基于iBeacon 的安全教育智慧语音系统的研究及应用

李 欣，李金生，肖 菲，蹇安安

（中建三局智能技术有限公司，湖北武汉 430000）

新冠疫情的爆发，给国人造成的影响是深刻而长远的。如何利用信息化手段，打好疫情防控的主动仗，适应疫情长期存在的新形势，提高工人的安全感和信心，是当前需要解决的关键问题。同时，由于建筑业的快速发展及其自身施工的流动性、建筑种类的多样性等特点，建筑施工过程中的安全风险大，安全生产的不确定性更大[1]。传统安全教育主要依靠项目管理人员讲授课及观看安全教育影像资料等方式进行，存在教育方式单一、时间成本高、参与度低、教育效果不佳等问题[2]。加之，施工管理过程中的安全相关资料都为纸质资料，存在易丢失、难以保存及查找等问题。且施工过程中数据随着工程结束而封存，数据价值未得到充分发挥。

建筑工地上的安全教育信息化技术大多依赖网络WiFi[3]。但因工地环境复杂，且随着施工进度不断发生变化，难以保障无线网络环境，尤其是地下室和超高层建筑的部分楼层无法收到运营商信号。如何真正实现建筑业安全培训的信息化，已成为一个亟待解决的问题。

1 系统概述

文中系统采用蓝牙iBeacon、云计算、物联网、大数据等技术，将安全教育工作从聚集性培训转变为自主的无接触式学习，将教育场地搬到施工现场，并在安全员、劳务班长、工人之间建立高效的协作关系，将安全教育工作深入到工地的每个人。该系统作为建筑工地上的移动安全教育助手，实现安全教育“零接触”、“无聚集”、安全管理过程数据电子化、全员参与度高、覆盖面广、教育效果好，并通过安全数据的积累与分析，提高管理决策的效率和质量，实现智能数据驱动安全管理。

文中系统主要由Beacon 设备、智能手机终端（带蓝牙功能）、云服务器组成。其中Beacon 设备通过微定位技术，为智能手机终端提供精准的位置数据信息[4-5]。每个Beacon 设备[6]均代表一个安全教育点，帮助安全员标记施工现场的风险。智能手机终端进行数据（Beacon 设备被触发）的采集和发送，对数据进行实时的更新与处理[7]。云服务器对发送的数据进行统一的存储和管理。系统软件主要由移动端APP和Web端管理云平台组成。系统信息交互如图1所示。系统主要功能模块如图2 所示。

图1 系统信息交互

图2 系统主要功能模块

2 iBeacon技术原理

蓝牙低能耗（Bluetooth Low Energy，BLE）4.0协议不同于传统蓝牙4.0协议[8]。该协议具有快速搜索、快速连接、超低功耗保持连接和传输数据等优点[9]。主要应用于实时性要求较高，但数据速率比低的产品。

iBeacon 是基于地理位置的微定位技术，使用BLE 4.0 协议，其通信数据主要由通用唯一识别码（Universally Unique Identifier，UUID）、Major、Minor、Proximity、Accuracy、Rssi 组成，其含义分别是设备的唯一身份标识（Identity Document，ID）、主要区域标识、次要区域标识、表示距离的属性（无数据、10 cm以内、1 m 以内、1 m 以外）、相对距离、信号强度[10-11]。iBeacon 通信数据格式如图3 所示。

图3 iBeacon通信数据格式

其工作原理及方式：iBeacon以一定的时间间隔向外发布广播数据包，智能终端接收并反馈信号，实现信息交互[12]。每个iBeacon的唯一标识符由UUID、Major、Minor组成[13]。用户可以在未打开APP的情况下（APP被开启过，且蓝牙处于开启状态），收到iBeacon 设备广播信息，并短暂激活该APP执行一些方法。APP可根据iBeacon 设备的信号强度[14]，确定用户当前的状态（进入、持续监听、离开），进而作出不同响应。

iBeacon 相较与传统蓝牙技术的区别：1）无需配对，每次交互前不需要配对连接操作；2）定位精准，传统蓝牙传输距离为0.1～10 m，而iBeacon 可支持0.01～50 m[15]；3）极低的运行和待机功耗[16]，依靠一颗微型纽扣电池即可持续发送信号两年左右。

系统中UUID 设定为用户企业唯一识别码，Major 设定为项目编号，Minor 设定为项目内iBeacon编号[17]。

3 系统设计及实现

3.1 移动端APP

安全员在施工现场巡查时，在施工区域识别危险源，当发现未解决的安全风险隐患或涉及安全操作规程的作业，如未防护的较大洞口、附着式顶升平台、钢筋加工棚等区域时，部署一个或多个安全风险教育点。安全员使用移动端APP，通过云端服务器将每个安全教育点与一个低功耗蓝牙Beacon 设备绑定，并生成教育点内容。该教育点内容可在任意地方编辑修改。云端服务器记录该蓝牙Beacon 设备所对应的安全教育点内容。

由于iBeacon 在信息交互时不需要进行配对连接，当工人走到安全教育点附近时，移动终端出现在蓝牙Beacon 的覆盖范围内，即可自动播报对应低功耗蓝牙Beacon 设备所对应的内容。

劳务班长在进行班前喊话或施工现场安全教育时，利用移动端APP 的拍照记录功能对参加学习的工人进行拍照，并添加文字描述。该功能仅支持实际拍摄，不支持调用手机内存储的照片，系统自动读取拍摄时间，有效防止事先拍照作弊，提高了安全教育数据的真实性。系统应用场景如图4 所示。

图4 系统应用场景

针对施工现场网络环境差的问题，工人在进行安全教育学习后，学习记录缓存于本地，待到有网络的环境下，对多次学习记录签署电子签名后提交，并可查看历史学习记录。使用电子签名的方式实名打卡，生成具有法律效力的安全教育记录，学习记录真实，不可作假或篡改。

工人每完成一次学习，相应的学习记录即根据预设的评分策略生成对应的学习积分，该学习积分可作为考评依据。施工管理者根据工人的学习积分，结合奖励机制，对工人进行奖励或惩罚，为正向激励提供数据支撑。

工人定期在移动端进行安全知识答题，检验安全知识学习效果，帮助安全员获得安全教育学习的反馈数据。

移动APP 操作界面如图5 所示。

图5 移动端APP操作界面

3.2 Web端管理云平台

Web 端管理云平台具有项目、人员、教育点及日志的管理功能，将信息数据电子化，安全学习流程化，辅助劳务实名制管理。数据统一存储于云端，便于远程监控和管理。通过Docker 容器技术部署在云端服务器，具有部署方式简便、可移植性高、可动态扩容和缩容等优点。

借助移动端生成的数据，安全员可在Web端管理云平台上查看并导出具有工人电子签名的各类安全培训表格，如月度安全教育记录表、入场教育记录表、安全教育交底记录表等。通过电子表格取代现有的纸质表格方式，提高安全员工作效率，优化工作流程，真正实现无纸化办公。Web端管理后台登录界面如图6所示。

图6 Web端管理后台登录界面

3.3 可视化数据分析平台

每个建筑工地的安全教育点均为数据的制造者，教育点被安全员和施工人员的学习所触发，并将数据发送到云端。云端服务器对这些海量数据运用分布式存储技术，存放在各个存储节点。云端服务采用Hadoop、Spark 等先进的分布式计算架构，对数据进行分析处理。

该系统结合数据产生的轨迹，生成数据分析图表，展示在公司管理层面前。以实际数据为支撑，更好的帮助公司制定安全风险管理策略。运用大数据技术，以实际数据为基础，分析不同项目的不同阶段发生安全风险的概率，生成趋势预测，实现智能数据驱动安全管理。同时，可自动对上报的异常健康数据进行预警提醒，帮助管理层及时获知基层工人的健康状况。公司级数据分析平台界面如图7 所示。

图7 公司级数据分析平台界面

4 应用价值及效果

4.1 创新点及应用价值

目前，基层疫情防控工作进入常态化，如何利用信息化技术，科学处理好常态化疫情防控与企业发展的关系，适应疫情长期存在的新形势，打好疫情防控的主动仗，是现阶段企业需要思考和解决的关键问题。该系统借助蓝牙iBeacon，实现“零接触”出入登记、“无聚集”安全培训，适用于疫情常态化防控管理的多个应用场景，为企业安全管理保驾护航。

系统具有以下创新点和应用价值：

1）“零接触”出入登记。人员出入登记使用该系统打卡，避免出现公用纸笔交叉接触、信息误报瞒报、人员排队聚集、登记人员近距离接触、手写信息难以辨认等问题。

2）“无聚集”安全培训。安全教育培训在施工现场分散开展，减少人员集中聚集，更是让安全教育走出会议室，化整为零，在工地现场实时进行，提高了安全教育的针对性。

3）非接触式信息定位。基于iBeacon 的定位技术，能够精确定位建筑工地上的安全风险隐患及涉及安全操作规程的作业区域，帮助安全员在施工现场识别危险源、标记风险，提高工作效率，避免了安全隐患的遗漏。

4）法律效力。使用电子签名的方式实名打卡，生成具有法律效力的安全教育记录，辅以现场照片、标签定位、服务器时间戳等方式，让学习记录真实，管理不可作假或篡改（符合《中华人民共和国电子签名法》规定）。

5）“无网络”学习模式。通过云计算技术，实现安全教育的现场化、云端化、动态化，使信息传输不受网络环境和空间的限制，实现离线式的安全教育语音播放，为一线安全管理人员和工友们提供了智慧安全教育新模式。

6）数据分析及趋势预测。在云端沉淀历史风险数据，为风险分析、智能预测奠定基础，进而为企业决策提供数据支撑，制定具有前瞻性的风险管理策略。

7）通用性强，应用行业广。该系统安装部署简单便捷，易于操作，对环境要求不高，且通用性强，可推广应用至冶金矿山、化工煤炭、制造业工厂等领域。

4.2 应用效果

该系统适用于建筑工地疫情常态化管理的多个应用场景，能够有效降低安全教育培训成本，提高培训灵活度、参与度以及教育效果，将培训数据电子化，方便项目管理人员及时掌握工人培训情况。该系统现已在18 个省/直辖市，共62 个项目正式应用，获得了项目施工管理人员及劳务工人的认可。尤其在火神山、雷神山应急医院快速建造期间，对工人的离线式安全教育应用成功，为实现“零感染”的目标作出了贡献。项目应用效果如图8 所示。

图8 项目应用效果

5 结论

基于iBeacon 的安全教育智慧语音系统，借助低功耗蓝牙Beacon 设备的微定位技术，将建造过程的培训工作从聚集性培训转变为自主的无接触式学习，将安全教育搬到施工现场，为工人提供更直观、有针对性、多频次的全新安全教育模式。通过该系统的开发及创新应用，不仅助力建筑工地基层常态化疫情防控管理，提高了安全管理效率和信息化水平，减少施工安全风险，有效避免了经济损失，还提升了企业安全文化建设标准及建筑工地安全风险的管控力度。帮助安全员从“安全生产管理人员”转变为“安全生产监督人员”。并通过数据的积累与分析，提高管理决策的效率和质量，帮助管理者优化管理策略。该系统在火神山、雷神山应急医院快速建造期间，对工人的“无接触式”离线安全教育得到成功的应用，为实现“零感染”的目标做出了贡献。同时，由于其安装部署便捷、，易于操作、通用性强，可推广应用至冶金矿山、桥梁隧道、制造业工厂等、领域。