基于智能可穿戴设备的建筑施工人员安全管理系统

苑丁杰 陈俊杰 曾善聪 宋维浩 邬嘉麒

摘要：通过对物联网技术及智能可穿戴设备的介绍，将物联网技术及智能可穿戴设备运用到建筑施工人员安全管理中，建立一套基于智能手环的施工人员安全管理系统。利用智能手环实时监测施工人员身体体征数据，并具备定位、安全防护装备监测、紧急通信等功能，有效改善建筑施工人员安全管理弊端，提高施工人员安全管理效率。

Abstract： Through the introduction of Internet of things technology and intelligent wearable devices， the Internet of things technology and intelligent wearable devices are applied to the safety management of construction personnel， and a safety management system for construction personnel based on intelligent bracelet is established. The smart bracelet is used to monitor the physical signs of construction personnel in real time， and has functions such as positioning， monitoring of safety protective equipment and emergency communication， so as to effectively improve the safety management of construction personnel and improve the safety management efficiency of construction personnel.

关键词：物联网;建筑施工;安全管理;智能穿戴设备

Key words： Internet of Things;building construction;safety management;smart wearable devices

中圖分类号：TU714                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）10-0071-03

0  引言

目前建筑业安全问题形式严峻。据统计，建筑工人现场受伤概率比其他行业工人高1倍，死亡概率比其他行业工人高2倍[1]。因此，项目管理在关注常规的质量、工期、进度、投资等目标的同时，更要实时关注建筑施工人员的安全状态。在传统现场安全管理中，对现场作业人员的安全管理往往容易被忽略，施工人员自身状况不仅影响到施工人员安全管理，而且也会影响整个工程项目的质量、进度等目标的实现。因此，为了整个工程项目顺利实现，有必要对施工人员自身状况进行有效监测，进而有效提高建筑安全管理，减少因施工人员发生安全事故的概率和风险。同时，物联网技术作为现在国内外新兴技术，为施工人员安全管理提供了技术基础。智能穿戴设备发展潜力大，将智能穿戴设备与建筑施工人员安全管理方面结合是必然趋势和新的创新点。借助物联网，智能穿戴设备可以实时监测施工操作者的血压、心率、体温等生命体征及工作状态，保证施工人员良好的状态，同时兼顾识别施工现场位置和周围环境，保证施工人员安全的外部环境，避免因施工人员身体状况而引起的安全事件，进而显著降低现场人员生命安全事故的发生率。

1  基础概念与技术

1.1 物联网

随着科技和经济的进步，物联网逐渐被应用到各个领域。从比尔·盖茨到Kevin Ashton 教授最后到美国的“智慧地球”的理论模型，物联网的概念得到发展壮大，其主要应用于运输、健康、能源、物流等方面，形成“互联网+物联网=智慧地球”，标志着全球新通信时代的到来[2]。物联网的应用得益于两种技术：第一个是RFID技术，使用电子产品编码为每一个产品提供独一编码，第二个是传感技术，由若干个传感器节点构成的网络，具有计算能力、无线通信能力。随着研究的深入，如今的物联网是通过无线射频识别（RFID）、红外感应器、激光扫描器等信息传感设备，将任何物品与互联网按照约定协议联系起来，形成人与物，物与物之间的通信及信息交换，实现特定功能一种网络技术[3]。

物联网的结构框架可以分为四个部分，分别是感知层、传输层、处理层和应用层[4]。

感知层是物联网技术的基础，主要功能是实现对物体的感知、识别、监测或收集数据，具备体积小、成本低、安装方便等特点，由分部在各种建筑施工现场、隧道、煤矿、电网等部位的传感器组成，常见的传感器有射频识别标签（RFID）及RFID阅读器、摄像头、二位条形码等。

传输层也是网络层，主要进行感知层和处理层的信息传递，由各种无线与有线、固定与移动网关组成的互联网与通信网络的组合体，比如常用的互联网、无线网络、4G、5G等。

处理层是中间环节，功能有管理中心、计算平台、特定系统等对大量信息的智能处理，实现支持应用层。

应用层是物联网技术应用各个领域的对接层，可以实现与各个行业的融合，比如智能物流、安全监测、远程医疗、灾害监控等。

1.2 可穿戴技术与智能可穿戴设备

可穿戴技术是一种小型的、可以穿在身上的计算机系统，是一种新的人机交互形式，具有可随身携带、易于使用、解放双手、无线数据传输、长时间连续工作等特点[5]。可穿戴设备的发展分为三个阶段[6]：第一阶段20世纪60年代至70年代为萌芽期，可穿戴设备的应用领域较少，技术处于探索开发阶段;第二阶段是20世纪80年代至90年代，可穿戴技术进入了一个拓展时期，开始逐渐应用于多个领域，在此期间出现了储存信息的数字手表、数字助听器、头戴式显示器等，发展时期的可穿戴设备完成了由单个领域到多个领域、单一技术到多种技术的转变;第三阶段是20世纪90年代至21世纪初期，借助互联网和传感技术的进步，智能可穿戴设备在20世纪后期开始迅速发展，在保证基本功能的基础上更多地考虑用户需求，更多地关注健康领域，消费使用类的可穿戴设备也逐渐被普通人接受。此时期代表产品如双向寻呼机，蓝牙耳机，运动类可穿戴设备，医疗健康类可穿戴设备等。

在互联网高度发达的21世纪，智能可穿戴设备是在可穿戴设备和技术的基础上发展而来，利用RFID、传感器、GPS等信息传感设备，接入移动互联网，实现物与人的信息交流。目前，智能穿戴设备是各大科技公司研究的热点，应用领域主要涉及医疗、军事、工业等重要领域。目前国内外被大众熟悉的智能可穿戴设备大致可分为娱乐通讯类、健康医疗类、运动类、安全防护类[6]。

①娱乐通讯类可穿戴设备主要功能集中在娱乐活动和通信交流，代表产品如智能眼镜Google glass、智能手表Apple Watch和儿童电话手表等;

②健康医疗类主要功能是监测用户血压、心率及睡眠状态等，代表产品有华为系列手环、iHealth血压计等;

③运动类可穿戴设备主要监测用户的运动情况和身体状况，比如佳明智能手环、小米运动手环等;

④安全防护类可穿戴设备是针对特殊需要的群体设计的，如儿童、老人、残障人士等，实现基本的定位、跟踪、报警等功能。

随着经济和技术的高速发展，各種可穿戴设备层出不穷，智能可穿戴设备的智能化、自动化、方便快捷等为建筑施工人员安全管理提供了基础。因此，基于智能可穿戴技术和物联网技术，结合建筑安全管理和作业者安全管理特点，采用智能可穿戴设备来监测施工现场作业者的工作状态和身体状态，建立以智能手环等为基础的监测及预警框架，改善传统施工操作者安全管理系统，有效减少人的不安全状态及其引发的建筑施工安全事故，同时及时的预警系统为提高人员安全管理争取更多地事前预防时间和机会。

2  构建系统

2.1 系统功能说明

传统建筑施工安全管理存在局限性、复杂性和动态性[7]，针对这些缺点，本文结合操作者现场作业特点构建基于智能手环的建筑施工作业者安全管理系统。系统本身集聚云交互、数据交互及软件支持等多功能，同时兼具多种辅助功能，因此系统设计需要实现智能化和标准化[8]。智能化是智能穿戴设备的优势，引入智能穿戴设备与建筑施工人员安全管理相融合，可以实时收集数据并与数据库对比，超出设定阈值及时预警或提醒，极大改善施工人员安全管理的复杂性和动态性，确保施工人员在身体状况良好的情况下工作，避免安全管理中人的不安全因素;标准化是智能穿戴设备的一个优化方向，智能设备拥有施工人员工作状态下各种数据，如血压、心率、体温、骨骼活动次数及骨骼弯曲程度等，借助物联网强大的云储存和高速计算能力，智能穿戴设备可以把以上海量数据进行储存和计算，不仅可以及时进行超过设定阈值提醒施工人员，还可以通过收集施工人员在每一个施工工序的作业时间、劳动强度、劳动效率和施工质量等情况，探究劳动质量与施工工序的关系，进而建立本企业或本地区的施工作业标准，以便后续管理使用。系统流程如图1所示[9]。

2.2 系统框架

智能手环作为施工现场的信息采集和传输工具，其功能包括定位功能、施工人员身体状况监测、危险环境监测及预警、佩戴安全防护用具情况监测、紧急通信功能。其内部系统构造分别为信息采集、信息传输、信息处理、信息存储，如图2所示[8]。

其中信息采集是通过智能手环中嵌入的各种传感器自动对建筑施工操作者的体温、心率、血压、手腕弯曲角度等进行动态监测;信息传输包括智能手环与其他智能穿戴设备之间的信息传输和将智能手环采集的信息传输到管理平台的数据库，信息传输依靠施工现场无线局域网或者4G、5G通信方式实现，智能穿戴设备之间信息传输依靠蓝牙实现;信息储存依靠强大的云端储存实现;信息处理是将系统中采集的数据与设定值对比分析，针对超出的情况快速向施工人员和管理人员发出提示预警，使相关人员得到及时帮助。

3  系统的具体应用

智能手环是在电子表的基础上进行改进，内部包括温度、脉搏等传感器、蓝牙、麦克风、扬声器、报警按钮、无线局域网模块、相关App软件、全球定位系统、全球移动通讯系统等。其具体应用如下：

3.1 定位功能

智能手环内部配有高精度全球定位系统。针对施工现场参与人员众多，施工材料机械等隐含潜在危险，利用智能手环定位系统可以实时掌握现场施工人员的位置分布，同时结合其他智能穿戴设备和现场其他物联网技术，可以实现施工现场人员定位和施工机械、大型建筑材料等物品位置定位，不仅可以实时管理施工人员位置和安全，而且为有可能的危险情况预警做好基础的第一步。

3.2 施工人员身体状况监测

建筑业是劳动密集型产业，同时建筑施工人员安全管理及其重要，所以通过智能手环实现施工人员身体状况监测很有必要。通过智能手环内部的各种传感器和特定软件的算法，不仅可以监测施工人员作业时的心率、血压、体温等基础生命特征数据，而且可以通过特定算法实现对施工人员劳动强度、躯体弯曲程度等数据的监测，通过与设定值对比，可以很好的监测施工人员的身体状况符合人体工程学，在可接受范围之内，从而有效避免施工人员因长时间弯腰、摆臂等动作造成职业病[10]。

3.3 危险环境监测及预警

建筑施工场地安全管理一般分为人的因素管理和物的管理，所以，除了通过智能手滑监测施工人员位置，还需要通过系统完成对建筑现场其他物品的位置监控。比如一些没有围栏的临边洞口、正在运行的塔吊等，当一些非施工人员误入这些危险区域时，系统应利用摄像机等监测并向管理人员预警，做到及时发现;当施工人员涉入危险区域范围时，系统可以通过智能手环及时通知或提醒，做好施工人员自身防范或引起足够重视，把施工人员安全管理变为事前主动控制行为，真在做到预防为主。

3.4 佩戴安全防护用具情况监测

针对建筑作业存在高空作业的情况，系统有必要针对施工人员的安全防护装备进行监测管理。智能手环内部安装的蓝牙装置可以与安全防护装备内部的蓝牙发射装置进行信息交流，并实时上传数据到系统管理平台，通过信息处理，对于没有佩戴安全防护装备的施工人员进行提醒，并实时在系统管理平台进行记录，以便进行安全总结。

3.5 紧急通信功能

针对建筑业有可能发生基坑坍塌、脚手架倒塌等危险情况存在，智能手环也要具备紧急通信功能。当出现以上危险情况，施工人员可以通过智能手环发送远程求救信号或报警模式。此外，针对突然出现的高温、海拔急剧降低、电击等紧急危险事故时，智能手环可以远程联系控制中心及时定位和报警，使现场管理人员第一时间获得消息，及时救援。

4  结语

综上所述，基于建筑施工作业者安全管理的特点，本文设计了基于智能穿戴设备的作业人员安全管理系统，系统包括信息的采集、处理、存储和处理，具备五大功能。通过论述证明五大功能可以有效提高现场作业人员安全管理效率，改善作业人员安全管理现状。但是针对智能穿戴设备的改进也刻不容缓。目前，我国智能穿戴设备相关产业链、商业模式还没有具体成型，造成智能穿戴设备成本高、用户体验差、功能不完善等问题[9]。随着科技的进步，这些问题会得到改善，同时，建筑施工人员安全管理也会变得更智能、高效。

参考文献：

[1]于言滔. 施工现场工人安全状态监测方法研究[D].清华大学，2017.

[2]齐乐乐.物联网技术在建筑施工人员安全管理中的应用研究[D].西安建筑科技大学，2017.

[3]王舒琪，倪燕翎.基于BIM技术与物联网的建筑施工安全监控系统研究[J].智能建筑与智慧城市，2020（01）：58-61.

[4]宁欣.物联网技术在建筑工程安全管理中的应用[J].建筑经济，2014，35（12）：30-33.

[5]郭雨松，于振，赵炜妹.基于可穿戴技术的电力作业安全监护平臺研究[J].电力信息与通信技术，2015，13（01）：72-77.

[6]刘馨.基于HTD模型的智能可穿戴设备设计开发方法的研究与实践[D].浙江大学，2019.

[7]王世雄.基于物联网的建筑施工安全管理体系构建及评价[D].重庆科技学院，2017.

[8]郝稚宇.智能穿戴在基础设施安全防护中的应用[J].信息通信，2018（01）：207-209.

[9]齐乐乐.可穿戴技术在建筑施工人员安全管理中的应用[J].价值工程，2017，36（07）：39-41.

[10]Xuzhong Yan，Heng Li，Angus R. Li，Hong Zhang. Wearable IMU-based real-time motion warning system for construction workers' musculoskeletal disorders prevention[J]. Automation in Construction，2017，74.