入区域A，例如挖掘机司机）、施工人员Y（无关人员）、挖掘机Z。其中，读写器安装于地基周围或支撑梁上，标签可贴在施工人员的安全帽、挖掘机的铲斗等。

（2）数据收集

信号数据的监控时间范围是从挖掘机进场到退场，每个读写器以秒为单位记录下所有局部危险源的动态。图3为记录所收集数据：

图3 信号数据收集

如图表示了一名贴有标签的监控对象，在11min内（1~661秒）被5个读写器分别记录下的数据（黑色记号部分），从中发现，该监控对象主要活动范围靠近读写器2的区域。基于该方法，结合计算机软件的技术，确定每个监控对象在施工现场的实时动态位置。

（3）预警与警告机制

从上图中的信号数据是凌乱的，需要通过计算机的智能处理才能便于安全管理人员进行判断。读写器将监控信息数据传输到主机，经过事故预防模拟安全距离的计算，作出预警与警告的判断。当标签Y在监控时间范围内，读写器C有信号数据时，主机不作任何行动；读写器B有信号数据时，主机发出预警，要求施工人员Y离开区域B，进入区域C；读写器A有信号数据时，主机发出警告，主动对挖掘机进行紧急制动。表1是当3个读写器分别识别出3个标签信号数据时，主机作出的反应。

表1 主机行动一览表

上述实验仅是考虑了人与机械设备等全局性危险源之间简单碰撞事故，并简化了安全预警距离和警告距离，但是，在一个复杂的实际施工环境中，要综合考虑其他全距性危险源和局部危险源才能本质上杜绝碰撞事故的发生。

5 总结与展望

本文主要探讨了利用物联网系统和RFID技术，进行施工现场危险的实时动态监控与预防，给施工现场安全管理提供了行之有效的方法。由于该技术在国内尚处于发展阶段，仍有许多地方值得研究，例如：所获得数据分类整理和形成数据库的格式研究；动态施工现场安全布局研究等；最后，该技术的应用帮助管理人员有效控制施工现场资源，不仅仅局限于安全管理领域，将之应用于建筑施工管理的整个过程同样具有广泛的实际意义。

参考文献

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Application of IOT Real-time Monitoring Technology to Construction Dynamic Safety Management

XX

（，Shanghai 200）

Abstract：Construction is essentially a dynamic management. Constantly changing of construction schedule often accompanies accidents which could be effectively prevented by real-timely monitoring, therefore, it can essentially eliminate the hazards. IOT (The Internet of things) is a kind of network which connects the people, things and computers so as to effectively monitor all the objects, and form the information system. RFID (Radio Frequency Identification) can be well used in the construction safety management to monitor on-site environment. RFID technology is a simple, cheap and easily promoted, therefore, the application to the construction safety management is of great significance. At the last part of paper, the prevention of collision accident with heavy equipment exemplifies how to effectively use the technology in the on-site construction.

Keywords：IOT; dynamic safety; construction; monitoring technology; RFID; early warning