第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 研究背景
随着我国经济的高速发展，作为国民经济支柱产业，我国建筑业近年来得到快速发展，建造能力持续增强、产业规模不断扩大、年产值不断提高，但在建造施工过程中依然存在着管理粗放、生产方式落后、机械化程度低、安全事故频发等管理问题，《建筑信息化导论》一书指出：“过去 40 年，建筑业的生产效率反而下降了”。根据住房和城乡建设部的数据显示，2017 年我国房屋市政工程生产安全事故高达 692 起，死亡 807人，相比于 2016 年分别上升 9.15%和 9.8%，施工安全事故为人民群众生命财产造成重大伤害和损失[1]。同年国务院办公厅正式发布《关于促进建筑业持续健康发展的意见》（国办发〔2017〕19 号），“推进建筑产业现代化”、“推广智能和装配式建筑”、“加强技术研发应用”，用科技手段促进建筑产业持续健康发展，进一步保障工程质量和生产安全[2]。国家不断加大推进建筑业的信息化转型，加强施工现场管控和建筑工人安全管理，为降低建筑工人的安全风险提供有效的保障。
近年来，建筑工人薪酬纠纷的问题时有发生，建筑企业对建筑工人的实名认证和考勤管理缺失，从而导致讨薪等行业问题频发。2019 年住房和城乡建设部与人力资源社会保障部印发《建筑工人实名制管理办法（试行）的通知》指出“建筑企业应配备实现建筑工人实名制管理所必须的硬件设施设备，封闭式管理的工程项目，应采用人脸、指纹、虹膜等生物识别技术进行电子打卡，不具备封闭式管理条件的工程项目，应采用移动定位、电子围栏等技术实施考勤管理”。从通知的内容可预见，作为智慧工地中最基础的移动智能设备将成为解决建筑工人实名制的重要技术手段，为建筑企业提供实名认证和考勤管理的信息化应用。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
美国等发达国家十分重视信息技术在建筑业中的应用研究，早在 1989 年就成立了跨 土 木 工 程 学 科 和 计 算 机 学 科 的 研 究 中 心 CIFE(Center for Integrated Fa-cility Engineering)，在发达国家信息技术在建筑企业中的应用已经十分普遍，ERP、CRM、CIMS、工程管理信息系统、IC 卡技术、GPS 等技术在企业的管理、项目施工和建材交易等应用相当普遍。从项目一开始就立足于互联网，在设计与策划阶段，利用网络进行业主、咨询设计之间的信息交流与沟通；在招标阶段，业主和咨洵单位利用网络进行招标，施工单位通过网络投标报价；在施工阶段，承包商、建筑师、顾问咨询工程师利用以互联网为平台的项目管理信息系统和专项技术软件在施上过程中实现工程质量和工程进度的实时监控;在竣工验收阶段，各类竣工资料自动生成储存。信息技术的普遍应用，为发达国家的建筑业带来飞速发展。
“智慧工地”虽然在国外建筑业内没有明确的定义，但工程项目建造过程的数字化、信息化投入就比较普遍，而且技术应用相对成熟。早在 1975 年，美国 Chunk Eastman教授提出 BIM 理念，他研究的可实现建筑工程的可视化和量化分析，从而让工程建设效率得到提升，这为智慧工地管理和建设提供了理论基础。21 世纪，计算机技术得到了飞速发展，为理论应用于实际工程项目中提供了技术支撑，2002 年 Autodesk 公司提出了建筑信息模型，从此 BIM 技术被引入到建设工程行业，并逐渐被实际各地所接受和应用。据统计，至 2012 年在美国超过一半的工程项目均已应用 BIM 技术，而 BIM 技术在欧洲的工程项目应用覆盖率也超过 40%，BIM 技术已成为建设工程领域的信息化手段的最广泛应用[7]。在工程项目建造的信息化发展和推广的进程中，也有很多不一样的信息化技术的研究和应用。Peter E.D.LOVE 开发的相关管理质量成本系统，可为建设项目提供质量成本分析技术，为智慧工地的成本控制研究提供参考。
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第二章 理论研究与分析
2.1 智慧工地相关理论研究
2.1.1 智慧工地的概念
智慧工地的发展是循序渐进的一个过程，第一个阶段是数字化建设阶段，在 1997年美国著名建筑师弗兰克.盖里运用计算机建立三维建筑模型，并将数据推送到数控机床加工成构件，这就是数字化建设的基本雏形。2003 年，我国的国家体育场建设使用了BIM 技术，这是我国数字化建设的首个建筑项目。第二个阶段是信息化建设阶段，解决了数字化阶段的问题，实现了建筑工程和建设过程的全面信息化，信息化建设阶段强调建筑全生命周期、相关方的信息工程和信息存储分析，2008 年昆明新机场工程建立了多层次 4D 施工模拟与动态管理、建立了首个 BIM 运维管理系统、建立了综合施工技术知识管理平台，该项目是我国信息化建设阶段的代表[17]。智慧工地是工程建设的高级阶段，将信息技术、工程技术和智能技术深度融合及应用，从建筑全生命周期角度考虑，通过大数据提升项目管理水平和决策效率，以及运用无处不在的实时感知技术，实现信息融合、协同运作的工程建设模式。
智慧工地是支持人和物全面感知、施工技术全面智能、工作互通互联、信息协同共享、决策科学分析、风险智慧预控的新型信息化手段，围绕“人、机、料、法、环”，运用 BIM、物联网、云计算、大数据、移动通信和智能设备等技术，提升工地施工的生产效率、管理效率和决策能力[18]。智慧工地具有 4 个特征：
（1）工地现场生产活动与信息化技术融合。改变传统的表单、流程、统计分析的信息化手段，把信息化技术应用到现场生产活动中，如将人脸识别和智能安全帽等应用于考勤管理中，解决生产活动现场的实际问题。
（2）实时获取数据提高协同能力。利用图像识别、红外检测等物联网技术实时获取生产活动的数据，通过云计算技术实现数据处理与共享，解决传统管理模式导致的信息孤岛和死角问题，实现真正意义上的协同。
（3）大数据分析预测提升管理者的决策效率。施工现场的生产活动通过物联网技术进行数据收集、整理和上报，运用大数据技术进行数据比对分析，为各级管理者提供科学的决策依据。
（4）软硬件集成应用满足多方使用需求。运用物联网技术，将各种传感器安装在建筑、机械、建筑工人穿戴设备、工地出入口等位置，实现生产活动中所有物的联网，实时获取各类物的信息和状态，如运用 GPS 技术可以获取人或物料的位置、运用数字摄影测量技术解决测量效率和测量精度等问题。将相关信息集成到信息化管理平台中，通过软件平台进行数据汇总分析和管理。
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2.2 可穿戴智能设备理论研究
可穿戴智能设备产业虽然得到高度关注，但目前正处于早期阶段，且大部分的产品还未成熟，要受到用户青睐则需要针对市场的实际需求不断升级优化。即便如此，可穿戴智能产品仍然吸引了众人的眼球。随着科技的发展和物质生活的提高，人们已对人机交互、可穿戴的概念并不陌生，人们对移动化、智能化产品需求随着技术的进步不断提高。至今已有很多可穿戴智能产品从概念走向了现实生活中，可穿戴智能设备的商业化也逐渐形成规模。
2.2.1 可穿戴智能设备基本概念
可穿戴智能设备是指将各种识别、传感、云服务、连接等技术，植入至手环、帽子、手表等穿戴中，从而把人们穿戴的配饰、产品等进行智能化升级，通过智能穿戴设备实现人与物随时随地的交流信息，增强用户与环境的交互，拓展用户的感知。可穿戴智能设备结合了物联网技术、穿戴技术、计算机技术和嵌入式硬件技术，并通过软件数据平台进行信息的交流与处理。目前，市场上的可穿戴智能设备多应用于娱乐、医疗、运动、工业与军事五大领域，其中军事、医疗和运动领域使用较为领先，但随着人们对生活质量需求的提升，娱乐方面的应用也得到不断提高。
可穿戴智能设备按照不同的方式可以进行不一样的分类，一般从设备的应用领域和形态进行分类，具体分类如下；
（1）按设备应用领域分类
可穿戴智能设备根据其面向的客户划定产品的领域分类，以目前市场普遍使用的设备进行划分，一般分为生活娱乐类、医疗应用类、运动类、军事反恐类、工业类，例如运动健身手环、心率血氧监测器、可穿戴式医疗报警装置、智能眼镜、VR 头盔等。每个领域的可穿戴智能设备都有不一样的功能应用，结合信息化平台的数据分析与交互应用，可穿戴智能设备为人们的带来的自动化和信息化的便利，提升了各领域的信息化应用水平。
（2）按设备形态分类
按照可穿戴智能设备的形态，人体的智能穿戴设备分为头戴式、手戴式、身着式、脚穿式等。头戴式包括智能眼镜和智能头盔，智能眼镜释放了人类的双手，智能眼镜的主要技术还是集中在虚拟现实上；智能头盔具有语音、图像、数据传输和视频等功能，
有的还加入了定位、变焦、蓝牙等。手戴式包括手表类、手环类、手套类、指环类，常见的有智能手表和智能手环。身着式包括上衣类、内衣类、裤子类，如智能上衣可以读出人体的心跳、呼吸频率，能够自动播放音乐，并在胸前显指定的文字或图像。脚穿式包括鞋类、袜子类，如智能鞋的一部分功能为人们的出行提供导航服务，设备中内置微控制器、GPS 芯片天线等，用户只需在出发前将设置好的地图路线传送至设备中即可进行导航。
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第三章 智能安全帽的应用及需求分析 ............................................. 23
3.1 智能安全帽在智慧工地中的应用与意义 ................................ 23
3.2 智能安全帽需求调查与分析 ...................................... 27
3.3 智能安全帽的实现技术机理 .................................... 41
第四章 智能安全帽及其管理平台设计 ............................ 44
4.1 智能安全帽设计 ...................................... 44
4.2 智能安全帽管理平台设计 .................................... 56
4.3 本章小结 ...................................... 65
第五章 智能安全帽及其管理平台测试 ................................... 66
5.1 智能安全帽硬件性能测试 ................................. 66
5.2 管理平台功能可行性测试 .................................. 70
5.3 本章小结 ..................................... 75
第六章 智能安全帽及其管理平台的案例应用
6.1 案例项目概况某公司第一通信机楼项目所在地块位于东莞生态产业园区现代服务产业片区东园大道与 57 号路交界处（原东莞市石排镇庙边王村），地块总面积 100 亩，计划建设由 5栋通信机楼和 2 栋办公楼组成的生态园数据中心，总建筑面积约计 15.1 万平方米（如图6-1）。第一通信机楼位于地块的正南角位置，机楼地上 8 层，局部地下 1 层，地上建筑面积 32600.582 平方米，建筑规划总高度为 46.7 米（如图 6-2）。
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第七章 研究成果与结论
我国建筑业正推进信息化转型发展，从持续推进智慧工地的应用与发展，到建筑工人实名制落地实施，可见我国建筑业的信息化改革环境逐步向好，作为施工现场覆盖最广、与建筑工人最紧密相关的安全帽已然成为智慧工地中智能设备研究的趋势。本文通过对智慧工地和物联网相关理论进行研究，结合建筑施工中的关键因素——建筑工人进行分析，并以问卷调查和市场分析手段对智能安全帽的需求进行深入研究，确定了研究方向后对智能安全帽及其管理平台进行设计，并通过测试检验其可行性，最后应用于某企业第一通信机楼建设项目检验研究成果，得出主要结论如下：
1、智慧工地的信息化多应用与机械和材料管理，本文研究的智能安全帽首次将NB-IoT 技术、事故判断和红外检测等技术融合应用于建筑工人管理中，把建筑工人实时地与信息化平台进行连接，实现高效的、不间断的、全量的施工现场管理。
2、本文所研究的智慧工地中的智能安全帽及其管理平台，解决了安全防护、定位、穿戴设别、突发事件告警、施工效率、建筑工人出勤和实名制共 7 个应用需求，为施工企业提供了建筑工人实名制的实施方案，也通过智能安全帽的管理平台实现了远程监控管理，提升了工程项目管理的质量和效率，助力推动建筑业的信息化转型升级。
3、本文所研究的智能安全帽嵌入了事故判断模块，以三轴加速仪和高度传感器为核心的，通过智能安全帽的位移量，实现施工现场车辆伤害、物体打击、高空坠落等事故的判断，有效提高安全事故的应急救援效率，降低施工企业的损失
4、智慧工地中的智能安全帽利用了 NB-IoT 技术低功耗的特点，提高了设备的续航能力，同时 NB-IoT 技术在成本方面比其他无线通信技术低，较好地控制了使用者的成本投入，解决了同类产品高功耗和高成本的问题，进一步增强了智能安全帽实用性以及在智慧工地中应用的生命力，为智慧工地建设提供长续航、低成本的智能采集终端。
5、智能安全帽是智慧工地中最基础的数据采集终端，可为智慧工地建设提供施工现场的实时数据，结合大连接的 ONENET 开放平台的运用，实现智能安全帽管理平台与其他信息化平台之间的数据共享，加强智慧工地的大数据应用与分析，从而进一步提升智慧工地的信息化水平，为决策管理和现场施工管理提供更直观量化的参考依据。
参考文献（略）