基于RFID 的施工安全管理研究進(jìn)展

梁 軍

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200092)

0 引言

射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，即RFID)是一種通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并可以自動收集相關(guān)信息的通信技術(shù)，不僅作用范圍廣而且具備一定的存儲功能。

在傳統(tǒng)的施工安全管理中，由于環(huán)境的復(fù)雜性、多變性等導(dǎo)致施工現(xiàn)場危險(xiǎn)因素增多，進(jìn)而促使施工現(xiàn)場事故頻發(fā)。Jimmie Hinze的研究認(rèn)為，施工現(xiàn)場中導(dǎo)致事故發(fā)生的最為重要的因素是人的不安全行為［3］。本文通過將RFID與傳統(tǒng)的安全管理系統(tǒng)相結(jié)合，在該系統(tǒng)中，利用RFID可以自動識別貼有相應(yīng)標(biāo)簽的人和物體并獲取相關(guān)信息，以進(jìn)一步跟蹤進(jìn)入施工現(xiàn)場的相關(guān)人員來提高現(xiàn)場人員的安全系數(shù)，以便更好地進(jìn)行施工現(xiàn)場的安全管理。

1 傳統(tǒng)施工安全管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)中，工程項(xiàng)目部通過直線對監(jiān)測工程師進(jìn)行直線管理，而監(jiān)測工程師則就相關(guān)的安全管理問題向業(yè)主方負(fù)責(zé)，對相關(guān)人員提供的意外缺陷報(bào)告、現(xiàn)場監(jiān)測報(bào)告制定相應(yīng)的計(jì)劃，并進(jìn)行審查。針對某些突發(fā)事件則還需提供計(jì)劃修正方案，并最終向業(yè)主方提供項(xiàng)目安全報(bào)告和建議，其具體流程如圖1所示。由于整個(gè)工作環(huán)節(jié)都以監(jiān)測工程師為中心而展開，所以要求監(jiān)測工程師不僅需要豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，而且還要對工程的施工、監(jiān)測等過程有一定的了解。所以一旦監(jiān)測工程師在具體操作過程中出現(xiàn)漏洞將會對整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)安全管理的準(zhǔn)確性造成很大的誤差。

圖1 傳統(tǒng)工程施工監(jiān)控流程圖

傳統(tǒng)的預(yù)警系統(tǒng)一般包括危機(jī)預(yù)警策劃、危機(jī)診斷和危機(jī)干預(yù)等三個(gè)環(huán)節(jié)。在整個(gè)預(yù)警過程中，首先對施工過程進(jìn)行危機(jī)預(yù)警需求分析并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行指標(biāo)的設(shè)定和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，緊接著對施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展?fàn)顟B(tài)與施工安全生產(chǎn)狀況進(jìn)行對比分析，完成危機(jī)診斷;最后就相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)事件采取相應(yīng)的技術(shù)和管理手段，其具體流程如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)工程施工預(yù)警流程圖

2 RFID在管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 危險(xiǎn)源及危險(xiǎn)區(qū)域的定義

郭紅領(lǐng)，于言滔等學(xué)者通過對施工事故案例的調(diào)查和分析，將施工現(xiàn)場中可能會出現(xiàn)的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了定義與分類［2］。具體情形如下:

1)平面構(gòu)件(洞口、某些構(gòu)建邊緣):危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)樵诙纯诤瓦吘壍幕A(chǔ)上向外延伸一定距離;

2)墜落物(施工過程中可能會掉落的構(gòu)件等):危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)闃?gòu)件尺寸以及可能掉落的區(qū)域來確定;

3)隱患來自施工機(jī)械(如塔吊吊物):危險(xiǎn)區(qū)域就是以吊物投影為圓心，并以此為中心向外延伸一定距離的圓形區(qū)域之內(nèi)。

2.2 RFID系統(tǒng)構(gòu)成

RFID系統(tǒng)通常由三部分構(gòu)成:貼在需要獲取位置信息的物體上的RFID標(biāo)簽、RFID閱讀器以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備(電腦)。

系統(tǒng)的工作流程為:當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的發(fā)射天線工作范圍之內(nèi)時(shí)將會產(chǎn)生感應(yīng)電流并被激活，然后將自身及攜帶有相應(yīng)物體的信息通過無線電波傳遞到閱讀器，緊接著閱讀器對獲取的信息進(jìn)行解碼及處理，最后將處理后的信息發(fā)送到數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與存儲工作，如圖3所示。

圖3 RFID系統(tǒng)構(gòu)成

2.3 基于RFID的定位方法

現(xiàn)有的RFID位置感知方法，多利用RFID系統(tǒng)通信過程中閱讀器所接收到的標(biāo)簽響應(yīng)情況，或是標(biāo)簽反射鏈路的信道參數(shù)來估計(jì)和反演標(biāo)簽所處的空間位置，主要包括參數(shù)提取和位置估計(jì)兩大關(guān)鍵技術(shù)。

參數(shù)提取:一般通過標(biāo)簽的信號強(qiáng)度、相位值等作為參數(shù)信息，通過這些信息可以獲取閱讀器與標(biāo)簽之間的距離或角度等信息進(jìn)而來估計(jì)攜帶有標(biāo)簽的物體所處的位置。

位置估計(jì):由獲取的參數(shù)信息來推算標(biāo)簽位置，大致分為幾何估計(jì)法、指紋估計(jì)法、成本函數(shù)最小化和貝葉斯估計(jì)法四類。幾何估計(jì)法借助閱讀器和標(biāo)簽間的距離或角度關(guān)系，然后通過求解非線性方程組來計(jì)算目標(biāo)位置，具體模型有:信號到達(dá)時(shí)間(TOA)、信號到達(dá)時(shí)間差(TDOA)、信號到達(dá)角度(AOA)等基于距離的定位方法中所應(yīng)用到的三邊定位算法和三角定位算法。以LANDMARC［4］為代表的指紋估計(jì)方法，借鑒無線局域網(wǎng)定位原理，為RFID位置感知提供了新的思路。近年來，以全息圖譜方法［5］為代表的基于相位干涉的標(biāo)簽位置感知方法3DinSAR［1］，運(yùn)用該方法進(jìn)行定位時(shí)，能夠在不依賴任何參考標(biāo)簽或輔助設(shè)備的前提下，僅利用單個(gè)可移動的RFID閱讀器實(shí)現(xiàn)快速、高精度的三維位置感知。不僅效率高而且在位置感知精度上也得到了很大的提升。

基于指紋識別定位方法:該方法大致包括兩個(gè)階段:數(shù)據(jù)庫建立(也稱離線階段，offline)階段，此階段中，首先在待測標(biāo)簽所在的周圍鋪設(shè)大量攜帶位置信息的參考標(biāo)簽。利用閱讀器采集所有參考標(biāo)簽的參數(shù)信息并錄入數(shù)據(jù)庫;在匹配(在線階段，online)階段將閱讀器所獲得的待測標(biāo)簽的參數(shù)信息與指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，再通過選中的參考標(biāo)簽已知位置估計(jì)待測標(biāo)簽位置。

2.4 RFID在管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于RFID的施工安全管理系統(tǒng)大概分為三個(gè)模塊:信息采集模塊、信息處理模塊和安全預(yù)警模塊。

信息采集模塊是通過RFID閱讀器獲取施工現(xiàn)場中電子標(biāo)簽(粘貼在需要獲取位置的物體上)的信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)定位跟蹤。閱讀器將獲取的電子標(biāo)簽的相應(yīng)信息傳遞到信息處理模塊，信息處理模塊根據(jù)之前設(shè)定的目標(biāo)定位方法并按照相應(yīng)的計(jì)算方法計(jì)算出攜帶有電子標(biāo)簽的人員的具體位置，然后再將該信息傳遞到安全預(yù)警模塊。在該模塊中，依據(jù)不同的危險(xiǎn)類型標(biāo)記不同的危險(xiǎn)源及危險(xiǎn)區(qū)域，并布設(shè)相應(yīng)的RFID閱讀器，當(dāng)攜帶有信息的電子標(biāo)簽附著到進(jìn)入施工現(xiàn)場的人員身上，當(dāng)其接近危險(xiǎn)區(qū)域或者接近不允許除相關(guān)專業(yè)人士進(jìn)入的場所時(shí)，安全預(yù)警模塊將會依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的危險(xiǎn)指標(biāo)啟動報(bào)警系統(tǒng)以提醒相關(guān)人員直至其遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域。其具體示意圖如圖3所示。

3 結(jié)論與建議

本文通過對傳統(tǒng)施工安全管理系統(tǒng)以及基于RFID的不同定位方法進(jìn)行調(diào)研與分析，獲得了以下結(jié)論:

1)傳統(tǒng)的安全監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)雖然可以解決施工現(xiàn)場中出現(xiàn)的各種安全問題，但依然存在很多問題，如:

a.信息傳遞不及時(shí)，系統(tǒng)對施工現(xiàn)場的信息獲取與更新主要是通過人為來實(shí)現(xiàn)的，具有一定延遲效應(yīng)，信息傳遞不及時(shí);

b.所有的工作幾乎都是以監(jiān)測工程師為核心而展開的，一旦在具體操作過程中出現(xiàn)漏洞將會對整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)安全管理的準(zhǔn)確性造成很大的誤差;

c.傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)管理監(jiān)控系統(tǒng)中需要涉及到項(xiàng)目的多個(gè)參與方，耗時(shí)耗力，無形中增加了項(xiàng)目管理的成本;

d.風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控中，對于風(fēng)險(xiǎn)源的識別與判定主要以經(jīng)驗(yàn)為主，危險(xiǎn)源檢查主要依靠現(xiàn)場巡查的方式;資料收集、數(shù)據(jù)匯總?cè)菀壮鲥e(cuò)，會對結(jié)果造成較大的誤差。

2)基于RFID的施工安全管理系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的依靠人工獲取信息、手工錄入、憑經(jīng)驗(yàn)管理、信息傳遞不及時(shí)等問題，實(shí)現(xiàn)了信息的自動收集和更新、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的全自動化監(jiān)控和預(yù)警，提高了施工現(xiàn)場管理的高效化和精確度。對建筑業(yè)的施工安全管理具有一定的意義。