中国建筑第三工程局

工地安全教育智慧语音系统

中国建筑第三工程局

中建三局工地安全教育智慧语音系统

一、项目形成背景

随着社会的进步和经济的发展，安全问题越来越受到社会的关注和重视，国家对安全的要求越来越高。由于建筑业的快速发展及其自身施工的流动性、产品的单体性和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。建筑行业是高风险行业，建设施工是安全事故的高发段，这不仅使工人的生命安全和国家财产遭受巨大损失，还给企业和行业的发展带来负面影响。安全教育是防止产生不安全行为，减少失误，提高安全知识水平和安全技术素质的重要途径。因此，在建筑行业如何把好安全教育关，就成为减少人员伤亡事故发生的关键。

在建筑工地上，危险区域较多，如临边或者洞口等，存在较多的安全隐患，导致作业人员在施工过程中容易发生踩空的危险，将会直接影响作业人员的生命安全。现有技术中，为了避免上述问题，通常会在危险区域设置安全警示牌，给作业人员以安全提示。然而，建筑施工高度通常较高，一方面，安全警示牌容易掉下来，安全可靠性差，另一方面，需要作业人员肉眼观测是否有安全警示，容易出现视觉盲区，未能及时看到安全警示，导致安全警示效果较差。如使用被动式语音喇叭播报的方式需要持续电源，但建筑工地尤其是施工初期难以提供临时电源。因此使用喇叭进行语音提示的方式受到电源的限制。

传统施工安全教育主要采用项目管理人员讲授课和观看安全教育影像资料的方式。这种课堂宣讲教育方式需花费大量时间集齐所有工人，且无法保证每次培训时所有工人都能够到场。课堂宣教式培训频次低，工人参与度低，学习积极性差。经常出现安全员在台上讲课，下面很多工人低头玩手机的情景。传统安全教育存在教育方式单一、时间成本偏高、参与度低、教育效果不佳等问题亟待解决。

本项目开发一款能够帮助建筑工地安全员、施工人员及安全管理相关角色的智慧工地安全管理云平台。该系统利用物联网、人工智能、云计算等新兴技术，切实达到“实用、高效、智能”，辅助施工现场的安全管理工作，主要价值体现在：

现场办公：为安全员打造移动工作平台, 走出办公室，在施工现场识别危险源、标记风险，提高工作效率, 避免安全隐患的遗漏。
化整为零：让安全教育走出会议室，在施工现场实时发生, 将集中式的安全教育转变为更有针对性的现场教育。
正向激励：结合“行为安全之星”活动，提高工人参与安全教育积极性，为正向激励提供数据支撑。
实名制管理：工人接受安全教育后，使用电子签名的方式实名打卡记录，生成具有法律效力的安全教育记录，并可导出安全教育记录表，提高教安全教育数据真实性的同时，简化安全员的工作。
全员安全教育：将施工现场安全教育工作由安全员一个人，扩大到项目部每个现场管理人员及工人。强化劳务班组长带领工人学习，帮助安全员了解劳务班组长进行安全教育的情况，提高现场安全巡查针对性。
数据积累：在云端沉淀历史风险数据，为后期风险分析、智能预测奠定基础, 进而为公司安监部的决策提供数据支撑, 制定具有前瞻性的风险管理策略。

二、项目难点问题

项目设计和实施过程中的难点主要包括：

难点1：施工工地环境复杂，环境随施工进度动态变化。

解决途径：使用防水、防尘、低功耗的蓝牙Beacon，辅助安全员对安全教育点进行精准定位。该设备位置可根据施工进度调整，且可反复使用。

难点2：施工工地初期均为临时用电，且现场环境复杂无法搭建网络环境。

解决途径：智能手机已在工人中较为普及，本课题基于工人和安全员人人都有的智能手机，开发一款安全教育APP软件辅助安全教育工作。利用云计算技术，将数据存储于云端，使安全教育不受网络和空间的限制。

难点3：工人文化水平低，工作繁忙，对信息化新技术接受程度低。

解决途径：系统操作简单，学习成本低。前期应用主要以劳务班组长带领工人学习为主，并逐步引导工人使用。同时，对主动进行安全教育学习的工人实行物质奖励，激发工人的学习热情。

三、项目解决思路

基于前期的分析调查，本课题技术路线确定为软硬件结合的方案。硬件设备为带蓝牙功能的手机、蓝牙Beacon电子标签，辅以便携式蓝牙小音箱，软件为移动端APP和Web端管理后台。

图1 技术路线

借助最新的物联网技术，将教育场地搬到施工现场，并在安全员、劳务班长、工人之间建立起高效的协作关系，将安全教育工作深入到工地的每个人。具体应用场景为：安全员在工地现场巡查时，在识别到的危险源附近、或涉及安全规范操作的作业区域布置蓝牙Beacon设备，可立即根据模板快速设定内容。劳务班组长在现场巡查时，需带领工人学习施工作业附近的安全教育点内容，了解附近的安全隐患及当前作业面涉及的安全规范操作知识，并拍照上传学习记录。同时，劳务班长在班前喊话时，也可使用本系统进行安全教育讲解，并拍照上传，取代每日将照片发至微信群的工作。工人也可主动学习，作为行为行为安全之星的奖励依据。

图2 系统应用场景

本课题拟采用上述技术线路进行研究。通过对基于物联网技术的智慧安全管理系统进行研究和应用，分别从项目立项、项目需求分析、项目详细设计、项目系统开发及测试、项目施工安装及调试、项目交付阶段进行子课题信息的收集整理工作。结合研究课题梳理各项数据进行分析，得出研究结论。

四、项目解决过程

中建三局智慧工地安全管理云平台(中建智安)项目是建筑工地上的移动安全教育智慧管理助手。本系统研究设计一套实用、高效、智能的安全教育智慧管理系统，实现安全教育方式多元化、全员参与度高、覆盖面广、教育效果好的目标，更可拓展实现安全决策智能分析的远期目标。

它具有以下主要功能：

(1)语音播报附近的安全教育风险点内容;

(2)借助低功耗蓝牙Beacon，帮助安全员提高建筑工地现场安全教育的频率和针对性;

(3)使用电子签名的方式，实名记录施工人员接受安全教育情况，生成具有法律效力的安全教育记录，并导出安全教育记录表，减轻安全员工作量;

(4)使用、管理安全教育内容模板，帮助安全员快速录入安全教育内容;

(5)通过语音播报功能，帮助安全员、劳务班组长减少重复性的安全教育;

(6)劳务班组长带班进行班前喊话、现场施工安全教育等工作时，拍照并上传记录，帮助安全员了解其安全工作情况，提高现场安全巡查的针对性;

(7)实现安全风险管理的PDCA循环流程，责任落实到人，帮助安全员管理安全风险隐患的处理进度;

(8)统计项目各类安全教育频次和培训人数，实现智能数据驱动安全管理。

4.1软件系统架构

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，如未固定的较大洞口、附着式顶升平台、钢筋加工棚等区域，就部署一个或多个安全教育点。使用移动端APP将每个安全风险教育点与一个低功耗蓝牙Beacon设备绑定。安全员可在任何地方编辑安全教育点的播报内容，并将数据上传于云端。当工人走到安全教育点附近时，即可语音播报教育点的内容，并使用电子签名的方式实名打卡记录。通过这方式将安全教育化整为零，缩短学习时间，增加教育频次，提高安全教育的针对性。图3为该系统的信息交互图，图4为系统的关键技术及主要工具的架构图。

图3系统信息交互图

图4系统架构图

4.2 系统硬件设备配置

该课题主要使用的硬件设备主要为低功耗蓝牙Beacon、安全风险教育点指示牌、红外人体感应音箱、便携式蓝牙小音箱。

(1)低功耗蓝牙Beacon

低功耗蓝牙Beacon使用蓝牙4.0技术，具有体积小，耗电量低，信号强度高、无需网络环境、无需电源供电等特点。适用于在复杂环境的建筑工地实现非接触式的信息定位。

表1低功耗蓝牙Beacon设备表

设备图片	型号	特点	适用环境	固定方式
	S3U	防水防尘耐压，电池可使用3-4年	颜色醒目，适用于恶劣环境	可使用螺丝、膨胀螺栓固定安装
	M1U	防水防尘，电池可使用1-2年	小巧轻便，适用于隐蔽安装	可使用双面胶、玻璃胶粘贴固定

(2)安全风险教育点标识牌

为提高工地现场安全风险教育点的识别度，我司参考《安全标志及其使用导则(GB2894-2008)》，设计了安全风险教育点标识牌，引导工人获悉。

图5安全风险教育点指示牌

(3)红外人体感应音箱

红外人体感应音箱主要安装于工地门禁通道闸处，通过红外人体感应技术，进行被动式的语音教育播报。播报内容为常规、具有通用性的安全提示。

表2 红外人体感应音箱设备参数表

图6红外人体感应音箱

(4)便携式蓝牙小音箱

为每位安全员和劳务班组长配置一个便携式蓝牙小音箱。使用小音箱可确保在施工现场嘈杂的环境中，多名工人都能够听到语音播报的内容，解决语音播报声音音量受手机硬件限制的问题。

图7便携式蓝牙小音箱

4.3 移动端中建智安APP

(1)主要功能

安全教育点管理：安全员可增加、修改、删除教育点内容(与蓝牙Beacon绑定)，文字内容可实现语音播报。
安全教育内容模板：安全员使用模板，可便捷生成教育点内容，再根据项目情况编辑修改。
工人实名制学习：工人实名制学习，签署具有法律效力的电子签名，并可在移动端查看历史学习数据。
劳务班长带领学习：劳务班长可带领工人学习，并拍照上传学习照片。
安全知识答题：工人定期在移动端答题，检验安全知识学习效果，帮助安全员获得安全教育的学习反馈。
积分奖励机制：工人或劳务班组学习后累积积分，积分可作为“平安班组”、“安全行为之星”的评选依据，并可对工人起到正向激励作用。
安全风险管控：使用移动端APP辅助安全风险管理PDCA流程。具体流程为：安全员发现并记录安全隐患，将安全隐患整改信息发给劳务班长，劳务班长在规定时间内完成整改，并由工长检查整改完成情况。如劳务班长按时完成整改则销项，如未按时完成或完成度不达标，则返回劳务班长处重新进行安全隐患整改。该功能能够帮助安全员更快速、便捷的消除安全风险隐患。
工人实名制管理：工人使用移动端APP上传身份证信息，经后台管理员审核后转为正式用户，正式用户使用移动端APP进行三级安全教育。

(2)关键技术

该系统基于物联网技术的iBeacon协议和安全教育信息的云端化，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功能。移动端基于TTS语音合成技术实现了文字内容转换为自然语言输出。

移动端使用React Native跨平台移动应用开发框架，构建原生APP。基于React Native，系统可以使用UI TabBar、UI Navigation Controller等标准的原生iOS平台组件，让应用界面在各平台上保持始终如一的外观和风格。

(3)系统架构

图8移动端系统架构图

图9移动端组件图

(4)界面设计

安全员和工人的移动端登录界面，安全员的登录账号为手机号，工人的登录账号为身份证号码。

图10移动端登录界面

安全员可选择模板快速编辑教育点内容。

图11安全教育内容模板选择界面

安全员查看/播放安全风险教育点。建立安全教育点后可在列表中查看本人修改的教育点及项目所有的教育点，并可语音播放教育点内容。

图12安全教育内容模板选择界面

劳务班长在进行班前喊话或施工现场安全教育时，携带蓝牙小音箱，语音播放附近教育点的内容，并对参加学习的工人拍照。可对照片添加文字描述，该描述作为文字水印显示在照片上。强化劳务班长协助安全员进行施工现场的安全教育工作。工人也可主动进行安全教育学习，学习记录作为“行为安全之星”的考评依据。

图13教育点详情界面

待到有网络的环境下，可将多次学习的记录上传至云端服务器，并签署电子签名后提交。提交后可在移动端查看14天内的历史学习记录。

图14安全教育点学习记录

4.4中建三局工地安全教育智慧语音系统管理平台

(1)主要功能

人员管理：管理安全员/工人的账号权限，导入/导出《劳务人员花名册》，给工人批量开通账号，辅助工人实名制管理。
安全教育表单的导出：安全员可按选择的时间范围，导出《班前喊话记录表》、《安全教育记录表》、《安全教育交底表》等数据表单。
数据统计：导出各项目开展各类安全教育的频次及学习人数的数据表单。
学习记录管理：安全员可在Web端查看、筛选、导出工人的学习日志。

(2)关键技术

Web端具有项目、人员、教育点及日志管理功能，将信息数据电子化，安全学习流程化。Web 端使用高性能的界面渲染框架React JS构建用户界面。系统采用单页面应用(SPA)技术，所有页面都在前端浏览器渲染生成，二次请求与后台交互少量 JSON 数据，拥有访问速度快、交互流畅的特点。

后端基于Spring Boot框架，使用Kotlin语言开发的RESTful服务。通过Docker容器技术部署在阿里云上，具有部署方式简便、可移植性高、可动态扩容和缩容等优点。并使用持续集成(CI/CD)保证软件质量和软件的自动部署。

(3)软件系统架构

图15 Web端技术架构图

图16后端组件架构图

(4)界面设计

安全员在Web端可查看工人历史学习记录，并结合照片等内容，了解工人每日在施工现场接受安全教育的情况。并可从系统中导出《劳务人员花名册》，帮助安全员更便捷的进行人员实名制管理。

图17 Web端登录界面

图18工人学习记录查看

安全员可根据需要，在Web端导出有工人电子签名的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，记录表具有法律效力，可取代现在的纸质表格，提高安全员的工作效率，优化工作流程，避免在各类表格上花费大量时间，真正实现无纸化办公。

图19安全教育记录表导出预览界面

4.5安全风险大数据分析与改进策略系统

(1)主要功能及关键技术

该系统正式使用后，每个项目的安全教育点都是数据的制造者，教育点被安全员和工人的学习所触发，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。同时，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。