CN108345994A - 一种结构化的施工过程安全知识获取、表达与过程监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构化的施工过程安全知识获取、表达与过程监控方法，提取施工过程安全知识；构建施工安全流程模型；构建施工安全状态演进模型；指定现场监控方案；基于前述步骤获取的信息，构建实现由传感数据映射施工过程安全的有限状态机。本发明用于实现施工过程安全监控，弥补了传统方法仅能孤立监控特定实体状态的不足，具有高度的实时性、系统性和直观性。

Description

一种结构化的施工过程安全知识获取、表达与过程监控方法

技术领域

本发明涉及安全监控领域，具体涉及一种结构化的施工过程安全知识获取、表达与过程监控方法。

背景技术

施工过程安全监控是现场安全管理的重要一环，其实施状况影响着现场安全管理的及时性与有效性。然而，由于施工现场具有风险因素多样、施工条件动态变化的特性，传统的人工监控方式无法满足现场施工过程安全监控的需求。

物联网技术的发展，带动现场施工安全管理从目前的人工应急模式逐渐向自动化超前模式转变，现阶段已能够通过物联网手段实时获取施工过程中特定实体(如人，机，环，管等)的安全状态，但无法以过程为中心对施工过程安全进行实时监控。要实现施工过程安全实时监控，就要解决通过特定实体指标感知抽象进程整体安全的问题，其难点在于：1)施工过程安全知识的提取，即辨识规范化的安全施工操作流程与安全技术状态；2)安全知识的映射，即建立施工过程安全知识与施工现场实体活动、状态信息的对应关系；3)该方法应当能满足不同工况下不同作业活动的施工安全程序监控要求，需要具有较高的鲁棒性。

施工过程包含流程化的工序动作和众多实体，施工过程的安全感知需要将多个实体的安全状态综合起来去构造一个过程安全感知场景，进而对动态过程中的工序流程和实体安全状态进行判断。现有的技术无法将众多孤立的实体状态监测数据与动态的施工操作过程结合，难以实现对程序化的复杂过程安全状态的实时感知。

发明内容

针对现有技术的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种结构化的施工过程安全知识获取、表达与过程监控方法。该方法构建了一种包含任务、实体、实体状态、任务流程、实体状态转换条件等概念集合的施工过程安全知识本体模型。并基于施工过程安全知识本体模型，通过特定流程来细化和显性表达施工过程安全知识，形成安全监控依据，接着基于安全监控依据，构建现场传感数据与施工过程安全的映射机制，实现监控施工过程安全的目的。

本发明的上述目的通过以下技术手段实现：

一种结构化的施工过程安全知识获取、表达与过程监控方法，包括以下步骤：

步骤1、识别施工过程安全信息：确定施工过程对象，确定施工过程对象的施工过程安全信息，施工过程安全信息包含任务、实体、实体状态、任务流程、实体状态转换条件；

步骤2、建立施工安全流程模型：将任务转化为过程流网中的行为单元，并根据任务流程确定行为单元的连接关系并连接，建立施工安全流程模型；

步骤3、建立施工安全状态演进模型：根据任务结束之后，相应关注的实体必须满足的实体状态确定对象状态转移网络中的对象状态，根据实体状态转换条件确定各对象状态的转换路径和转换逻辑关系，将对象状态依照转换路径和转换逻辑关系进行连接，构建对象状态转移网络；

引入步骤2中的行为单元作为参照物，将行为单元与对象状态进行关联对应，构成施工安全状态演进模型；

步骤4、针对步骤3中所确定的各个对象状态选择对应的传感装置，获得各个对象状态对应的实体的实体状态的传感数据；

步骤5、建立有限状态机：

将“正式开工”作为有限状态机的初始状态；

根据对象状态对应的实体的实体状态的传感数据制作有限状态机的输入字母表；

将步骤3中所确定的各个对象状态，转换为有限状态机中的状态集；

将行为单元以及行为单元实施前对应的对象状态和行为单元实施后对应的对象状态转换为有限状态机的输出集；

根据输入字母表、状态集、对象状态的状态转换路径和转换逻辑关系构建状态转移函数；

构建输出函数，通过输出函数输出下一步应达到的对象状态及对应的行为单元UOB。

本发明提供了一种施工过程安全知识本体模型作为施工过程安全知识获取范式；提供了一种施工过程安全知识细化和显性表达方法；提供了一种施工实体对象状态监测向施工过程安全监控映射的方法。

所述施工过程安全知识本体模型，包含任务T，任务流程TP，实体E,实体状态ES和实体状态转换条件ESTC等概念，施工过程安全知识本体模型的概念可表述为一个概念系统集合{T,TP,E,ES,ESTC}。各个概念的具体含义为：

1)任务T为施工过程流程分解后的关键任务集。

2)任务流程TP为施工流程中关键任务发生的先后次序或因果关系集，即为了确保安全施工而必须遵守的程序化工序流程。

3)实体E为参与施工过程中的实体集合，它具有以下特点：(a)参与任务或被任务改造；(b)其状态可作为评价指标来衡量任务是否规范完成；(c)实体可以是物理的，也可以是抽象概念的；(d)与任务对应的实体可以为多个。

4)实体状态ES为各个实体的里程碑状态集，这往往也是衡量施工过程中每一步关键任务是否符合安全标准的指标状态。

5)实体状态转换条件ESTC为任务、实体与实体状态的逻辑关系，描述任务开始与结束时，必须满足的一定实体状态，ESTC可以看作是对TP的进一步补充，描述了关键任务与实体状态之间环环相扣的耦合关系。

进一步优选地，任务T是施工过程的主要内容，实体E和实体状态ES分别是衡量施工步骤是否符合安全规范的指标和指标状态，遵守任务流程TP集和实体转换条件ESTC集的逻辑关系是保证施工安全操作的前提。

进一步优选地，施工过程安全知识本体模型中的概念和概念关系是施工过程安全知识获取的依据。

本发明弥补了传统安全监控方法仅能孤立的监控特定实体状态的不足，具体来说，其优点如下：

1、基于技术交底和施工方案，从本体的角度认知施工过程、作业实体，基于作业要求和安全规范提取安全状态指标，最终获取并构建的施工过程安全监控模型能够有效直观的表现施工过程中各实体的交互关系与状态要求，有利于实现监控关键点的辨识，提高管理绩效。

2、建立现场实体、状态数据等与施工过程安全之间的映射机制，从而达到基于现场传感数据或人员反馈判断施工操作过程中任务的进程和安全绩效的效果，使现场安全监控获得了高度的整体性和实时性，有利于提高现场安全监控的自动化程度，同时从更宏观的层面避免安全隐患的出现。

3、提供了一整套施工过程安全知识的获取范式、细化和显性表达施工过程安全知识的手段以及构建施工实体状态监测与施工过程安全监控之间映射机制的方法。本发明立足于安全作业流程和施工方案等指导性文件，针对不同工况下的不同作业活动都具有高度的普适性。

附图说明

图1是本发明的实施示意图；

图2是施工过程安全知识本体结构图；

图3是实施例中施工安全流程模型图；

图4是实施例中施工安全状态演进模型图；

图5是实施例中安全监控传感器布设方案图；

图6是实施例中有限状态机安全状态映射函数图；

在所有附图附表中，相同的字母缩写用来表示同类传感器的输出或同类实体状态指标，其中：

Q-微动开关传感器的布尔值输出，TW-力矩传感器测得的力矩，MD-位移传感器测得的位移，TS-倾角传感器测得的倾角，D-距离指标，A-倾角指标，C-扭矩指标。

字母缩写后的数字表示施工活动按照正确顺序进行时，该传感器在同类传感器中响应的顺序，或该指标在同类指标中被检定的顺序，例如，Q1表示第一个响应的微动开关传感器的输出，A1表示第一次检定倾角时应满足的指标。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本实施例的内容为塔式起重机顶升作业的过程安全知识获取、表达与过程监控。

步骤1：确定施工过程对象，确定施工过程对象的施工过程安全信息，施工过程安全信息包含任务T、实体E、实体状态ES、任务流程TP、实体状态转换条件ESTC，实体状态转换条件ESTC为任务开始与结束时，相应关注的实体必须满足的实体状态的转换条件。

任务T代表施工过程流程分解后的关键任务集。

任务流程TP代表施工流程中关键任务发生的先后次序或因果关系集，即为了确保安全施工而必须遵守的程序化工序流程。

实体E代表参与施工过程中的实体集合，它具有以下特点：(a)参与任务或被任务改造；(b)其状态可作为评价指标来衡量任务是否规范完成；(c)实体可以是物理的，也可以是抽象概念的；(d)与任务对应的实体可以为多个。

实体状态ES代表各个实体的里程碑状态集，这往往也是衡量施工过程中每一步关键任务是否符合安全标准的指标状态。

实体状态转换条件ESTC代表任务、实体与实体状态的逻辑关系，描述任务开始与结束时，必须满足的一定实体状态，实体状态转换条件ESTC可以看作是对任务流程TP的进一步补充，描述了关键任务与实体状态之间环环相扣的耦合关系。

在本实施例中，施工过程对象为塔吊顶升作业过程对象，其任务T的集合为{T1.1吊运待安装标准节A至引进平台，T1.2吊运平衡标准节B，T1.3扁担梁就位，T1.4塔身与回转支座连接脱离，T1.5套架一次顶升，T1.6套架倾斜度检查，T1.7扁担梁回缩并提升至上耳轴，T1.8套架倾斜度检查，T1.9套架二次顶升，T1.10标准节引入，T1.11标准节与回转机构连接，T1.12标准节与塔身连接，T1.13扁担梁回收，顶升结束}；该任务集合的部分任务流程TP如“T1.1→T1.2，T1.2→T1.3”，任务“T1.1吊运待安装标准节A至引进平台”涉及的实体E包括{待安装标准A，引进平台}；实体“待安装标准A”的实体状态ES的集合为{未就位，正确就位}；任务T1.1的实体状态转换条件ESTC为{准备工作结束时，任务开始；当实体E“待安装标准节A”的实体状态ES转化为“正确就位”时，任务结束}，任务T1.2的实体状态转换条件ESTC为{当实体E“待安装标准节A”的实体状态ES转化为“正确就位”时，任务开始；当实体E“平衡标准节B”的实体状态ES转化为“处于起重臂平衡位置”时，任务结束}。最终获取的过程对象的施工过程安全信息如表1所示。

表1施工过程安全信息表

步骤2：基于过程流网PFN(Process Flow Network)方法建立施工安全流程模型，PFN是一种以过程流的方式描述过程场景下各个事件与任务的联系、发生次序和运作机理，获取过程确切表达的有效工具。将任务T转化为过程流网PFN中的行为单元UOB(Unit ofBehavior)，并根据任务流程TP所描述的任务T之间的逻辑关系，确定行为单元UOB的连接关系，将行为单元UOB按照连接关系连接，建立施工安全流程模型，获取施工过程安全任务流程的规范化、细致化表达。

在本实施例当中，任务T1.1为吊运待安装标准节A至引进平台，任务T1.1的描述是：吊钩吊起待安装标准节指定高度，其后变幅小车挂载标准节移动至引进平台处停止，将标准节与引进平台对正后将标准节缓缓下放。其任务起点是顶升开始，其任务终点是待安装标准节正确地在引进小车上就位。任务T1.2为吊运平衡标准节，任务T1.2的描述是：吊钩吊起平衡节至指定高度，其后变幅小车挂载平衡节移动至参考配平位置并停止。其任务起点是待安装标准节正确地在引进小车上就位，其任务终点是变幅小车停在指定点。将任务T1.1、T1.2及其各自任务描述分别封装为行为单元UOB/T1.1和UOB/T1.2。随后基于任务流程TP完善行为单元UOB之间的连接关系，将UOB/T1.1和UOB/T1.2前后连接。按照步骤2记载的方式对表1中的任务T1.1～T1.13进行处理，从而将塔机顶升全流程的施工行为按照前置关系和因果顺序进行组织，最终形成如图3所示的施工安全流程模型。

步骤3：构建施工安全状态演进模型。

根据任务T结束之后，相应关注的实体必须满足的实体状态确定对象状态转移网络OSTN(Object State Transition Network)中的对象状态，根据实体状态转换条件ESTC确定各对象状态的转换路径和转换逻辑关系，将对象状态依照转换路径和转换逻辑关系进行连接，构建对象状态转移网络OSTN。

引入步骤2中的行为单元UOB作为参照物(Referent)，将行为单元UOB与对象状态进行关联对应，构成施工安全状态演进模型。

将行为单元UOB实施前的对应的对象状态及实施后的对象状态与对象状态转移网络OSTN中的对象状态进行关联，使得对象状态转移网络OSTN能够体现行为单元UOB完成前后对应的对象状态，同时行为单元UOB实施前的对象状态与实施后的对象状态也可作为其前置行为单元UOB所表征的任务T的准出条件以及后续行为单元UOB所表征的任务T的准入条件，最终获取施工安全状态演进模型，完成对象状态转换信息的提炼与规范化表达，使得每一个任务的完成情况，都能够通过其所对应的对象状态反映。

在本实施例当中，T1.1完成时，对应的对象状态为“待安装标准节在引进平台上正确就位”，T1.2完成时，对应的对象状态为“变幅小车正确停在参考配平位置”，根据步骤(1)所确定的实体状态转换条件ESTC，确定对象状态是由“变幅小车正确停在参考配平位置”向“变幅小车正确停在参考配平位置”转化，该转化过程的转化条件为T1.2，因此，将前述对象状态在OSTN网络中依序连接，并将步骤(2)中所构建的行为单元UOB/T1.2引入，作为这一对象状态转换过程的参照物。根据相同方法对施工过程的其他环节进行处理，最终形成如图4所示的施工安全状态演进模型。

步骤4、针对步骤(3)中所确定的各个对象状态，选择可用的传感装置，获得各个对象状态对应的实体的实体状态的传感数据。

在本实施例中，结合塔式起重机顶升作业现场实际操作面小、布线难度大的特点，以及待检测的对象状态的特点，使用了四类传感器，如图5所示，传感器类型与布设方案为：

1)倾角传感器：倾角传感器用于测定塔顶在各个方向上的倾斜情况，以判断顶升作业流程中，塔式起重机上部结构的垂直度是否符合规范，是否能够满足稳定性要求。布设时，保持倾角传感器与水平面的相对平行，并将其紧贴在塔顶靠近中轴线的位置。

2)位移传感器：位移传感器用于测定液压活塞杆的伸出长度，以换算为套架的顶升高度。布设时，将信号的接收端布置在活塞杆的固定端，将信号的发送端布置在活塞杆的伸出端。

3)力矩传感器：力矩传感器用于测定固定螺栓的紧固力矩，以确定连接螺栓是否按照使用说明书的要求正确紧固。

4)微动开关传感器：微动开关传感器用于检测标准节、回转机构、变幅小车等构件是否正确对位，或活动爬爪、顶升横梁等构件是否正确置入耳轴缺口等。

步骤5、建立有限状态机FSM。

有限状态机FSM是表示有限种状态、外部输入事件、状态之间的转移以及某个状态下的输出动作等行为的数学模型，通过输入字母表、输出集、状态集、初始状态、状态转移函数与输出函数的六元组来描述状态转移事件。

将“正式开工”作为有限状态机FSM的初始状态；

根据对象状态对应的实体的实体状态的传感数据制作有限状态机FSM的输入字母表；

将步骤(3)中所确定的对象状态，转换为有限状态机FSM中的状态集；

再基于施工安全状态演进模型，将行为单元UOB以及行为单元UOB实施前对应的对象状态和行为单元UOB实施后对应的对象状态转换为有限状态机FSM的输出集；

根据输入字母表、状态集、对象状态的状态转换路径和转换逻辑关系构建状态转移函数，根据传感数据与对象状态的一一对应关系，使状态转移函数实现由当前传感数据推断对象状态的转换，最终形成的状态转移函数包含对象状态转移网络OSTN中所有的状态转换路径和转换逻辑关系；

构建输出函数，基于施工过程当前的对象状态，通过输出函数输出下一步应达到的对象状态及对应的行为单元UOB，实现后续过程安全信息的推断。

例如，如表2所示，构建有限状态机实现映射传感数据到塔机顶升施工过程的映射。将S0——准备工作结束作为初始状态；依据步骤(4)制定的监控方案，汇总传感器的类别与数目，制作输入字母表，如编号1的开关传感器的输入为Q1,编号1的位移传感器的输入为MD1；将步骤(3)中确定的对象状态转换为状态集；构建输出集；再构建状态转移函数，使状态转移函数包含OSTN中所有的状态转换路径和转换逻辑关系，例如，Q3＝1->>S1.3表示当有限状态机处于S1.2状态时，若编号3的微动开关传感器输出值为1，则有限状态机转入状态S1.3。根据状态集和输出集构建输出函数，使有限状态机能够基于施工过程当前状态，输出下一步应达到的对象状态及对应的行为单元UOB，如当有限状态机处于状态S1.1时，输出UOB1.2及对象状态“变幅小车正确停在参考配平位置”。最终完成塔式起重机顶升过程安全监测有限状态机的构建。

表2状态转移函数、状态集、传感器映射关系表

本实施例的有限状态机安全状态映射函数图如图6所示。依靠有限状态机实现以传感数据为输入端，实时输出目前施工过程处于的状态和下一步应进入的关键任务，更新和推导施工过程安全信息，实时地得出施工过程目前应该处于何种任务，目前进行的活动是否处于该任务，该活动的进行和完成是否符合其准入条件和准出条件，下一步任务是什么，下一步活动应该符合何种安全要求，最终实现塔式起重机顶升作业施工过程安全的实时监控。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种结构化的施工过程安全知识获取、表达与过程监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定施工过程对象，确定施工过程对象的施工过程安全信息，施工过程安全信息包含任务、实体、实体状态、任务流程、实体状态转换条件；

步骤2、建立施工安全流程模型：将任务转化为过程流网中的行为单元，并根据任务流程确定行为单元的连接关系并连接，建立施工安全流程模型；

步骤3、建立施工安全状态演进模型：根据任务结束之后，相应关注的实体必须满足的实体状态确定对象状态转移网络中的对象状态，根据实体状态转换条件确定各对象状态的转换路径和转换逻辑关系，将对象状态依照转换路径和转换逻辑关系进行连接，构建对象状态转移网络；

引入步骤2中的行为单元作为参照物，将行为单元与对象状态进行关联对应，构成施工安全状态演进模型；

步骤4、针对步骤3中所确定的各个对象状态选择对应的传感装置，获得各个对象状态对应的实体的实体状态的传感数据；

步骤5、建立有限状态机：

将“正式开工”作为有限状态机的初始状态；

根据对象状态对应的实体的实体状态的传感数据制作有限状态机的输入字母表；

将步骤3中所确定的各个对象状态，转换为有限状态机中的状态集；

将行为单元以及行为单元实施前对应的对象状态和行为单元实施后对应的对象状态转换为有限状态机的输出集；

根据输入字母表、状态集、对象状态的状态转换路径和转换逻辑关系构建状态转移函数；

构建输出函数，通过输出函数输出下一步应达到的对象状态及对应的行为单元。

2.根据权利要求1所述的一种结构化的施工过程安全知识获取、表达与过程监控方法，其特征在于，

所述的任务为施工过程流程分解后的关键任务集；

所述的任务流程为施工流程中关键任务发生的先后次序或因果关系集；

所述的实体E为参与施工过程中的实体集合；

所述的实体状态为各个实体的里程碑状态集；

所述的实体状态转换条件为任务开始与结束时，需要满足的设定实体状态。