苑丁杰 陳俊杰 曾善聰 宋維浩 鄔嘉麒

摘要：通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及智能可穿戴設備的介紹，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(huán)的施工人員安全管理系統(tǒng)。利用智能手環(huán)實時監(jiān)測施工人員身體體征數(shù)據(jù)，并具備定位、安全防護裝備監(jiān)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(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);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(yè)安全問題形式嚴峻。據(jù)統(tǒng)計，建筑工人現(xiàn)場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，項目管理在關(guān)注常規(guī)的質(zhì)量、工期、進度、投資等目標的同時，更要實時關(guān)注建筑施工人員的安全狀態(tài)。在傳統(tǒng)現(xiàn)場安全管理中，對現(xiàn)場作業(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，而且也會影響整個工程項目的質(zhì)量、進度等目標的實現(xiàn)。因此，為了整個工程項目順利實現(xiàn)，有必要對施工人員自身狀況進行有效監(jiān)測，進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險。同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為現(xiàn)在國內(nèi)外新興技術(shù)，為施工人員安全管理提供了技術(shù)基礎。智能穿戴設備發(fā)展?jié)摿Υ?，將智能穿戴設備與建筑施工人員安全管理方面結(jié)合是必然趨勢和新的創(chuàng)新點。借助物聯(lián)網(wǎng)，智能穿戴設備可以實時監(jiān)測施工操作者的血壓、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)，同時兼顧識別施工現(xiàn)場位置和周圍環(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，進而顯著降低現(xiàn)場人員生命安全事故的發(fā)生率。

1? 基礎概念與技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

隨著科技和經(jīng)濟的進步，物聯(lián)網(wǎng)逐漸被應用到各個領(lǐng)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(lián)網(wǎng)的概念得到發(fā)展壯大，其主要應用于運輸、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”，標志著全球新通信時代的到來[2]。物聯(lián)網(wǎng)的應用得益于兩種技術(shù)：第一個是RFID技術(shù)，使用電子產(chǎn)品編碼為每一個產(chǎn)品提供獨一編碼，第二個是傳感技術(shù)，由若干個傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(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，實現(xiàn)特定功能一種網(wǎng)絡技術(shù)[3]。

物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎，主要功能是實現(xiàn)對物體的感知、識別、監(jiān)測或收集數(shù)據(jù)，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(xiàn)場、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別標簽（RFID）及RFID閱讀器、攝像頭、二位條形碼等。

傳輸層也是網(wǎng)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(wǎng)關(guān)組成的互聯(lián)網(wǎng)與通信網(wǎng)絡的組合體，比如常用的互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡、4G、5G等。

處理層是中間環(huán)節(jié)，功能有管理中心、計算平臺、特定系統(tǒng)等對大量信息的智能處理，實現(xiàn)支持應用層。

應用層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用各個領(lǐng)域的對接層，可以實現(xiàn)與各個行業(yè)的融合，比如智能物流、安全監(jiān)測、遠程醫(yī)療、災害監(jiān)控等。

1.2 可穿戴技術(shù)與智能可穿戴設備

可穿戴技術(shù)是一種小型的、可以穿在身上的計算機系統(tǒng)，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(shù)據(jù)傳輸、長時間連續(xù)工作等特點[5]?？纱┐髟O備的發(fā)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(lǐng)域較少，技術(shù)處于探索開發(fā)階段;第二階段是20世紀80年代至90年代，可穿戴技術(shù)進入了一個拓展時期，開始逐漸應用于多個領(lǐng)域，在此期間出現(xiàn)了儲存信息的數(shù)字手表、數(shù)字助聽器、頭戴式顯示器等，發(fā)展時期的可穿戴設備完成了由單個領(lǐng)域到多個領(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90年代至21世紀初期，借助互聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)的進步，智能可穿戴設備在20世紀后期開始迅速發(fā)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(guān)注健康領(lǐng)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(chǎn)品如雙向?qū)ず魴C，藍牙耳機，運動類可穿戴設備，醫(yī)療健康類可穿戴設備等。

在互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)達的21世紀，智能可穿戴設備是在可穿戴設備和技術(shù)的基礎上發(fā)展而來，利用RFID、傳感器、GPS等信息傳感設備，接入移動互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)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(lǐng)域主要涉及醫(yī)療、軍事、工業(yè)等重要領(lǐng)域。目前國內(nèi)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(yī)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(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血壓計等;

③運動類可穿戴設備主要監(jiān)測用戶的運動情況和身體狀況，比如佳明智能手環(huán)、小米運動手環(huán)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(xiàn)基本的定位、跟蹤、報警等功能。

隨著經(jīng)濟和技術(shù)的高速發(fā)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(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，采用智能可穿戴設備來監(jiān)測施工現(xiàn)場作業(yè)者的工作狀態(tài)和身體狀態(tài)，建立以智能手環(huán)等為基礎的監(jiān)測及預警框架，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，同時及時的預警系統(tǒng)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(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、復雜性和動態(tài)性[7]，針對這些缺點，本文結(jié)合操作者現(xiàn)場作業(yè)特點構(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，同時兼具多種輔助功能，因此系統(tǒng)設計需要實現(xiàn)智能化和標準化[8]。智能化是智能穿戴設備的優(yōu)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(shù)據(jù)并與數(shù)據(jù)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(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;標準化是智能穿戴設備的一個優(yōu)化方向，智能設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、骨骼活動次數(shù)及骨骼彎曲程度等，借助物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)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(yè)時間、勞動強度、勞動效率和施工質(zhì)量等情況，探究勞動質(zhì)量與施工工序的關(guān)系，進而建立本企業(yè)或本地區(qū)的施工作業(yè)標準，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、危險環(huán)境監(jiān)測及預警、佩戴安全防護用具情況監(jiān)測、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，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(tài)監(jiān)測;信息傳輸包括智能手環(huán)與其他智能穿戴設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_的數(shù)據(jù)庫，信息傳輸依靠施工現(xiàn)場無線局域網(wǎng)或者4G、5G通信方式實現(xiàn)，智能穿戴設備之間信息傳輸依靠藍牙實現(xiàn);信息儲存依靠強大的云端儲存實現(xiàn);信息處理是將系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)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(fā)出提示預警，使相關(guān)人員得到及時幫助。

3? 系統(tǒng)的具體應用

智能手環(huán)是在電子表的基礎上進行改進，內(nèi)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(wǎng)模塊、相關(guān)App軟件、全球定位系統(tǒng)、全球移動通訊系統(tǒng)等。其具體應用如下：

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)。針對施工現(xiàn)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(huán)定位系統(tǒng)可以實時掌握現(xiàn)場施工人員的位置分布，同時結(jié)合其他智能穿戴設備和現(xiàn)場其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)施工現(xiàn)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(jiān)測

建筑業(yè)是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，同時建筑施工人員安全管理及其重要，所以通過智能手環(huán)實現(xiàn)施工人員身體狀況監(jiān)測很有必要。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)測施工人員作業(yè)時的心率、血壓、體溫等基礎生命特征數(shù)據(jù)，而且可以通過特定算法實現(xiàn)對施工人員勞動強度、軀體彎曲程度等數(shù)據(jù)的監(jiān)測，通過與設定值對比，可以很好的監(jiān)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(nèi)，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(yè)病[10]。

3.3 危險環(huán)境監(jiān)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(jiān)測施工人員位置，還需要通過系統(tǒng)完成對建筑現(xiàn)場其他物品的位置監(jiān)控。比如一些沒有圍欄的臨邊洞口、正在運行的塔吊等，當一些非施工人員誤入這些危險區(qū)域時，系統(tǒng)應利用攝像機等監(jiān)測并向管理人員預警，做到及時發(fā)現(xiàn);當施工人員涉入危險區(qū)域范圍時，系統(tǒng)可以通過智能手環(huán)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?yōu)槭虑爸鲃涌刂菩袨?，真在做到預防為主。

3.4 佩戴安全防護用具情況監(jiān)測

針對建筑作業(yè)存在高空作業(yè)的情況，系統(tǒng)有必要針對施工人員的安全防護裝備進行監(jiān)測管理。智能手環(huán)內(nèi)部安裝的藍牙裝置可以與安全防護裝備內(nèi)部的藍牙發(fā)射裝置進行信息交流，并實時上傳數(shù)據(jù)到系統(tǒng)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(tǒng)管理平臺進行記錄，以便進行安全總結(jié)。

3.5 緊急通信功能

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

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，本文設計了基于智能穿戴設備的作業(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(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(xiàn)場工人安全狀態(tài)監(jiān)測方法研究[D].清華大學，2017.

[2]齊樂樂.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的建筑施工安全監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].智能建筑與智慧城市，2020（01）：58-61.

[4]寧欣.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑工程安全管理中的應用[J].建筑經(jīng)濟，2014，35（12）：30-33.

[5]郭雨松，于振，趙煒妹.基于可穿戴技術(shù)的電力作業(yè)安全監(jiān)護平臺研究[J].電力信息與通信技術(shù)，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(fā)方法的研究與實踐[D].浙江大學，2019.

[7]王世雄.基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑施工安全管理體系構(gòu)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(shù)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.