李凱LI Kai

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鶴壁 458030）

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，高效信息化的工地建筑需求越來(lái)越迫切，而在復(fù)雜且快節(jié)奏的工地建筑環(huán)境中，對(duì)人員的安全管理尤其重要。而建筑工地的人員管理有一定的特殊性：一是人流量大；二是大部分工人的文化水平較低；三是作業(yè)人員工作場(chǎng)地變動(dòng)頻率較快，無(wú)法對(duì)其及時(shí)定位，人員動(dòng)態(tài)管理難度大。傳統(tǒng)的工地人員安全培訓(xùn)管理模式依靠手工記錄，對(duì)人員的管理工作繁瑣復(fù)雜，同時(shí)容易出現(xiàn)紕漏，數(shù)據(jù)登記不準(zhǔn)確，且查詢難度大，管理者無(wú)法快速準(zhǔn)確的掌握工地人員的基本信息、安全教育記錄、出勤時(shí)間等信息，這些信息不聯(lián)網(wǎng)不互通，管理難度大，成本高。

我國(guó)建筑工程近年來(lái)的安全事故層出不窮，不僅造成了國(guó)家財(cái)產(chǎn)的損失，更威脅了建筑施工人員的生命安全，工地管理效果不盡人意[1]。如何加強(qiáng)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)督檢查又不增加人力，是基于RFID 的智慧工地建設(shè)的目的。因此，有必要尋求一種科學(xué)、高效、智能的人員安全管理系統(tǒng)解決安全事故頻發(fā)的現(xiàn)象。鑒于以上背景，本文提出一種新型智能化施工管理模式，起到“防患于未然”的作用，對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警，提前發(fā)現(xiàn)安全隱患及時(shí)處理，節(jié)省人力物力，是順應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展潮流并且十分必要的。RFID 技術(shù)作為智慧建設(shè)的核心技術(shù)，具有掃描快、體積小、成本低、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]，在項(xiàng)目施工管理、工業(yè)生產(chǎn)、物流管理等領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1 基于RFID 技術(shù)的安全管理信息化平臺(tái)

1.1 基于RFID 安全管理信息化平臺(tái)

任何健全的管理體系都依賴于先進(jìn)信息技術(shù)的支持，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段為依托，可以在事故前智能預(yù)警、在事中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、在事后為救援工作提供人員分布的輔助信息，從而減少在管理中的失誤?；赗FID 安全管理信息平臺(tái)以建筑信息模型、物聯(lián)網(wǎng)RFID 等先進(jìn)技術(shù)為手段構(gòu)建項(xiàng)目造和運(yùn)行的安全管理信息平臺(tái)，形成一套高效采集、分析、云端人員庫(kù)集成系統(tǒng)，達(dá)到智能化、一體化、移動(dòng)化的管理，一旦芯片丟失或損壞，即可通過(guò)集成系統(tǒng)重新將工人已有信息導(dǎo)入，避免信息丟失，具有可追溯性，通過(guò)芯片對(duì)人員進(jìn)行定位，進(jìn)一步提高施工現(xiàn)場(chǎng)的安全管理水平。

1.1.1 全景監(jiān)控，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確了解建設(shè)項(xiàng)目情況

對(duì)建筑工地各出入口、鋼筋加工區(qū)、辦公生活區(qū)、倉(cāng)庫(kù)、通道、停車(chē)場(chǎng)，圍墻等全方位布點(diǎn)建設(shè)高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)；通過(guò)PC 端、移動(dòng)端遠(yuǎn)程監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)及施工進(jìn)度，直觀地了解所有區(qū)域的詳細(xì)情況，檢查工人的工作狀態(tài)，跟蹤生產(chǎn)進(jìn)度。發(fā)現(xiàn)安全隱患并及時(shí)排除，最大限度地確保生命財(cái)產(chǎn)的安全，減少災(zāi)難帶來(lái)的損失。同時(shí)，智能安防監(jiān)控集成了只能行為識(shí)別算法，可以對(duì)場(chǎng)景中的工人的行為進(jìn)行識(shí)別和判斷，進(jìn)行視頻和音頻異常偵測(cè)、異常行為報(bào)警，從而起到防患于未然的目的。

1.1.2 基于RFID 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的項(xiàng)目管理，虛擬實(shí)際對(duì)比，保障項(xiàng)目進(jìn)度

在施工模擬過(guò)程中，按照分區(qū)分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)情況的展示，比如采用視頻流、圖片滾動(dòng)、實(shí)景模型等方式，根據(jù)監(jiān)控的情況，形成日?qǐng)?bào)表和周報(bào)表；預(yù)先在施工過(guò)程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同層級(jí)的預(yù)警，通過(guò)對(duì)比報(bào)表和不同顏色反應(yīng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)的集中預(yù)警分析，從而形成冗余設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增加安全信息平臺(tái)的可靠性。

1.1.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)，聯(lián)動(dòng)業(yè)務(wù)，促進(jìn)綠色施工

在施工中，環(huán)境保護(hù)是一個(gè)永遠(yuǎn)繞不開(kāi)的話題，這個(gè)平臺(tái)可以提供施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境及能耗的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。比如，對(duì)工地的濕度、溫度、風(fēng)力、揚(yáng)塵，噪音、污水等環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以統(tǒng)計(jì)污水排放月度、年度達(dá)標(biāo)情況，噪聲污染情況和水電等能耗的使用情況，進(jìn)而進(jìn)行適時(shí)分析調(diào)整，找到一個(gè)進(jìn)度與資源消耗的效率最優(yōu)平衡點(diǎn)。

1.1.4 建筑材料管理，跟蹤構(gòu)建生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝狀態(tài)

要控制成本，提高效益，就必須控制建筑原材料和構(gòu)配件的利用率，減少浪費(fèi)。本平臺(tái)可以實(shí)時(shí)匯總和展現(xiàn)沙石、混凝土、鋼筋等主要材料從開(kāi)工到現(xiàn)在為止累計(jì)收料情況和累積消耗情況以及實(shí)時(shí)匯總主要構(gòu)配件的運(yùn)輸狀態(tài)。

1.1.5 全面物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，提高安全、質(zhì)量管理能力

①塔吊運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。

通過(guò)安裝在塔吊大臂上的攝像頭和RFID 感應(yīng)裝置讓塔吊師傅在駕駛室清晰的了解吊鉤周?chē)沫h(huán)境，并對(duì)起重量、限位和貨物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

②施工電梯運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。

實(shí)時(shí)監(jiān)控施工中的沖頂蹲底、載重量、前后門(mén)及天窗的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、運(yùn)行速度、乘坐人數(shù)、貨物數(shù)量統(tǒng)計(jì)提醒預(yù)警。

③安全隱患的處理。

利用基于RFID 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及各類要素進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡查，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行影響和數(shù)據(jù)記錄，實(shí)現(xiàn)各類安全因患病的排查，從而能促使現(xiàn)場(chǎng)管理人員對(duì)危險(xiǎn)的預(yù)防以及及時(shí)采取安全措施。

1.2 基于RFID 識(shí)別物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防碰撞算法

在RFID 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用的大背景下，需要感知的工地人員數(shù)據(jù)一定是很大規(guī)模的，而通信通道資源是有限的，當(dāng)多個(gè)帶有工人信息的安全帽標(biāo)同時(shí)使用同一無(wú)線信道與閱讀器通信時(shí)，一定會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞，從而會(huì)降低系統(tǒng)的識(shí)別效率與速度。標(biāo)簽數(shù)據(jù)碰撞問(wèn)題的解決有效提高RFID 智能識(shí)別系統(tǒng)的整體性能，尤其是在大規(guī)模數(shù)據(jù)標(biāo)簽存在的環(huán)境下，解決這一問(wèn)題的重要性顯得尤為突出。因此，亟需建立穩(wěn)定高效的防碰撞機(jī)制，用以解決多標(biāo)簽精準(zhǔn)識(shí)別的碰撞問(wèn)題。

標(biāo)簽防碰撞算法分為基于ALOHA 概率性的隨機(jī)接入算法[3]和基于確定性的樹(shù)型防碰撞算法[4]。前者包括時(shí)隙ALOHA 算法、純ALOHA 算法[5]、動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA 算法[6]、幀時(shí)隙ALOHA 算法、及其他改進(jìn)算法[7]等。后者包括QT 查詢樹(shù)算法、動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索算法DBS、BS二進(jìn)制搜索算法、鎖位后退防碰撞算法等。

考慮到標(biāo)簽的識(shí)讀速率、減小時(shí)延、提高系統(tǒng)吞吐率及整體識(shí)讀性能等綜合因素的前提下，本文采用一種動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA 算法。動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA 算法（Framed Slotted ALOHA，F(xiàn)SA）是在時(shí)隙ALOHA 算法基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的。FSA 防碰撞算法的典型應(yīng)用有ISO/IEC18000-6的EPCGlobal C1G2 協(xié)議和Type-A 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。FSA 算法基本原理為：幀就是將很多個(gè)時(shí)隙劃分為一個(gè)單位幀，每個(gè)標(biāo)簽只是在固定幀內(nèi)隨機(jī)選擇時(shí)隙發(fā)送，并且標(biāo)簽在一幀內(nèi)只能發(fā)送一次數(shù)據(jù)。在閱讀器中事先設(shè)定好幀長(zhǎng)，設(shè)置為2 的整數(shù)次冪；同時(shí)每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度要不小于一個(gè)標(biāo)簽傳輸數(shù)據(jù)成功的最小長(zhǎng)度。每個(gè)標(biāo)簽都有一個(gè)時(shí)隙計(jì)數(shù)器，并且由閱讀器同步時(shí)鐘控制，時(shí)隙計(jì)數(shù)器的值可以設(shè)定為0～N-1 的任意值；只有當(dāng)標(biāo)簽的時(shí)隙計(jì)數(shù)器為0，標(biāo)簽響應(yīng)，否則時(shí)隙計(jì)數(shù)器的值減1；以此類推查詢一幀中的每一個(gè)時(shí)隙，直到此幀完成，開(kāi)始下一幀的查詢。在響應(yīng)過(guò)程中，時(shí)隙狀態(tài)可以分為空閑時(shí)隙、碰撞時(shí)隙和成功時(shí)隙。當(dāng)在一時(shí)隙中只有一個(gè)標(biāo)簽響應(yīng)，標(biāo)簽即可被成功識(shí)別，完成與閱讀器之間的通信，稱之為成功時(shí)隙；在當(dāng)前幀時(shí)隙中沒(méi)有標(biāo)簽相應(yīng)，即為空閑狀態(tài)；如果在當(dāng)前時(shí)隙中有多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)則會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的碰撞，即碰撞時(shí)隙，則閱讀器啟動(dòng)程序令碰撞的標(biāo)簽重新選擇一個(gè)時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)，這樣可以避免個(gè)別特殊標(biāo)簽和其他有效標(biāo)簽頻繁碰撞的情況發(fā)生確保正常運(yùn)行。

幀時(shí)隙ALOHA 算法的性能表現(xiàn)與設(shè)定的幀長(zhǎng)度一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)幀長(zhǎng)N 設(shè)置值偏大，待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)量比較少時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的空閑時(shí)隙，就會(huì)降低系統(tǒng)的吞吐率，從而浪費(fèi)系統(tǒng)的信道資源；同樣，當(dāng)幀長(zhǎng)N 設(shè)置較小，待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)量較大時(shí)，在同一時(shí)間就會(huì)發(fā)生大量的標(biāo)簽數(shù)據(jù)碰撞，使得系統(tǒng)延遲變大、識(shí)別效率降低。FSA 算法中的幀長(zhǎng)假設(shè)為L(zhǎng)，待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)為n，設(shè)定幀內(nèi)每個(gè)時(shí)隙響應(yīng)的概率均相等，則r 個(gè)標(biāo)簽選擇幀內(nèi)同一時(shí)隙響應(yīng)的概率為

r=1 時(shí)即為成功識(shí)別時(shí)隙，則成功識(shí)別時(shí)隙的個(gè)數(shù)期望為

因此可得FSA 算法的系統(tǒng)吞吐率為

令L=16/32/64/128 能夠得出吞吐率和待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載G=1 時(shí)，F(xiàn)SA算法和SA 算法的最高吞吐率相同，均為36.8%。由此可見(jiàn)，幀長(zhǎng)值是幀時(shí)隙ALOHA 算法性能的重要因素之一。設(shè)置一個(gè)合理的幀長(zhǎng)可以使得閱讀器讀取范圍內(nèi)的所有工人的數(shù)據(jù)標(biāo)簽均被識(shí)別，提高閱讀器的查詢次數(shù)、傳輸數(shù)據(jù)量、傳輸時(shí)延及系統(tǒng)吞吐率，避免出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。

2 基于RFID 的施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 案例背景

本工程總建筑面積約131 萬(wàn)平方米，總造價(jià)約26.8億元，有50 余棟高層及20 余棟多層組成。該工程整體建筑規(guī)模大，施工工期較長(zhǎng)，目前四個(gè)地塊均處于主體施工階段，工人流動(dòng)性大，現(xiàn)場(chǎng)安全管理難度高，本文旨在解決此類問(wèn)題，提高效率和工程質(zhì)量。

以鄭東新區(qū)白沙安置區(qū)二期項(xiàng)目為驗(yàn)證載體，研究物聯(lián)網(wǎng)與超高頻RFID 在施工現(xiàn)場(chǎng)人員安全管理中的應(yīng)用，形成一套高效采集、分析、云端人員庫(kù)集成系統(tǒng)。從而解決現(xiàn)有以人工數(shù)據(jù)采集為主，以excel 軟件分析為輔的帶來(lái)的繁瑣復(fù)雜現(xiàn)狀，形成施工現(xiàn)場(chǎng)隊(duì)伍人員云端數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的動(dòng)態(tài)管理，精準(zhǔn)管理，科學(xué)管理。

2.2 基于RFID 的安全管理模式

施工現(xiàn)場(chǎng)的工人必須佩戴安全帽，安全帽可以作為本系統(tǒng)中的一個(gè)媒介，通過(guò)將寫(xiě)有工人身份信息的RFID 芯片與安全帽進(jìn)行綁定，形成一種“智能安全帽[8]”，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多個(gè)芯片同時(shí)掃描、識(shí)別，有效解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)名制管理問(wèn)題。安全巡查終端分為固定式和移動(dòng)式，固定式巡查終端主要是部署在安全培訓(xùn)教室、建筑工地進(jìn)出口處、作業(yè)層出入口，通過(guò)感應(yīng)芯片對(duì)工人身份進(jìn)行識(shí)別、信息收集。移動(dòng)式安全巡查終端可作為流動(dòng)的采集設(shè)備，可靈活的完成建筑工地中需要手動(dòng)處理的一些日常業(yè)務(wù)，并將信息上傳云端數(shù)據(jù)庫(kù)例如培訓(xùn)簽到信息、考試信息考勤、安全處罰信息等。考慮到人體身高、監(jiān)控閱讀器功率和能耗等問(wèn)題，在離地面高度2 米左右的位置，每100 米安裝一臺(tái)RFID 定向感應(yīng)閱讀器。感應(yīng)器的加裝也會(huì)跟著工程進(jìn)度逐個(gè)加裝，從而形成多方位，全地形的有效立體監(jiān)控體系。

2.3 系統(tǒng)的運(yùn)行與分析

本系統(tǒng)的整體架構(gòu)模式（如圖1 所示）也是本文的創(chuàng)新點(diǎn)，在正常模式下，本系統(tǒng)并未改變傳統(tǒng)施工作業(yè)人員的作業(yè)程序，故施工作業(yè)人員可以較快的接受，使本套系統(tǒng)較易推廣使用。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

在施工現(xiàn)場(chǎng)，工人會(huì)先到安全質(zhì)量部將個(gè)人身份信息錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)，然后給工人分配任務(wù)并分發(fā)帶有個(gè)人信息電子標(biāo)簽的安全帽，并要求工人隨時(shí)佩戴。施工現(xiàn)場(chǎng)采用實(shí)名制刷卡入場(chǎng)，工人攜帶的智能安全帽通過(guò)不同部位的分組閱讀器，形成工人的三維定位系統(tǒng)（如圖2），可根據(jù)工人的三維坐標(biāo)，測(cè)得工人的實(shí)際位置。當(dāng)班工人進(jìn)入工作區(qū)域后，定位系統(tǒng)會(huì)將工作人員的實(shí)際位置信息傳送到服務(wù)器以供管理者持續(xù)監(jiān)控掌握工人動(dòng)態(tài)，可大幅度縮短在發(fā)生意外后的搶險(xiǎn)時(shí)間。比如，當(dāng)工人擅自離崗進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域發(fā)生高空墜落事故時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)顯現(xiàn)該名工人的Z 坐標(biāo)波動(dòng)較大，急劇減小，智能管理系統(tǒng)會(huì)立即給管理人員發(fā)出有聲警告，管理人員可以迅速通知最近的醫(yī)院并按照應(yīng)急預(yù)案進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)有序的指揮救援，這樣可大大縮短救援時(shí)間，最大化的減少損失，有效避免二次事故。

圖2 基于RFID 技術(shù)的工人定位系統(tǒng)

RFID 標(biāo)簽可安裝在場(chǎng)內(nèi)機(jī)械裝置如塔吊上，以獲得機(jī)械的位置，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別出該機(jī)械的作業(yè)半徑，計(jì)算出相應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)域，避免塔吊發(fā)生碰撞。當(dāng)工人進(jìn)入危險(xiǎn)識(shí)別范圍以內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)移動(dòng)終端給工人發(fā)出警報(bào)，提醒工人注意安全，起到事故預(yù)警作用，有效減少物體打擊、車(chē)輛傷害等事故發(fā)生的概率。同時(shí)，還可將帶有感溫原件的RFID 標(biāo)簽放置于混凝土，利用閱讀器獲得混凝土的溫度，記錄混凝土的進(jìn)場(chǎng)時(shí)間，從而掌握混凝土的凝固強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)的時(shí)機(jī)，確保工程的質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)施工項(xiàng)目的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)并應(yīng)用了一種基于RFID 物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別的人員定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)工人的快速精準(zhǔn)定位。項(xiàng)目施工管理人員可以利用新型RFID 智能物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目管理系統(tǒng)獲取現(xiàn)場(chǎng)信息，進(jìn)而通過(guò)實(shí)施預(yù)先設(shè)定好的一系列預(yù)警策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工項(xiàng)目的智能化安全管理，進(jìn)而降低潛在事故發(fā)生率。