RFID 人员定位技术在建筑施工安全管理中的研究及应用

李凯LI Kai

（鹤壁职业技术学院，鹤壁 458030）

0 引言

随着城市的快速发展，高效信息化的工地建筑需求越来越迫切，而在复杂且快节奏的工地建筑环境中，对人员的安全管理尤其重要。而建筑工地的人员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较低；三是作业人员工作场地变动频率较快，无法对其及时定位，人员动态管理难度大。传统的工地人员安全培训管理模式依靠手工记录，对人员的管理工作繁琐复杂，同时容易出现纰漏，数据登记不准确，且查询难度大，管理者无法快速准确的掌握工地人员的基本信息、安全教育记录、出勤时间等信息，这些信息不联网不互通，管理难度大，成本高。

我国建筑工程近年来的安全事故层出不穷，不仅造成了国家财产的损失，更威胁了建筑施工人员的生命安全，工地管理效果不尽人意[1]。如何加强项目现场安全监督检查又不增加人力，是基于RFID 的智慧工地建设的目的。因此，有必要寻求一种科学、高效、智能的人员安全管理系统解决安全事故频发的现象。鉴于以上背景，本文提出一种新型智能化施工管理模式，起到“防患于未然”的作用，对异常情况及时报警，提前发现安全隐患及时处理，节省人力物力，是顺应市场发展潮流并且十分必要的。RFID 技术作为智慧建设的核心技术，具有扫描快、体积小、成本低、穿透能力强等优点[2]，在项目施工管理、工业生产、物流管理等领域获得越来越广泛的应用。

1 基于RFID 技术的安全管理信息化平台

1.1 基于RFID 安全管理信息化平台

任何健全的管理体系都依赖于先进信息技术的支持，以物联网技术手段为依托，可以在事故前智能预警、在事中实时监测、在事后为救援工作提供人员分布的辅助信息，从而减少在管理中的失误。基于RFID 安全管理信息平台以建筑信息模型、物联网RFID 等先进技术为手段构建项目造和运行的安全管理信息平台，形成一套高效采集、分析、云端人员库集成系统，达到智能化、一体化、移动化的管理，一旦芯片丢失或损坏，即可通过集成系统重新将工人已有信息导入，避免信息丢失，具有可追溯性，通过芯片对人员进行定位，进一步提高施工现场的安全管理水平。

1.1.1 全景监控，实时、准确了解建设项目情况

对建筑工地各出入口、钢筋加工区、办公生活区、仓库、通道、停车场，围墙等全方位布点建设高清视频监控系统；通过PC 端、移动端远程监控施工现场及施工进度，直观地了解所有区域的详细情况，检查工人的工作状态，跟踪生产进度。发现安全隐患并及时排除，最大限度地确保生命财产的安全，减少灾难带来的损失。同时，智能安防监控集成了只能行为识别算法，可以对场景中的工人的行为进行识别和判断，进行视频和音频异常侦测、异常行为报警，从而起到防患于未然的目的。

1.1.2 基于RFID 物联网技术的项目管理，虚拟实际对比，保障项目进度

在施工模拟过程中，按照分区分别进行现场情况的展示，比如采用视频流、图片滚动、实景模型等方式，根据监控的情况，形成日报表和周报表；预先在施工过程中的关键节点设置不同层级的预警，通过对比报表和不同颜色反应进行节点启动的集中预警分析，从而形成冗余设计，进一步增加安全信息平台的可靠性。

1.1.3 环境监测，联动业务，促进绿色施工

在施工中，环境保护是一个永远绕不开的话题，这个平台可以提供施工现场的环境及能耗的数据监测和预警。比如，对工地的湿度、温度、风力、扬尘，噪音、污水等环境信息进行实时监控，以统计污水排放月度、年度达标情况，噪声污染情况和水电等能耗的使用情况，进而进行适时分析调整，找到一个进度与资源消耗的效率最优平衡点。

1.1.4 建筑材料管理，跟踪构建生产、运输、安装状态

要控制成本，提高效益，就必须控制建筑原材料和构配件的利用率，减少浪费。本平台可以实时汇总和展现沙石、混凝土、钢筋等主要材料从开工到现在为止累计收料情况和累积消耗情况以及实时汇总主要构配件的运输状态。

1.1.5 全面物联网监控，提高安全、质量管理能力

①塔吊运行监控系统。

通过安装在塔吊大臂上的摄像头和RFID 感应装置让塔吊师傅在驾驶室清晰的了解吊钩周围的环境，并对起重量、限位和货物进行实时监测和预警。

②施工电梯运行监控系统。

实时监控施工中的冲顶蹲底、载重量、前后门及天窗的开关状态、运行速度、乘坐人数、货物数量统计提醒预警。

③安全隐患的处理。

利用基于RFID 物联网技术对施工现场设备及各类要素进行现场巡查，对问题进行影响和数据记录，实现各类安全因患病的排查，从而能促使现场管理人员对危险的预防以及及时采取安全措施。

1.2 基于RFID 识别物联网技术的防碰撞算法

在RFID 物联网技术被广泛应用的大背景下，需要感知的工地人员数据一定是很大规模的，而通信通道资源是有限的，当多个带有工人信息的安全帽标同时使用同一无线信道与阅读器通信时，一定会产生数据碰撞，从而会降低系统的识别效率与速度。标签数据碰撞问题的解决有效提高RFID 智能识别系统的整体性能，尤其是在大规模数据标签存在的环境下，解决这一问题的重要性显得尤为突出。因此，亟需建立稳定高效的防碰撞机制，用以解决多标签精准识别的碰撞问题。

标签防碰撞算法分为基于ALOHA 概率性的随机接入算法[3]和基于确定性的树型防碰撞算法[4]。前者包括时隙ALOHA 算法、纯ALOHA 算法[5]、动态帧时隙ALOHA 算法[6]、帧时隙ALOHA 算法、及其他改进算法[7]等。后者包括QT 查询树算法、动态二进制搜索算法DBS、BS二进制搜索算法、锁位后退防碰撞算法等。

考虑到标签的识读速率、减小时延、提高系统吞吐率及整体识读性能等综合因素的前提下，本文采用一种动态帧时隙ALOHA 算法。动态帧时隙ALOHA 算法（Framed Slotted ALOHA，FSA）是在时隙ALOHA 算法基础上改进而来的。FSA 防碰撞算法的典型应用有ISO/IEC18000-6的EPCGlobal C1G2 协议和Type-A 协议标准。FSA 算法基本原理为：帧就是将很多个时隙划分为一个单位帧，每个标签只是在固定帧内随机选择时隙发送，并且标签在一帧内只能发送一次数据。在阅读器中事先设定好帧长，设置为2 的整数次幂；同时每个时隙长度要不小于一个标签传输数据成功的最小长度。每个标签都有一个时隙计数器，并且由阅读器同步时钟控制，时隙计数器的值可以设定为0～N-1 的任意值；只有当标签的时隙计数器为0，标签响应，否则时隙计数器的值减1；以此类推查询一帧中的每一个时隙，直到此帧完成，开始下一帧的查询。在响应过程中，时隙状态可以分为空闲时隙、碰撞时隙和成功时隙。当在一时隙中只有一个标签响应，标签即可被成功识别，完成与阅读器之间的通信，称之为成功时隙；在当前帧时隙中没有标签相应，即为空闲状态；如果在当前时隙中有多个标签同时发送数据则会产生数据的碰撞，即碰撞时隙，则阅读器启动程序令碰撞的标签重新选择一个时隙传输数据，这样可以避免个别特殊标签和其他有效标签频繁碰撞的情况发生确保正常运行。

帧时隙ALOHA 算法的性能表现与设定的帧长度一一对应，当帧长N 设置值偏大，待识别标签数量比较少时，就会产生大量的空闲时隙，就会降低系统的吞吐率，从而浪费系统的信道资源；同样，当帧长N 设置较小，待识别标签数量较大时，在同一时间就会发生大量的标签数据碰撞，使得系统延迟变大、识别效率降低。FSA 算法中的帧长假设为L，待识别标签数为n，设定帧内每个时隙响应的概率均相等，则r 个标签选择帧内同一时隙响应的概率为

r=1 时即为成功识别时隙，则成功识别时隙的个数期望为

因此可得FSA 算法的系统吞吐率为

令L=16/32/64/128 能够得出吞吐率和待识别标签数的关系曲线图。从图中可以看出，当系统负载G=1 时，FSA算法和SA 算法的最高吞吐率相同，均为36.8%。由此可见，帧长值是帧时隙ALOHA 算法性能的重要因素之一。设置一个合理的帧长可以使得阅读器读取范围内的所有工人的数据标签均被识别，提高阅读器的查询次数、传输数据量、传输时延及系统吞吐率，避免出现系统误差。

2 基于RFID 的施工现场安全监控系统的应用

2.1 案例背景

本工程总建筑面积约131 万平方米，总造价约26.8亿元，有50 余栋高层及20 余栋多层组成。该工程整体建筑规模大，施工工期较长，目前四个地块均处于主体施工阶段，工人流动性大，现场安全管理难度高，本文旨在解决此类问题，提高效率和工程质量。

以郑东新区白沙安置区二期项目为验证载体，研究物联网与超高频RFID 在施工现场人员安全管理中的应用，形成一套高效采集、分析、云端人员库集成系统。从而解决现有以人工数据采集为主，以excel 软件分析为辅的带来的繁琐复杂现状，形成施工现场队伍人员云端数据库，实现对人员的动态管理，精准管理，科学管理。

2.2 基于RFID 的安全管理模式

施工现场的工人必须佩戴安全帽，安全帽可以作为本系统中的一个媒介，通过将写有工人身份信息的RFID 芯片与安全帽进行绑定，形成一种“智能安全帽[8]”，以此来实现远距离多个芯片同时扫描、识别，有效解决现场实名制管理问题。安全巡查终端分为固定式和移动式，固定式巡查终端主要是部署在安全培训教室、建筑工地进出口处、作业层出入口，通过感应芯片对工人身份进行识别、信息收集。移动式安全巡查终端可作为流动的采集设备，可灵活的完成建筑工地中需要手动处理的一些日常业务，并将信息上传云端数据库例如培训签到信息、考试信息考勤、安全处罚信息等。考虑到人体身高、监控阅读器功率和能耗等问题，在离地面高度2 米左右的位置，每100 米安装一台RFID 定向感应阅读器。感应器的加装也会跟着工程进度逐个加装，从而形成多方位，全地形的有效立体监控体系。

2.3 系统的运行与分析

本系统的整体架构模式（如图1 所示）也是本文的创新点，在正常模式下，本系统并未改变传统施工作业人员的作业程序，故施工作业人员可以较快的接受，使本套系统较易推广使用。

图1 系统架构图

在施工现场，工人会先到安全质量部将个人身份信息录入到数据库，然后给工人分配任务并分发带有个人信息电子标签的安全帽，并要求工人随时佩戴。施工现场采用实名制刷卡入场，工人携带的智能安全帽通过不同部位的分组阅读器，形成工人的三维定位系统（如图2），可根据工人的三维坐标，测得工人的实际位置。当班工人进入工作区域后，定位系统会将工作人员的实际位置信息传送到服务器以供管理者持续监控掌握工人动态，可大幅度缩短在发生意外后的抢险时间。比如，当工人擅自离岗进入危险区域发生高空坠落事故时，监控系统会显现该名工人的Z 坐标波动较大，急剧减小，智能管理系统会立即给管理人员发出有声警告，管理人员可以迅速通知最近的医院并按照应急预案进入现场有序的指挥救援，这样可大大缩短救援时间，最大化的减少损失，有效避免二次事故。

图2 基于RFID 技术的工人定位系统

RFID 标签可安装在场内机械装置如塔吊上，以获得机械的位置，系统会自动识别出该机械的作业半径，计算出相应的危险区域，避免塔吊发生碰撞。当工人进入危险识别范围以内时，系统会通过移动终端给工人发出警报，提醒工人注意安全，起到事故预警作用，有效减少物体打击、车辆伤害等事故发生的概率。同时，还可将带有感温原件的RFID 标签放置于混凝土，利用阅读器获得混凝土的温度，记录混凝土的进场时间，从而掌握混凝土的凝固强度和养护的时机，确保工程的质量。

3 结语

本文根据施工项目的实际情况，设计并应用了一种基于RFID 物联网识别的人员定位系统，可以实现工人的快速精准定位。项目施工管理人员可以利用新型RFID 智能物联网项目管理系统获取现场信息，进而通过实施预先设定好的一系列预警策略，实现对施工项目的智能化安全管理，进而降低潜在事故发生率。