物联网助力智慧工地安全管控（附塔吊监控案例）

随着建设项目的规模和复杂性加大，参与方增多，工程项目的风险及管理难度也不断加大。智能识别终端技术的发展使得物联网（Internet of Things）技术得以在工程安全管理工作中应用实施，以此减少劳动力，提高安全风险辨识度，有效减少事故发生。物联网主要有自动识别技术、定位跟踪技术、图像采集技术、传感器与传感网络技术等，将以上技术应用于施工现场来实时监控各对象的安全状态，有效预防安全事故发生。学界已有对于物联网在智慧工地中的具体应用点、项目实践、系统设计、与BIM等软硬件的集成设计和信息化平台的构建等方面的研究，但对物联网在工地安全管理中应用的系统架构和框架流程设计研究较少。

1 基于物联网的智慧工地安全管控

1.1 基于物联网的智慧工地总体框架体系

通过关键词“智慧工地+物联网”对相关文献进行检索，在现有对智慧工地框架体系设计、数据传输及应用流程设计等研究的基础上，创新性的设计提出了基于物联网的智慧工地总体框架体系。该框架体系分为三个层次：1）施工现场利用传感器、移动设备等物联网终端实时感知各监管要素的所处状态，再通过数据传输及数据处理形成管理人员可用的信息，以便施工现场协同管理；2）企业通过监管信息平台进行业务管理，并通过数据挖掘进行经营分析和辅助决策；3）行业主管部门通过数据对建筑相关企业进行持续监督和跟踪改进。其框架体系如图1所示，其相较于传统施工方式可大大提升施工现场、企业和政府的管理效率，保障质量安全等建设目标实现，最终促进建筑业持续健康发展。

1.2 基于物联网的智慧工地安全管控体系

通过有关智慧工地文献的梳理，总结其主要应用方面如表1：

基于以上文献，总结出基于物联网的智慧工地安全管控体系架构。此架构依托物联网终端设备对施工现场监管要素进行数据采集，其主要采集终端包括传感器与传感网络、GPS定位装置、RFID芯片及读卡器、身份识别装置、视频摄像头和移动终端等；再通过数据采集仪、数据接口、传输协议将施工现场人机料环等监管数据传送到数据处理层，形成视频、位移、应力、位置等数据，以完善安全监管数据库，对于预警数据的统计分析也可有效预防安全风险发生；将物联网数据与BIM、GIS等数据集成展示可实现更高效的智慧工地协同管理，包括自动化监测、视频监控、人机料监管、危险源监测和环境能耗监测等模块，并支持大屏、固定终端和移动终端等多平台分发和轻量化展示。其整个安全监管体系架构如图2所示，其中包含了数据采集、数据资源库、协同管理、系统总体功能、多平台应用5大部分。

2 案例分析

由中建八局承建的山东省科技馆新馆项目位于山东省济南市槐荫区，是山东省重要的科技文化基础设施，其总建筑面积79997.2m2。新馆的建设大量使用四新技术，是济南市典型的智慧工地试点示范项目。课题组通过深入的实地调研，总结了该项目上基于物联网的安全管控应用内容；梳理其应用技术及应用对象，并以此设计了基于物联网的安全管控系统框架和安全管控应用框架；最后以塔机为例，具体阐述了监测数据的采集、传输及应用。

2.1 物联网在安全管控中的应用内容

本文通过实地调研，总结了物联网在该项目安全管控中的应用内容，如表2所示。

2.2 基于物联网的安全管控系统框架

本文通过对物联网应用技术的梳理，设计了基于物联网的安全管控系统框架，阐述了物联网感知技术、传输内外网络、处理和应用方式，其系统框架如图3所示。

（1）感知层。智慧工地应用了自动识别技术、传感技术、图像采集技术和定位跟踪技术等物联网技术，并通过物联网终端将感知到的数据通过内网传递给数据采集分站，由分站通过无线网络传输给网关，由网关负责经过网络传输统一上传。

（2）传输层。Zigbee无线定位网络具有双向短距离传输，功耗低，组网灵活，网络自愈能力强等特点，十分适合工地内组网。该工地主要利用RJ45RS485/232.光纤环网、Zigbee无线环网、WIFI、3G/4G、Internet等网络技术实现感知层采集到的各类数据通过接口和协议传输到物联网中间件服务器，再传输到应用软件系统。

（3）处理层。系统运行管理平台提供多种物联网设备接入技术，通过不同类型的感知设备适配器获取海量原始数据并解析，将解析后的数据经过云计算、数据挖掘等智能处理方式形成透明的感知数据供上层应用。

（4）应用层。将各类有价值的数据进行提取分析后，通过模型、图表、视频及超限预报警等方式进行展示，并能自动统计分析和辅助决策，方便管理人员实施监管。

2.3 基于物联网的安全管控应用框架

通过对物联网应用对象的梳理，设计了基于物联网的安全管控应用框架，阐述了智慧工地的物联网感知对象，传输数据类型，处理过程和应用方式，其系统框架如图4所示。

首先对人员、机械、环境的作业状态，建筑结构的变形、位移和施工过程中的工艺工法等要素进行实时感知，再通过内网采集和外网传输将文档、图像、视频等数据运送到数据处理器中，数据经过融合、过滤、分组、关联和聚合，可视化的在信息化平台、固定和移动终端上进行集成展示，管理人员可实时监管各要素的安全状态，从而管理工人、指导施工、预测风险，也可作为措施和方案编制的依据。该框架体系通过对感知数据的处理和应用，有效提升了智慧工地安全管理效率及效果，其应用流程如图4所示。

2.4 塔机数据采集、传输及应用

2.4.1数据采集

该项目上塔机信息的收集渠道有多种，一是通过传感器采集其运行数据、运行时间等；二是通过GPS采集其位置和运行轨迹数据；三是通过视频监控自动识别群塔作业状态和周边环境风险；四是安全巡检人员通过移动终端记录上传机械和危险源的状态。塔机的安全运行受到多方面因素的制约，其监测参数如表3所示。

2.4.2数据传输

该项目物联网数据的传输包括通过工地内组网进行数据采集、收集和通过外网传输到运行管理平台或是监控中心，其传输路径如图5所示。

2.4.3 数据应用

将采集的塔机数据经过处理分析，形成管理人员可应用的数据，由此进行塔机运行状态监控管理、数据存档管理和数据统计分析，塔机数据的应用如图6所示。

现阶段，基于物联网的工地数字化建造监管仍处于摸索阶段，主要用于重点项目的重点监管区域，对于其应用的推广受到多方面制约因素。一是数据的交互程度和系统集成度，其根本影响因素为数据标准的统一，数据接口、传输协议的规范，因此数据格式、接口、传输协议的统一是下一步研究的重点；二是智慧工地的安全监管涉及较多外部性效益，而技术的研发、系统平台的搭建、设备的购买会产生大量费用，这会减少企业对数字化技术应用动力，因此，政府对智慧工地外部性效益补偿机制的研究也是亟待探索的一项课题。

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