胡亞飛 蘇振民

摘 要： 為了使施工現(xiàn)場安全管理知識統(tǒng)一化表達和提高施工現(xiàn)場安全監(jiān)控效率，采用本體工程以基坑工程為主構(gòu)建施工現(xiàn)場安全知識本體模型，并通過該本體與施工現(xiàn)場信息采集技術(shù)RFID，WSN的數(shù)據(jù)庫進行信息交互。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由BIM模塊、信息采集模塊、信息處理模塊和安全監(jiān)控模塊組成，并分析了施工現(xiàn)場安全監(jiān)控流程，從而提高施工現(xiàn)場安全監(jiān)控信息化、自動化的效率，實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全管理的知識統(tǒng)一表達和施工現(xiàn)場安全狀態(tài)的高效實時監(jiān)控，對施工現(xiàn)場的安全監(jiān)控有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 施工現(xiàn)場; 本體工程; RFID; WSN; BIM; 安全監(jiān)控

中圖分類號： TN99?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）09?0091?05

Abstract： In order to realize the unified expression of the construction site safety management knowledge， and improve the efficiency of construction site safety monitoring， the ontology engineering is used to construct the construction site safety know?ledge ontology model， which takes the foundation pit engineering as its main part. And the construction site safety monitoring system is constructed by means of the information interoperability between ontology and the databases of information acquisition technology RFID and WSN， which is composed of BIM module， information acquisition module， information processing module and safety monitoring module. The working process of the construction site safety monitoring system is analyzed， so as to improve the efficiency of informatization and automation of the construction site safety monitoring， and realize the knowledge unified expression of the construction site safety management and efficient real?time monitoring of construction site safety status. The system has a certain reference significance for safety monitoring of other construction sites.

Keywords： construction site; ontology engineering; RFID; WSN; BIM; safety monitoring

0 引 言

安全管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于施工現(xiàn)場的安全監(jiān)控，在目前的施工現(xiàn)場安全監(jiān)控中，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，其在施工現(xiàn)場安全監(jiān)控中的應(yīng)用研究程度也在不斷加深。文獻[1]集成BIM和無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID），實現(xiàn)施工現(xiàn)場對人的不安全行為的高效監(jiān)控。文獻[2]集成PT定位技術(shù)和BIM，針對工人的不安全行為構(gòu)建預(yù)警機制。以上主要集中于監(jiān)控人的不安全行為對施工現(xiàn)場安全事故的影響。文獻[3]通過WSN（Wireless Sensor Networks）結(jié)合ZigBee技術(shù)用于塔吊安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，主要針對不安全狀態(tài)的監(jiān)測，且沒有考慮施工現(xiàn)場的動態(tài)變化情況。文獻[4]從信息協(xié)同角度構(gòu)建建筑施工項目安全監(jiān)控信息協(xié)同系統(tǒng)，其中的監(jiān)控信息包含可能導(dǎo)致安全事故的不安全狀態(tài)和不安全行為，但是并沒有考慮工程項目管理需求信息之間的實際交互情況。

目前根據(jù)施工現(xiàn)場的安全情景監(jiān)控施工現(xiàn)場的安全狀態(tài)，缺乏統(tǒng)一的施工安全規(guī)范知識表達標準。文獻[5]采用領(lǐng)域本體支持建筑施工項目中的知識管理，以便于各參與方改善建筑工程項目各階段全方位的管理水平。文獻[6]基于本體工程對施工安全知識信息進行語義建模，并結(jié)合BIM用于在安全計劃階段自動形成施工現(xiàn)場安全保護措施。本文通過研究我國施工安全相關(guān)規(guī)范，結(jié)合施工安全知識中的顯性知識和隱性知識，構(gòu)建相應(yīng)的施工安全知識本體，為施工現(xiàn)場的不安全行為和不安全狀態(tài)實時統(tǒng)一監(jiān)控提供依據(jù)，優(yōu)化建筑項目的施工現(xiàn)場安全管理。

文獻[7]提出基于本體的信息交互方式，為建筑行業(yè)的信息共享提出了新的思路。因此，本文通過構(gòu)建安全知識本體，實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全管理知識統(tǒng)一化表達，并基于該本體實現(xiàn)BIM，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)數(shù)據(jù)庫之間的信息交互保證施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)高效運行，實現(xiàn)了施工現(xiàn)場高效率的信息化和自動化的安全監(jiān)控。

1 施工安全知識本體構(gòu)建

在構(gòu)建施工安全知識本體時，需要考慮到人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)，以及環(huán)境等各方面的因素，將包含安全知識的顯性知識和隱性知識同時表達出來，滿足施工安全監(jiān)控過程所需要的全方位信息需求。因此，構(gòu)建的施工現(xiàn)場安全監(jiān)控本體中包含可以進行交互的信息：通過RFID標簽收集施工現(xiàn)場人員行動的位置信息、施工材料堆放地點以及施工機械的位置信息;通過WSN傳感器節(jié)點收集不安全狀態(tài)信息;施工安全技術(shù)要求以及安全規(guī)范信息。也就是說，本體工程中包含所有與BIM數(shù)據(jù)庫、RFID數(shù)據(jù)庫、WSN數(shù)據(jù)庫對應(yīng)的信息，這樣就可以通過本體工程實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)庫、RFID數(shù)據(jù)庫、WSN數(shù)據(jù)庫之間進行信息交互，并且本體工程內(nèi)部通過推理規(guī)則語言實現(xiàn)安全狀態(tài)之間的條件約束，防止由于人為因素導(dǎo)致安全狀態(tài)判斷不準確而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，并且通過本體約束規(guī)則推理得出施工現(xiàn)場安全狀態(tài)，通過與BIM的信息交互原則進行可視化，實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全監(jiān)控的實時可視化、信息化、高效化。

本節(jié)以深基坑工程為主，根據(jù)施工現(xiàn)場安全監(jiān)控實際特征，以及深基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，施工安全資料等，根據(jù)基坑工程施工現(xiàn)場安全監(jiān)控包含的內(nèi)容，建立的施工安全知識本體概念體系如圖1所示。

通過對上述本體概念體系中所包含的類與類之間關(guān)系的描述，建立相應(yīng)的本體模型，本體模型及其可視化如圖2，圖3所示。在各個類和子類完整的基礎(chǔ)上，定義其類之間的屬性關(guān)系，其中部分對象性屬性定義如表1所示，通過屬性定義，使類與類聯(lián)系起來，并且關(guān)系明確。上述建模過程可以通過Protege軟件對基坑工程的施工現(xiàn)場安全監(jiān)控知識本體進行表示，并生成相應(yīng)的OWL.本體文件。

2 施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 BIM模塊

BIM作為建筑工程項目的革命性工具，集成了建筑構(gòu)件、施工現(xiàn)場、臨時性結(jié)構(gòu)以及相關(guān)屬性信息，可以為施工現(xiàn)場的安全監(jiān)控提供全面的信息支持。為了滿足上述施工現(xiàn)場安全監(jiān)控需求，BIM模塊不僅要集成根據(jù)施工進度實時更新的施工現(xiàn)場3D模型和屬性信息，還需根據(jù)施工現(xiàn)場的安全監(jiān)控數(shù)據(jù)在本體工程中反饋的結(jié)果信息由BIM進行可視化顯示，管理人員可以實時監(jiān)控施工現(xiàn)場的安全狀態(tài)。在基坑工程中，BIM模塊包含與基坑工程相關(guān)的地質(zhì)地形條件、周邊建筑物、地下管線以及建筑物地基基礎(chǔ)信息的環(huán)境模型，以及基坑支護結(jié)構(gòu)、豎向及水平圍護構(gòu)件的基坑支護體系模型，為施工安全監(jiān)控提供了全方位的信息基礎(chǔ)。另外，BIM的協(xié)同技術(shù)、可視化技術(shù)為施工現(xiàn)場安全狀態(tài)的實時更新和反饋奠定了基礎(chǔ)。

2.2 信息采集模塊

信息采集模塊是整個施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)的初始模塊，主要針對施工過程中引發(fā)施工安全事故的不安全行為和不安全狀態(tài)，通過信息技術(shù)實時收集信息，用于判斷是否處于安全狀態(tài)。由于施工現(xiàn)場結(jié)構(gòu)環(huán)境復(fù)雜，人工檢查等方式無法實時反饋施工過程中監(jiān)測對象的安全狀態(tài)信息，在本文主要采用RFID技術(shù)和WSN技術(shù)。利用RFID技術(shù)識別和定位施工現(xiàn)場人員、材料、機械，WSN借助于節(jié)點內(nèi)置的、形式多樣的感知模塊，用于收集施工現(xiàn)場中構(gòu)件、環(huán)境等不安全狀態(tài)的全部信息，如壓力、位移、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分等信息。RFID技術(shù)具有雙向通信、性能可靠、壽命長等優(yōu)點，但其自身仍存在抗干擾性差、有效傳輸距離一般小于10 m，采集的數(shù)據(jù)必須有網(wǎng)絡(luò)作為傳播媒介等缺點，而WSN技術(shù)恰好彌補了這些不足之處，在很大程度上增加了RFID技術(shù)的覆蓋范圍，其次，將這兩種技術(shù)進行融合，也能使得無線傳感器節(jié)點更精確地識別目標物體[8]。信息采集的關(guān)鍵在于如何在施工現(xiàn)場布置RFID標簽、閱讀器等相關(guān)設(shè)備，以及WSN節(jié)點，通過標簽和節(jié)點的實時定位跟蹤，從而獲取監(jiān)控項目的狀態(tài)信息。根據(jù)施工前進行的安全作業(yè)分析，確定危險源和對應(yīng)的安全監(jiān)控項目，從而布置相應(yīng)的RFID標簽和WSN節(jié)點。

2.3 信息處理模塊

隨著信息技術(shù)在施工現(xiàn)場安全管理的應(yīng)用，各數(shù)據(jù)庫之間的信息集成和共享阻礙了建筑項目安全管理的信息化發(fā)展進程。為了促進不同數(shù)據(jù)庫之間的信息交互，有關(guān)學(xué)者也進行了探究，文獻[9]將建筑元素和地理信息系統(tǒng)用本體表達，實現(xiàn)建筑信息共享。文獻[10]采用本體技術(shù)構(gòu)建建筑供應(yīng)鏈信息共享模型和共享過程模型，實現(xiàn)建筑供應(yīng)鏈信息共享。

在本文構(gòu)建的施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)中，由RFID，WSN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集的信息分別儲存在相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，而對于這些數(shù)據(jù)庫而言，根據(jù)不同使用目的，為了提供一個有效的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，學(xué)者不斷地探索研究數(shù)據(jù)庫模型的構(gòu)建，常用的就是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。而BIM的格式標準一般采用IFC，這些異構(gòu)數(shù)據(jù)到本體工程的映射也在不斷研究創(chuàng)新中。文獻[11]給出具體的映射規(guī)則，通過數(shù)據(jù)庫的關(guān)系模式文件，結(jié)合已經(jīng)發(fā)掘的語義信息，將關(guān)系數(shù)據(jù)庫映射到OWL本體。文獻[7]通過將IFC中實體轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的 OWL語言描述的類，并將 IFC 中記錄的實體間的關(guān)系映射為 OWL語言描述的基本關(guān)系，從而實現(xiàn)BIM和本體之間的信息交互。在施工現(xiàn)場安全監(jiān)控系統(tǒng)中信息處理的過程如圖5所示。

2.4 安全監(jiān)控模塊

施工現(xiàn)場的安全監(jiān)控信息是處于不斷變化和更新的過程中，而安全隱患往往就出現(xiàn)在這些變化的影子中，通過現(xiàn)代信息采集技術(shù)采集施工現(xiàn)場安全監(jiān)控信息，在不改變施工現(xiàn)場安全監(jiān)控信息的儲存狀態(tài)下與本體工程進行信息交互，結(jié)合本體工程中的推理規(guī)則，經(jīng)過推理機從已交互信息判斷施工現(xiàn)場的安全狀態(tài)，通過安全知識本體與BIM信息交互將安全狀態(tài)在BIM模型中顯示，并定位這一節(jié)點的具體位置，并以不同顏色進行表示，該系統(tǒng)的施工現(xiàn)場安全監(jiān)控流程圖如圖6所示。

3 結(jié) 論

本文使用本體工程構(gòu)建施工現(xiàn)場安全知識本體模型，實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全管理的知識統(tǒng)一表達，并通過該本體工程與施工現(xiàn)場環(huán)境信息、BIM模型的信息交互，通過推理規(guī)則結(jié)合本體中交互的信息運行推理機，根據(jù)文字化推理結(jié)果及反饋到BIM中的可視化推理結(jié)果，實現(xiàn)施工現(xiàn)場的安全監(jiān)控高效化、信息化、自動化。系統(tǒng)中通過建立和不斷更新安全知識庫對提高建筑行業(yè)的信息化水平和安全管理水平有一定的借鑒意義。但是本文對于信息交互的映射規(guī)則、安全約束的推理規(guī)則、推理機的具體應(yīng)用等偏于計算機領(lǐng)域的方面，以及施工現(xiàn)場安全知識本體所包含的全部工程內(nèi)容的建立，有待進一步深入研究。

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