陳 楚，李小偉

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣西南寧 530000)

在電子圍欄施工中，施工環(huán)境比較差，現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全得不到保障，面對(duì)緊急事件發(fā)生的時(shí)候，不能及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)施工人員，從而導(dǎo)致很多本可以避免的事故發(fā)生[1-3]。面對(duì)這種情況，對(duì)施工人員行為預(yù)判和及時(shí)告警是非常重要的。

在目前的研究中，工作人員可通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察施工信息數(shù)據(jù)，了解施工狀況。這種工作形式的出現(xiàn)需要人員定位技術(shù)的支持，跟蹤施工人員，將數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)，從而確定施工人員的位置。當(dāng)獲得報(bào)警數(shù)據(jù)時(shí)，及時(shí)采取相應(yīng)的告警措施，以此在掌握施工進(jìn)度的同時(shí)，保證施工人員的安全[4]。但是現(xiàn)階段，一些常見告警算法已經(jīng)不能滿足電子圍欄施工的實(shí)際需求，或多或少存在一些不足之處。如魯顯光等[5]提出的基于頻繁模式樹(Frequent Pattern Tree，F(xiàn)P tree)的告警算法，通過分析告警歷史數(shù)據(jù)，挖掘告警數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，在告警數(shù)據(jù)間建立起關(guān)聯(lián)，從而保證告警數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，確保告警算法的可靠，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，面對(duì)不確定的行為信息數(shù)據(jù)，在時(shí)隙分配過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突問題，影響告警算法的應(yīng)用效果，告警算法的自適應(yīng)性需要進(jìn)一步提高。劉洋等[6]提出的基于遺傳算法BP (Genetic Algorithm Back Propagation，GA-BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的告警算法避免了復(fù)雜參數(shù)對(duì)告警效果的影響，采用GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)施工人員進(jìn)行安全預(yù)警，但是該算法存在與上述類似的問題，算法的自適應(yīng)性比較差。因此，本研究提出基于射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)[7]技術(shù)的電子圍欄內(nèi)施工人員行為預(yù)判與告警算法，解決上述常見的告警算法中存在的問題。

1 基于RFID技術(shù)的電子圍欄內(nèi)施工人員行為預(yù)判方法設(shè)計(jì)

1.1 人員位置定位

采用RFID技術(shù)，在每個(gè)施工人員身上配備一個(gè)腕帶型電子標(biāo)簽，通過遠(yuǎn)程通信技術(shù)，實(shí)時(shí)讀取施工人員的信息。在施工人員施工過程中，其自身產(chǎn)生的位置信息、行為信息自動(dòng)保存到電子標(biāo)簽中，根據(jù)實(shí)際需求，既可以將信息實(shí)時(shí)傳遞到RFID讀寫器上，又可以暫時(shí)保存在電子標(biāo)簽內(nèi)，在需要時(shí)直接調(diào)取[8]?？紤]到施工環(huán)境的復(fù)雜性，在定位施工人員位置上，使用的是超高頻的RFID設(shè)備，通過電磁場(chǎng)的電磁信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息傳遞和簡(jiǎn)單通信[9]。

在RFID技術(shù)的支持下計(jì)算電磁信號(hào)的時(shí)間，即可確定施工人員的位置[10]。將RFID讀寫器分別放在4個(gè)固定位置，將其設(shè)置為靜態(tài)節(jié)點(diǎn)；在附近確定一點(diǎn)P，作為RFID電子標(biāo)簽的持有人，該點(diǎn)作為動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)存在。上述靜態(tài)節(jié)點(diǎn)與動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 RFID讀寫器及RFID電子標(biāo)簽點(diǎn)位Fig.1 RFID reader and RFID electronic tag point

圖1中顯示的a、b、c、d 4個(gè)點(diǎn)是讀寫器的位置。在計(jì)算施工人員定位點(diǎn)時(shí)，按照?qǐng)D1中的結(jié)構(gòu)，在a、b、c、d 4個(gè)點(diǎn)附近繪制雙曲線，計(jì)算P點(diǎn)到a、b兩點(diǎn)和c、d兩點(diǎn)的距離差[11]。計(jì)算公式如下：

lab=t1×v=|Pa-Pb|，

(1)

lcd=t2×v=|Pd-Pc|，

(2)

式中，v表示射頻信號(hào)傳播速度，在計(jì)算中是一個(gè)固定值，lab和lcd分別表示動(dòng)點(diǎn)P到a、b兩點(diǎn)和c、d兩點(diǎn)的距離差，t1和t2分別表示無限射頻信號(hào)到達(dá)4個(gè)點(diǎn)的時(shí)間差，Pa、Pb、Pc、Pd分別代表P點(diǎn)到a、b、c、d點(diǎn)的距離。P點(diǎn)的軌跡是以a、b、c、d 4個(gè)點(diǎn)為焦點(diǎn)作的雙曲線[12]。由兩點(diǎn)間距離公式可得：

(3)

(4)

式中，x和y表示P點(diǎn)的位置信息，(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)、(xd,yd)分別代表a、b、c、d的位置信息，求解式(3)和式(4)，可得到P點(diǎn)的坐標(biāo)，從而確定持有RFID電子標(biāo)簽的施工人員的位置。人員位置確定后，即可獲得施工人員的行為信息，預(yù)判施工人員的行為。

1.2 施工人員行為判斷

通過RFID技術(shù)獲得施工人員行為信息，在對(duì)施工人員行為進(jìn)行判斷時(shí)，需要依靠一系列子事件的時(shí)序關(guān)系和邏輯關(guān)系。在確定電子圍欄內(nèi)施工人員的施工過程后，通過與、或、非、集合等邏輯運(yùn)算符來判斷施工人員的行為。

通過“與”定義行為U和行為V的先后順序，在與時(shí)間約束運(yùn)算符結(jié)合時(shí)，確定行為發(fā)生的先后順序和間隔時(shí)間長(zhǎng)短；使用“或”運(yùn)算符定義多個(gè)行為同時(shí)發(fā)生時(shí)的性質(zhì)，與不同行為的發(fā)生順序無關(guān)，僅僅為了判斷當(dāng)行為U或行為V發(fā)生時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)行為E；運(yùn)算符“非”定義某個(gè)行為U沒有發(fā)生時(shí)，會(huì)觸發(fā)行為E的發(fā)生；“集合”的設(shè)置主要定義行為U多次重復(fù)發(fā)生時(shí)，會(huì)導(dǎo)致行為E的出現(xiàn)[13]。除了以上判斷人員行為的運(yùn)算符外，還包括RFID標(biāo)簽對(duì)象具有的屬性值，此類屬性可標(biāo)記相關(guān)行為發(fā)生的時(shí)間戳信息，也可以標(biāo)記瞬時(shí)行為的發(fā)生時(shí)刻，通過屬性可確定施工人員行為發(fā)生的時(shí)間區(qū)間[14]。針對(duì)瞬時(shí)行為和非瞬時(shí)行為，定義不同的時(shí)序約束關(guān)系，當(dāng)行為數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，保存到RFID電子標(biāo)簽內(nèi)，每個(gè)行為數(shù)據(jù)都有時(shí)間戳信息，根據(jù)時(shí)間戳信息和運(yùn)算符預(yù)判施工人員的行為，當(dāng)判斷出施工人員的危險(xiǎn)行為后，即可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的報(bào)警信息，通過RFID電子標(biāo)簽對(duì)施工人員發(fā)出告警。

2 電子圍欄內(nèi)施工人員行為告警算法設(shè)計(jì)

2.1 防沖突設(shè)計(jì)

當(dāng)電子圍欄內(nèi)存在多個(gè)施工人員時(shí)，讀寫器在給電子標(biāo)簽提供較小的幀長(zhǎng)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生較多的碰撞沖突，影響對(duì)電子標(biāo)簽的識(shí)別，因此，設(shè)計(jì)防沖突算法，可保證電子標(biāo)簽的識(shí)別效果。

已知當(dāng)時(shí)隙數(shù)與標(biāo)簽數(shù)相等時(shí)，告警效果最佳，因此，在每個(gè)電子標(biāo)簽識(shí)別周期開始時(shí)，估計(jì)標(biāo)簽數(shù)，根據(jù)估計(jì)的標(biāo)簽數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整周期幀長(zhǎng)，確定第一個(gè)時(shí)隙狀態(tài)函數(shù)e1f[15]。該函數(shù)表示如下：

e1f(N,s0,s1,sk≥2)=s1+2sk≥2，

(5)

式中，N表示幀長(zhǎng)，k表示發(fā)生碰撞的標(biāo)簽數(shù)，s0、s1和sk≥2分別表示上一識(shí)別周期內(nèi)空閑、成功和碰撞時(shí)的時(shí)隙數(shù)[16]。根據(jù)每個(gè)時(shí)隙內(nèi)標(biāo)簽數(shù)的二項(xiàng)式分布概率原理，得到第二個(gè)函數(shù)e2f：

(6)

2.2 告警數(shù)據(jù)的處理與傳輸

在預(yù)判施工人員行為后，將產(chǎn)生與施工人員行為相對(duì)應(yīng)的告警數(shù)據(jù)，在告警數(shù)據(jù)產(chǎn)生初期，建立告警日志記錄，整個(gè)創(chuàng)建步驟包括創(chuàng)建logger和handler，定義formatter，將handler添加到formatter，再將handler添加到logger。logger作為告警日志記錄的規(guī)則，限制了記錄的格式和告警的等級(jí)。

在實(shí)際應(yīng)用中，告警信息以序列的形式發(fā)送到施工人員的電子標(biāo)簽內(nèi)，定義告警起始時(shí)間為tz，終止時(shí)間為te，則告警序列表示為Z=(z,tz,te)，z表示序列。對(duì)于告警序列Z上的一個(gè)告警子項(xiàng)，表示形式為M=(m,tz,te)，告警發(fā)生的時(shí)間就在告警起始時(shí)間和終止時(shí)間之間，對(duì)于告警子項(xiàng)，m=te-tz就是時(shí)間窗口，通過時(shí)間窗口確定告警序列Z的告警時(shí)間。

在獲得告警信息后，確定該信息輸入的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，根據(jù)規(guī)則和告警等級(jí)將信息拆分，分別存儲(chǔ)在不同的模塊內(nèi)，經(jīng)過處理后將數(shù)據(jù)傳遞到施工人員的RFID電子標(biāo)簽內(nèi)，對(duì)施工人員發(fā)出警告。至此，基于RFID技術(shù)的電子圍欄內(nèi)施工人員行為預(yù)判與告警算法設(shè)計(jì)完成。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

電子圍欄內(nèi)施工人員行為預(yù)判與告警算法設(shè)計(jì)完成后，通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證方法的性能，該方法中涉及對(duì)施工人員的實(shí)時(shí)定位和行為信息的傳遞，在信息傳遞的過程中可能存在讀卡器沖突的問題，如讀取的信息是錯(cuò)誤信息，或者信息漏讀等，這種情況下會(huì)導(dǎo)致行為信息不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致不能正確判斷施工人員行為，出現(xiàn)錯(cuò)誤的告警信息，甚至導(dǎo)致告警不及時(shí)，出現(xiàn)安全事故。因此，根據(jù)上述信息，在實(shí)驗(yàn)中引入FP tree和GA-BP兩種常見的告警算法，設(shè)計(jì)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證算法的可行性。

第一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)以10個(gè)讀卡器(L1-L10)為例，設(shè)計(jì)讀卡器沖突和平面結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。

圖2 讀卡器沖突設(shè)計(jì)Fig.2 Reader conflict design

圖2上半部分顯示的是讀卡器的結(jié)構(gòu)圖，下半部分顯示的是讀卡器的平面示意圖。依據(jù)圖2示意的讀卡器結(jié)構(gòu)，構(gòu)建階對(duì)稱矩陣，當(dāng)矩陣等于1時(shí)，讀卡器之間存在沖突。構(gòu)建的矩陣與每一個(gè)讀卡器相對(duì)應(yīng)，設(shè)置的值分別是0100110000，1010010000，0101001000，0010001000，1000010100，1100101110，0011010011，0000110010，0000011101，0000001010。根據(jù)上述內(nèi)容，為不同算法的時(shí)隙分配一個(gè)相同的賦值，在賦值相同的情況下，分析各個(gè)告警算法對(duì)沖突的處理能力。賦值如下：1000，0100，0001，0100，0001，1000，0010，0100，0010。

在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置讀卡器數(shù)目為10，15，20，設(shè)置在不同的時(shí)隙中、不同的條件下分別進(jìn)行20次實(shí)驗(yàn)，計(jì)算不同告警算法的時(shí)隙分配結(jié)果，判斷是否存在沖突，以此衡量告警算法的自適應(yīng)性。

第二組實(shí)驗(yàn)以施工人員行為信息的識(shí)別為主，在對(duì)施工人員進(jìn)行行為預(yù)判時(shí)，識(shí)別施工人員的行為信息十分重要，只有識(shí)別的行為信息足夠正確，才能確保對(duì)技術(shù)人員行為預(yù)判的準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)中選擇部分施工人員行為作為實(shí)驗(yàn)樣本，如圖3所示。

圖3 施工人員行為識(shí)別實(shí)驗(yàn)樣本Fig.3 Experimental sample of construction personnel behavior identification

使用人體結(jié)構(gòu)化特征(BSE)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)和關(guān)節(jié)點(diǎn)估計(jì)兩種不同的方法對(duì)樣本中的行為進(jìn)行信息采集，輸出信息識(shí)別結(jié)果，對(duì)比分析不同方法的行為識(shí)別信息的完整性和準(zhǔn)確性。在兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合在一起分析提出的行為預(yù)判方法和告警算法的性能。

3.2 時(shí)隙分配實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在時(shí)隙分配實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置不同的讀卡器數(shù)目，并在不同讀卡器之間設(shè)置沖突關(guān)系，使用不同的告警算法處理，并使用第三方插件監(jiān)控整個(gè)處理過程，在處理完成后，輸出時(shí)隙分配實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具體結(jié)果如表1所示。

表1 不同告警算法的時(shí)隙分配實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Time slot allocation experiment results of different alarm algorithms

由表1顯示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，基于FP tree的告警算法在讀卡器較多的情況下存在沖突關(guān)系，導(dǎo)致分配成功率不高，并且呈現(xiàn)出讀卡器越多，其成功率越低的情況；基于GA-BP的告警算法存在相同的問題，讀卡器之間的沖突嚴(yán)重影響告警信息的傳遞和告警的即時(shí)性。上述兩種方法均是在讀卡器數(shù)目增加到20個(gè)時(shí)出現(xiàn)沖突，并且隨著讀卡器數(shù)的增加，沖突并沒有消失，也沒有得到解決。相比之下，本文提出的算法在讀卡器增加的情況下沒有出現(xiàn)沖突，并且分配成功率在99%以上，說明該算法有效地解決了讀卡器沖突問題，其時(shí)隙分配水平更高，能夠進(jìn)一步保證告警的即時(shí)性。

3.3 施工人員行為信息識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在第二組實(shí)驗(yàn)中，以圖2中的實(shí)驗(yàn)樣本作為目標(biāo)，使用不同的行為預(yù)判方法(提取邊緣特征，采用支持向量機(jī)方法對(duì)樣本對(duì)象行為進(jìn)行預(yù)判斷；使用基于非負(fù)矩陣分解的方法來構(gòu)造人體姿勢(shì)作為一級(jí)特征，對(duì)樣本對(duì)象行為進(jìn)行預(yù)判斷)采集施工人員行為信息，計(jì)算處理行為數(shù)據(jù)的時(shí)間開銷和有效信息識(shí)別信息量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 施工人員行為識(shí)別時(shí)間開銷實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results of time cost of construction personnel behavior recognition

圖5 不同方法有效信息識(shí)別量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of effective information recognition with different methods

實(shí)驗(yàn)采用定量分析，在時(shí)間開銷實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置行為信息大小最大為500 MB，在不同方法的處理下，各個(gè)方法處理行為數(shù)據(jù)需要的時(shí)間開銷不同[17]，觀察圖4中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在400 MB以內(nèi)，3種方法處理行為信息的時(shí)間開銷相差不大，對(duì)于高于400 MB的行為信息，基于GA-BP的方法和基于FP tree的方法時(shí)間開銷比較大。相比之下，本文提出的方法在處理較大行為信息時(shí)，時(shí)間開銷較小，且沒有出現(xiàn)明顯增加趨向。

在有效信息識(shí)別量實(shí)驗(yàn)中，固定識(shí)別時(shí)間，輸出在相同時(shí)間內(nèi)，比較不同方法識(shí)別的有效行為信息量[18]。對(duì)比觀察圖5中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在3種方法中，基于FP tree的方法和基于GA-BP的方法隨著時(shí)間的增加，處理的有效信息量在不斷增加，但是與本文提出的方法相比，增加得比較緩慢，本文提出的方法所包含的有效信息是另外兩種方法的兩倍。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的基于RFID技術(shù)的電子圍欄施工人員行為預(yù)判與告警算法對(duì)人員行為信息的識(shí)別效果更優(yōu)秀。

結(jié)合時(shí)隙分配實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，本文設(shè)計(jì)的基于RFID的電子圍欄內(nèi)施工人員行為預(yù)判與告警算法有效地解決了常見算法中存在的問題，從行為信息處理和時(shí)隙分配兩方面完善了告警算法，證明該算法具有更好的自適應(yīng)性，能夠根據(jù)外界環(huán)境調(diào)整自身性能，保證實(shí)際應(yīng)用水平。

4 結(jié)論

本文從電子圍欄內(nèi)施工人員的安全保障出發(fā)，研究施工人員的行為預(yù)判與告警算法，在查閱了相關(guān)文獻(xiàn)和資料的情況下，設(shè)計(jì)了基于RFID技術(shù)的電子圍欄內(nèi)施工人員行為預(yù)判與告警算法，并在算法設(shè)計(jì)完成后，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可靠性，證明該算法具有更好的自適應(yīng)性。但是由于電子圍欄施工的工作環(huán)境比較復(fù)雜[19]，存在很多安全隱患，單一地通過施工人員的行為預(yù)判依然不能完全保證施工的安全。因此，在后續(xù)研究中，將結(jié)合施工環(huán)境的多變性，完善告警算法的性能，為電子圍欄的施工提供更好的安全保障。