基于RFID 的施工安全管理研究進展

梁 軍

(上海理工大學環境與建筑學院，上海 200092)

0 引言

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

在傳統的施工安全管理中，由于環境的復雜性、多變性等導致施工現場危險因素增多，進而促使施工現場事故頻發。Jimmie Hinze的研究認為，施工現場中導致事故發生的最為重要的因素是人的不安全行為［3］。本文通過將RFID與傳統的安全管理系統相結合，在該系統中，利用RFID可以自動識別貼有相應標簽的人和物體并獲取相關信息，以進一步跟蹤進入施工現場的相關人員來提高現場人員的安全系數，以便更好地進行施工現場的安全管理。

1 傳統施工安全管理系統研究現狀

在傳統的安全監控系統中，工程項目部通過直線對監測工程師進行直線管理，而監測工程師則就相關的安全管理問題向業主方負責，對相關人員提供的意外缺陷報告、現場監測報告制定相應的計劃，并進行審查。針對某些突發事件則還需提供計劃修正方案，并最終向業主方提供項目安全報告和建議，其具體流程如圖1所示。由于整個工作環節都以監測工程師為中心而展開，所以要求監測工程師不僅需要豐富的施工經驗，而且還要對工程的施工、監測等過程有一定的了解。所以一旦監測工程師在具體操作過程中出現漏洞將會對整個風險安全管理的準確性造成很大的誤差。

圖1 傳統工程施工監控流程圖

傳統的預警系統一般包括危機預警策劃、危機診斷和危機干預等三個環節。在整個預警過程中，首先對施工過程進行危機預警需求分析并在此基礎上進行指標的設定和系統設計，緊接著對施工風險發展狀態與施工安全生產狀況進行對比分析，完成危機診斷;最后就相應的風險事件采取相應的技術和管理手段，其具體流程如圖2所示。

圖2 傳統工程施工預警流程圖

2 RFID在管理系統中的應用

2.1 危險源及危險區域的定義

郭紅領，于言滔等學者通過對施工事故案例的調查和分析，將施工現場中可能會出現的危險區域進行了定義與分類［2］。具體情形如下:

1)平面構件(洞口、某些構建邊緣):危險區域為在洞口和邊緣的基礎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件等):危險區域為構件尺寸以及可能掉落的區域來確定;

3)隱患來自施工機械(如塔吊吊物):危險區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域之內。

2.2 RFID系統構成

RFID系統通常由三部分構成:貼在需要獲取位置信息的物體上的RFID標簽、RFID閱讀器以及數據處理設備(電腦)。

系統的工作流程為:當電子標簽進入閱讀器的發射天線工作范圍之內時將會產生感應電流并被激活，然后將自身及攜帶有相應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行解碼及處理，最后將處理后的信息發送到數據處理設備進行數據的處理與存儲工作，如圖3所示。

圖3 RFID系統構成

2.3 基于RFID的定位方法

現有的RFID位置感知方法，多利用RFID系統通信過程中閱讀器所接收到的標簽響應情況，或是標簽反射鏈路的信道參數來估計和反演標簽所處的空間位置，主要包括參數提取和位置估計兩大關鍵技術。

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

位置估計:由獲取的參數信息來推算標簽位置，大致分為幾何估計法、指紋估計法、成本函數最小化和貝葉斯估計法四類。幾何估計法借助閱讀器和標簽間的距離或角度關系，然后通過求解非線性方程組來計算目標位置，具體模型有:信號到達時間(TOA)、信號到達時間差(TDOA)、信號到達角度(AOA)等基于距離的定位方法中所應用到的三邊定位算法和三角定位算法。以LANDMARC［4］為代表的指紋估計方法，借鑒無線局域網定位原理，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簽位置感知方法3DinSAR［1］，運用該方法進行定位時，能夠在不依賴任何參考標簽或輔助設備的前提下，僅利用單個可移動的RFID閱讀器實現快速、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階段:數據庫建立(也稱離線階段，offline)階段，此階段中，首先在待測標簽所在的周圍鋪設大量攜帶位置信息的參考標簽。利用閱讀器采集所有參考標簽的參數信息并錄入數據庫;在匹配(在線階段，online)階段將閱讀器所獲得的待測標簽的參數信息與指紋數據進行匹配，再通過選中的參考標簽已知位置估計待測標簽位置。

2.4 RFID在管理系統中的應用

基于RFID的施工安全管理系統大概分為三個模塊:信息采集模塊、信息處理模塊和安全預警模塊。

信息采集模塊是通過RFID閱讀器獲取施工現場中電子標簽(粘貼在需要獲取位置的物體上)的信息，并進行實時定位跟蹤。閱讀器將獲取的電子標簽的相應信息傳遞到信息處理模塊，信息處理模塊根據之前設定的目標定位方法并按照相應的計算方法計算出攜帶有電子標簽的人員的具體位置，然后再將該信息傳遞到安全預警模塊。在該模塊中，依據不同的危險類型標記不同的危險源及危險區域，并布設相應的RFID閱讀器，當攜帶有信息的電子標簽附著到進入施工現場的人員身上，當其接近危險區域或者接近不允許除相關專業人士進入的場所時，安全預警模塊將會依據系統設定的危險指標啟動報警系統以提醒相關人員直至其遠離危險區域。其具體示意圖如圖3所示。

3 結論與建議

本文通過對傳統施工安全管理系統以及基于RFID的不同定位方法進行調研與分析，獲得了以下結論:

1)傳統的安全監控和預警系統雖然可以解決施工現場中出現的各種安全問題，但依然存在很多問題，如:

a.信息傳遞不及時，系統對施工現場的信息獲取與更新主要是通過人為來實現的，具有一定延遲效應，信息傳遞不及時;

b.所有的工作幾乎都是以監測工程師為核心而展開的，一旦在具體操作過程中出現漏洞將會對整個風險安全管理的準確性造成很大的誤差;

c.傳統的風險管理監控系統中需要涉及到項目的多個參與方，耗時耗力，無形中增加了項目管理的成本;

d.風險監控中，對于風險源的識別與判定主要以經驗為主，危險源檢查主要依靠現場巡查的方式;資料收集、數據匯總容易出錯，會對結果造成較大的誤差。

2)基于RFID的施工安全管理系統，解決了傳統的依靠人工獲取信息、手工錄入、憑經驗管理、信息傳遞不及時等問題，實現了信息的自動收集和更新、實現現場的全自動化監控和預警，提高了施工現場管理的高效化和精確度。對建筑業的施工安全管理具有一定的意義。