基于智能可穿戴設備的建筑施工人員安全管理系統

苑丁杰 陳俊杰 曾善聰 宋維浩 鄔嘉麒

摘要：通過對物聯網技術及智能可穿戴設備的介紹，將物聯網技術及智能可穿戴設備運用到建筑施工人員安全管理中，建立一套基于智能手環的施工人員安全管理系統。利用智能手環實時監測施工人員身體體征數據，并具備定位、安全防護裝備監測、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.

關鍵詞：物聯網;建筑施工;安全管理;智能穿戴設備

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

中圖分類號：TU714? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）10-0071-03

0? 引言

目前建筑業安全問題形式嚴峻。據統計，建筑工人現場受傷概率比其他行業工人高1倍，死亡概率比其他行業工人高2倍[1]。因此，項目管理在關注常規的質量、工期、進度、投資等目標的同時，更要實時關注建筑施工人員的安全狀態。在傳統現場安全管理中，對現場作業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，而且也會影響整個工程項目的質量、進度等目標的實現。因此，為了整個工程項目順利實現，有必要對施工人員自身狀況進行有效監測，進而有效提高建筑安全管理，減少因施工人員發生安全事故的概率和風險。同時，物聯網技術作為現在國內外新興技術，為施工人員安全管理提供了技術基礎。智能穿戴設備發展潛力大，將智能穿戴設備與建筑施工人員安全管理方面結合是必然趨勢和新的創新點。借助物聯網，智能穿戴設備可以實時監測施工操作者的血壓、心率、體溫等生命體征及工作狀態，保證施工人員良好的狀態，同時兼顧識別施工現場位置和周圍環境，保證施工人員安全的外部環境，避免因施工人員身體狀況而引起的安全事件，進而顯著降低現場人員生命安全事故的發生率。

1? 基礎概念與技術

1.1 物聯網

隨著科技和經濟的進步，物聯網逐漸被應用到各個領域。從比爾·蓋茨到Kevin Ashton 教授最后到美國的“智慧地球”的理論模型，物聯網的概念得到發展壯大，其主要應用于運輸、健康、能源、物流等方面，形成“互聯網+物聯網=智慧地球”，標志著全球新通信時代的到來[2]。物聯網的應用得益于兩種技術：第一個是RFID技術，使用電子產品編碼為每一個產品提供獨一編碼，第二個是傳感技術，由若干個傳感器節點構成的網絡，具有計算能力、無線通信能力。隨著研究的深入，如今的物聯網是通過無線射頻識別（RFID）、紅外感應器、激光掃描器等信息傳感設備，將任何物品與互聯網按照約定協議聯系起來，形成人與物，物與物之間的通信及信息交換，實現特定功能一種網絡技術[3]。

物聯網的結構框架可以分為四個部分，分別是感知層、傳輸層、處理層和應用層[4]。

感知層是物聯網技術的基礎，主要功能是實現對物體的感知、識別、監測或收集數據，具備體積小、成本低、安裝方便等特點，由分部在各種建筑施工現場、隧道、煤礦、電網等部位的傳感器組成，常見的傳感器有射頻識別標簽（RFID）及RFID閱讀器、攝像頭、二位條形碼等。

傳輸層也是網絡層，主要進行感知層和處理層的信息傳遞，由各種無線與有線、固定與移動網關組成的互聯網與通信網絡的組合體，比如常用的互聯網、無線網絡、4G、5G等。

處理層是中間環節，功能有管理中心、計算平臺、特定系統等對大量信息的智能處理，實現支持應用層。

應用層是物聯網技術應用各個領域的對接層，可以實現與各個行業的融合，比如智能物流、安全監測、遠程醫療、災害監控等。

1.2 可穿戴技術與智能可穿戴設備

可穿戴技術是一種小型的、可以穿在身上的計算機系統，是一種新的人機交互形式，具有可隨身攜帶、易于使用、解放雙手、無線數據傳輸、長時間連續工作等特點[5]。可穿戴設備的發展分為三個階段[6]：第一階段20世紀60年代至70年代為萌芽期，可穿戴設備的應用領域較少，技術處于探索開發階段;第二階段是20世紀80年代至90年代，可穿戴技術進入了一個拓展時期，開始逐漸應用于多個領域，在此期間出現了儲存信息的數字手表、數字助聽器、頭戴式顯示器等，發展時期的可穿戴設備完成了由單個領域到多個領域、單一技術到多種技術的轉變;第三階段是20世紀90年代至21世紀初期，借助互聯網和傳感技術的進步，智能可穿戴設備在20世紀后期開始迅速發展，在保證基本功能的基礎上更多地考慮用戶需求，更多地關注健康領域，消費使用類的可穿戴設備也逐漸被普通人接受。此時期代表產品如雙向尋呼機，藍牙耳機，運動類可穿戴設備，醫療健康類可穿戴設備等。

在互聯網高度發達的21世紀，智能可穿戴設備是在可穿戴設備和技術的基礎上發展而來，利用RFID、傳感器、GPS等信息傳感設備，接入移動互聯網，實現物與人的信息交流。目前，智能穿戴設備是各大科技公司研究的熱點，應用領域主要涉及醫療、軍事、工業等重要領域。目前國內外被大眾熟悉的智能可穿戴設備大致可分為娛樂通訊類、健康醫療類、運動類、安全防護類[6]。

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

②健康醫療類主要功能是監測用戶血壓、心率及睡眠狀態等，代表產品有華為系列手環、iHealth血壓計等;

③運動類可穿戴設備主要監測用戶的運動情況和身體狀況，比如佳明智能手環、小米運動手環等;

④安全防護類可穿戴設備是針對特殊需要的群體設計的，如兒童、老人、殘障人士等，實現基本的定位、跟蹤、報警等功能。

隨著經濟和技術的高速發展，各種可穿戴設備層出不窮，智能可穿戴設備的智能化、自動化、方便快捷等為建筑施工人員安全管理提供了基礎。因此，基于智能可穿戴技術和物聯網技術，結合建筑安全管理和作業者安全管理特點，采用智能可穿戴設備來監測施工現場作業者的工作狀態和身體狀態，建立以智能手環等為基礎的監測及預警框架，改善傳統施工操作者安全管理系統，有效減少人的不安全狀態及其引發的建筑施工安全事故，同時及時的預警系統為提高人員安全管理爭取更多地事前預防時間和機會。

2? 構建系統

2.1 系統功能說明

傳統建筑施工安全管理存在局限性、復雜性和動態性[7]，針對這些缺點，本文結合操作者現場作業特點構建基于智能手環的建筑施工作業者安全管理系統。系統本身集聚云交互、數據交互及軟件支持等多功能，同時兼具多種輔助功能，因此系統設計需要實現智能化和標準化[8]。智能化是智能穿戴設備的優勢，引入智能穿戴設備與建筑施工人員安全管理相融合，可以實時收集數據并與數據庫對比，超出設定閾值及時預警或提醒，極大改善施工人員安全管理的復雜性和動態性，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;標準化是智能穿戴設備的一個優化方向，智能設備擁有施工人員工作狀態下各種數據，如血壓、心率、體溫、骨骼活動次數及骨骼彎曲程度等，借助物聯網強大的云儲存和高速計算能力，智能穿戴設備可以把以上海量數據進行儲存和計算，不僅可以及時進行超過設定閾值提醒施工人員，還可以通過收集施工人員在每一個施工工序的作業時間、勞動強度、勞動效率和施工質量等情況，探究勞動質量與施工工序的關系，進而建立本企業或本地區的施工作業標準，以便后續管理使用。系統流程如圖1所示[9]。

2.2 系統框架

智能手環作為施工現場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測、危險環境監測及預警、佩戴安全防護用具情況監測、緊急通信功能。其內部系統構造分別為信息采集、信息傳輸、信息處理、信息存儲，如圖2所示[8]。

其中信息采集是通過智能手環中嵌入的各種傳感器自動對建筑施工操作者的體溫、心率、血壓、手腕彎曲角度等進行動態監測;信息傳輸包括智能手環與其他智能穿戴設備之間的信息傳輸和將智能手環采集的信息傳輸到管理平臺的數據庫，信息傳輸依靠施工現場無線局域網或者4G、5G通信方式實現，智能穿戴設備之間信息傳輸依靠藍牙實現;信息儲存依靠強大的云端儲存實現;信息處理是將系統中采集的數據與設定值對比分析，針對超出的情況快速向施工人員和管理人員發出提示預警，使相關人員得到及時幫助。

3? 系統的具體應用

智能手環是在電子表的基礎上進行改進，內部包括溫度、脈搏等傳感器、藍牙、麥克風、揚聲器、報警按鈕、無線局域網模塊、相關App軟件、全球定位系統、全球移動通訊系統等。其具體應用如下：

3.1 定位功能

智能手環內部配有高精度全球定位系統。針對施工現場參與人員眾多，施工材料機械等隱含潛在危險，利用智能手環定位系統可以實時掌握現場施工人員的位置分布，同時結合其他智能穿戴設備和現場其他物聯網技術，可以實現施工現場人員定位和施工機械、大型建筑材料等物品位置定位，不僅可以實時管理施工人員位置和安全，而且為有可能的危險情況預警做好基礎的第一步。

3.2 施工人員身體狀況監測

建筑業是勞動密集型產業，同時建筑施工人員安全管理及其重要，所以通過智能手環實現施工人員身體狀況監測很有必要。通過智能手環內部的各種傳感器和特定軟件的算法，不僅可以監測施工人員作業時的心率、血壓、體溫等基礎生命特征數據，而且可以通過特定算法實現對施工人員勞動強度、軀體彎曲程度等數據的監測，通過與設定值對比，可以很好的監測施工人員的身體狀況符合人體工程學，在可接受范圍之內，從而有效避免施工人員因長時間彎腰、擺臂等動作造成職業病[10]。

3.3 危險環境監測及預警

建筑施工場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測施工人員位置，還需要通過系統完成對建筑現場其他物品的位置監控。比如一些沒有圍欄的臨邊洞口、正在運行的塔吊等，當一些非施工人員誤入這些危險區域時，系統應利用攝像機等監測并向管理人員預警，做到及時發現;當施工人員涉入危險區域范圍時，系統可以通過智能手環及時通知或提醒，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為事前主動控制行為，真在做到預防為主。

3.4 佩戴安全防護用具情況監測

針對建筑作業存在高空作業的情況，系統有必要針對施工人員的安全防護裝備進行監測管理。智能手環內部安裝的藍牙裝置可以與安全防護裝備內部的藍牙發射裝置進行信息交流，并實時上傳數據到系統管理平臺，通過信息處理，對于沒有佩戴安全防護裝備的施工人員進行提醒，并實時在系統管理平臺進行記錄，以便進行安全總結。

3.5 緊急通信功能

針對建筑業有可能發生基坑坍塌、腳手架倒塌等危險情況存在，智能手環也要具備緊急通信功能。當出現以上危險情況，施工人員可以通過智能手環發送遠程求救信號或報警模式。此外，針對突然出現的高溫、海拔急劇降低、電擊等緊急危險事故時，智能手環可以遠程聯系控制中心及時定位和報警，使現場管理人員第一時間獲得消息，及時救援。

4? 結語

綜上所述，基于建筑施工作業者安全管理的特點，本文設計了基于智能穿戴設備的作業人員安全管理系統，系統包括信息的采集、處理、存儲和處理，具備五大功能。通過論述證明五大功能可以有效提高現場作業人員安全管理效率，改善作業人員安全管理現狀。但是針對智能穿戴設備的改進也刻不容緩。目前，我國智能穿戴設備相關產業鏈、商業模式還沒有具體成型，造成智能穿戴設備成本高、用戶體驗差、功能不完善等問題[9]。隨著科技的進步，這些問題會得到改善，同時，建筑施工人員安全管理也會變得更智能、高效。

參考文獻：

[1]于言滔. 施工現場工人安全狀態監測方法研究[D].清華大學，2017.

[2]齊樂樂.物聯網技術在建筑施工人員安全管理中的應用研究[D].西安建筑科技大學，2017.

[3]王舒琪，倪燕翎.基于BIM技術與物聯網的建筑施工安全監控系統研究[J].智能建筑與智慧城市，2020（01）：58-61.

[4]寧欣.物聯網技術在建筑工程安全管理中的應用[J].建筑經濟，2014，35（12）：30-33.

[5]郭雨松，于振，趙煒妹.基于可穿戴技術的電力作業安全監護平臺研究[J].電力信息與通信技術，2015，13（01）：72-77.

[6]劉馨.基于HTD模型的智能可穿戴設備設計開發方法的研究與實踐[D].浙江大學，2019.

[7]王世雄.基于物聯網的建筑施工安全管理體系構建及評價[D].重慶科技學院，2017.

[8]郝稚宇.智能穿戴在基礎設施安全防護中的應用[J].信息通信，2018（01）：207-209.

[9]齊樂樂.可穿戴技術在建筑施工人員安全管理中的應用[J].價值工程，2017，36（07）：39-41.

[10]Xuzhong Yan，Heng Li，Angus R. Li，Hong Zhang. Wearable IMU-based real-time motion warning system for construction workers' musculoskeletal disorders prevention[J]. Automation in Construction，2017，74.