基于傳感技術的建筑施工安全檢測系統設計

張俊江

摘 ?要： 針對基于BIM技術的建筑施工安全檢測系統和基于圖像識別的建筑施工安全檢查系統吞吐量小，CPU運行頻率慢的問題，設計一個新的基于傳感技術的建筑施工安全檢測系統。該系統參照B/S結構模式，將整體框架分為數據訪問層、業務邏輯層以及結果表示層三層結構。在結構的指導下，完成傳感采集模塊、數據處理與分析模塊、結果顯示模塊、無線通信模塊等硬件設計，并針對硬件組成，實現系統主程序軟件設計。系統性能測試結果表明：與基于BIM技術的建筑施工安全檢測系統以及基于圖像識別的建筑施工安全檢查系統相比，所提系統應用下，吞吐量增加，CPU頻率提高，解決了以上兩個系統存在的問題。

關鍵詞： 建筑施工; 安全檢測; 傳感技術; 系統設計; 性能測試; 實驗驗證

中圖分類號： TN244?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）20?0152?04

Design of building construction safety detection system based on sensing technology

ZHANG Junjiang

（Tianjin Sino?German University of Applied Sciences， Tianjin 300350， China）

Abstract： In allusion to the problem of low throughput and slow CPU operation frequency of building construction safety detection system based on BIM technology and building construction safety inspection system based on image recognition， a new building construction safety detection system based on sensing technology is designed. Referring to B/S structure mode， the whole framework of the system is divided into three layers： data access layer， business logic layer and result presentation layer. The hardware design of sensor acquisition module， data processing and analysis module， result display module， and wireless communication module are completed according to its structure， and the main program software design of the system is realized according to the hardware composition. The system performance test results for system verification show that， in comparison with both the construction safety detection system based on BIM technology and the construction safety inspection system based on image recognition， this system can increase throughput and improve CPU frequency， and solve the problems existing in the above two systems.

Keywords： building construction; safety detection; sensing technology; system design; performance test; experimental verification

0 ?引 ?言

建筑施工安全問題給國家財產和人民生命安全帶來了極大損失和威脅[1]，如何保證建筑施工安全具有重要的現實意義。當前保證建筑施安全多是通過檢測系統來完成，如基于BIM技術的建筑施工安全檢測系統，基于圖像識別的建筑施工安全檢查系統等，但是這些系統單位時間內能處理的請求數量（吞吐量）不足，導致系統CPU頻率運行過慢，無法達到安全檢測的及時性，因此也就無法幫助施工人員規避風險[2?3]。

針對上述情況，本文基于傳感技術設計一種新的建筑施工安全檢測系統。該系統設計采用B/S三層結構設計，利用布置在施工現場的傳感器采集建筑施工相關信息，然后將其傳輸到計算機當中，最后利用計算機當中的處理模塊對數據進行分析，判斷是否存在施工安全風險[4]。為測試系統有效性，進行系統吞吐量和CPU頻率測試，結果表明：與基于BIM技術的建筑施工安全檢測系統以和基于圖像識別的建筑施工安全檢查系統相比，本系統吞吐量增大，CPU運行頻率加快，因此更能預防和規避建筑施工安全風險，同時也保證了建筑施工的質量，為責任劃分提供了參考依據。

1 ?基于傳感技術的建筑施工安全檢測系統

1.1 ?系統整體框架

傳感技術是指高精度、高效率、高可靠性的采集各種形式信息的技術，如各種遙感技術（衛星遙感技術、紅外遙感技術等）和智能傳感技術等。因此本次研究的建筑施工安全檢測系統就以傳感器技術作為前端信息采集的基礎，以此來分析施工的安全程度[5?6]。圖1為基于傳感技術的建筑施工安全檢測系統整體框架組成。

圖1 ?基于傳感技術的建筑施工安全檢測系統整體框架

從圖1中可以看出，基于傳感技術的建筑施工安全檢測系統采用B/S結構模式，將系統整體框架分為三層結構：數據訪問層、業務邏輯層和結果表示層。

數據訪問層：由各種傳感設備組成，用于建筑施工數據采集;

業務邏輯層：由各種數據分析和運算芯片組成，用于施工安全風險評判，并根據判斷結果進行預警。

結果表示層：由顯示器和觸控模板組成，用于將結果提交給客戶端，供用戶預覽。

1.2 ?系統硬件設計

根據上述系統整體框架描述，將其分為以下幾大模塊進行設計：傳感采集模塊、數據處理與分析模塊、結果顯示模塊和無線通信模塊[7]。

1） 傳感采集模塊

傳感采集模塊是整個系統的前端模塊，起到感應現場信息的作用，是硬件平臺中唯一與外部信息接觸的模塊。建筑施工事故有很多，一共分四大類：生產事故、質量事故、技術事故以及環境事故，而這些事故的發生多因現場施工作業達不到要求、施工設備故障以及周邊環境等因素引起，所以需要在現場布置多種傳感設備來進行全面的安全風險檢測，如檢測現場施工安全標準是否達標的多功能傳感器、檢測施工設備狀態的壓力傳感器、檢測周圍環境變換的紅外遙感器等[8]。然而無論是哪種傳感器，均是由敏感元件、轉換元件、變換電路和輔助電源等部分硬件組成。其中，敏感元件一般是指傳感設備的探頭，能夠直接感受到被測量目標的物理量信號，然后將其送入到轉換元件當中，經過轉換元件將物理量信號轉變為可以被系統識別的原始電信號，之后由于轉換過程中受到干擾電磁波的影響，電信號質量下降，所以需要變換電路進行放大調制，改善電信號質量。異常傳感設備的工作過程均需要輔助電源來進行供電。

2） 數據處理與分析模塊

數據處理與分析模塊是施工狀態檢測的核心模塊，所有的操作都將在該模塊的處理下完成，所以核心處理器的選擇在整個系統硬件設計中十分重要。在這里選擇OR1200作為數據處理與分析模塊的中心處理器。采用Harvard結構的32位RISC作為基礎，具有5級流水線、支持MMU、Cache以及基本的單片機功能。圖2為OR1200中心處理器的總體結構。

圖2 ?OR1200中心處理器的總體結構

3） 結果顯示模塊

在經過數據處理與分析模塊后會得到建筑施工安全檢測結果，而本模塊就是人機交互的窗口，它將結果上傳至顯示器，而用戶通過顯示器實現結果查詢與瀏覽。為此，結果顯示模塊的主要硬件設備有兩種：一是顯示器;二是觸控面板[9]。前者供用戶瀏覽，后者供用戶查詢。在這里顯示器采用美國西門子公司生產的1602a液晶顯示器，其可視面積達到15英寸;最大可視角度為80°;分辨率最大為1 024×768;對比值為500∶1;亮度值為200～250 cd/m2;響應時間為5～10 ms。觸控面板采用ARMJISHU公司生產的3.8TFTLCD 觸控面板，它以MCU為主控器核心，反應靈敏，具有較好的用戶體驗;且存儲容量達到128 GB，可以儲存更多數據。

4） 無線通信模塊

以上各模塊間的數據傳輸均需要無線通信模塊的連接，因此在整個系統當中起到了橋梁的作用。在這里選用TI公司生產的CC2520 ZigBee芯片作為無線通信載體（見圖3），具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量以及高安全等優勢[10]。

圖3 ?CC2520 ZigBee芯片

1.3 ?系統軟件設計

系統軟件是指控制和協調系統硬件設備，支持應用軟件開發和運行程序。系統軟件的主要功能包括：調度、監控和維護系統;管理系統中各種獨立的硬件，使得它們可以協調工作。總而言之，系統軟件能夠使得系統變成一個整體而不需要顧及到底層每個硬件是如何工作的。其中，數據處理與分析模塊的程序運行最為重要，它是判別施工是否安全的參考依據，在該程序中主要存在各種算法，如在設備狀態判別中用到的相似度計算，原理公式如下：

式中：[SA，B]為序列A和B之間的累計差異，當其大于設定的閾值時，就認為該時間序列為異常序列;[wi]為某指標在特征空間中權重值;[n]為序列規模。

此外，還有模糊評價算法、神經網絡異常檢測算法等。

2 ?系統性能測試

2.1 ?評判指標

本次設計的基于傳感技術的建筑施工安全檢測系統主要是為解決基于BIM技術的建筑施工安全檢測系統以及基于圖像識別的建筑施工安全檢查系統在吞吐量和CPU頻率兩個方面上存在的問題而設計，所以本章節的系統性能測試就以吞吐量和CPU頻率為評價指標。

1） 吞吐量是指單位時間內系統能處理的數據量，體現系統處理的能力，它通常以QPS（每秒查詢數）對吞吐量進行量化，單位為B/s。

2） CPU頻率，又稱CPU時鐘頻率，是指CPU運算時的工作頻率，單位是Hz。

2.2 ?檢測對象

系統檢測對象選擇山東省某住宅建筑工程，該工程在2018年3月份開始建造，預計歷時兩年完工。建筑范圍約20 000畝，建筑高度平均25層，建筑質量等級需要達到A級。

2.3 ?檢測結果

系統的性能測試結果如表1所示。

從表1中可知，利用本系統進行建筑施工安全檢測，系統吞吐量為157.5 B/s，CPU頻率為45.2 Hz;而運行基于BIM技術的建筑施工安全檢測系統檢測建筑施工安全，系統吞吐量為135.4 B/s，CPU頻率為40.3 Hz;基于圖像識別的建筑施工安全檢查系統的吞吐量為120.9 B/s，CPU頻率為41.6 Hz。通過比較可知，本系統的檢測性能要遠遠高于基于BIM技術的建筑施工安全檢測系統以及基于圖像識別的建筑施工安全檢查系統，彌補了這兩個系統存在的缺陷，達到了系統設計預期。

3 ?結 ?語

針對基于BIM技術的建筑施工安全檢測系統以及基于圖像識別的建筑施工安全檢查系統存在的問題，設計一個新的基于傳感技術的建筑施工安全檢測系統。經測試，該系統的吞吐量和CPU頻率均得到提高，由此證明，本系統的性能更優越，為建筑工程施工安全和質量提供了參考和保證。

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