信息化守護建筑工地平安
——“數字化平安工地”系統工程

近年來，隨著我國經濟建設的快速發展，建筑工地塔吊和施工升降機的產量和擁有量增長迅猛。在我國，僅塔機保有量已達70萬臺，這不可免地帶來了各種安全隱患。當前我國建筑安全生產的情況是總體穩定、趨于好轉的發展態勢與依然嚴峻的形勢并存，機遇與挑戰同在。

從國際范圍來看，建筑生產安全事故亦屢有發生。頻繁的起重機事故促使歐美等發達國家自2001年后開始應用全參數監控系統，迅速改變了頻繁發生事故的被動局面。有關數據顯示，全參數監控系統運用后，事故率下降了88%，這為建筑行業運用信息化預防事故樹立了榜樣。

在各種因素的影響下，我國建筑行業信息化水平有了較大提高，部分城市的建筑安全管理部門已經建立了覆蓋管理業務職能的工程項目管理系統、視頻監控系統等，為促進行業管理起到了良好的激勵作用。為了加大行業監督管理力度，也為了提高建筑行業安全監管水平和應急保障能力，促進區域建筑工程安全形勢持續穩定提高，由黑龍江共友科技發展有限公司研發與黑龍江宏達建筑工程有限公司聯合實施推出了“數字化平安工地”系統工程。

“數字化平安工地系統”由基于物聯網技術的“共友塔機安全監控管理子系統”（特種生產設備監控）、基于傳感技術的“施工升降機起重量限制子系統”和“建筑工地遠程視頻監控管理子系統”（工地現場視頻監控）三部分組成。

一、塔機安全監控管理子系統

近年來，塔吊以其高效率的垂直運輸能力在建筑行業得到大量應用。國內建筑工地運行的塔吊約70萬臺，并以每年10%的數量增加。然而，各類塔吊運行安全事故的發生，給國家和人民的生命財產安全帶來了巨大的損失和隱患。據統計，塔機事故占到了建設工地重特大安全事故的近三分之一。究其原因，趕工期、搶進度，違規超重、超力矩起吊作業，塔吊碰撞、結構疲勞失穩，以及各種違規操作、超載作業等是事故發生的主因。

由此可見，加強監督和控制，引導塔吊規范操作有助于有效遏制事故的發生。然而，塔吊的安全監管一直是業內的難題。一方面，塔吊的數量眾多，屬于高空作業，違規操作行為隱蔽且難于取證。另一方面，常規塔吊機械式限位裝置性能差，易遭到人為屏蔽和破壞。

圖1 “數字化平安工地系統”解決方案拓撲結構圖

目前，建筑工地實際應用的塔吊絕大多數均屬于機械式限位，屏蔽破壞限位裝置幾近常態。現有塔吊記錄儀、塔吊黑匣子的實際作用比較有限，且采用的是封閉式的監測、記錄方式，不僅容易遭到屏蔽破壞，難于監管，而且主要用于事故后分析，滯后處理意義不大。

2010年1月21日，全國建筑塔吊安全監控系統應用交流會在哈爾濱市舉行，這次應用交流會為解決塔吊監控難題打開了思路，黑龍江共友科技發展有限公司推出了塔吊安全監控系統，能夠采集并記錄塔吊的運行工況，進行塔吊現場監控、預警報警，打造開放式塔吊安全實時動態遠程監控平臺，并為塔吊司機提供實時操作指南。

該系統是根據國家標準GB/T5031-2008 《塔式起重機》、國家標準GB5144-2006《塔式起重機安全規程》和原建設部令第166號《建筑起重機械安全監督管理規定》由黑龍江共友科技發展有限公司自主創新研發的GBST-100型塔吊安全監控系統。

這套系統基于傳感器技術、嵌入式技術、數據采集和融合技術、無線傳感網絡技術、遠程數據通信技術，高效率地完整實現建筑塔吊單機運行和群塔干涉作業防碰撞的實時監控與聲光預警報警功能，并在報警的同時可選擇自動終止塔吊危險動作。

2010年，國務院發布“國務院關于進一步加強企業安全生產工作的通知”，在第9條“強制推行先進適用的技術裝備”中特別提出“大型起重機械要安裝安全監控管理系統”。

（一）開放式的實時動態監控

與過去的塔吊機械式限位器以及塔吊“黑匣子”或塔吊記錄儀的封閉式監控、記錄不同，GBST-100 型塔吊安全監控前端監控裝置和后端遠程監控平臺無縫融合，實現了開放式的實時監控，在對塔吊實現現場安全監控、運行記錄和聲光報警的同時，通過遠程高速無線數據傳輸，將塔吊運行工況安全數據和報警信息實時發送到遠程GIS可視化監控平臺，并能在報警時自動觸發手機短息向相關人員告知，從而實現實時動態的遠程監控、遠程報警和遠程告知，使得塔吊安全監控成為開放的實時動態監控。

圖2 塔吊安全監控系統架構

（二）系統硬件組成

圖3 塔機安全監控管理系統組成

在塔吊安全監控系統中，主控器連接各個傳感器，并把傳感器的電信號轉化為數字量進行相應的處理，最后在顯示器上顯示塔吊的工作狀態。鋼繩專用旁壓式測重傳感器有較高的精度，安裝方便，不需改動塔吊結構。變幅、高度傳感器波坦因無觸點電位傳感器負責測量小車變幅和吊鉤位置。轉角傳感器采用編碼器技術研制，能夠精確測定塔吊工作轉角。顯示器為工業級液晶顯示器，抗干擾、耐低溫，并能夠實施屏面保護。無線傳感器網絡組網，進而實現塔吊實時相互通信。

圖4 塔吊安全監控系統示意圖

圖5 無線傳感器網絡組網

（三）塔吊安全監控系統功能

1、塔吊運行數據采集

通過精密傳感器實時采集吊重、變幅、高度、回轉轉角、環境風速等多項安全作業工況實時數據。

2、實時顯示

通過顯示屏以圖形數值方式實時顯示當前實際工作參數和塔吊額定工作能力參數，使司機直觀了解塔吊工作狀態，正確操作。

3、單機運行狀態監控

監控單臺塔吊的運行安全指標，包括吊重、起重力矩、變幅、高度、工作回轉角及作業高度風速，在臨近額定限值時發出聲光預警和報警。

4、單機防碰撞監控

監控單臺塔吊與建筑物的干涉防碰撞、禁行區域、塔吊自身各種限位，在臨近額定限值時發出聲光預警和報警。

5、塔吊群防碰撞

監控塔吊群實時干涉作業的防碰撞，使塔吊司機直觀全面地掌握周邊塔吊與本機塔吊當前干涉情況，并在發現碰撞危險時自動進行聲光預警和報警。

6、遠程可視化監控平臺

塔吊運行數據和報警信息通過無線網絡實時傳送回監控平臺，基于GIS技術實現塔吊安全運行可視化遠程監控。實時、動態、開放性監控，從根本上防止反監控屏蔽，監控平臺數據庫完整存儲塔吊運行安全的全部歷史數據，可根據需要進行各種綜合查詢，并能輸出書面報表和電子表格。

圖6 遠程可視化監控平臺主界面

圖7 方便的氣泡信息查詢提示

圖8 遠程可視化監控平臺信息化查詢視圖

7、手機短信報警告知

違規操作發生時，系統觸發手機短信告警，向有關人員自動發送手機短息，實時告知報警內容。

（四）系統應用推廣情況

共友GBST-100塔吊安全監控系統已在黑龍江省哈爾濱市、大慶市、齊齊哈爾市、吉林省吉林市和延邊州以及其他十余個省市得到建設安全主管部門推廣實施，目前已在數百個建筑工地成功安裝和運行。

上述地市建設安全主管部門塔吊監控遠程監管平臺由共友公司負責架設和維護，與前端設備無縫融合。其中，哈爾濱市塔吊安全遠程監控平臺是國內最先投入實際運行和目前監控點容量最大的塔吊安全監控平臺。

二、施工升降機起重量限制子系統

違規超重、超載不僅是造成塔吊事故的主因之一，超負荷運行同樣是建筑行業升降機事故的最大隱患。如果升降機長期在超負荷狀態下運行，設備就很容易加速磨損，出現鋼絲繩斷絲、承重梁應力斷裂等破壞性險情，嚴重威脅人們的生命和財產安全。為防止施工升降機超載運行，施工升降機國家標準 GB/T10054-2005制定了嚴格的規定。標準的落實需要特定設備的配合，來顯示升降機承載的重量，一旦超載必須報警。

（一）系統工作機制

“施工升降機起重量限制子系統”能夠測量當前載貨或載人的轎箱重量，當所測重量超出額定重量時，系統會輸出相應的信號，同時有相應的聲光報警，有效防止升降機超負荷工作的情況出現，為升降機的安全性、舒適性提供了保障，益于延長升降機使用壽命。這種新型載荷控制系統采用了先進的壓力傳感技術，使稱重靈敏度和精度大大提高。系統的起重量限制器是為控制起重設備的載荷專門設計而成。

超載檢測在吊籠靜止時進行，超載保護裝置在載荷達到額定載重量的90%時給出清晰的報警信號，并在載荷達到額定載荷的110%前中止吊籠啟動。“施工升降機起重量限制器”自帶滿載及超載報警蜂鳴器和報警指示燈，一個超載繼電器觸點，用于切斷控制電機的控制電路使驅動電機失電。

施工升降機起重量限制器與施工升降機專用稱重傳感器配合使用。其工作原理如下：在彈性范圍內，物體的變形和所受到的外力成正比。貼在物體上并組成平衡電橋的電阻應變片在物體受到外力時變形，自身阻值改變，電橋因此失去平衡輸出和外力成正比的微弱電壓信號。將此信號放大，并經過模擬量到數字量的 AD轉換送給微處理器CPU，CPU與事先設定好的數值比較，從而獲得所需的各種信號，包括滿載報警，超載信號等。

（二）系統實現的功能

1、裝置采用三位數碼管，正常工作狀態用于顯示升降機當前實際重量，調試狀態用于顯示升降機儀器設置信息，方便用戶操作。

2、可按要求進行觸點輸出，以實現控制升降機。

3、運用軸銷式傳感器，而且備有多款傳感器，可以根據用戶需要自由選擇。

4、裝置采用對升降機啟動瞬間進行采樣延時處理，保證在升降機啟動瞬間不會因為慣性原因導致誤報警。

5、控制儀具有故障自診斷功能，當系統故障時輸出報警信號。

6、控制儀具有數據鎖定功能，非設備管理人員不能改變儀器內參數，保障施工升降機安全運行。

7、采用微機智能控制，簡便易學。所有調整操作通過按鍵和菜單操作完成，無需人工調節電路板上的元器件參數。

8、載荷學習功能，用于學習空載時吊籠的重量和額定載荷時的總重量。

9、滿載報警和超載載荷值可根據實際情況通過菜單操作、設置，靈活方便。

10、提供傳感器航空插頭輸入和端子接線輸入途徑，兩種輸入方式用戶任意選擇。（使用時二者選其一）。

11、可根據實際情況，通過菜單設定所使用的傳感器數量，便于配套使用不同結構的傳感器。

12、自帶滿載及超載報警蜂鳴器和指示燈，當載荷超過滿載設定值時，蜂鳴器間斷鳴叫，報警指示燈也是間斷閃爍。當載荷超過超載設定值時, 蜂鳴器一直鳴叫，報警指示燈也是一直點亮，以提示升降機操作人員注意已經超載。

（三）系統技術參數

圖9 起重量限制器尺寸及安裝圖

電源電壓：AC 220V 50～60HZ (電壓允許波動范圍 –15%～+10 %)

繼電器開關量輸出負載能力：5A

開關量輸入電壓等級：DC24V，與內部電路通過光耦隔離。

LD-IS限制器外型尺寸：長 × 寬 × 高=166 × 110 ×62 (單位：mm)

圖10 起重量限制器由控制器、銷軸式稱重傳感器兩部分組成

圖11 傳感器外形尺寸示意圖

圖12 傳感器安裝示意圖

三、建筑工地遠程視頻監控管理子系統

建筑工地是一個安全事故多發的場所，杜絕各種違規操作和不文明施工行為一直是施工企業、政府管理部門關注的焦點。利用現代科技，優化監控手段，實現實時的、全過程的、不間斷的安全監管也成了建筑行業安全施工管理待考慮的問題，為此，各地方建設局（建委）都明文規定：轄區內的建筑工地必須安裝音視頻監控系統以供遠程監視，并錄像取證。

隨著科技高速發展，視頻信號經過數字壓縮，通過互聯網寬帶或者移動3G網絡傳遞，可實現遠程視頻監控功能。將這一功能運用于施工現場安全管理，勢必會大大提高管理效率，提升監管層次。該監控系統的運行，將使施工企業躍上新的管理平臺，政府監管力度得到加強，及時有效地掌握現場施工動態情況。

依據《中華人民共和國公共安全行業標準》GA/T75-94、《建筑智能化系統工程設計標準》DB32181-1998、《建筑與建筑群綜合布線系統工程設計規范》（GB/T50312-2000）、《中國電氣裝置安裝工程施工及驗收規范》GBJ232-82、《商業建筑物綜合布線系統國際標準》（ISO/IEC11801）及《工業企業通信接地設計規范》，建筑工地遠程視頻監控管理子系統被研發出來。

（一）系統建設目標

建筑工地遠程視頻監控管理系統建設的目標是，通過網絡攝像機隨時隨地監控建筑工地現場的狀況。設備拆裝方便，可隨時布置于新工地（可二次利用）；對各種工程車輛進行視頻監視；可在任何一臺能夠連接公網的電腦上監控多個監控點的信息，實現全方位監視；通過鏡頭及云臺，對現場的部分細節進行縮放檢視；錄制現場監視情況，隨時檢索回放，杜絕危險事故及非法盜竊等行為，減少工地物資損失；系統配備紅外燈，能夠在夜間、強光等惡劣狀況下正常工作。

（二）遠程視頻監控管理功能

1、遠程音視頻監控

遠程音視頻監控系統能夠全天候監控掌握動態即時信息，發現問題及時整改。可以觀察并即時掌握現場施工動態信息。信息包括：

A、門衛管理：如工程設備、設施、材料進場管理、工作人員進出施工現場、安全通道設置、安全“七牌二圖”宣傳告示等情況。B、場地管理：如材料堆放、材料加工場、大型機械使用、基坑開挖放坡、圍護及坑邊堆載等情況。C、施工操作管理：如作業人員安全裝置、腳手架、臨邊圍擋及危險作業安全防范措施，以及根據所戴安全帽顏色區分現場施工、管理、監理人員到位情況等。

2、工地本地/集中錄像功能

工程監控人員可以設置指定錄像時間。例如工程實施時間為早晨8點到晚上20點，系統可以被指定在這個時間段進行錄像。管理員也可以通過回放器查詢并回放錄像文件。

3、遠程管理功能

工地負責人可以借助網絡實現在線管理，通過網絡遠程查看所轄所有的現場施工情況、物資安全。

4、移動偵測和聯動報警功能

移動偵測功能和端口聯動報警功能可以加強物料倉庫等重地的安全。

使用該系統還可以減少現場安全管理人員數量，使管理人員制訂針對性管理措施，及時發現違規現象，使整改信息傳達落實，有的放矢，提高掌握現場情況的效率和準確性。現場施工人員文化層次參差不齊，遠程監控的設置在很大程度上敦促了施工人員的責任心和工作積極性，促進規范操作意識，便于施工統一管理。遠程視頻監控用于施工現場安全、質量的監控，是計算機技術在工程建設領域應用的提升，有效地提升了企業管理水平，使企業及時了解和掌握施工過程信息，做出高效決策。

圖13 建筑工地人員考勤管理系統

（三）監控終端實現功能

遠程瀏覽

操作員通過直接對目錄樹進行操作即可調出遠端圖像，并可根據權限設置調整前端的云臺鏡頭、手動錄像、檢索錄像資料。

操作員日志記錄

監控終端自動記錄操作員每次登陸、退出、切換通道、記錄違規等操作，并自動發送到管理服務器數據庫中保存，作為操作員日常工作績效考核依據。

遠程配置

監控終端利用遠程配置軟件，對前端各個監控點進行遠程配置，并可連接管理服務器數據庫，對監控系統內用戶進行配置操作。

遠程控制

監控終端可直接控制前端云臺鏡頭，并可對前端設備進行遠程設置操作。

設備巡檢

監控終端利用客戶端軟件輪流連接前端硬盤錄像機和視頻服務器設備，實時獲取設備的各種參數，對設備進行定期巡檢。

圖14 監控中心結構圖

（四）視頻管理服務器實現功能

管理服務器負責整個報警監控系統所有硬件設備配置信息及所有用戶注冊信息的管理、智能虛擬巡檢員、網絡優化等以下幾項功能：

1、管理服務：保障系統中所有設備、各種資源安全有效地運行與共享，軟件應具備設備管理、用戶管理、權限管理、圖像設置、報警及報警聯動設置、視頻遮擋設置錄像及回放管理、日志管理的能力。

2、目錄服務：用戶登錄后，可以自動根據權限生成樹型監控目錄，輕松實現海量設備的管理。

3、轉發服務：支持圖像的匯聚與轉發，遠程用戶可在外網訪問監控圖像。

4、存儲服務：單服務器支持多達300路圖像25幀/秒的存儲。

5、視頻瀏覽器：支持多種瀏覽模式選擇，1/4/6/7/8/9/10/12/13/16窗口。

6、播放器：支持錄像文件的VOD點播，支持多種關聯查詢模式。

通過三個子系統的建設與實施，“數字化平安工地系統”正在努力實現這樣的目標：對建筑工地塔式起重機實行實時在線的工地循檢，提高工作效率，掌握全局動態及時發現超載超力矩等違章操作的隱患，有效避免重大安全事故的發生；對建筑工地升降機進行過載保護，有效防止升降機超負荷狀態的出現；對建設工地實現分布式的視頻監控，提供本地化完整解決方案，同時滿足其他有權限的機構和人員通過遠程訪問實時對工程現場進行監督抽查。

數字化平安工地系統運用信息化的手段守護著建筑工地的平安，也為管理者創新管理方法、提升管理水平、提高管理效率提供了得力的工具。目前，數字化平安工地系統在由黑龍江宏達建筑工程有限公司施工建設的天微麗景園二期工程中得到成功的應用。

（本文根據“數字化平安工地系統工程——建筑工地安全監控管理系統”2011科技示范項目材料編輯整理。）