張俊江

摘 ?要： 針對(duì)基于BIM技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)和基于圖像識(shí)別的建筑施工安全檢查系統(tǒng)吞吐量小，CPU運(yùn)行頻率慢的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一個(gè)新的基于傳感技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)參照B/S結(jié)構(gòu)模式，將整體框架分為數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層以及結(jié)果表示層三層結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)下，完成傳感采集模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊、結(jié)果顯示模塊、無(wú)線通信模塊等硬件設(shè)計(jì)，并針對(duì)硬件組成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主程序軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果表明：與基于BIM技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)以及基于圖像識(shí)別的建筑施工安全檢查系統(tǒng)相比，所提系統(tǒng)應(yīng)用下，吞吐量增加，CPU頻率提高，解決了以上兩個(gè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 建筑施工; 安全檢測(cè); 傳感技術(shù); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 性能測(cè)試; 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TN244?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 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(wèn)題給國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全帶來(lái)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(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前保證建筑施安全多是通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)完成，如基于BIM技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)，基于圖像識(shí)別的建筑施工安全檢查系統(tǒng)等，但是這些系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)能處理的請(qǐng)求數(shù)量（吞吐量）不足，導(dǎo)致系統(tǒng)CPU頻率運(yùn)行過(guò)慢，無(wú)法達(dá)到安全檢測(cè)的及時(shí)性，因此也就無(wú)法幫助施工人員規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)[2?3]。

針對(duì)上述情況，本文基于傳感技術(shù)設(shè)計(jì)一種新的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用B/S三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用布置在施工現(xiàn)場(chǎng)的傳感器采集建筑施工相關(guān)信息，然后將其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)當(dāng)中，最后利用計(jì)算機(jī)當(dāng)中的處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否存在施工安全風(fēng)險(xiǎn)[4]。為測(cè)試系統(tǒng)有效性，進(jìn)行系統(tǒng)吞吐量和CPU頻率測(cè)試，結(jié)果表明：與基于BIM技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)以和基于圖像識(shí)別的建筑施工安全檢查系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)吞吐量增大，CPU運(yùn)行頻率加快，因此更能預(yù)防和規(guī)避建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也保證了建筑施工的質(zhì)量，為責(zé)任劃分提供了參考依據(jù)。

1 ?基于傳感技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 ?系統(tǒng)整體框架

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

圖1 ?基于傳感技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)整體框架

從圖1中可以看出，基于傳感技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)模式，將系統(tǒng)整體框架分為三層結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和結(jié)果表示層。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層：由各種傳感設(shè)備組成，用于建筑施工數(shù)據(jù)采集;

業(yè)務(wù)邏輯層：由各種數(shù)據(jù)分析和運(yùn)算芯片組成，用于施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判，并根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行預(yù)警。

結(jié)果表示層：由顯示器和觸控模板組成，用于將結(jié)果提交給客戶端，供用戶預(yù)覽。

1.2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述系統(tǒng)整體框架描述，將其分為以下幾大模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)：傳感采集模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊、結(jié)果顯示模塊和無(wú)線通信模塊[7]。

1） 傳感采集模塊

傳感采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)的前端模塊，起到感應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)信息的作用，是硬件平臺(tái)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(chǎn)事故、質(zhì)量事故、技術(shù)事故以及環(huán)境事故，而這些事故的發(fā)生多因現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)達(dá)不到要求、施工設(shè)備故障以及周邊環(huán)境等因素引起，所以需要在現(xiàn)場(chǎng)布置多種傳感設(shè)備來(lái)進(jìn)行全面的安全風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)，如檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)施工安全標(biāo)準(zhǔn)是否達(dá)標(biāo)的多功能傳感器、檢測(cè)施工設(shè)備狀態(tài)的壓力傳感器、檢測(cè)周?chē)h(huán)境變換的紅外遙感器等[8]。然而無(wú)論是哪種傳感器，均是由敏感元件、轉(zhuǎn)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?jìng)鞲性O(shè)備的探頭，能夠直接感受到被測(cè)量目標(biāo)的物理量信號(hào)，然后將其送入到轉(zhuǎn)換元件當(dāng)中，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換元件將物理量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢员幌到y(tǒng)識(shí)別的原始電信號(hào)，之后由于轉(zhuǎn)換過(guò)程中受到干擾電磁波的影響，電信號(hào)質(zhì)量下降，所以需要變換電路進(jìn)行放大調(diào)制，改善電信號(hào)質(zhì)量。異常傳感設(shè)備的工作過(guò)程均需要輔助電源來(lái)進(jìn)行供電。

2） 數(shù)據(jù)處理與分析模塊

數(shù)據(jù)處理與分析模塊是施工狀態(tài)檢測(cè)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(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中十分重要。在這里選擇OR1200作為數(shù)據(jù)處理與分析模塊的中心處理器。采用Harvard結(jié)構(gòu)的32位RISC作為基礎(chǔ)，具有5級(jí)流水線、支持MMU、Cache以及基本的單片機(jī)功能。圖2為OR1200中心處理器的總體結(jié)構(gòu)。

圖2 ?OR1200中心處理器的總體結(jié)構(gòu)

3） 結(jié)果顯示模塊

在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析模塊后會(huì)得到建筑施工安全檢測(cè)結(jié)果，而本模塊就是人機(jī)交互的窗口，它將結(jié)果上傳至顯示器，而用戶通過(guò)顯示器實(shí)現(xiàn)結(jié)果查詢與瀏覽。為此，結(jié)果顯示模塊的主要硬件設(shè)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(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的1602a液晶顯示器，其可視面積達(dá)到15英寸;最大可視角度為80°;分辨率最大為1 024×768;對(duì)比值為500∶1;亮度值為200～250 cd/m2;響應(yīng)時(shí)間為5～10 ms。觸控面板采用ARMJISHU公司生產(chǎn)的3.8TFTLCD 觸控面板，它以MCU為主控器核心，反應(yīng)靈敏，具有較好的用戶體驗(yàn);且存儲(chǔ)容量達(dá)到128 GB，可以儲(chǔ)存更多數(shù)據(jù)。

4） 無(wú)線通信模塊

以上各模塊間的數(shù)據(jù)傳輸均需要無(wú)線通信模塊的連接，因此在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中起到了橋梁的作用。在這里選用TI公司生產(chǎn)的CC2520 ZigBee芯片作為無(wú)線通信載體（見(jiàn)圖3），具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時(shí)延、高容量以及高安全等優(yōu)勢(shì)[10]。

圖3 ?CC2520 ZigBee芯片

1.3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是指控制和協(xié)調(diào)系統(tǒng)硬件設(shè)備，支持應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)和運(yùn)行程序。系統(tǒng)軟件的主要功能包括：調(diào)度、監(jiān)控和維護(hù)系統(tǒng);管理系統(tǒng)中各種獨(dú)立的硬件，使得它們可以協(xié)調(diào)工作。總而言之，系統(tǒng)軟件能夠使得系統(tǒng)變成一個(gè)整體而不需要顧及到底層每個(gè)硬件是如何工作的。其中，數(shù)據(jù)處理與分析模塊的程序運(yùn)行最為重要，它是判別施工是否安全的參考依據(jù)，在該程序中主要存在各種算法，如在設(shè)備狀態(tài)判別中用到的相似度計(jì)算，原理公式如下：

式中：[SA，B]為序列A和B之間的累計(jì)差異，當(dāng)其大于設(shè)定的閾值時(shí)，就認(rèn)為該時(shí)間序列為異常序列;[wi]為某指標(biāo)在特征空間中權(quán)重值;[n]為序列規(guī)模。

此外，還有模糊評(píng)價(jià)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)異常檢測(cè)算法等。

2 ?系統(tǒng)性能測(cè)試

2.1 ?評(píng)判指標(biāo)

本次設(shè)計(jì)的基于傳感技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)主要是為解決基于BIM技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)以及基于圖像識(shí)別的建筑施工安全檢查系統(tǒng)在吞吐量和CPU頻率兩個(gè)方面上存在的問(wèn)題而設(shè)計(jì)，所以本章節(jié)的系統(tǒng)性能測(cè)試就以吞吐量和CPU頻率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1） 吞吐量是指單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)能處理的數(shù)據(jù)量，體現(xiàn)系統(tǒng)處理的能力，它通常以QPS（每秒查詢數(shù)）對(duì)吞吐量進(jìn)行量化，單位為B/s。

2） CPU頻率，又稱CPU時(shí)鐘頻率，是指CPU運(yùn)算時(shí)的工作頻率，單位是Hz。

2.2 ?檢測(cè)對(duì)象

系統(tǒng)檢測(cè)對(duì)象選擇山東省某住宅建筑工程，該工程在2018年3月份開(kāi)始建造，預(yù)計(jì)歷時(shí)兩年完工。建筑范圍約20 000畝，建筑高度平均25層，建筑質(zhì)量等級(jí)需要達(dá)到A級(jí)。

2.3 ?檢測(cè)結(jié)果

系統(tǒng)的性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1中可知，利用本系統(tǒng)進(jìn)行建筑施工安全檢測(cè)，系統(tǒng)吞吐量為157.5 B/s，CPU頻率為45.2 Hz;而運(yùn)行基于BIM技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)建筑施工安全，系統(tǒng)吞吐量為135.4 B/s，CPU頻率為40.3 Hz;基于圖像識(shí)別的建筑施工安全檢查系統(tǒng)的吞吐量為120.9 B/s，CPU頻率為41.6 Hz。通過(guò)比較可知，本系統(tǒng)的檢測(cè)性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于BIM技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)以及基于圖像識(shí)別的建筑施工安全檢查系統(tǒng)，彌補(bǔ)了這兩個(gè)系統(tǒng)存在的缺陷，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)期。

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

針對(duì)基于BIM技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)以及基于圖像識(shí)別的建筑施工安全檢查系統(tǒng)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一個(gè)新的基于傳感技術(shù)的建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)的吞吐量和CPU頻率均得到提高，由此證明，本系統(tǒng)的性能更優(yōu)越，為建筑工程施工安全和質(zhì)量提供了參考和保證。

參考文獻(xiàn)

[1] 武風(fēng)波，張會(huì)可，呂茜彤.基于嵌入式的建筑工地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（20）：80?84.

WU Fengbo， ZHANG Huike， L? Xitong. Design of an embedded environmental monitoring system for construction sites [J]. Modern electronics technology， 2017， 40（20）： 80?84.

[2] 安慶，江博，吳樹(shù)森.基于GNSS和傳感技術(shù)的橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].全球定位系統(tǒng)，2016，41（5）：107?112.

AN qing， JIANG bo， WU Shusen. Design of bridge safety monitoring system based on GNSS and sensor technology [J]. Global positioning system， 2016， 41（5）： 107?112.

[3] 張涇杰，韓豫，馬國(guó)鑫，等.基于BIM和RFID的建筑工人高處墜落事故智能預(yù)警系統(tǒng)研究[J].工程管理學(xué)報(bào)，2015，29（6）：17?21.

ZHANG Jingjie， HAN Yu， MA Guoxin， et al. Research on intelligent early warning system for building workers′ altitude fall accidents based on BIM and RFID [J]. Journal of engineering management， 2015， 29（6）： 17?21.

[4] 趙曉彬.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（1）：180.

ZHAO Xiaobin. Design of coal mine safety monitoring system based on wireless sensor network gateway technology [J]. Digital technology and application， 2016（1）： 180.

[5] 鄧紀(jì)倫，翁志輝，金智群.基于分布式光纖傳感技術(shù)的電纜隧道安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與信息工程，2015，36（5）：24?28.

DENG Jilun， WENG Zhihui， JIN Zhiqun. On?line monitoring system for cable tunnel safety based on distributed optical fiber sensing technology [J]. Automation and information engineering， 2015， 36（5）： 24?28.

[6] 李瑞華，喬玉峰，劉峰，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井安全檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016（2）：135?136.

LI Ruihua， QIAO Yufeng， LIU Feng， et al. Design of mine safety detection system based on Internet of Things [J]. Electronic design engineering， 2016（2）： 135?136.

[7] 張涇杰，韓豫，姚佳明，等.建筑工人安全裝備自動(dòng)檢查系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].施工技術(shù)，2017，46（24）：83?86.

ZHANG Jingjie， HAN Yu， YAO Jiaming， et al. Design and implementation of automatic inspection system for safety equipment of construction workers [J]. Construction technology， 2017， 46 （24）： 83?86.

[8] 沈萬(wàn)玉，張煊銘，洪云峰，等.重大建筑工程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用[J].安徽建筑，2015，22（2）：176?178.

SHEN Wanyu， ZHANG Xuanming， HONG Yunfeng， et al. Design and application of health monitoring system for major construction projects [J]. Anhui architecture， 2015， 22（2）： 176?178.

[9] 程綱為，帥永建，湯榮.龍灘水電站安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工[J].水力發(fā)電，2017，43（4）：85?88.

CHENG Gangwei， SHUAI Yongjian， TANG Rong. Longtan hydropower station safety monitoring automation system design and construction [J]. Hydropower， 2017， 43（4）： 85?88.

[10] 省有金.平潭海峽公鐵兩用大橋平臺(tái)施工檢測(cè)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2016（3）：74?77.

SHEN Youjin. Research on platform construction detection of pingtan strait bridge [J]. Railway construction technology， 2016（3）： 74?77.