基于iBeacon 的安全教育智慧語音系統的研究及應用

李 欣，李金生，肖 菲，蹇安安

（中建三局智能技術有限公司，湖北武漢 430000）

新冠疫情的爆發，給國人造成的影響是深刻而長遠的。如何利用信息化手段，打好疫情防控的主動仗，適應疫情長期存在的新形勢，提高工人的安全感和信心，是當前需要解決的關鍵問題。同時，由于建筑業的快速發展及其自身施工的流動性、建筑種類的多樣性等特點，建筑施工過程中的安全風險大，安全生產的不確定性更大[1]。傳統安全教育主要依靠項目管理人員講授課及觀看安全教育影像資料等方式進行，存在教育方式單一、時間成本高、參與度低、教育效果不佳等問題[2]。加之，施工管理過程中的安全相關資料都為紙質資料，存在易丟失、難以保存及查找等問題。且施工過程中數據隨著工程結束而封存，數據價值未得到充分發揮。

建筑工地上的安全教育信息化技術大多依賴網絡WiFi[3]。但因工地環境復雜，且隨著施工進度不斷發生變化，難以保障無線網絡環境，尤其是地下室和超高層建筑的部分樓層無法收到運營商信號。如何真正實現建筑業安全培訓的信息化，已成為一個亟待解決的問題。

1 系統概述

文中系統采用藍牙iBeacon、云計算、物聯網、大數據等技術，將安全教育工作從聚集性培訓轉變為自主的無接觸式學習，將教育場地搬到施工現場，并在安全員、勞務班長、工人之間建立高效的協作關系，將安全教育工作深入到工地的每個人。該系統作為建筑工地上的移動安全教育助手，實現安全教育“零接觸”、“無聚集”、安全管理過程數據電子化、全員參與度高、覆蓋面廣、教育效果好，并通過安全數據的積累與分析，提高管理決策的效率和質量，實現智能數據驅動安全管理。

文中系統主要由Beacon 設備、智能手機終端（帶藍牙功能）、云服務器組成。其中Beacon 設備通過微定位技術，為智能手機終端提供精準的位置數據信息[4-5]。每個Beacon 設備[6]均代表一個安全教育點，幫助安全員標記施工現場的風險。智能手機終端進行數據（Beacon 設備被觸發）的采集和發送，對數據進行實時的更新與處理[7]。云服務器對發送的數據進行統一的存儲和管理。系統軟件主要由移動端APP和Web端管理云平臺組成。系統信息交互如圖1所示。系統主要功能模塊如圖2 所示。

圖1 系統信息交互

圖2 系統主要功能模塊

2 iBeacon技術原理

藍牙低能耗（Bluetooth Low Energy，BLE）4.0協議不同于傳統藍牙4.0協議[8]。該協議具有快速搜索、快速連接、超低功耗保持連接和傳輸數據等優點[9]。主要應用于實時性要求較高，但數據速率比低的產品。

iBeacon 是基于地理位置的微定位技術，使用BLE 4.0 協議，其通信數據主要由通用唯一識別碼（Universally Unique Identifier，UUID）、Major、Minor、Proximity、Accuracy、Rssi 組成，其含義分別是設備的唯一身份標識（Identity Document，ID）、主要區域標識、次要區域標識、表示距離的屬性（無數據、10 cm以內、1 m 以內、1 m 以外）、相對距離、信號強度[10-11]。iBeacon 通信數據格式如圖3 所示。

圖3 iBeacon通信數據格式

其工作原理及方式：iBeacon以一定的時間間隔向外發布廣播數據包，智能終端接收并反饋信號，實現信息交互[12]。每個iBeacon的唯一標識符由UUID、Major、Minor組成[13]。用戶可以在未打開APP的情況下（APP被開啟過，且藍牙處于開啟狀態），收到iBeacon 設備廣播信息，并短暫激活該APP執行一些方法。APP可根據iBeacon 設備的信號強度[14]，確定用戶當前的狀態（進入、持續監聽、離開），進而作出不同響應。

iBeacon 相較與傳統藍牙技術的區別：1）無需配對，每次交互前不需要配對連接操作；2）定位精準，傳統藍牙傳輸距離為0.1～10 m，而iBeacon 可支持0.01～50 m[15]；3）極低的運行和待機功耗[16]，依靠一顆微型紐扣電池即可持續發送信號兩年左右。

系統中UUID 設定為用戶企業唯一識別碼，Major 設定為項目編號，Minor 設定為項目內iBeacon編號[17]。

3 系統設計及實現

3.1 移動端APP

安全員在施工現場巡查時，在施工區域識別危險源，當發現未解決的安全風險隱患或涉及安全操作規程的作業，如未防護的較大洞口、附著式頂升平臺、鋼筋加工棚等區域時，部署一個或多個安全風險教育點。安全員使用移動端APP，通過云端服務器將每個安全教育點與一個低功耗藍牙Beacon 設備綁定，并生成教育點內容。該教育點內容可在任意地方編輯修改。云端服務器記錄該藍牙Beacon 設備所對應的安全教育點內容。

由于iBeacon 在信息交互時不需要進行配對連接，當工人走到安全教育點附近時，移動終端出現在藍牙Beacon 的覆蓋范圍內，即可自動播報對應低功耗藍牙Beacon 設備所對應的內容。

勞務班長在進行班前喊話或施工現場安全教育時，利用移動端APP 的拍照記錄功能對參加學習的工人進行拍照，并添加文字描述。該功能僅支持實際拍攝，不支持調用手機內存儲的照片，系統自動讀取拍攝時間，有效防止事先拍照作弊，提高了安全教育數據的真實性。系統應用場景如圖4 所示。

圖4 系統應用場景

針對施工現場網絡環境差的問題，工人在進行安全教育學習后，學習記錄緩存于本地，待到有網絡的環境下，對多次學習記錄簽署電子簽名后提交，并可查看歷史學習記錄。使用電子簽名的方式實名打卡，生成具有法律效力的安全教育記錄，學習記錄真實，不可作假或篡改。

工人每完成一次學習，相應的學習記錄即根據預設的評分策略生成對應的學習積分，該學習積分可作為考評依據。施工管理者根據工人的學習積分，結合獎勵機制，對工人進行獎勵或懲罰，為正向激勵提供數據支撐。

工人定期在移動端進行安全知識答題，檢驗安全知識學習效果，幫助安全員獲得安全教育學習的反饋數據。

移動APP 操作界面如圖5 所示。

圖5 移動端APP操作界面

3.2 Web端管理云平臺

Web 端管理云平臺具有項目、人員、教育點及日志的管理功能，將信息數據電子化，安全學習流程化，輔助勞務實名制管理。數據統一存儲于云端，便于遠程監控和管理。通過Docker 容器技術部署在云端服務器，具有部署方式簡便、可移植性高、可動態擴容和縮容等優點。

借助移動端生成的數據，安全員可在Web端管理云平臺上查看并導出具有工人電子簽名的各類安全培訓表格，如月度安全教育記錄表、入場教育記錄表、安全教育交底記錄表等。通過電子表格取代現有的紙質表格方式，提高安全員工作效率，優化工作流程，真正實現無紙化辦公。Web端管理后臺登錄界面如圖6所示。

圖6 Web端管理后臺登錄界面

3.3 可視化數據分析平臺

每個建筑工地的安全教育點均為數據的制造者，教育點被安全員和施工人員的學習所觸發，并將數據發送到云端。云端服務器對這些海量數據運用分布式存儲技術，存放在各個存儲節點。云端服務采用Hadoop、Spark 等先進的分布式計算架構，對數據進行分析處理。

該系統結合數據產生的軌跡，生成數據分析圖表，展示在公司管理層面前。以實際數據為支撐，更好的幫助公司制定安全風險管理策略。運用大數據技術，以實際數據為基礎，分析不同項目的不同階段發生安全風險的概率，生成趨勢預測，實現智能數據驅動安全管理。同時，可自動對上報的異常健康數據進行預警提醒，幫助管理層及時獲知基層工人的健康狀況。公司級數據分析平臺界面如圖7 所示。

圖7 公司級數據分析平臺界面

4 應用價值及效果

4.1 創新點及應用價值

目前，基層疫情防控工作進入常態化，如何利用信息化技術，科學處理好常態化疫情防控與企業發展的關系，適應疫情長期存在的新形勢，打好疫情防控的主動仗，是現階段企業需要思考和解決的關鍵問題。該系統借助藍牙iBeacon，實現“零接觸”出入登記、“無聚集”安全培訓，適用于疫情常態化防控管理的多個應用場景，為企業安全管理保駕護航。

系統具有以下創新點和應用價值：

1）“零接觸”出入登記。人員出入登記使用該系統打卡，避免出現公用紙筆交叉接觸、信息誤報瞞報、人員排隊聚集、登記人員近距離接觸、手寫信息難以辨認等問題。

2）“無聚集”安全培訓。安全教育培訓在施工現場分散開展，減少人員集中聚集，更是讓安全教育走出會議室，化整為零，在工地現場實時進行，提高了安全教育的針對性。

3）非接觸式信息定位。基于iBeacon 的定位技術，能夠精確定位建筑工地上的安全風險隱患及涉及安全操作規程的作業區域，幫助安全員在施工現場識別危險源、標記風險，提高工作效率，避免了安全隱患的遺漏。

4）法律效力。使用電子簽名的方式實名打卡，生成具有法律效力的安全教育記錄，輔以現場照片、標簽定位、服務器時間戳等方式，讓學習記錄真實，管理不可作假或篡改（符合《中華人民共和國電子簽名法》規定）。

5）“無網絡”學習模式。通過云計算技術，實現安全教育的現場化、云端化、動態化，使信息傳輸不受網絡環境和空間的限制，實現離線式的安全教育語音播放，為一線安全管理人員和工友們提供了智慧安全教育新模式。

6）數據分析及趨勢預測。在云端沉淀歷史風險數據，為風險分析、智能預測奠定基礎，進而為企業決策提供數據支撐，制定具有前瞻性的風險管理策略。

7）通用性強，應用行業廣。該系統安裝部署簡單便捷，易于操作，對環境要求不高，且通用性強，可推廣應用至冶金礦山、化工煤炭、制造業工廠等領域。

4.2 應用效果

該系統適用于建筑工地疫情常態化管理的多個應用場景，能夠有效降低安全教育培訓成本，提高培訓靈活度、參與度以及教育效果，將培訓數據電子化，方便項目管理人員及時掌握工人培訓情況。該系統現已在18 個省/直轄市，共62 個項目正式應用，獲得了項目施工管理人員及勞務工人的認可。尤其在火神山、雷神山應急醫院快速建造期間，對工人的離線式安全教育應用成功，為實現“零感染”的目標作出了貢獻。項目應用效果如圖8 所示。

圖8 項目應用效果

5 結論

基于iBeacon 的安全教育智慧語音系統，借助低功耗藍牙Beacon 設備的微定位技術，將建造過程的培訓工作從聚集性培訓轉變為自主的無接觸式學習，將安全教育搬到施工現場，為工人提供更直觀、有針對性、多頻次的全新安全教育模式。通過該系統的開發及創新應用，不僅助力建筑工地基層常態化疫情防控管理，提高了安全管理效率和信息化水平，減少施工安全風險，有效避免了經濟損失，還提升了企業安全文化建設標準及建筑工地安全風險的管控力度。幫助安全員從“安全生產管理人員”轉變為“安全生產監督人員”。并通過數據的積累與分析，提高管理決策的效率和質量，幫助管理者優化管理策略。該系統在火神山、雷神山應急醫院快速建造期間，對工人的“無接觸式”離線安全教育得到成功的應用，為實現“零感染”的目標做出了貢獻。同時，由于其安裝部署便捷、，易于操作、通用性強，可推廣應用至冶金礦山、橋梁隧道、制造業工廠等、領域。