基于传感技术的建筑施工安全检测系统设计

张俊江

摘  要： 针对基于BIM技术的建筑施工安全检测系统和基于图像识别的建筑施工安全检查系统吞吐量小，CPU运行频率慢的问题，设计一个新的基于传感技术的建筑施工安全检测系统。该系统参照B/S结构模式，将整体框架分为数据访问层、业务逻辑层以及结果表示层三层结构。在结构的指导下，完成传感采集模块、数据处理与分析模块、结果显示模块、无线通信模块等硬件设计，并针对硬件组成，实现系统主程序软件设计。系统性能测试结果表明：与基于BIM技术的建筑施工安全检测系统以及基于图像识别的建筑施工安全检查系统相比，所提系统应用下，吞吐量增加，CPU频率提高，解决了以上两个系统存在的问题。

关键词： 建筑施工; 安全检测; 传感技术; 系统设计; 性能测试; 实验验证

中图分类号： TN244?34                          文献标识码： A                         文章编号： 1004?373X（2019）20?0152?04

Design of building construction safety detection system based on sensing technology

ZHANG Junjiang

（Tianjin Sino?German University of Applied Sciences， Tianjin 300350， China）

Abstract： In allusion to the problem of low throughput and slow CPU operation frequency of building construction safety detection system based on BIM technology and building construction safety inspection system based on image recognition， a new building construction safety detection system based on sensing technology is designed. Referring to B/S structure mode， the whole framework of the system is divided into three layers： data access layer， business logic layer and result presentation layer. The hardware design of sensor acquisition module， data processing and analysis module， result display module， and wireless communication module are completed according to its structure， and the main program software design of the system is realized according to the hardware composition. The system performance test results for system verification show that， in comparison with both the construction safety detection system based on BIM technology and the construction safety inspection system based on image recognition， this system can increase throughput and improve CPU frequency， and solve the problems existing in the above two systems.

Keywords： building construction; safety detection; sensing technology; system design; performance test; experimental verification

0  引  言

建筑施工安全问题给国家财产和人民生命安全带来了极大损失和威胁[1]，如何保证建筑施工安全具有重要的现实意义。当前保证建筑施安全多是通过检测系统来完成，如基于BIM技术的建筑施工安全检测系统，基于图像识别的建筑施工安全检查系统等，但是这些系统单位时间内能处理的请求数量（吞吐量）不足，导致系统CPU频率运行过慢，无法达到安全检测的及时性，因此也就无法帮助施工人员规避风险[2?3]。

针对上述情况，本文基于传感技术设计一种新的建筑施工安全检测系统。该系统设计采用B/S三层结构设计，利用布置在施工现场的传感器采集建筑施工相关信息，然后将其传输到计算机当中，最后利用计算机当中的处理模块对数据进行分析，判断是否存在施工安全风险[4]。为测试系统有效性，进行系统吞吐量和CPU频率测试，结果表明：与基于BIM技术的建筑施工安全检测系统以和基于图像识别的建筑施工安全检查系统相比，本系统吞吐量增大，CPU运行频率加快，因此更能预防和规避建筑施工安全风险，同时也保证了建筑施工的质量，为责任划分提供了参考依据。

1  基于传感技术的建筑施工安全检测系统

1.1  系统整体框架

传感技术是指高精度、高效率、高可靠性的采集各种形式信息的技术，如各种遥感技术（卫星遥感技术、红外遥感技术等）和智能传感技术等。因此本次研究的建筑施工安全检测系统就以传感器技术作为前端信息采集的基础，以此来分析施工的安全程度[5?6]。图1为基于传感技术的建筑施工安全检测系统整体框架组成。

图1  基于传感技术的建筑施工安全检测系统整体框架

从图1中可以看出，基于传感技术的建筑施工安全检测系统采用B/S结构模式，将系统整体框架分为三层结构：数据访问层、业务逻辑层和结果表示层。

数据访问层：由各种传感设备组成，用于建筑施工数据采集;

业务逻辑层：由各种数据分析和运算芯片组成，用于施工安全风险评判，并根据判断结果进行预警。

结果表示层：由显示器和触控模板组成，用于將结果提交给客户端，供用户预览。

1.2  系统硬件设计

根据上述系统整体框架描述，将其分为以下几大模块进行设计：传感采集模块、数据处理与分析模块、结果显示模块和无线通信模块[7]。

1） 传感采集模块

传感采集模块是整个系统的前端模块，起到感应现场信息的作用，是硬件平台中唯一与外部信息接触的模块。建筑施工事故有很多，一共分四大类：生产事故、质量事故、技术事故以及环境事故，而这些事故的发生多因现场施工作业达不到要求、施工设备故障以及周边环境等因素引起，所以需要在现场布置多种传感设备来进行全面的安全风险检测，如检测现场施工安全标准是否达标的多功能传感器、检测施工设备状态的压力传感器、检测周围环境变换的红外遥感器等[8]。然而无论是哪种传感器，均是由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源等部分硬件组成。其中，敏感元件一般是指传感设备的探头，能够直接感受到被测量目标的物理量信号，然后将其送入到转换元件当中，经过转换元件将物理量信号转变为可以被系统识别的原始电信号，之后由于转换过程中受到干扰电磁波的影响，电信号质量下降，所以需要变换电路进行放大调制，改善电信号质量。异常传感设备的工作过程均需要辅助电源来进行供电。

2） 数据处理与分析模块

数据处理与分析模块是施工状态检测的核心模块，所有的操作都将在该模块的处理下完成，所以核心处理器的选择在整个系统硬件设计中十分重要。在这里选择OR1200作为数据处理与分析模块的中心处理器。采用Harvard结构的32位RISC作为基础，具有5级流水线、支持MMU、Cache以及基本的单片机功能。图2为OR1200中心处理器的总体结构。

图2  OR1200中心处理器的总体结构

3） 结果显示模块

在经过数据处理与分析模块后会得到建筑施工安全检测结果，而本模块就是人机交互的窗口，它将结果上传至显示器，而用户通过显示器实现结果查询与浏览。为此，结果显示模块的主要硬件设备有两种：一是显示器;二是触控面板[9]。前者供用户浏览，后者供用户查询。在这里显示器采用美国西门子公司生产的1602a液晶显示器，其可视面积达到15英寸;最大可视角度为80°;分辨率最大为1 024×768;对比值为500∶1;亮度值为200～250 cd/m2;响应时间为5～10 ms。触控面板采用ARMJISHU公司生产的3.8TFTLCD 触控面板，它以MCU为主控器核心，反应灵敏，具有较好的用户体验;且存储容量达到128 GB，可以储存更多数据。

4） 无线通信模块

以上各模块间的数据传输均需要无线通信模块的连接，因此在整个系统当中起到了桥梁的作用。在这里选用TI公司生产的CC2520 ZigBee芯片作为无线通信载体（见图3），具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量以及高安全等优势[10]。

图3  CC2520 ZigBee芯片

1.3  系统软件设计

系统软件是指控制和协调系统硬件设备，支持应用软件开发和运行程序。系统软件的主要功能包括：调度、监控和维护系统;管理系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作。总而言之，系统软件能够使得系统变成一个整体而不需要顾及到底层每个硬件是如何工作的。其中，数据处理与分析模块的程序运行最为重要，它是判别施工是否安全的参考依据，在该程序中主要存在各种算法，如在设备状态判别中用到的相似度计算，原理公式如下：

式中：[SA，B]为序列A和B之间的累计差异，当其大于设定的阈值时，就认为该时间序列为异常序列;[wi]为某指标在特征空间中权重值;[n]为序列规模。

此外，还有模糊评价算法、神经网络异常检测算法等。

2  系统性能测试

2.1  评判指标

本次设计的基于传感技术的建筑施工安全检测系统主要是为解决基于BIM技术的建筑施工安全检测系统以及基于图像识别的建筑施工安全检查系统在吞吐量和CPU频率两个方面上存在的问题而设计，所以本章节的系统性能测试就以吞吐量和CPU频率为评价指标。

1） 吞吐量是指单位时间内系统能处理的数据量，体现系统处理的能力，它通常以QPS（每秒查询数）对吞吐量进行量化，单位为B/s。

2） CPU频率，又称CPU时钟频率，是指CPU运算时的工作频率，单位是Hz。

2.2  检测对象

系统检测对象选择山东省某住宅建筑工程，该工程在2018年3月份开始建造，预计历时两年完工。建筑范围约20 000亩，建筑高度平均25层，建筑质量等级需要达到A级。

2.3  检测结果

系统的性能测试结果如表1所示。

从表1中可知，利用本系统进行建筑施工安全检测，系统吞吐量为157.5 B/s，CPU频率为45.2 Hz;而运行基于BIM技术的建筑施工安全检测系统检测建筑施工安全，系统吞吐量为135.4 B/s，CPU频率为40.3 Hz;基于图像识别的建筑施工安全检查系统的吞吐量为120.9 B/s，CPU频率为41.6 Hz。通过比较可知，本系统的检测性能要远远高于基于BIM技术的建筑施工安全检测系统以及基于图像识别的建筑施工安全检查系统，弥补了这两个系统存在的缺陷，达到了系统设计预期。

3  结  语

针对基于BIM技术的建筑施工安全检测系统以及基于图像识别的建筑施工安全检查系统存在的问题，设计一个新的基于传感技术的建筑施工安全检测系统。经测试，该系统的吞吐量和CPU频率均得到提高，由此证明，本系统的性能更优越，为建筑工程施工安全和质量提供了参考和保证。

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