RFID 人員定位技術在建筑施工安全管理中的研究及應用

李凱LI Kai

（鶴壁職業技術學院，鶴壁 458030）

0 引言

隨著城市的快速發展，高效信息化的工地建筑需求越來越迫切，而在復雜且快節奏的工地建筑環境中，對人員的安全管理尤其重要。而建筑工地的人員管理有一定的特殊性：一是人流量大；二是大部分工人的文化水平較低；三是作業人員工作場地變動頻率較快，無法對其及時定位，人員動態管理難度大。傳統的工地人員安全培訓管理模式依靠手工記錄，對人員的管理工作繁瑣復雜，同時容易出現紕漏，數據登記不準確，且查詢難度大，管理者無法快速準確的掌握工地人員的基本信息、安全教育記錄、出勤時間等信息，這些信息不聯網不互通，管理難度大，成本高。

我國建筑工程近年來的安全事故層出不窮，不僅造成了國家財產的損失，更威脅了建筑施工人員的生命安全，工地管理效果不盡人意[1]。如何加強項目現場安全監督檢查又不增加人力，是基于RFID 的智慧工地建設的目的。因此，有必要尋求一種科學、高效、智能的人員安全管理系統解決安全事故頻發的現象。鑒于以上背景，本文提出一種新型智能化施工管理模式，起到“防患于未然”的作用，對異常情況及時報警，提前發現安全隱患及時處理，節省人力物力，是順應市場發展潮流并且十分必要的。RFID 技術作為智慧建設的核心技術，具有掃描快、體積小、成本低、穿透能力強等優點[2]，在項目施工管理、工業生產、物流管理等領域獲得越來越廣泛的應用。

1 基于RFID 技術的安全管理信息化平臺

1.1 基于RFID 安全管理信息化平臺

任何健全的管理體系都依賴于先進信息技術的支持，以物聯網技術手段為依托，可以在事故前智能預警、在事中實時監測、在事后為救援工作提供人員分布的輔助信息，從而減少在管理中的失誤。基于RFID 安全管理信息平臺以建筑信息模型、物聯網RFID 等先進技術為手段構建項目造和運行的安全管理信息平臺，形成一套高效采集、分析、云端人員庫集成系統，達到智能化、一體化、移動化的管理，一旦芯片丟失或損壞，即可通過集成系統重新將工人已有信息導入，避免信息丟失，具有可追溯性，通過芯片對人員進行定位，進一步提高施工現場的安全管理水平。

1.1.1 全景監控，實時、準確了解建設項目情況

對建筑工地各出入口、鋼筋加工區、辦公生活區、倉庫、通道、停車場，圍墻等全方位布點建設高清視頻監控系統；通過PC 端、移動端遠程監控施工現場及施工進度，直觀地了解所有區域的詳細情況，檢查工人的工作狀態，跟蹤生產進度。發現安全隱患并及時排除，最大限度地確保生命財產的安全，減少災難帶來的損失。同時，智能安防監控集成了只能行為識別算法，可以對場景中的工人的行為進行識別和判斷，進行視頻和音頻異常偵測、異常行為報警，從而起到防患于未然的目的。

1.1.2 基于RFID 物聯網技術的項目管理，虛擬實際對比，保障項目進度

在施工模擬過程中，按照分區分別進行現場情況的展示，比如采用視頻流、圖片滾動、實景模型等方式，根據監控的情況，形成日報表和周報表；預先在施工過程中的關鍵節點設置不同層級的預警，通過對比報表和不同顏色反應進行節點啟動的集中預警分析，從而形成冗余設計，進一步增加安全信息平臺的可靠性。

1.1.3 環境監測，聯動業務，促進綠色施工

在施工中，環境保護是一個永遠繞不開的話題，這個平臺可以提供施工現場的環境及能耗的數據監測和預警。比如，對工地的濕度、溫度、風力、揚塵，噪音、污水等環境信息進行實時監控，以統計污水排放月度、年度達標情況，噪聲污染情況和水電等能耗的使用情況，進而進行適時分析調整，找到一個進度與資源消耗的效率最優平衡點。

1.1.4 建筑材料管理，跟蹤構建生產、運輸、安裝狀態

要控制成本，提高效益，就必須控制建筑原材料和構配件的利用率，減少浪費。本平臺可以實時匯總和展現沙石、混凝土、鋼筋等主要材料從開工到現在為止累計收料情況和累積消耗情況以及實時匯總主要構配件的運輸狀態。

1.1.5 全面物聯網監控，提高安全、質量管理能力

①塔吊運行監控系統。

通過安裝在塔吊大臂上的攝像頭和RFID 感應裝置讓塔吊師傅在駕駛室清晰的了解吊鉤周圍的環境，并對起重量、限位和貨物進行實時監測和預警。

②施工電梯運行監控系統。

實時監控施工中的沖頂蹲底、載重量、前后門及天窗的開關狀態、運行速度、乘坐人數、貨物數量統計提醒預警。

③安全隱患的處理。

利用基于RFID 物聯網技術對施工現場設備及各類要素進行現場巡查，對問題進行影響和數據記錄，實現各類安全因患病的排查，從而能促使現場管理人員對危險的預防以及及時采取安全措施。

1.2 基于RFID 識別物聯網技術的防碰撞算法

在RFID 物聯網技術被廣泛應用的大背景下，需要感知的工地人員數據一定是很大規模的，而通信通道資源是有限的，當多個帶有工人信息的安全帽標同時使用同一無線信道與閱讀器通信時，一定會產生數據碰撞，從而會降低系統的識別效率與速度。標簽數據碰撞問題的解決有效提高RFID 智能識別系統的整體性能，尤其是在大規模數據標簽存在的環境下，解決這一問題的重要性顯得尤為突出。因此，亟需建立穩定高效的防碰撞機制，用以解決多標簽精準識別的碰撞問題。

標簽防碰撞算法分為基于ALOHA 概率性的隨機接入算法[3]和基于確定性的樹型防碰撞算法[4]。前者包括時隙ALOHA 算法、純ALOHA 算法[5]、動態幀時隙ALOHA 算法[6]、幀時隙ALOHA 算法、及其他改進算法[7]等。后者包括QT 查詢樹算法、動態二進制搜索算法DBS、BS二進制搜索算法、鎖位后退防碰撞算法等。

考慮到標簽的識讀速率、減小時延、提高系統吞吐率及整體識讀性能等綜合因素的前提下，本文采用一種動態幀時隙ALOHA 算法。動態幀時隙ALOHA 算法（Framed Slotted ALOHA，FSA）是在時隙ALOHA 算法基礎上改進而來的。FSA 防碰撞算法的典型應用有ISO/IEC18000-6的EPCGlobal C1G2 協議和Type-A 協議標準。FSA 算法基本原理為：幀就是將很多個時隙劃分為一個單位幀，每個標簽只是在固定幀內隨機選擇時隙發送，并且標簽在一幀內只能發送一次數據。在閱讀器中事先設定好幀長，設置為2 的整數次冪；同時每個時隙長度要不小于一個標簽傳輸數據成功的最小長度。每個標簽都有一個時隙計數器，并且由閱讀器同步時鐘控制，時隙計數器的值可以設定為0～N-1 的任意值；只有當標簽的時隙計數器為0，標簽響應，否則時隙計數器的值減1；以此類推查詢一幀中的每一個時隙，直到此幀完成，開始下一幀的查詢。在響應過程中，時隙狀態可以分為空閑時隙、碰撞時隙和成功時隙。當在一時隙中只有一個標簽響應，標簽即可被成功識別，完成與閱讀器之間的通信，稱之為成功時隙；在當前幀時隙中沒有標簽相應，即為空閑狀態；如果在當前時隙中有多個標簽同時發送數據則會產生數據的碰撞，即碰撞時隙，則閱讀器啟動程序令碰撞的標簽重新選擇一個時隙傳輸數據，這樣可以避免個別特殊標簽和其他有效標簽頻繁碰撞的情況發生確保正常運行。

幀時隙ALOHA 算法的性能表現與設定的幀長度一一對應，當幀長N 設置值偏大，待識別標簽數量比較少時，就會產生大量的空閑時隙，就會降低系統的吞吐率，從而浪費系統的信道資源；同樣，當幀長N 設置較小，待識別標簽數量較大時，在同一時間就會發生大量的標簽數據碰撞，使得系統延遲變大、識別效率降低。FSA 算法中的幀長假設為L，待識別標簽數為n，設定幀內每個時隙響應的概率均相等，則r 個標簽選擇幀內同一時隙響應的概率為

r=1 時即為成功識別時隙，則成功識別時隙的個數期望為

因此可得FSA 算法的系統吞吐率為

令L=16/32/64/128 能夠得出吞吐率和待識別標簽數的關系曲線圖。從圖中可以看出，當系統負載G=1 時，FSA算法和SA 算法的最高吞吐率相同，均為36.8%。由此可見，幀長值是幀時隙ALOHA 算法性能的重要因素之一。設置一個合理的幀長可以使得閱讀器讀取范圍內的所有工人的數據標簽均被識別，提高閱讀器的查詢次數、傳輸數據量、傳輸時延及系統吞吐率，避免出現系統誤差。

2 基于RFID 的施工現場安全監控系統的應用

2.1 案例背景

本工程總建筑面積約131 萬平方米，總造價約26.8億元，有50 余棟高層及20 余棟多層組成。該工程整體建筑規模大，施工工期較長，目前四個地塊均處于主體施工階段，工人流動性大，現場安全管理難度高，本文旨在解決此類問題，提高效率和工程質量。

以鄭東新區白沙安置區二期項目為驗證載體，研究物聯網與超高頻RFID 在施工現場人員安全管理中的應用，形成一套高效采集、分析、云端人員庫集成系統。從而解決現有以人工數據采集為主，以excel 軟件分析為輔的帶來的繁瑣復雜現狀，形成施工現場隊伍人員云端數據庫，實現對人員的動態管理，精準管理，科學管理。

2.2 基于RFID 的安全管理模式

施工現場的工人必須佩戴安全帽，安全帽可以作為本系統中的一個媒介，通過將寫有工人身份信息的RFID 芯片與安全帽進行綁定，形成一種“智能安全帽[8]”，以此來實現遠距離多個芯片同時掃描、識別，有效解決現場實名制管理問題。安全巡查終端分為固定式和移動式，固定式巡查終端主要是部署在安全培訓教室、建筑工地進出口處、作業層出入口，通過感應芯片對工人身份進行識別、信息收集。移動式安全巡查終端可作為流動的采集設備，可靈活的完成建筑工地中需要手動處理的一些日常業務，并將信息上傳云端數據庫例如培訓簽到信息、考試信息考勤、安全處罰信息等。考慮到人體身高、監控閱讀器功率和能耗等問題，在離地面高度2 米左右的位置，每100 米安裝一臺RFID 定向感應閱讀器。感應器的加裝也會跟著工程進度逐個加裝，從而形成多方位，全地形的有效立體監控體系。

2.3 系統的運行與分析

本系統的整體架構模式（如圖1 所示）也是本文的創新點，在正常模式下，本系統并未改變傳統施工作業人員的作業程序，故施工作業人員可以較快的接受，使本套系統較易推廣使用。

圖1 系統架構圖

在施工現場，工人會先到安全質量部將個人身份信息錄入到數據庫，然后給工人分配任務并分發帶有個人信息電子標簽的安全帽，并要求工人隨時佩戴。施工現場采用實名制刷卡入場，工人攜帶的智能安全帽通過不同部位的分組閱讀器，形成工人的三維定位系統（如圖2），可根據工人的三維坐標，測得工人的實際位置。當班工人進入工作區域后，定位系統會將工作人員的實際位置信息傳送到服務器以供管理者持續監控掌握工人動態，可大幅度縮短在發生意外后的搶險時間。比如，當工人擅自離崗進入危險區域發生高空墜落事故時，監控系統會顯現該名工人的Z 坐標波動較大，急劇減小，智能管理系統會立即給管理人員發出有聲警告，管理人員可以迅速通知最近的醫院并按照應急預案進入現場有序的指揮救援，這樣可大大縮短救援時間，最大化的減少損失，有效避免二次事故。

圖2 基于RFID 技術的工人定位系統

RFID 標簽可安裝在場內機械裝置如塔吊上，以獲得機械的位置，系統會自動識別出該機械的作業半徑，計算出相應的危險區域，避免塔吊發生碰撞。當工人進入危險識別范圍以內時，系統會通過移動終端給工人發出警報，提醒工人注意安全，起到事故預警作用，有效減少物體打擊、車輛傷害等事故發生的概率。同時，還可將帶有感溫原件的RFID 標簽放置于混凝土，利用閱讀器獲得混凝土的溫度，記錄混凝土的進場時間，從而掌握混凝土的凝固強度和養護的時機，確保工程的質量。

3 結語

本文根據施工項目的實際情況，設計并應用了一種基于RFID 物聯網識別的人員定位系統，可以實現工人的快速精準定位。項目施工管理人員可以利用新型RFID 智能物聯網項目管理系統獲取現場信息，進而通過實施預先設定好的一系列預警策略，實現對施工項目的智能化安全管理，進而降低潛在事故發生率。