RFID-WSN在建筑施工人員安全管理中的應(yīng)用

陳永鋒 齊樂樂

西安建筑科技大學(xué)

RFID-WSN在建筑施工人員安全管理中的應(yīng)用

陳永鋒 齊樂樂

西安建筑科技大學(xué)

本文通過對(duì)RFID和WSN的介紹，構(gòu)建一套基于RFID-WSN的建筑施工人員安全預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)采用射頻識(shí)別技術(shù)以及無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)自動(dòng)捕捉、跟蹤施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的施工人員，一旦監(jiān)控對(duì)象進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，RFID系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警，警告施工人員并通知管理人員，且將所獲的動(dòng)態(tài)信息存入信息庫(kù)，便于管理人員有效的進(jìn)行建筑施工人員安全管理。

RFID-WSN；施工人員安全管理；安全事故預(yù)警

1引言

隨著經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的不斷推進(jìn)，“新經(jīng)濟(jì)”模式已經(jīng)誕生，建筑業(yè)是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，施工現(xiàn)場(chǎng)人員安全事故的頻發(fā)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民的生活造成嚴(yán)重不可逆轉(zhuǎn)的影響。因此，在建筑工程項(xiàng)目關(guān)心的工期、質(zhì)量、成本、安全等因素中，注重建筑施工人員安全管理不僅是工程項(xiàng)目本身的訴求，也是保證實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)的必然要求。

人員的安全狀態(tài)是人員安全管理中的關(guān)鍵因素，不僅直接影響到建筑施工人員安全管理，而且也會(huì)影響到整個(gè)項(xiàng)目的質(zhì)量、進(jìn)度等，對(duì)施工人員安全狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)是解決安全事故頻發(fā)的根本途徑。目前RFID技術(shù)是國(guó)內(nèi)外新興的一門先進(jìn)的技術(shù)，具有廣大的發(fā)展前景，將RFID標(biāo)簽附著于被監(jiān)控對(duì)象上，通過WSN，收集動(dòng)態(tài)信息反饋到管理者的讀寫器上。RFID與WSN技術(shù)與建筑施工人員安全管理相結(jié)合不僅是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，同時(shí)也是新的創(chuàng)新點(diǎn)。

2 相關(guān)概念與技術(shù)

RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，作為條形碼的無線版本存在，雷達(dá)技術(shù)的物理機(jī)制是RFID技術(shù)的工作基礎(chǔ)。一個(gè)典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3個(gè)部分組成。目前RFID技術(shù)主要應(yīng)用于物流和供應(yīng)鏈管理環(huán)節(jié)、超市零售業(yè)、高速公路收費(fèi)系統(tǒng)、生產(chǎn)自動(dòng)化及過程控制等主要領(lǐng)域[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）是具有感知、處理和無線通信能力的微型節(jié)點(diǎn)通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，具有快速開展、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。一個(gè)典型的WSN結(jié)構(gòu)包括傳感節(jié)點(diǎn)（sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）、互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星和管理節(jié)點(diǎn)，其主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括軍事應(yīng)用、智能農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療健康等。

雖然RFID和WSN的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但均甚少涉足建筑工程領(lǐng)域。RFID的抗干擾性差、傳輸距離有限等缺陷和WSN節(jié)點(diǎn)間存在數(shù)據(jù)冗余，流量不均衡等不足造成一定的局限性，因此將RFID和WSN兩個(gè)系統(tǒng)和技術(shù)相互補(bǔ)，組成一個(gè)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜而且功能更加強(qiáng)大的無線通信系統(tǒng)（RFID-WSN）。運(yùn)用RFIDWSN技術(shù)，結(jié)合建筑施工人員安全管理的特點(diǎn)，構(gòu)建以RFIDWSN為技術(shù)核心的建筑施工人員安全預(yù)警系統(tǒng)，優(yōu)化傳統(tǒng)建筑施工人員安全管理系統(tǒng)，有效施工人員安全事故，保證每一位施工人員安全狀態(tài)，一旦發(fā)生事故能夠得到及時(shí)的救治。

3 基于RFID-WSN的建筑施工人員安全預(yù)警系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)說明

基于RFID-WSN的建筑施工人員安全預(yù)警系統(tǒng)是集安全預(yù)警、考勤管理、定位管理、設(shè)置報(bào)警、查詢統(tǒng)計(jì)、災(zāi)后急救以及信息聯(lián)網(wǎng)等功能于一體智能化人員安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用RFID技術(shù)將施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的施工人員進(jìn)行標(biāo)記，結(jié)合WSN，捕捉、獲取施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)所有的危險(xiǎn)源的動(dòng)態(tài)，然后收集、過濾、監(jiān)控、管理、分享施工作業(yè)人員的動(dòng)態(tài)信息并反饋到管理者的讀寫器上，如果監(jiān)控對(duì)象進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，警告工人并通知管理人員進(jìn)行處理，系統(tǒng)將所獲得的人員動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，輸入信息庫(kù)，為管理人員進(jìn)行建筑施工人員安全管理打下基礎(chǔ)，提高人員安全管理水平[2]。

3.2 系統(tǒng)組成

人員安全預(yù)警系統(tǒng)由RFID技術(shù)、WSN技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)集成為一體，包括基礎(chǔ)設(shè)備層、支撐層、業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層，硬件設(shè)施包括：讀卡器、天線、電源、線纜、轉(zhuǎn)換器、光纖轉(zhuǎn)換器、雙絞線、光纖、紅外傳感器、聲光報(bào)警器、室外LED顯示屏、電腦主機(jī)、監(jiān)控室以及有源標(biāo)簽性的安全型識(shí)別卡等。

基礎(chǔ)設(shè)備層包括定位設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器；支撐層是數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)等底層基礎(chǔ)軟件，包括控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）、實(shí)時(shí)流協(xié)議（Real Time Streaming Protocol，RTSP）、定位算法、電子地圖、數(shù)據(jù)庫(kù)等；業(yè)務(wù)層實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑施工人員安全監(jiān)護(hù)的部分功能，包括數(shù)據(jù)資料查閱、施工人員語音通話、接收危險(xiǎn)報(bào)警信號(hào)等；表現(xiàn)層負(fù)責(zé)監(jiān)控和報(bào)警信息的輸出和展示，包括PC監(jiān)護(hù)終端[3]。

此系統(tǒng)采用RS485傳輸方式，利用轉(zhuǎn)換器將RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換為232信號(hào)，通過串口線與電腦主機(jī)相連，把RS485信號(hào)與光纖信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，擴(kuò)充傳輸距離，當(dāng)傳輸距大于600米時(shí)就用光纖轉(zhuǎn)換器，利用光纖來傳輸數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)信息傳到電腦主機(jī)上。在施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控室里安裝著裝有考勤和定位軟件，通過電腦對(duì)施工人員進(jìn)行監(jiān)控，在室外LED顯示屏上顯示施工人員的信息，使管理先進(jìn)化、透明化。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)作方式

基于RFID-WSN的建筑施工人員安全預(yù)警系統(tǒng)具有高度的識(shí)別可靠性、100%的前端識(shí)別率、高安全性、穩(wěn)定性、操作簡(jiǎn)單方便、應(yīng)用廣泛以及豐富的輔助功能等特點(diǎn)，使管理人員能夠隨時(shí)掌握施工現(xiàn)場(chǎng)每一位施工人員、設(shè)備的分布狀況和其運(yùn)動(dòng)軌跡、便于進(jìn)行合理的調(diào)度管理和安全監(jiān)控管理。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，救援人員可以根據(jù)系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)、圖形，迅速了解有關(guān)施工人員的位置情況，及時(shí)采取相應(yīng)的救援措施，提高應(yīng)急救援的工作效率，促使建筑施工人員安全管理再上新的臺(tái)階。

系統(tǒng)的運(yùn)作方式是：首先，運(yùn)用RIFD技術(shù)對(duì)每一位施工人員進(jìn)行標(biāo)記，并且錄入姓名、工種、年齡等基本信息，將有源標(biāo)簽性的雙向卡裝在安全帽上，對(duì)施工人員進(jìn)行考勤和定位；其次，將施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)按比例縮放建立施工現(xiàn)場(chǎng)電子地圖，根據(jù)系統(tǒng)接收到的以RFID技術(shù)為基礎(chǔ)的，識(shí)別、定位的人員坐標(biāo)信息，從而在電子地圖上實(shí)時(shí)展現(xiàn)人員運(yùn)動(dòng)軌跡；然后，通過WSN技術(shù)內(nèi)置的不同傳感器，對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，并在電子地圖上標(biāo)記出危險(xiǎn)區(qū)域，通過對(duì)比施工人員、作業(yè)區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域的坐標(biāo)狀態(tài)來判斷是否越界，如果越界，系統(tǒng)立即向正在作業(yè)的施工人員發(fā)出警告，提醒管理人員有違規(guī)行為的發(fā)生；最后，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出警告信息，相應(yīng)的施工人員標(biāo)志在電子地圖上以紅色顯示在LED顯示屏上，并列出報(bào)警信息，例如時(shí)間、地點(diǎn)、姓名、工種等信息，并設(shè)置報(bào)警事項(xiàng)一覽表，將報(bào)警信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)具體運(yùn)作方式如圖3-2所示。

圖3 -1建筑施工人員安全預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)作圖

4 建筑施工人員安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本文所研究的項(xiàng)目案例是西安某高端住宅，位于西安市的核心區(qū)域，項(xiàng)目總建筑面積約為57萬平方米，地上建筑面積約45萬平方米，地下建筑面積約11萬平方米，其中包含住宅13棟、公寓5棟、商業(yè)6棟、幼兒園1棟、地下車庫(kù)及其他配套設(shè)施建筑，容積率為5.69，綠地率為32%，工程項(xiàng)目總造價(jià)約60億元。該項(xiàng)目由某實(shí)業(yè)開發(fā)，某工程局總承包、所建建筑主要是框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用

據(jù)項(xiàng)目工程部統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目共有作業(yè)班組20余組，包括木工組、鋼筋組、架子工組、油漆工組等，每組6到8人，在正常工作時(shí)間內(nèi)平均有150個(gè)施工人員在同時(shí)工作。結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)及成本約束，針對(duì)該項(xiàng)目實(shí)施基于RFID-WSN的建筑施工人員安全預(yù)警系統(tǒng)，設(shè)置安全管理辦公室，建立施工人員信息檔案庫(kù)，將采集和接收來的施工人員信息進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，以便對(duì)施工人員進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控。每個(gè)施工人員都有一個(gè)存儲(chǔ)著自己基本信息的標(biāo)簽，便于定位、監(jiān)測(cè)、記錄和管理每一位施工人員的安全狀態(tài)。

基于RFID-WSN的建筑施工人員安全預(yù)警系統(tǒng)極大的優(yōu)化了傳統(tǒng)的施工人員安全管理，提高了建筑工程生產(chǎn)的效率。通過實(shí)時(shí)對(duì)施工人員進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出預(yù)警，排除施工人員的潛在安全隱患，避免意外事故的發(fā)生，而自助報(bào)警則可以保證施工人員能夠得到及時(shí)的救助，為生命贏得時(shí)間。另外，建筑施工人員安全預(yù)警系統(tǒng)檔案庫(kù)將接收到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和分析，每一位施工人員都會(huì)有一個(gè)專屬的檔案，便于查詢和管理施工人員的安全狀態(tài)。

4.3 應(yīng)用效果

據(jù)國(guó)家住建部統(tǒng)計(jì)，2016年上半年，全國(guó)共發(fā)生房屋市政工程生產(chǎn)安全事故263起、死亡296人，比去年同期事故起數(shù)增加57起、死亡人數(shù)增加38人，同比分別上升27.67%和14.73%。2016年上半年，全國(guó)有30個(gè)地區(qū)發(fā)生房屋市政工程生產(chǎn)安全事故，其中有12個(gè)地區(qū)的死亡人數(shù)同比上升[4]。在如此嚴(yán)峻的建筑生產(chǎn)安全的背景下，該總承包單位安全管理的歷史統(tǒng)計(jì)資料，如表4-1所示：

表4 -1安全管理歷史統(tǒng)計(jì)資料

此項(xiàng)目是該總承包單位首次應(yīng)用建筑施工人員安全預(yù)警系統(tǒng)，項(xiàng)目2014年7月開工至2015年9月，安置區(qū)的H1到H5號(hào)樓順利封頂，總建面約10萬m2，期間未發(fā)生任何人員傷亡的重大安全事故。開發(fā)區(qū)于2015年3月開工，A1到A13，共計(jì)13幢樓，總建面約46萬m2。開發(fā)區(qū)施工期間，截止2016年底，累計(jì)發(fā)生安全事故3起，未有人員傷亡。從承包單位角度看，系統(tǒng)初期的應(yīng)用效果很理想，大大減少了安全事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了零傷亡，創(chuàng)造了該企業(yè)甚至行業(yè)人員安全管理新記錄。

5 結(jié)語

本文將RFID和WSN技術(shù)引入建筑施工人員安全管理之中，構(gòu)建了基于RFID-WSN的建筑施工人員安全預(yù)警系統(tǒng)，論述了該系統(tǒng)應(yīng)用的原理技術(shù)和運(yùn)作方式。系統(tǒng)從根本上解決了人員安全管理中的安全隱患，減少了安全事故的發(fā)生，將建筑施工人員安全管理提升到更高層次的科學(xué)化、智能化管理水平，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。盡管如此，RFID和WSN技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展還不是很成熟，面臨著低能耗、實(shí)用性、低成本等方面的挑戰(zhàn)，此技術(shù)在建筑工程方面的應(yīng)用的研究更是少之又少，要先把此技術(shù)完全滲透應(yīng)用到建筑施工人員安全管理之中，還需要做更多的實(shí)踐研究。

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[2]董大渂,馮凱梁.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑施工安全管理中的應(yīng)用[J].建筑,2010-19.

[3]郭雨松，于振，趙煒妹.基于可穿戴技術(shù)的電力作業(yè)安全監(jiān)護(hù)平臺(tái)研究[J].電力信息通信技術(shù)，2015：13(1).

[4]住建部.住建部通報(bào)2016上半年工程安全事故情況,共263起死亡296人.住建部，2016-08-02.