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开发基于RFID（射频识别技术）的电子样本和建筑质量管理的测试编码系统

摘要：在建筑中，虽然收集详细、准确和足够的大量信息，以及随后及时的传递信息对有效的质量控制和管理都是十分重要的。但现有的材料和样品测试方法和实验室活动的方法都依赖于纸张和铅笔的人力资源，使用人工方法收集的数据及其耗费人力和时间。此外，由于工人在监控和记录大量的测试流程时的不情愿的态度也使得数据容易出错。本文研究的是一种促进质量管理系统的射频识别技术的自动化的方法。本文提出的系统专注于收集，监测，管理和共享所有参与者（即顾问，承包商和业主）之间以及材料试验室中的的准确数据。在本研究中，强调了对一种将基于RFID的标签纳入考虑的新编码系统的需要。为了实现在任意研究活动中的样本识别和有效的数据的收集的自动化，每个RFID标签都配置了一个独一无二的ESTCode（电子样本和测试代码）。ESTCode用于样本和测试识别代码，它构成报告的基础，并包含特定的样本和测试的相关信息。为了形成现实技术采纳的核心，并且识别在这一领域的驱动因素，本文还介绍了一种用于施工质量管理中的选择技术的实施框架

关键词：自动化数据收集、建筑工程、电子编码、质量管理、RFID

1.引言

建设过程中，所有涉及方之间有大量的数据和信息交换需求。这使得建筑成为最信息密集的产业之一，它需要众多的专业人士的密切配合而不是相互依赖的组织和个人，以实现建设项目的时间、成本和质量目标。质量检验和管理在管理建筑行业扮演着至关重要的角色，使得工程需要在一个限定的项目预算和进度内完成。实验室工作对于任何项目的施工阶段的有效的质量管理都非常重要。样本鉴定，记录和更新相关信息，数据分析，信息传输，保证初始数据和结果的快速、易于访问都是实验室建筑项目测试样本工作的重要方面。实验室活动包括大量的有不同的大小和形状的材料和标本，以及大量的需要适当的管理方法来保证成功的的数据，信息和结果^[1]。

现有的用于控制和管理材料样品中的信息、样品测试和实验室活动的人工记录方法一般是使用纸质文档^[2]。在这些方法中，输入，检索，分析和及时传播结果数据需要非常多的时间和精力^[3]。有效和即时的访问信息能减少用于检索项目质量测试的每个部分相关的信息的时间和劳动力，并减少缺乏信息的而做的无效决定的发生^[4]。因为质量管理的原因，在建设项目过程中的识别过程和测试数据的捕捉数量，需要改进其准确性和完整性。这将导致丢失或不准确数据造成的不必要的通信循环和次要任务的销毁。这表明需要一个完全自动的数据采集系统，在各个阶段采集质量信息，并自动整合这一数据到数据库中，来达到最小化错误，并能够实时报告的目的。无线电频率（RF）基于信息和通信技术，如射频识别（RFID）标签技术已经成熟，并在建筑中成为可在商业上得到有力的支持自动数据收集^[5]。尽管，有许多关于在建筑中使用新技术的研究，但专注于建筑质量管理和控制中全自动数据采集和信息管理模型的详细应用的研究却十分稀缺^[1]。在开放环境如建筑工地的应用还未经证实。

本文开发的促进自动数据收集的射频识别系统集成了一个门户系统。它侧重于实时采集和交换材料测试结果和所有参与者之间的其他实验室活动的信息。从射频识别读写器到中央数据库的数据传送将在建筑物内的无线网络连接以及开放环境中的全球移动通信系统（GSM）的帮助下进行。

2.问题陈述

建筑既复杂又高度分散，目前施工质量管理的采用纸质信息通信，非自动信息管理活动以及传统信息通信方法。传统上，使用人工方法每天收集大量的样本的数据既费时又费力还不准确且易出错。这产生大量的文书工作，并导致复杂的数据处理，也很难查询和获取。不可避免地，一些信息对项目参与者失去作用，再而，对有效的决策制定产生负面影响。因此，在测试实验室和项目参与者之间产生了时间和位置的缺口。因此，问题在于双方的数据采集与管理。应用自动化的数据采集技术，来收集和在参与者（例如，顾问和承包商）之间交换质量结果数据，可以提高施工质量管理。这使得承包商在必要时能够检查顾问和业主是否遵守规则。此外，共享某些质量数据可以帮助管理者通过跟踪问题和建议，并迅速解决来提高项目规划和控制。

3.在施工中射频识别技术的使用与现实问题

备受关注的射频识别技术是当前自动识别和数据采集技术中最重要的技术之一。由于其潜在的优势，如随时可用性，易于处理性和低廉的价格^{[ 6 ]}，射频识别技术已被认为是二十一世纪十个最伟大的贡献技术之一。在早期的研究，Jaselskis 等人^[7]总结了RFID技术并调查了其在建筑行业可能的应用，包括，混凝土的加工和处理，劳动力和设备成本编码，材料控制。射频识别技术已被应用在最近的一些研究中，以提高在施工现收集大量的工作数据的过程，在准确性和完整性方面，以消除由于丢失或不准确的数据造成的次要任务。这最大限度的减少了用于每一部分建筑的检索相关信息的时间和劳动力^[4,8]。

应用基于射频识别的系统，可以提高质量管理的性能，其信息的可获取性可提高收集数据采集的效率和有效性^[2,9]。

4.射频识别技术

射频识别技术是一种利用无线频率识别、跟踪和检测各种物体的方法，它可以帮助提高建筑行业的信息流的有效性和方便性^[5]。这项技术由带有天线的标签（应答器），带有天线的读写器（收发信机），和一个主机端组成。RFID读写器正如为一个发射机/接收机一样工作，它广播一个能“唤醒”标签并提供标签操作所需的能量的电磁场^[10]。射频识别标签位于芯片上，它是一种便携式存储设备，被封装在一个保护壳中，并且它可以连接到存储该对象的动态信息的任何对象上。标签包括一个小的集成电路芯片，以及天线，使得它们能够接收和响应来自读写器的无线电频率查询（图1）。标签可以分为只读（RO），单次写入，多次读取（WORM），读写（RW），其内置的内存容量在几位到几千位^[5]之间不等。RFID标签可分为有源标签（电池供电）和无源标签，无源标签的动力完全来自读写器传出的磁场，因此，有无限的寿命。读写的范围都依赖于操作频率（低，高，超高，和微波）。低频系统一般运行在125─135千赫。高频系统工作在13.56兆赫的超高频（UHF）使用频段在433兆赫至956兆赫而微波工作在5.8 GHz的2.45─[同上]。相比在其他频率，标签在超高频（UHF）下操作时通常有较长的读取范围。同样地，有源标签通常比无源标签有更长的读取范围。标签也因可容纳的信息数量，寿命，回收能力，连接方法，可用性和成本的不同而不同。有源标签需要内部电池源，因而其寿命较短，一般为3到10年^[11]。结合了外部天线的读写器，先通过无线频率从标签读取数据或写入数据到标签，然后再把数据传输到一台主机。射频识别标签更耐用，且更适合施工现场环境。射频识别标签不易损坏，不需要人工读写。它们是可重复使用的，可以在阳光下直接读取，并能在恶劣的环境下存在^[12]。

图1.射频识别系统

RFID技术可以单独使用，但如果用在任何数据传输技术，如与通用分组无线系统（GPRS）相结合会获得更大价值，以及对收集到的数据的共享的任何平台如门户系统大有益处。一个基于Web的门户网站是信息共享的理想平台，它将减少错误和提高操作流程的效率。当使用一个门户网站，所有与质量相关的信息可以通过一个网络接口获取，集中到一个工程数据库中。门户网站提供一个拥有唯一的数据库组织，该数据库无论是在内部还是组织之间，跨越了所有的功能系统的。该门户还提供身份验证和访问控制机制，以允许项目参与者以用户权限和活动相关的单元访问信息^[10]。

5.电子样本和测试编码系统

嵌入式射频识别标签在材料，样本，实验室零件中可能有各种形式，并且可以携带样本和测试相关的信息。另一种方法是把标签仅用于识别。在这种情况下，信息存储在数据库系统中。一个有效的施工质量管理体系面临的挑战是设计一个有效的施工质量标记系统。为了处理好全球技术标准编码的兼容程度，本文作者研究了一种新的电子样本和测试编码（ESTCode）系统的方式。射频频识别标签配备有一个独一无二的ESTCode。ESTCode是样本识别的下一代，且支持使用射频识别技术。作为样本和测试识别的ESTCode是用于报告并包含特定样本和测试的相关信息的基础。这一编码系统相当于EPC全球超高频电子产品代码（EPC），它用于提供在不同行业的与全球技术标准码的兼容程度^[13]。使用ESTCode可以唯一识别所有的样本和测试。ESTCode以数字来划分，这样可以识别实验室，材料和测试样本。

这些数字用来确定缺一的样本。ESTCode数字与一个标签相关联，并且，通过使用射频识别技术，ESTCode能够把它的数字传达给读写器，再传递给计算机系统。ESTCode的说明如图2。

图2 ESTCode说明

6.实施过程和指南

首先，为了实现成功的以射频识别为基础的自动识别和数据采集系统，一个管理团队必须在项目的早期就创建并负责项目的采购和实施系统。这个团队可以来自于客户方也可以来自承包商，或是这两者的结合。其次，为确保系统的成功实施和操作，有必要对实验室工作人员和管理人员进行必要的培训。第三，在系统实际实施开始前需要进行试点测试来识别任何可能的故障问题。

还需要一个可以阐明实施要求，并以一种高效的方式处理选定的技术领域内的所有关键问题的框架。这将有助于促进战略采用和部署技术在施工质量管理中的应用。来自建筑行业的其他产业和其他相关领域的可用的框架和报告如建筑信息模型（BIM）[ 14，15 ]，虚拟设计与施工[ 16 ]，建筑产品模型[ 17 ]和资产生命周期信息系统[ 18 ] 可能有助于这一产业在建筑质量管理的当前全球情况下技术的成功实施。图3显示了在建筑质量管理（CQM）中支持技术使用的可能框架的三个主要部分。

图3.建筑质量管理（CQM）和技术

技术的实施要求在图4所示的框架中表示。框架包括三个主要部分：技术实现水平、技术应用和标准、技术应用。

图4. 在施工质量管理的技术实现框架

a)技术实现水平

在这个框架中三个层次的实施，包括材料和项目的水平，实验室水平，和产业水平。由于不同层次的实现需要使用不同的标准和标准化的流程，这些水平的实现需要与具体的技术实现同时考虑。这不仅提高了组织间的沟通和协调，还提高了项目参与者之间的信息共享和组织内部的合作。这将产生一种一体化的实践方式。

b）技术应用和标准

在这个框架的三个主要部分中，技术又被进一步划分为两个关键的种类：标准和利用。

虽然技术标准可能从一个行业的角度来看是可行的，技术标准和具体细节的问题应该从实施的三个层次来处理。这些细节支持一种综合实践的方法，即在其所涉及的任何项目的参与者之间通过在建筑行业内的任何工序的建模和交换。

根据Jung和Joo^[14]所说，使用变量由战略，政策，程序，和手册组成，这对于成功实施都是至关重要的。策略和政策指导一个组织的所有活动，因而也描述了信息系统的不同要求。因此，在建筑质量管理中，为了实际实施和技术的成功实施，需要对实施策略和政策进行测试和评估。

行业需要注重通过教育项目和培训设施来营造学习氛围，这将导致在一个行业水平的技术采用的提高。这将提高实验室的信息和通信技术能力。此外，在任何国家的产业层面，国家机构应该建立对技术和实施过程的认识。这将会导致对所有相关的实际知识水平的提高，在工业界和学术界通过会议和研讨会产生一个借口。

设计技术接口要求程序作为一种用于建筑质量管理的技术实施的系统化和标准化的工具。这导致在相同的情况下总是获得相同的结果。最后，好的有组织的手册可以通过反映一个项目或一个组织的不同特性，以方便自动化操作。

c)技术应用

在建筑质量管理中，选定技术的实施需要涵盖施工过程中的项目生命周期阶段。这一阶段有其自身的特点和环境，因此，根据其不同的需求，分类可能会有所不同。这些技术在施工阶段有重要的作用。该框架强调了一些管理功能，包括识别样本，记录相关信息，获得初始数据和结果和数据分析。所确定的实施应该同时支持建筑内的环境和任何施工项目的开放环境。

在这种方法中，所提出的系统可以分为2个主要部分，硬件和中央站。硬件主要由2种硬件组成，即带有RFID读写器器的个人数字助理（PDA）和结合了RFID， GPS，与GSM的集成系统。中央站由2个服务器、应用服务器（门户系统）和项目数据库服务器组成。便于射频识别的材料和样本测试的流程图如图5所示。

图5.便于射频识别的质量管理的流程图

当制定好材料测试或样本被安置好时，数据收集就开始了。一旦材料或试样准备进行测试，它将被贴上一个包含唯一的身份和其特定的信息（即etscode）的RFID标签。实验室工作人员会将RFID标签贴到所有的样本和材料样本上。这些信息直接存储在标签上并存入数据库系统中，并将以相同的唯一标识作为对象的索引。为了建立基于这种技术的系统，应用于内部和外部使用有两种实施方法：

i)内部型：在这种配置下，一个插入到PDA的便携式的读写器，或者使用WiFi作为数据传输技术，应该由一个关键的实验室工作人员进行识别、更新和在测试生命周期中收集标记的项目（即材料样品或样本）。为支持实验室的自动数据采集，应该将连接到有固定天线的电脑的固定的RFID读写器安装到某些特定区域。由于数据在标签上更新，当它们进入了读写器的读取范围，读写器将自动识别识别这些数据，并将它们的信息通过有线或WiFi技术传送到到电脑。这样，相应的就用测试信息更

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