基于智能可穿戴設(shè)備的建筑施工人員安全管理系統(tǒng)

苑丁杰 陳俊杰 曾善聰 宋維浩 鄔嘉麒

摘要：通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智能可穿戴設(shè)備的介紹，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智能可穿戴設(shè)備運(yùn)用到建筑施工人員安全管理中，建立一套基于智能手環(huán)的施工人員安全管理系統(tǒng)。利用智能手環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工人員身體體征數(shù)據(jù)，并具備定位、安全防護(hù)裝備監(jiān)測(cè)、緊急通信等功能，有效改善建筑施工人員安全管理弊端，提高施工人員安全管理效率。

Abstract： Through the introduction of Internet of things technology and intelligent wearable devices， the Internet of things technology and intelligent wearable devices are applied to the safety management of construction personnel， and a safety management system for construction personnel based on intelligent bracelet is established. The smart bracelet is used to monitor the physical signs of construction personnel in real time， and has functions such as positioning， monitoring of safety protective equipment and emergency communication， so as to effectively improve the safety management of construction personnel and improve the safety management efficiency of construction personnel.

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);建筑施工;安全管理;智能穿戴設(shè)備

Key words： Internet of Things;building construction;safety management;smart wearable devices

中圖分類號(hào)：TU714? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）10-0071-03

0? 引言

目前建筑業(yè)安全問題形式嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑工人現(xiàn)場(chǎng)受傷概率比其他行業(yè)工人高1倍，死亡概率比其他行業(yè)工人高2倍[1]。因此，項(xiàng)目管理在關(guān)注常規(guī)的質(zhì)量、工期、進(jìn)度、投資等目標(biāo)的同時(shí)，更要實(shí)時(shí)關(guān)注建筑施工人員的安全狀態(tài)。在傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安全管理中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全管理往往容易被忽略，施工人員自身狀況不僅影響到施工人員安全管理，而且也會(huì)影響整個(gè)工程項(xiàng)目的質(zhì)量、進(jìn)度等目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，為了整個(gè)工程項(xiàng)目順利實(shí)現(xiàn)，有必要對(duì)施工人員自身狀況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，進(jìn)而有效提高建筑安全管理，減少因施工人員發(fā)生安全事故的概率和風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外新興技術(shù)，為施工人員安全管理提供了技術(shù)基礎(chǔ)。智能穿戴設(shè)備發(fā)展?jié)摿Υ?，將智能穿戴設(shè)備與建筑施工人員安全管理方面結(jié)合是必然趨勢(shì)和新的創(chuàng)新點(diǎn)。借助物聯(lián)網(wǎng)，智能穿戴設(shè)備可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工操作者的血壓、心率、體溫等生命體征及工作狀態(tài)，保證施工人員良好的狀態(tài)，同時(shí)兼顧識(shí)別施工現(xiàn)場(chǎng)位置和周圍環(huán)境，保證施工人員安全的外部環(huán)境，避免因施工人員身體狀況而引起的安全事件，進(jìn)而顯著降低現(xiàn)場(chǎng)人員生命安全事故的發(fā)生率。

1? 基礎(chǔ)概念與技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)逐漸被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。從比爾·蓋茨到Kevin Ashton 教授最后到美國(guó)的“智慧地球”的理論模型，物聯(lián)網(wǎng)的概念得到發(fā)展壯大，其主要應(yīng)用于運(yùn)輸、健康、能源、物流等方面，形成“互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)=智慧地球”，標(biāo)志著全球新通信時(shí)代的到來[2]。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用得益于兩種技術(shù)：第一個(gè)是RFID技術(shù)，使用電子產(chǎn)品編碼為每一個(gè)產(chǎn)品提供獨(dú)一編碼，第二個(gè)是傳感技術(shù)，由若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，具有計(jì)算能力、無線通信能力。隨著研究的深入，如今的物聯(lián)網(wǎng)是通過無線射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)按照約定協(xié)議聯(lián)系起來，形成人與物，物與物之間的通信及信息交換，實(shí)現(xiàn)特定功能一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3]。

物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)框架可以分為四個(gè)部分，分別是感知層、傳輸層、處理層和應(yīng)用層[4]。

感知層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的感知、識(shí)別、監(jiān)測(cè)或收集數(shù)據(jù)，具備體積小、成本低、安裝方便等特點(diǎn)，由分部在各種建筑施工現(xiàn)場(chǎng)、隧道、煤礦、電網(wǎng)等部位的傳感器組成，常見的傳感器有射頻識(shí)別標(biāo)簽（RFID）及RFID閱讀器、攝像頭、二位條形碼等。

傳輸層也是網(wǎng)絡(luò)層，主要進(jìn)行感知層和處理層的信息傳遞，由各種無線與有線、固定與移動(dòng)網(wǎng)關(guān)組成的互聯(lián)網(wǎng)與通信網(wǎng)絡(luò)的組合體，比如常用的互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、4G、5G等。

處理層是中間環(huán)節(jié)，功能有管理中心、計(jì)算平臺(tái)、特定系統(tǒng)等對(duì)大量信息的智能處理，實(shí)現(xiàn)支持應(yīng)用層。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用各個(gè)領(lǐng)域的對(duì)接層，可以實(shí)現(xiàn)與各個(gè)行業(yè)的融合，比如智能物流、安全監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、災(zāi)害監(jiān)控等。

1.2 可穿戴技術(shù)與智能可穿戴設(shè)備

可穿戴技術(shù)是一種小型的、可以穿在身上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是一種新的人機(jī)交互形式，具有可隨身攜帶、易于使用、解放雙手、無線數(shù)據(jù)傳輸、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作等特點(diǎn)[5]?？纱┐髟O(shè)備的發(fā)展分為三個(gè)階段[6]：第一階段20世紀(jì)60年代至70年代為萌芽期，可穿戴設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域較少，技術(shù)處于探索開發(fā)階段;第二階段是20世紀(jì)80年代至90年代，可穿戴技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)拓展時(shí)期，開始逐漸應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，在此期間出現(xiàn)了儲(chǔ)存信息的數(shù)字手表、數(shù)字助聽器、頭戴式顯示器等，發(fā)展時(shí)期的可穿戴設(shè)備完成了由單個(gè)領(lǐng)域到多個(gè)領(lǐng)域、單一技術(shù)到多種技術(shù)的轉(zhuǎn)變;第三階段是20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初期，借助互聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)的進(jìn)步，智能可穿戴設(shè)備在20世紀(jì)后期開始迅速發(fā)展，在保證基本功能的基礎(chǔ)上更多地考慮用戶需求，更多地關(guān)注健康領(lǐng)域，消費(fèi)使用類的可穿戴設(shè)備也逐漸被普通人接受。此時(shí)期代表產(chǎn)品如雙向?qū)ず魴C(jī)，藍(lán)牙耳機(jī)，運(yùn)動(dòng)類可穿戴設(shè)備，醫(yī)療健康類可穿戴設(shè)備等。

在互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)達(dá)的21世紀(jì)，智能可穿戴設(shè)備是在可穿戴設(shè)備和技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，利用RFID、傳感器、GPS等信息傳感設(shè)備，接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)物與人的信息交流。目前，智能穿戴設(shè)備是各大科技公司研究的熱點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域主要涉及醫(yī)療、軍事、工業(yè)等重要領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)外被大眾熟悉的智能可穿戴設(shè)備大致可分為娛樂通訊類、健康醫(yī)療類、運(yùn)動(dòng)類、安全防護(hù)類[6]。

①娛樂通訊類可穿戴設(shè)備主要功能集中在娛樂活動(dòng)和通信交流，代表產(chǎn)品如智能眼鏡Google glass、智能手表Apple Watch和兒童電話手表等;

②健康醫(yī)療類主要功能是監(jiān)測(cè)用戶血壓、心率及睡眠狀態(tài)等，代表產(chǎn)品有華為系列手環(huán)、iHealth血壓計(jì)等;

③運(yùn)動(dòng)類可穿戴設(shè)備主要監(jiān)測(cè)用戶的運(yùn)動(dòng)情況和身體狀況，比如佳明智能手環(huán)、小米運(yùn)動(dòng)手環(huán)等;

④安全防護(hù)類可穿戴設(shè)備是針對(duì)特殊需要的群體設(shè)計(jì)的，如兒童、老人、殘障人士等，實(shí)現(xiàn)基本的定位、跟蹤、報(bào)警等功能。

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的高速發(fā)展，各種可穿戴設(shè)備層出不窮，智能可穿戴設(shè)備的智能化、自動(dòng)化、方便快捷等為建筑施工人員安全管理提供了基礎(chǔ)。因此，基于智能可穿戴技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合建筑安全管理和作業(yè)者安全管理特點(diǎn)，采用智能可穿戴設(shè)備來監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)者的工作狀態(tài)和身體狀態(tài)，建立以智能手環(huán)等為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)及預(yù)警框架，改善傳統(tǒng)施工操作者安全管理系統(tǒng)，有效減少人的不安全狀態(tài)及其引發(fā)的建筑施工安全事故，同時(shí)及時(shí)的預(yù)警系統(tǒng)為提高人員安全管理爭(zhēng)取更多地事前預(yù)防時(shí)間和機(jī)會(huì)。

2? 構(gòu)建系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)功能說明

傳統(tǒng)建筑施工安全管理存在局限性、復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性[7]，針對(duì)這些缺點(diǎn)，本文結(jié)合操作者現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)特點(diǎn)構(gòu)建基于智能手環(huán)的建筑施工作業(yè)者安全管理系統(tǒng)。系統(tǒng)本身集聚云交互、數(shù)據(jù)交互及軟件支持等多功能，同時(shí)兼具多種輔助功能，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)智能化和標(biāo)準(zhǔn)化[8]。智能化是智能穿戴設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，引入智能穿戴設(shè)備與建筑施工人員安全管理相融合，可以實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)并與數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，超出設(shè)定閾值及時(shí)預(yù)警或提醒，極大改善施工人員安全管理的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，確保施工人員在身體狀況良好的情況下工作，避免安全管理中人的不安全因素;標(biāo)準(zhǔn)化是智能穿戴設(shè)備的一個(gè)優(yōu)化方向，智能設(shè)備擁有施工人員工作狀態(tài)下各種數(shù)據(jù)，如血壓、心率、體溫、骨骼活動(dòng)次數(shù)及骨骼彎曲程度等，借助物聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的云儲(chǔ)存和高速計(jì)算能力，智能穿戴設(shè)備可以把以上海量數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和計(jì)算，不僅可以及時(shí)進(jìn)行超過設(shè)定閾值提醒施工人員，還可以通過收集施工人員在每一個(gè)施工工序的作業(yè)時(shí)間、勞動(dòng)強(qiáng)度、勞動(dòng)效率和施工質(zhì)量等情況，探究勞動(dòng)質(zhì)量與施工工序的關(guān)系，進(jìn)而建立本企業(yè)或本地區(qū)的施工作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以便后續(xù)管理使用。系統(tǒng)流程如圖1所示[9]。

2.2 系統(tǒng)框架

智能手環(huán)作為施工現(xiàn)場(chǎng)的信息采集和傳輸工具，其功能包括定位功能、施工人員身體狀況監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)及預(yù)警、佩戴安全防護(hù)用具情況監(jiān)測(cè)、緊急通信功能。其內(nèi)部系統(tǒng)構(gòu)造分別為信息采集、信息傳輸、信息處理、信息存儲(chǔ)，如圖2所示[8]。

其中信息采集是通過智能手環(huán)中嵌入的各種傳感器自動(dòng)對(duì)建筑施工操作者的體溫、心率、血壓、手腕彎曲角度等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);信息傳輸包括智能手環(huán)與其他智能穿戴設(shè)備之間的信息傳輸和將智能手環(huán)采集的信息傳輸?shù)焦芾砥脚_(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)，信息傳輸依靠施工現(xiàn)場(chǎng)無線局域網(wǎng)或者4G、5G通信方式實(shí)現(xiàn)，智能穿戴設(shè)備之間信息傳輸依靠藍(lán)牙實(shí)現(xiàn);信息儲(chǔ)存依靠強(qiáng)大的云端儲(chǔ)存實(shí)現(xiàn);信息處理是將系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定值對(duì)比分析，針對(duì)超出的情況快速向施工人員和管理人員發(fā)出提示預(yù)警，使相關(guān)人員得到及時(shí)幫助。

3? 系統(tǒng)的具體應(yīng)用

智能手環(huán)是在電子表的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，內(nèi)部包括溫度、脈搏等傳感器、藍(lán)牙、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、報(bào)警按鈕、無線局域網(wǎng)模塊、相關(guān)App軟件、全球定位系統(tǒng)、全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)等。其具體應(yīng)用如下：

3.1 定位功能

智能手環(huán)內(nèi)部配有高精度全球定位系統(tǒng)。針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)參與人員眾多，施工材料機(jī)械等隱含潛在危險(xiǎn)，利用智能手環(huán)定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)施工人員的位置分布，同時(shí)結(jié)合其他智能穿戴設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)人員定位和施工機(jī)械、大型建筑材料等物品位置定位，不僅可以實(shí)時(shí)管理施工人員位置和安全，而且為有可能的危險(xiǎn)情況預(yù)警做好基礎(chǔ)的第一步。

3.2 施工人員身體狀況監(jiān)測(cè)

建筑業(yè)是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，同時(shí)建筑施工人員安全管理及其重要，所以通過智能手環(huán)實(shí)現(xiàn)施工人員身體狀況監(jiān)測(cè)很有必要。通過智能手環(huán)內(nèi)部的各種傳感器和特定軟件的算法，不僅可以監(jiān)測(cè)施工人員作業(yè)時(shí)的心率、血壓、體溫等基礎(chǔ)生命特征數(shù)據(jù)，而且可以通過特定算法實(shí)現(xiàn)對(duì)施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度、軀體彎曲程度等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，通過與設(shè)定值對(duì)比，可以很好的監(jiān)測(cè)施工人員的身體狀況符合人體工程學(xué)，在可接受范圍之內(nèi)，從而有效避免施工人員因長(zhǎng)時(shí)間彎腰、擺臂等動(dòng)作造成職業(yè)病[10]。

3.3 危險(xiǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)及預(yù)警

建筑施工場(chǎng)地安全管理一般分為人的因素管理和物的管理，所以，除了通過智能手滑監(jiān)測(cè)施工人員位置，還需要通過系統(tǒng)完成對(duì)建筑現(xiàn)場(chǎng)其他物品的位置監(jiān)控。比如一些沒有圍欄的臨邊洞口、正在運(yùn)行的塔吊等，當(dāng)一些非施工人員誤入這些危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)利用攝像機(jī)等監(jiān)測(cè)并向管理人員預(yù)警，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn);當(dāng)施工人員涉入危險(xiǎn)區(qū)域范圍時(shí)，系統(tǒng)可以通過智能手環(huán)及時(shí)通知或提醒，做好施工人員自身防范或引起足夠重視，把施工人員安全管理變?yōu)槭虑爸鲃?dòng)控制行為，真在做到預(yù)防為主。

3.4 佩戴安全防護(hù)用具情況監(jiān)測(cè)

針對(duì)建筑作業(yè)存在高空作業(yè)的情況，系統(tǒng)有必要針對(duì)施工人員的安全防護(hù)裝備進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理。智能手環(huán)內(nèi)部安裝的藍(lán)牙裝置可以與安全防護(hù)裝備內(nèi)部的藍(lán)牙發(fā)射裝置進(jìn)行信息交流，并實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)到系統(tǒng)管理平臺(tái)，通過信息處理，對(duì)于沒有佩戴安全防護(hù)裝備的施工人員進(jìn)行提醒，并實(shí)時(shí)在系統(tǒng)管理平臺(tái)進(jìn)行記錄，以便進(jìn)行安全總結(jié)。

3.5 緊急通信功能

針對(duì)建筑業(yè)有可能發(fā)生基坑坍塌、腳手架倒塌等危險(xiǎn)情況存在，智能手環(huán)也要具備緊急通信功能。當(dāng)出現(xiàn)以上危險(xiǎn)情況，施工人員可以通過智能手環(huán)發(fā)送遠(yuǎn)程求救信號(hào)或報(bào)警模式。此外，針對(duì)突然出現(xiàn)的高溫、海拔急劇降低、電擊等緊急危險(xiǎn)事故時(shí)，智能手環(huán)可以遠(yuǎn)程聯(lián)系控制中心及時(shí)定位和報(bào)警，使現(xiàn)場(chǎng)管理人員第一時(shí)間獲得消息，及時(shí)救援。

4? 結(jié)語

綜上所述，基于建筑施工作業(yè)者安全管理的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于智能穿戴設(shè)備的作業(yè)人員安全管理系統(tǒng)，系統(tǒng)包括信息的采集、處理、存儲(chǔ)和處理，具備五大功能。通過論述證明五大功能可以有效提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全管理效率，改善作業(yè)人員安全管理現(xiàn)狀。但是針對(duì)智能穿戴設(shè)備的改進(jìn)也刻不容緩。目前，我國(guó)智能穿戴設(shè)備相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈、商業(yè)模式還沒有具體成型，造成智能穿戴設(shè)備成本高、用戶體驗(yàn)差、功能不完善等問題[9]。隨著科技的進(jìn)步，這些問題會(huì)得到改善，同時(shí)，建筑施工人員安全管理也會(huì)變得更智能、高效。

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