施工安全知识本体在施工现场安全监控系统中的应用研究

胡亚飞 苏振民

摘 要： 为了使施工现场安全管理知识统一化表达和提高施工现场安全監控效率，采用本体工程以基坑工程为主构建施工现场安全知识本体模型，并通过该本体与施工现场信息采集技术RFID，WSN的数据库进行信息交互。在此基础上构建施工现场安全监控系统，该系统由BIM模块、信息采集模块、信息处理模块和安全监控模块组成，并分析了施工现场安全监控流程，从而提高施工现场安全监控信息化、自动化的效率，实现施工现场安全管理的知识统一表达和施工现场安全状态的高效实时监控，对施工现场的安全监控有一定的借鉴意义。

关键词： 施工现场; 本体工程; RFID; WSN; BIM; 安全监控

中图分类号： TN99?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）09?0091?05

Abstract： In order to realize the unified expression of the construction site safety management knowledge， and improve the efficiency of construction site safety monitoring， the ontology engineering is used to construct the construction site safety know?ledge ontology model， which takes the foundation pit engineering as its main part. And the construction site safety monitoring system is constructed by means of the information interoperability between ontology and the databases of information acquisition technology RFID and WSN， which is composed of BIM module， information acquisition module， information processing module and safety monitoring module. The working process of the construction site safety monitoring system is analyzed， so as to improve the efficiency of informatization and automation of the construction site safety monitoring， and realize the knowledge unified expression of the construction site safety management and efficient real?time monitoring of construction site safety status. The system has a certain reference significance for safety monitoring of other construction sites.

Keywords： construction site; ontology engineering; RFID; WSN; BIM; safety monitoring

0 引 言

安全管理的关键环节在于施工现场的安全监控，在目前的施工现场安全监控中，随着信息技术的不断发展，其在施工现场安全监控中的应用研究程度也在不断加深。文献[1]集成BIM和无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID），实现施工现场对人的不安全行为的高效监控。文献[2]集成PT定位技术和BIM，针对工人的不安全行为构建预警机制。以上主要集中于监控人的不安全行为对施工现场安全事故的影响。文献[3]通过WSN（Wireless Sensor Networks）结合ZigBee技术用于塔吊安全监测预警系统，主要针对不安全状态的监测，且没有考虑施工现场的动态变化情况。文献[4]从信息协同角度构建建筑施工项目安全监控信息协同系统，其中的监控信息包含可能导致安全事故的不安全状态和不安全行为，但是并没有考虑工程项目管理需求信息之间的实际交互情况。

目前根据施工现场的安全情景监控施工现场的安全状态，缺乏统一的施工安全规范知识表达标准。文献[5]采用领域本体支持建筑施工项目中的知识管理，以便于各参与方改善建筑工程项目各阶段全方位的管理水平。文献[6]基于本体工程对施工安全知识信息进行语义建模，并结合BIM用于在安全计划阶段自动形成施工现场安全保护措施。本文通过研究我国施工安全相关规范，结合施工安全知识中的显性知识和隐性知识，构建相应的施工安全知识本体，为施工现场的不安全行为和不安全状态实时统一监控提供依据，优化建筑项目的施工现场安全管理。

文献[7]提出基于本体的信息交互方式，为建筑行业的信息共享提出了新的思路。因此，本文通过构建安全知识本体，实现施工现场安全管理知识统一化表达，并基于该本体实现BIM，物联网技术数据库之间的信息交互保证施工现场安全监控系统高效运行，实现了施工现场高效率的信息化和自动化的安全监控。

1 施工安全知识本体构建

在构建施工安全知识本体时，需要考虑到人的不安全行为和物的不安全状态，以及环境等各方面的因素，将包含安全知识的显性知识和隐性知识同时表达出来，满足施工安全监控过程所需要的全方位信息需求。因此，构建的施工现场安全监控本体中包含可以进行交互的信息：通过RFID标签收集施工现场人员行动的位置信息、施工材料堆放地点以及施工机械的位置信息;通过WSN传感器节点收集不安全状态信息;施工安全技术要求以及安全规范信息。也就是说，本体工程中包含所有与BIM数据库、RFID数据库、WSN数据库对应的信息，这样就可以通过本体工程实现BIM数据库、RFID数据库、WSN数据库之间进行信息交互，并且本体工程内部通过推理规则语言实现安全状态之间的条件约束，防止由于人为因素导致安全状态判断不准确而导致安全事故的发生，并且通过本体约束规则推理得出施工现场安全状态，通过与BIM的信息交互原则进行可视化，实现施工现场安全监控的实时可视化、信息化、高效化。

本节以深基坑工程为主，根据施工现场安全监控实际特征，以及深基坑工程監测技术规范，施工安全资料等，根据基坑工程施工现场安全监控包含的内容，建立的施工安全知识本体概念体系如图1所示。

通过对上述本体概念体系中所包含的类与类之间关系的描述，建立相应的本体模型，本体模型及其可视化如图2，图3所示。在各个类和子类完整的基础上，定义其类之间的属性关系，其中部分对象性属性定义如表1所示，通过属性定义，使类与类联系起来，并且关系明确。上述建模过程可以通过Protege软件对基坑工程的施工现场安全监控知识本体进行表示，并生成相应的OWL.本体文件。

2 施工现场安全监控系统架构

2.1 BIM模块

BIM作为建筑工程项目的革命性工具，集成了建筑构件、施工现场、临时性结构以及相关属性信息，可以为施工现场的安全监控提供全面的信息支持。为了满足上述施工现场安全监控需求，BIM模块不仅要集成根据施工进度实时更新的施工现场3D模型和属性信息，还需根据施工现场的安全监控数据在本体工程中反馈的结果信息由BIM进行可视化显示，管理人员可以实时监控施工现场的安全状态。在基坑工程中，BIM模块包含与基坑工程相关的地质地形条件、周边建筑物、地下管线以及建筑物地基基础信息的环境模型，以及基坑支护结构、竖向及水平围护构件的基坑支护体系模型，为施工安全监控提供了全方位的信息基础。另外，BIM的协同技术、可视化技术为施工现场安全状态的实时更新和反馈奠定了基础。

2.2 信息采集模块

信息采集模块是整个施工现场安全监控系统的初始模块，主要针对施工过程中引发施工安全事故的不安全行为和不安全状态，通过信息技术实时收集信息，用于判断是否处于安全状态。由于施工现场结构环境复杂，人工检查等方式无法实时反馈施工过程中监测对象的安全状态信息，在本文主要采用RFID技术和WSN技术。利用RFID技术识别和定位施工现场人员、材料、机械，WSN借助于节点内置的、形式多样的感知模块，用于收集施工现场中构件、环境等不安全状态的全部信息，如压力、位移、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分等信息。RFID技术具有双向通信、性能可靠、寿命长等优点，但其自身仍存在抗干扰性差、有效传输距离一般小于10 m，采集的数据必须有网络作为传播媒介等缺点，而WSN技术恰好弥补了这些不足之处，在很大程度上增加了RFID技术的覆盖范围，其次，将这两种技术进行融合，也能使得无线传感器节点更精确地识别目标物体[8]。信息采集的关键在于如何在施工现场布置RFID标签、阅读器等相关设备，以及WSN节点，通过标签和节点的实时定位跟踪，从而获取监控项目的状态信息。根据施工前进行的安全作业分析，确定危险源和对应的安全监控项目，从而布置相应的RFID标签和WSN节点。

2.3 信息处理模块

随着信息技术在施工现场安全管理的应用，各数据库之间的信息集成和共享阻碍了建筑项目安全管理的信息化发展进程。为了促进不同数据库之间的信息交互，有关学者也进行了探究，文献[9]将建筑元素和地理信息系统用本体表达，实现建筑信息共享。文献[10]采用本体技术构建建筑供应链信息共享模型和共享过程模型，实现建筑供应链信息共享。

在本文构建的施工现场安全监控系统中，由RFID，WSN物联网技术采集的信息分别储存在相对应的数据库中，而对于这些数据库而言，根据不同使用目的，为了提供一个有效的数据库管理系统，学者不断地探索研究数据库模型的构建，常用的就是关系型数据库。而BIM的格式标准一般采用IFC，这些异构数据到本体工程的映射也在不断研究创新中。文献[11]给出具体的映射规则，通过数据库的关系模式文件，结合已经发掘的语义信息，将关系数据库映射到OWL本体。文献[7]通过将IFC中实体转换为对应的 OWL语言描述的类，并将 IFC 中记录的实体间的关系映射为 OWL语言描述的基本关系，从而实现BIM和本体之间的信息交互。在施工现场安全监控系统中信息处理的过程如图5所示。

2.4 安全监控模块

施工现场的安全监控信息是处于不断变化和更新的过程中，而安全隐患往往就出现在这些变化的影子中，通过现代信息采集技术采集施工现场安全监控信息，在不改变施工现场安全监控信息的储存状态下与本体工程进行信息交互，结合本体工程中的推理规则，经过推理机从已交互信息判断施工现场的安全状态，通过安全知识本体与BIM信息交互将安全状态在BIM模型中显示，并定位这一节点的具体位置，并以不同颜色进行表示，该系统的施工现场安全监控流程图如图6所示。

3 结 论

本文使用本体工程构建施工现场安全知识本体模型，实现施工现场安全管理的知识统一表达，并通过该本体工程与施工现场环境信息、BIM模型的信息交互，通过推理规则结合本体中交互的信息运行推理机，根据文字化推理结果及反馈到BIM中的可视化推理结果，实现施工现场的安全监控高效化、信息化、自动化。系统中通过建立和不断更新安全知识库对提高建筑行业的信息化水平和安全管理水平有一定的借鉴意义。但是本文对于信息交互的映射规则、安全约束的推理规则、推理机的具体应用等偏于计算机领域的方面，以及施工现场安全知识本体所包含的全部工程内容的建立，有待进一步深入研究。

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