基于RFID 的施工安全管理研究进展

梁 军

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200092)

0 引言

射频识别技术(Radio Frequency Identification，即RFID)是一种通过无线电讯号识别特定目标并可以自动收集相关信息的通信技术，不仅作用范围广而且具备一定的存储功能。

在传统的施工安全管理中，由于环境的复杂性、多变性等导致施工现场危险因素增多，进而促使施工现场事故频发。Jimmie Hinze的研究认为，施工现场中导致事故发生的最为重要的因素是人的不安全行为［3］。本文通过将RFID与传统的安全管理系统相结合，在该系统中，利用RFID可以自动识别贴有相应标签的人和物体并获取相关信息，以进一步跟踪进入施工现场的相关人员来提高现场人员的安全系数，以便更好地进行施工现场的安全管理。

1 传统施工安全管理系统研究现状

在传统的安全监控系统中，工程项目部通过直线对监测工程师进行直线管理，而监测工程师则就相关的安全管理问题向业主方负责，对相关人员提供的意外缺陷报告、现场监测报告制定相应的计划，并进行审查。针对某些突发事件则还需提供计划修正方案，并最终向业主方提供项目安全报告和建议，其具体流程如图1所示。由于整个工作环节都以监测工程师为中心而展开，所以要求监测工程师不仅需要丰富的施工经验，而且还要对工程的施工、监测等过程有一定的了解。所以一旦监测工程师在具体操作过程中出现漏洞将会对整个风险安全管理的准确性造成很大的误差。

图1 传统工程施工监控流程图

传统的预警系统一般包括危机预警策划、危机诊断和危机干预等三个环节。在整个预警过程中，首先对施工过程进行危机预警需求分析并在此基础上进行指标的设定和系统设计，紧接着对施工风险发展状态与施工安全生产状况进行对比分析，完成危机诊断;最后就相应的风险事件采取相应的技术和管理手段，其具体流程如图2所示。

图2 传统工程施工预警流程图

2 RFID在管理系统中的应用

2.1 危险源及危险区域的定义

郭红领，于言滔等学者通过对施工事故案例的调查和分析，将施工现场中可能会出现的危险区域进行了定义与分类［2］。具体情形如下:

1)平面构件(洞口、某些构建边缘):危险区域为在洞口和边缘的基础上向外延伸一定距离;

2)坠落物(施工过程中可能会掉落的构件等):危险区域为构件尺寸以及可能掉落的区域来确定;

3)隐患来自施工机械(如塔吊吊物):危险区域就是以吊物投影为圆心，并以此为中心向外延伸一定距离的圆形区域之内。

2.2 RFID系统构成

RFID系统通常由三部分构成:贴在需要获取位置信息的物体上的RFID标签、RFID阅读器以及数据处理设备(电脑)。

系统的工作流程为:当电子标签进入阅读器的发射天线工作范围之内时将会产生感应电流并被激活，然后将自身及携带有相应物体的信息通过无线电波传递到阅读器，紧接着阅读器对获取的信息进行解码及处理，最后将处理后的信息发送到数据处理设备进行数据的处理与存储工作，如图3所示。

图3 RFID系统构成

2.3 基于RFID的定位方法

现有的RFID位置感知方法，多利用RFID系统通信过程中阅读器所接收到的标签响应情况，或是标签反射链路的信道参数来估计和反演标签所处的空间位置，主要包括参数提取和位置估计两大关键技术。

参数提取:一般通过标签的信号强度、相位值等作为参数信息，通过这些信息可以获取阅读器与标签之间的距离或角度等信息进而来估计携带有标签的物体所处的位置。

位置估计:由获取的参数信息来推算标签位置，大致分为几何估计法、指纹估计法、成本函数最小化和贝叶斯估计法四类。几何估计法借助阅读器和标签间的距离或角度关系，然后通过求解非线性方程组来计算目标位置，具体模型有:信号到达时间(TOA)、信号到达时间差(TDOA)、信号到达角度(AOA)等基于距离的定位方法中所应用到的三边定位算法和三角定位算法。以LANDMARC［4］为代表的指纹估计方法，借鉴无线局域网定位原理，为RFID位置感知提供了新的思路。近年来，以全息图谱方法［5］为代表的基于相位干涉的标签位置感知方法3DinSAR［1］，运用该方法进行定位时，能够在不依赖任何参考标签或辅助设备的前提下，仅利用单个可移动的RFID阅读器实现快速、高精度的三维位置感知。不仅效率高而且在位置感知精度上也得到了很大的提升。

基于指纹识别定位方法:该方法大致包括两个阶段:数据库建立(也称离线阶段，offline)阶段，此阶段中，首先在待测标签所在的周围铺设大量携带位置信息的参考标签。利用阅读器采集所有参考标签的参数信息并录入数据库;在匹配(在线阶段，online)阶段将阅读器所获得的待测标签的参数信息与指纹数据进行匹配，再通过选中的参考标签已知位置估计待测标签位置。

2.4 RFID在管理系统中的应用

基于RFID的施工安全管理系统大概分为三个模块:信息采集模块、信息处理模块和安全预警模块。

信息采集模块是通过RFID阅读器获取施工现场中电子标签(粘贴在需要获取位置的物体上)的信息，并进行实时定位跟踪。阅读器将获取的电子标签的相应信息传递到信息处理模块，信息处理模块根据之前设定的目标定位方法并按照相应的计算方法计算出携带有电子标签的人员的具体位置，然后再将该信息传递到安全预警模块。在该模块中，依据不同的危险类型标记不同的危险源及危险区域，并布设相应的RFID阅读器，当携带有信息的电子标签附着到进入施工现场的人员身上，当其接近危险区域或者接近不允许除相关专业人士进入的场所时，安全预警模块将会依据系统设定的危险指标启动报警系统以提醒相关人员直至其远离危险区域。其具体示意图如图3所示。

3 结论与建议

本文通过对传统施工安全管理系统以及基于RFID的不同定位方法进行调研与分析，获得了以下结论:

1)传统的安全监控和预警系统虽然可以解决施工现场中出现的各种安全问题，但依然存在很多问题，如:

a.信息传递不及时，系统对施工现场的信息获取与更新主要是通过人为来实现的，具有一定延迟效应，信息传递不及时;

b.所有的工作几乎都是以监测工程师为核心而展开的，一旦在具体操作过程中出现漏洞将会对整个风险安全管理的准确性造成很大的误差;

c.传统的风险管理监控系统中需要涉及到项目的多个参与方，耗时耗力，无形中增加了项目管理的成本;

d.风险监控中，对于风险源的识别与判定主要以经验为主，危险源检查主要依靠现场巡查的方式;资料收集、数据汇总容易出错，会对结果造成较大的误差。

2)基于RFID的施工安全管理系统，解决了传统的依靠人工获取信息、手工录入、凭经验管理、信息传递不及时等问题，实现了信息的自动收集和更新、实现现场的全自动化监控和预警，提高了施工现场管理的高效化和精确度。对建筑业的施工安全管理具有一定的意义。