施工安全知識(shí)本體在施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

胡亞飛 蘇振民

摘 要： 為了使施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理知識(shí)統(tǒng)一化表達(dá)和提高施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控效率，采用本體工程以基坑工程為主構(gòu)建施工現(xiàn)場(chǎng)安全知識(shí)本體模型，并通過(guò)該本體與施工現(xiàn)場(chǎng)信息采集技術(shù)RFID，WSN的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息交互。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由BIM模塊、信息采集模塊、信息處理模塊和安全監(jiān)控模塊組成，并分析了施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控流程，從而提高施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控信息化、自動(dòng)化的效率，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理的知識(shí)統(tǒng)一表達(dá)和施工現(xiàn)場(chǎng)安全狀態(tài)的高效實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)控有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 施工現(xiàn)場(chǎng); 本體工程; RFID; WSN; BIM; 安全監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)： TN99?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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

安全管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)控，在目前的施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控中，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，其在施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控中的應(yīng)用研究程度也在不斷加深。文獻(xiàn)[1]集成BIM和無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID），實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)人的不安全行為的高效監(jiān)控。文獻(xiàn)[2]集成PT定位技術(shù)和BIM，針對(duì)工人的不安全行為構(gòu)建預(yù)警機(jī)制。以上主要集中于監(jiān)控人的不安全行為對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)安全事故的影響。文獻(xiàn)[3]通過(guò)WSN（Wireless Sensor Networks）結(jié)合ZigBee技術(shù)用于塔吊安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，主要針對(duì)不安全狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，且沒(méi)有考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化情況。文獻(xiàn)[4]從信息協(xié)同角度構(gòu)建建筑施工項(xiàng)目安全監(jiān)控信息協(xié)同系統(tǒng)，其中的監(jiān)控信息包含可能導(dǎo)致安全事故的不安全狀態(tài)和不安全行為，但是并沒(méi)有考慮工程項(xiàng)目管理需求信息之間的實(shí)際交互情況。

目前根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的安全情景監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)的安全狀態(tài)，缺乏統(tǒng)一的施工安全規(guī)范知識(shí)表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[5]采用領(lǐng)域本體支持建筑施工項(xiàng)目中的知識(shí)管理，以便于各參與方改善建筑工程項(xiàng)目各階段全方位的管理水平。文獻(xiàn)[6]基于本體工程對(duì)施工安全知識(shí)信息進(jìn)行語(yǔ)義建模，并結(jié)合BIM用于在安全計(jì)劃階段自動(dòng)形成施工現(xiàn)場(chǎng)安全保護(hù)措施。本文通過(guò)研究我國(guó)施工安全相關(guān)規(guī)范，結(jié)合施工安全知識(shí)中的顯性知識(shí)和隱性知識(shí)，構(gòu)建相應(yīng)的施工安全知識(shí)本體，為施工現(xiàn)場(chǎng)的不安全行為和不安全狀態(tài)實(shí)時(shí)統(tǒng)一監(jiān)控提供依據(jù)，優(yōu)化建筑項(xiàng)目的施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理。

文獻(xiàn)[7]提出基于本體的信息交互方式，為建筑行業(yè)的信息共享提出了新的思路。因此，本文通過(guò)構(gòu)建安全知識(shí)本體，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理知識(shí)統(tǒng)一化表達(dá)，并基于該本體實(shí)現(xiàn)BIM，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的信息交互保證施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)高效率的信息化和自動(dòng)化的安全監(jiān)控。

1 施工安全知識(shí)本體構(gòu)建

在構(gòu)建施工安全知識(shí)本體時(shí)，需要考慮到人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)，以及環(huán)境等各方面的因素，將包含安全知識(shí)的顯性知識(shí)和隱性知識(shí)同時(shí)表達(dá)出來(lái)，滿(mǎn)足施工安全監(jiān)控過(guò)程所需要的全方位信息需求。因此，構(gòu)建的施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控本體中包含可以進(jìn)行交互的信息：通過(guò)RFID標(biāo)簽收集施工現(xiàn)場(chǎng)人員行動(dòng)的位置信息、施工材料堆放地點(diǎn)以及施工機(jī)械的位置信息;通過(guò)WSN傳感器節(jié)點(diǎn)收集不安全狀態(tài)信息;施工安全技術(shù)要求以及安全規(guī)范信息。也就是說(shuō)，本體工程中包含所有與BIM數(shù)據(jù)庫(kù)、RFID數(shù)據(jù)庫(kù)、WSN數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)的信息，這樣就可以通過(guò)本體工程實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)、RFID數(shù)據(jù)庫(kù)、WSN數(shù)據(jù)庫(kù)之間進(jìn)行信息交互，并且本體工程內(nèi)部通過(guò)推理規(guī)則語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)安全狀態(tài)之間的條件約束，防止由于人為因素導(dǎo)致安全狀態(tài)判斷不準(zhǔn)確而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，并且通過(guò)本體約束規(guī)則推理得出施工現(xiàn)場(chǎng)安全狀態(tài)，通過(guò)與BIM的信息交互原則進(jìn)行可視化，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控的實(shí)時(shí)可視化、信息化、高效化。

本節(jié)以深基坑工程為主，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控實(shí)際特征，以及深基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，施工安全資料等，根據(jù)基坑工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控包含的內(nèi)容，建立的施工安全知識(shí)本體概念體系如圖1所示。

通過(guò)對(duì)上述本體概念體系中所包含的類(lèi)與類(lèi)之間關(guān)系的描述，建立相應(yīng)的本體模型，本體模型及其可視化如圖2，圖3所示。在各個(gè)類(lèi)和子類(lèi)完整的基礎(chǔ)上，定義其類(lèi)之間的屬性關(guān)系，其中部分對(duì)象性屬性定義如表1所示，通過(guò)屬性定義，使類(lèi)與類(lèi)聯(lián)系起來(lái)，并且關(guān)系明確。上述建模過(guò)程可以通過(guò)Protege軟件對(duì)基坑工程的施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控知識(shí)本體進(jìn)行表示，并生成相應(yīng)的OWL.本體文件。

2 施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 BIM模塊

BIM作為建筑工程項(xiàng)目的革命性工具，集成了建筑構(gòu)件、施工現(xiàn)場(chǎng)、臨時(shí)性結(jié)構(gòu)以及相關(guān)屬性信息，可以為施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)控提供全面的信息支持。為了滿(mǎn)足上述施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控需求，BIM模塊不僅要集成根據(jù)施工進(jìn)度實(shí)時(shí)更新的施工現(xiàn)場(chǎng)3D模型和屬性信息，還需根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在本體工程中反饋的結(jié)果信息由BIM進(jìn)行可視化顯示，管理人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)的安全狀態(tài)。在基坑工程中，BIM模塊包含與基坑工程相關(guān)的地質(zhì)地形條件、周邊建筑物、地下管線以及建筑物地基基礎(chǔ)信息的環(huán)境模型，以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、豎向及水平圍護(hù)構(gòu)件的基坑支護(hù)體系模型，為施工安全監(jiān)控提供了全方位的信息基礎(chǔ)。另外，BIM的協(xié)同技術(shù)、可視化技術(shù)為施工現(xiàn)場(chǎng)安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)更新和反饋奠定了基礎(chǔ)。

2.2 信息采集模塊

信息采集模塊是整個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的初始模塊，主要針對(duì)施工過(guò)程中引發(fā)施工安全事故的不安全行為和不安全狀態(tài)，通過(guò)信息技術(shù)實(shí)時(shí)收集信息，用于判斷是否處于安全狀態(tài)。由于施工現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)環(huán)境復(fù)雜，人工檢查等方式無(wú)法實(shí)時(shí)反饋施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)對(duì)象的安全狀態(tài)信息，在本文主要采用RFID技術(shù)和WSN技術(shù)。利用RFID技術(shù)識(shí)別和定位施工現(xiàn)場(chǎng)人員、材料、機(jī)械，WSN借助于節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的、形式多樣的感知模塊，用于收集施工現(xiàn)場(chǎng)中構(gòu)件、環(huán)境等不安全狀態(tài)的全部信息，如壓力、位移、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分等信息。RFID技術(shù)具有雙向通信、性能可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其自身仍存在抗干擾性差、有效傳輸距離一般小于10 m，采集的數(shù)據(jù)必須有網(wǎng)絡(luò)作為傳播媒介等缺點(diǎn)，而WSN技術(shù)恰好彌補(bǔ)了這些不足之處，在很大程度上增加了RFID技術(shù)的覆蓋范圍，其次，將這兩種技術(shù)進(jìn)行融合，也能使得無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)更精確地識(shí)別目標(biāo)物體[8]。信息采集的關(guān)鍵在于如何在施工現(xiàn)場(chǎng)布置RFID標(biāo)簽、閱讀器等相關(guān)設(shè)備，以及WSN節(jié)點(diǎn)，通過(guò)標(biāo)簽和節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)定位跟蹤，從而獲取監(jiān)控項(xiàng)目的狀態(tài)信息。根據(jù)施工前進(jìn)行的安全作業(yè)分析，確定危險(xiǎn)源和對(duì)應(yīng)的安全監(jiān)控項(xiàng)目，從而布置相應(yīng)的RFID標(biāo)簽和WSN節(jié)點(diǎn)。

2.3 信息處理模塊

隨著信息技術(shù)在施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理的應(yīng)用，各數(shù)據(jù)庫(kù)之間的信息集成和共享阻礙了建筑項(xiàng)目安全管理的信息化發(fā)展進(jìn)程。為了促進(jìn)不同數(shù)據(jù)庫(kù)之間的信息交互，有關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了探究，文獻(xiàn)[9]將建筑元素和地理信息系統(tǒng)用本體表達(dá)，實(shí)現(xiàn)建筑信息共享。文獻(xiàn)[10]采用本體技術(shù)構(gòu)建建筑供應(yīng)鏈信息共享模型和共享過(guò)程模型，實(shí)現(xiàn)建筑供應(yīng)鏈信息共享。

在本文構(gòu)建的施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)中，由RFID，WSN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集的信息分別儲(chǔ)存在相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，而對(duì)于這些數(shù)據(jù)庫(kù)而言，根據(jù)不同使用目的，為了提供一個(gè)有效的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，學(xué)者不斷地探索研究數(shù)據(jù)庫(kù)模型的構(gòu)建，常用的就是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。而B(niǎo)IM的格式標(biāo)準(zhǔn)一般采用IFC，這些異構(gòu)數(shù)據(jù)到本體工程的映射也在不斷研究創(chuàng)新中。文獻(xiàn)[11]給出具體的映射規(guī)則，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系模式文件，結(jié)合已經(jīng)發(fā)掘的語(yǔ)義信息，將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)映射到OWL本體。文獻(xiàn)[7]通過(guò)將IFC中實(shí)體轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的 OWL語(yǔ)言描述的類(lèi)，并將 IFC 中記錄的實(shí)體間的關(guān)系映射為 OWL語(yǔ)言描述的基本關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)BIM和本體之間的信息交互。在施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)中信息處理的過(guò)程如圖5所示。

2.4 安全監(jiān)控模塊

施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)控信息是處于不斷變化和更新的過(guò)程中，而安全隱患往往就出現(xiàn)在這些變化的影子中，通過(guò)現(xiàn)代信息采集技術(shù)采集施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控信息，在不改變施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控信息的儲(chǔ)存狀態(tài)下與本體工程進(jìn)行信息交互，結(jié)合本體工程中的推理規(guī)則，經(jīng)過(guò)推理機(jī)從已交互信息判斷施工現(xiàn)場(chǎng)的安全狀態(tài)，通過(guò)安全知識(shí)本體與BIM信息交互將安全狀態(tài)在BIM模型中顯示，并定位這一節(jié)點(diǎn)的具體位置，并以不同顏色進(jìn)行表示，該系統(tǒng)的施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控流程圖如圖6所示。

3 結(jié) 論

本文使用本體工程構(gòu)建施工現(xiàn)場(chǎng)安全知識(shí)本體模型，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理的知識(shí)統(tǒng)一表達(dá)，并通過(guò)該本體工程與施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息、BIM模型的信息交互，通過(guò)推理規(guī)則結(jié)合本體中交互的信息運(yùn)行推理機(jī)，根據(jù)文字化推理結(jié)果及反饋到BIM中的可視化推理結(jié)果，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)控高效化、信息化、自動(dòng)化。系統(tǒng)中通過(guò)建立和不斷更新安全知識(shí)庫(kù)對(duì)提高建筑行業(yè)的信息化水平和安全管理水平有一定的借鑒意義。但是本文對(duì)于信息交互的映射規(guī)則、安全約束的推理規(guī)則、推理機(jī)的具體應(yīng)用等偏于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的方面，以及施工現(xiàn)場(chǎng)安全知識(shí)本體所包含的全部工程內(nèi)容的建立，有待進(jìn)一步深入研究。

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