基于UML的脚手架安全管理系统模型研究.docx

基于 uml 的脚手架安全管理系统模型研究王成武 1，薛小龙 2，赵祺 1，朱潇 2，骆亚卓 3（1. 中国建筑第五工程局有限公司，广东 广州 510335；2. 哈尔滨工业大学 管理学院，黑龙江 哈尔滨 150001，e-mail：；3. 广东工业大学 土木工程学院，广东 广州 510006）摘 要：由脚手架工程引起或与之相关的建筑生产安全事故数量多，危害性大，主要原因在于脚手架工程的复杂性和缺乏有效的现场管理。脚手架安全管理系统可以提高施工现场脚手架安全管控能力，减少脚手架安全事故带来的损失。为实现脚手 架安全管理工作的程序化、规范化和高效化，分析现有的脚手架安全管理规范和脚手架安全管理人员工作任务，明确脚手架 安全管理的需求和流程。在分析的基础上构建脚手架安全管理系统模型，采用 uml 用例图、类图和部署图描述系统功能和 框架。脚手架安全管理系统模型的研究为脚手架安全管理系统的开发集成奠定基础。 关键词：脚手架安全管理系统；统一建模语言；用例图；类图中图分类号：tu731.2文献标识码：a文章编号：1674-8859（2014）05-104-05 doi:10.13991/ki.jem.2014.05.021uml-based scaffolding safety management systemwang cheng-wu1，xue xiao-long2，zhao qi1，zhu xiao2，luo ya-zhuo3（1. china construction fifth engineering division corp.ltd.，guangzhou 510335，china；2. school of management，harbin institute of technology，harbin150001，china，e-mail：；3. school of civil engineering，guangdong university of technology，guangzhou，510006，china）abstract：according to complexity of scaffold engineer and lack of effective management on site， the scaffold engineering is oneof the larger risk division of construction engineering. the scaffolding safety management system can strengthen the ability of safety control and reduce the accident rate on construction site. this paper analyzes the existing scaffolding safety management criteria and clarifies the scaffold safety management requirements and procedures to program and standardize scaffolding safety management. scaffolding safety management system is described by uml including uml use case diagram and class diagram. this paper makes foundation for the integration of scaffolding safety management.keywords：scaffold safety management system；unified modeling language；use case diagram；class diagram由脚手架引起或者与之相关的生产事故是发生数量最多、危害最严重的施工安全事故。坍塌、 高处坠落、物体打击等事故类型都与外脚手架或防 护网的搭设相关。据住房和城乡建设部通报的 2013 年房屋市政工程生产安全事故情况，2013 年我国共 发生建筑生产安全事故 500 起，死亡人数达 644 人。 其中，与脚手架相关的事故类型所占比重较大。外脚手架工程的复杂性与管理控制的复杂性，是导致脚手架工程事故多发的主要原因。传统脚手架工程 安全管理主要依靠施工人员的技术水平与管理人 员的现场监督来完成，这种主要依靠经验与直觉的 安全管理方法，缺乏及时的监督与监测过程，对施 工过程中的人不安全行为以及脚手架结构的不稳 定因素都难以实时的发现和纠正，难以满足现代脚 手架安全管理的需要。构建脚手架安全管理系统减 少人的失误，分析物的安全状态，是保证外脚手架 安全生产稳定进行，降低事故发生率的有效途径。 国内学者研究不同类型脚手架的安全管理，主收稿日期：2014-02-26基金项目：十二五国家科技支撑计划（2011baj10b06、2014bal05b06）； 国家自然科学基金项目（71390522、71271065）； 广东省自然科学基金项目（s2013040013159）； 中国建筑第五工程局 2012 年重点课题第 5 期王成武，等：基于 uml 的脚手架安全管理系统模型研究105要包括支模脚手架、边坡脚手架、整体提升外墙脚手架和悬挑式脚手架等。研究内容涉及稳定性分 析、保护措施、防护技术、事故与预防和风险分析 等。在系统研究方面，研究人员通过总结和比较国 内外支模脚手架安全管理控制系统的特点和成效， 对我国现行支模脚手架安全管理控制系统进行了 研究；将安全管理控制程序及专利加固技术应用于 锦屏一级水电站脚手架搭设工程中，为脚手架搭设 及施工安全管理控制提供了有效手段1。国外脚手 架安全方面的研究侧重于案例研究、安全评估和脚 手架设计建模。研究人员系统地介绍了高层建筑脚 手架，并探讨了脚手架的安全、设计和施工问题2； 分析因不适当地选择脚手架系的而导致失败的案 例3。在脚手架安全管理信息化方面，学者提出脚 手架支护监测方法，该方法利用监测仪器获得脚手 架支护构建的轴向力和侧向力，通过比较需用应力 确定脚手架安全状态4。近些年来，随着高层建筑和超高层建筑的发 展，建筑施工的各项技术面临着新的严峻挑战。国 内外学者在脚手架方面的研究集中在工程情况复 杂、施工难度大和技术水平要求较高的工程问题 上，对高层建筑脚手架方案设计和施工保护措施具 有指导意义。但是在脚手架安全管理方面尚未形成 一般的管理流程，管理方法的具体形式难以有效地 移植和扩散。本文以 uml 为建模语言，支持脚手 架安全管理需求、分析整个流程设计的建模过程。脚手架安全管理系统模型，分析脚手架安全管理系统需求，通过用例图和类图描述系统框架。 以本文在分析脚手架安全管理需求，采用 uml语言构建规范化、制度化和程序化的脚手架安全管 理系统模型。2脚手架安全管理系统需求分析依据脚手架安全管理的有关规范，结合建筑企 业安全管理组织和管理人员工作经验，分析脚手架 安全管理系统需求。当前，我国共有 14 个与脚手 架工程直接相关的规范和标准。其中涉及脚手架安 全管理的规范和标准有两个：建筑施工扣件式钢 管脚手架安全技术规范（jgj130-2011）和悬挑 式脚手架安全技术规程（dg/tj08 2002-2006）。结 合规范要求和工程实践中的具体操作，将脚手架工 程从开始到最后结束划分为 4 个过程：搭设、检查 验收、使用、拆除。2.1 脚手架搭设管理流程在脚手架工程专业招投标过程中，应严格审查 作业单位的资质，确保投标单位具有相应的专业技 术水平。脚手架施工单位应该依照相关标准规范， 编制外脚手架施工方案，进行企业内部审核，并由 企业技术负责人签章，企业审批完成后，提交监理 单位审核以及建设单位审批。审批通过后的方案， 必须严格执行，确保按照方案标准施工。在方案的 实施准备阶段，须对进场工人进行资格审查和技术 交底、安全交底。确保作业人员符合特种作业人 员安全技术考核管理规则（gb 5036）规定，并且 明确相关操作标准和工艺流程。还须对进场材料进 行检查验收，包括质量证明文件的收集，以及材料 构件的送检检验，确保材料构建检验合格后，才能 应用于施工作业。搭设悬挑外脚手架时，应先铺悬 挑工字钢、摆放扫地杆，逐根树立立杆并与扫地杆 扣紧，依次逐步安装大横杆和小横杆，并安装连墙 件等构件，使用前须进行检查验收。在脚手架施工 过程中，应该确保作业人员的安全措施配备齐全， 包括安全帽、安全带和防滑鞋等必要的安全设施， 对建筑物外侧实行全封闭围挡，设置密目安全网。 2.2 外脚手架检查验收流程施工单位对脚手架的检查时应该对照脚手架验收检查表的内容逐项检查，这样就可以避免检查 的漏项。检查合格后应该邀请监理单位和甲方对脚 手架进行验收，如果存在问题，需要对不合格的地 方进行整改。监理单位对施工单位发出安全隐患整1统一建模语言 uml 概述面向对象编程（object-orented programming） 是综合了以 booch、jacobson、rumbaugh 为代表人 物的 3 种 软件建模 方 法而成的 统 一建模语言 （unified modeling language，uml）5。uml 是 一种定义良好、易于表达、功能强大的建模语言。 使用 uml 对脚手架安全管理进行系统分析和设 计，使功能层次清楚，角色任务明确，便于团队沟 通，可以提高工作效率，保证系统设计的可靠性6。 uml 模型由事物、关系和图构成。应用 uml 语言 分析复杂系统包括以下几个步骤：系统需求分析、 uml 模型描述和模型修正。其中，uml 模型描述 系统，构建了系统的框架，消除了描述的语义差异。 uml 模型包括用例图、类图、顺序图、协作图、 状态图、活动图、构件图和部署图。用例图和类图 是最基本模型，其他图形则是这两类图形的派生或 延伸，图与图之间相互联系。本文采用 uml 建立106工程管理学报第 28 卷改通知，施工单位立即整改并向监理单位发出安全隐患整改通知回复，检查合格后签署脚手架交接 验收单，在醒目处挂上脚手架验收合格牌并进行 文档备案。2.3 脚手架的使用管理流程脚手架在验收合格通过投入使用后，需要注意 日常的检修才能使其保持在良好的安全状态。脚手 架日常的保养和维修应当每天一次，定期的维护保 养一般每月进行一次。所以要求作业队对外脚手架 进行日常的和定期的保养与维修。同时在悬挑式脚 手架停用时间超过一个月或遇六级（含六级）以上 大风或大雨（雪）后，应按要求进行安全检查，检 查合格后方可继续使用。根据评估的安全等级悬挂 安全警示牌，对于不安全的部分应该做出整改。检 查完要对安全检查资料进行备案。需要停工整改 的，甲方对施工单位发布停工通知书，施工单位项 目部完成停工整改后提交项目部安全检查及隐患 整改记录，提出复工申请，甲方会同监理检查同意 可以复工，并对所有文档备案。2.4 脚手架拆除管理流程脚手架使用完毕后立即拆除，拆除须经项目经 理批准，同时需报监理单位，在监理单位的脚手架 拆除申报表批准后开始拆除。在拆除之前需要检查 脚手架是否稳定和安全，对不稳定和不安全的部位 要加固。明确拆除的顺序和方法，对作业人员进行 技术交底，对脚手架上的垃圾杂物要进行清理。在 出入口设置停用标志和围栏，在坠落范围内明显位 置设置“禁止入内”的标识。在做好这些准备工作 之后方能对脚手架进行拆除，拆除过程中要对作业 人员的安全防护措施佩戴情况进行检查，对拆除下 来的材料要及时归类和整理。观察到的系统功能模型图，系统中的每一个功能单元称之为用例。脚手架安全管理系统用户是建设、 管理和维护脚手架的相互关联的部门和个人。脚手 架安全管理的参与方包括甲方、监理，项目部、安 全部，评审专家，专业队伍，材料供应商，各部门 职责见表 1。明确各部门职责，才能提高信息传递 效率，快速、灵活和准确地解决工程问题。表 1 脚手架安全管理组织机构及职责表部门职责项目部负责脚手架工程外部环境、全过程和安全状态的管理工作，是脚手架安全管理工作的中枢部门 负责存储和分析与脚手架相关的资料，对脚手架进行 监测与预警；参与脚手架工程外部环境、全过程和安 全状态的管理 负责脚手架工程施工和整改；参与脚手架工程专业队 伍管理负责脚手架材料供应，参与物资管理 参与脚手架工程验收，采用评审和审批的管理方式约 束脚手架工程重要节点，保证脚手架施工满足设计要 求 参与脚手架工程评审，论证脚手架方案的可靠性和安 全性安全部专业队伍材料供应商甲方、监理评审专家按照规范要求，结合各部门工作需求设置脚手架安全管理系统功能。各个部门制定的标准管控程 序集中体现了工作需求，功能设定应该与管控程序 的目的与适用范围、职责、具体任务说明、操作步 骤、负责人员等相适应。构建的系统应遵循上述原 则，保证用户与脚手架工程的协调一致性，可以提 高脚手架安全管控能力。在功能分析的基础上，构 建脚手架安全管理系统的用例图，如图1所示。在 uml中，用一个椭圆来表示。脚手架安全管理的用 例包括：方案设计、申请审批、施工组织、工程施 工、验收使用和一系列实现以上业务的辅助用例， 如应急管理、资料存储分析等。3.2 构建脚手架安全管理系统类图类图以反映类和类之间的关系为主要目的，描 述了系统的结构，是一种静态建模方法。类是对现 实世界中事物的抽象，包含类名、属性和操作三部 分，其中类名不可缺省。类图通过关联、泛化、实 现及各种不同的依赖描述类之间的关系。脚手架安全管理系统的主要建设目标是提供 集成的通信能力，提高脚手架工程效率；通过信息 采集和分析，整改不合格点；获得脚手架安全状态 的综合信息，对不安全状态预警。进一步分析获取 的信息，辅助管理决策。脚手架安全管理系统中的 类主要用于表达工作事项所需资源和工程领域中 的知识，以使工程参与人员能够理解系统所实现的3脚手架安全管理系统的框架设计采用 uml 模型将各脚手架安全管理人员、工 作事项和应急响应措施统一在一套完整的智能化 信息处理与通讯方案之中，通过配备信息网络和通 信系统等管理服务资源，形成脚手架安全管理系 统。系统为脚手架工程参与人员提供通讯与信息保 障，为脚手架安全管理工作提供全面、准确和实时 的信息源，提高脚手架安全管理工作效率，对脚手 架工程中的突发情况进行快速、准确和灵活的响 应，降低脚手架安全事故率。3.1构建脚手架安全管理系统用例图用例图从用户角度描述系统功能，是用户所能第 5 期王成武，等：基于 uml 的脚手架安全管理系统模型研究107表 2 脚手架安全管理系统信息的类型信息分组类名简单描述脚手架信息一般控制点信息、关键控制点信息、监测点由3个类共同描述脚手架构成元素的信息，脚手架安全状态信息 由元素信息构成 由描述脚手架工程安全管理过 程中所有的个人和组织，可根据 需要扩充在规范性文件和制度文件指导材料供应商人员和组织机 构信息 行动方 案信息管理人员、专家、专业队伍、材料供应商、项目部专业队伍项目部安全专项方案、施工组织方案、规范流程、检查表、 下，描述脚手架施工方案和安全甲方监理应急预案管理流程的设计文件、步骤和规范表格构成描述脚手架搭设现场的地址状 况和周围环境信息，主要关注灾 害性外部条件信息。 文本、图片或媒体等非结构化信 息，可作为预案、脚手架等附件， 类型可扩充地理和环境信 息 其他支 撑信息地质状况、地质灾害信息，台风、暴雨等气象灾 害信息 文件、视频音频、标准规 范、制度规范、典型案例安全部评审专家图 1 脚手架安全管理系统用例图业务。因此，有必要针对应用现场和用户情况选择最便捷的信息和功能组合方式。 脚手架安全管理中所需要的信息可以分组为脚手架信息、人员和组织机构信息、行动方案信息、 地理和环境信息和其他支撑信息等，这些信息共享 在信息资源平台中。脚手架安全管理系统类图描述 系统的类型及关系，如图 2 所示。类图着重描述了 脚手架安全管理过程中的主要信息类型和结构，如表 2 所示。员和组织机构信息及行动方案信息是系统控制脚手架安全管理工作流的基础；脚手架信息及地理和 环境信息是脚手架安全管理系统监测的重点信息， 这些信息是评估脚手架安全状态的依据。法律法规 和规范标准是脚手架安全管理工作中的指导性文 件，系统及时更新，分析并辅助决策。信息形式多 样化，为现场取证、安全教育和协同工作提供给了 灵活的方式，有利于提高安全管理工作的效率、减 少人力和安全成本的投入。3.3 构建脚手架安全管理系统部署图外脚手架安全管理系统的构建和功能实现，需 要配备相应的软硬件环境。采用 uml 部署图描述 软硬件环境的部署，如图 3 所示。部署图中长方体 表示节点，由软件和硬件构成。节点间连线表示节 点连接方式。图 2 脚手架安全管理系统类图图 3 脚手架安全管理系统部署图脚手架安全管理系统结构的核心是信息资源平台，获取了脚手架工程各参与方在不同阶段的关 键信息，如方案论证、开工申请和加固措施等。人脚手架安全管理系统中的硬件主要包括：移动智能终端、传感器、服务器和网关。典型的移动终 端有智能手机、pda、平板电脑、笔记本电脑和 rfid现场方案协调设计物资施工管理组织专业队日常伍管理检查工程应急施工管理工程识别工程资料存 整改储分析工程评审验收监测审批预警工程 结束108工程管理学报第 28 卷读写器。在选用移动智能终端时，需要考虑的指标包括：报价、处理器性能、存储设备、显示屏尺寸、 网络连接模块、媒体输入/输出功能、电源参数和其 他技术功能模块。传感器对外界环境具有感知功 能，可以探测物理信号和化学组成。传感器在建筑 业应用较为广泛，是物联网技术的分支。脚手架安 全管理系统，在传感器的选取中，重点关注传感器 的采集数据类型、数据传输方式、射频特性、环境 影响、电气特性和机械尺寸等指标。部署图中服务 器分为应用服务器和数据库服务器。应用服务器是 整个系统的处理中心，用户的请求、运算、分析和 判断等操作都在应用服务器中运行。数据库服务器 是信息仓库，提供查询、更新、高速缓等服务。网 关是脚手架安全管理系统的重要组成部分，是网间 连接器、协议转换器。网关是一个翻译器，能够联 系使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体 系结构完全不同的两种系统。网关也可以提供过滤 和安全功能。脚手架安全管理系统集成了众多技术 模块，模块之间、模块与服务器间的信息传递需要 网关协调。部署图中的软件部分可由系统集成化开发环 境表达，其层次结构包括用户界面层、工具对象层 和共享数据库层。用户界面层是系统与用户交互的 界面，通过 web 浏览器、wap 浏览器或桌面程序等 实现。用户通过该层次可以实现进度信息的输入/ 输出、修改和共享操作。工具对象层的技术包括： cgi、jave、jsp、netsercices、php 等。工具对象 层是联系用户界面层和共享数据层的纽带。共享数 据库层能够通过临时或永久的方式存储和组织外 脚手架安全管理相关信息。节点间连接技术包含接口技术和网络通信技 术。节点间信息互通可以通过人工导入/导出来实 现，也可以通过计算机编程来实现。前一项方案不 需要过高的技术要求，成本较低，但流程相对繁琐； 后者技术要求较高，尤其是接口技术，并且受到接 口是否开放的限制，需要一定的研发投入，常用的 接口技术有 vba 和 api。vba 为使用 office 套装 软件的用户提供了面向对象的程序设计方法，有助 于使工作自动化，提高工作效率。api 是一些预先 定义的函数，开发人员调用函数实现基于某软件或 硬件访问的能力，无需访问源码，或理解内部工作 机制的细节。为了方便信息传输，不增加项目管理人员信息系统维护负担，脚手架安全管理系统适宜选用无线网络。4结语脚手架工程安全事故在我国建设工程安全事 故中所占比重较大。脚手架工程事故影响整个工程 项目进度和公众生命财产的安全。为规范脚手架工 程建设和安全管理流程，提高工作效率，全面提高 的脚手架安全事故应急能力，降低安全事故率，有 必要建立脚手架安全管理系统。本文以 uml 作为 建模工具，应用于脚手架安全管理流程分析与设 计，明确各部门间关系和职责，归纳脚手架安全管 理工作中的类，建立了脚手架安全管理