基于物聯網技術的建筑機械安全管理探究

郭秩源，張 偉

（1.山東建筑大學，山東 濟南 250101；2.日照公路建設有限公司二分公司，山東 日照 276801）

隨著工業化的愈發進步，以及自動化、人工智能等高端行業的發展，更多的作業活動逐漸被相應的工程機械所替代，但一直以來，施工現場建筑機械的使用和維護依然延續著傳統的定期維護或獨立進行狀態檢測和故障診斷來檢修的方式，這樣就存在著效率低、人員工作量大、設備狀態記錄和傳遞不及時等問題，影響了設備后期維護和監測的可靠性，而且建筑工程本身就有工序復雜、現場環境復雜等特點，人員對于工程機械的使用上存在著監管困難、死角多等問題。

物聯網是通過射頻識別技術以及相關設備將人、物、網三者相結合，從而實現智能化管理的技術。通過各類傳感器、監控等手段，將數據與平臺進行實時連接，對各類建筑機械進行標準化管理，對設備的各項維護以及使用的指標實時傳輸至網絡，從而對整個使用周期進行全方位管理

對物聯網在建筑行業的運用中，許多專家學者做出了新研究：徐友全，賈美珊提出基于物聯網的智慧工地總體框架體系，總結基于物聯網的智慧工地安全管控體系架構；寧欣提出工程安全物聯網的概念，以實現信息空間、施工現場、建筑結構和管理空間的高度融合；張玉媛，余琴等分析了裝配式建筑安全管理的重要控制點，及物聯網技術的具體應用。

文章旨在將物聯網技術與機械設備狀態監測相結合，在推廣建筑機械狀態監測技術、加強對機械的操作人員管控的同時，探索物聯網技術與傳統的建筑機械安全管理相結合的管理方法。

1 建筑機械安全管理現狀

隨著各生產活動的機械化程度逐漸提高，高效生產的需要和設備維護的需要是必須保持相對平衡的，生產者往往傾向于更高的效率或產量，而設備在高負荷的運行中，尤其在復雜的生產環境下，損壞程度迅速上升，滿足一方必然會影響另一方。下面將從現場設備管理的角度出發，列舉當前建筑機械安全管理的現狀。

近年來，建設規模仍有擴大趨勢，業主一方面要求施工單位能夠盡可能快速地完成建設項目，另一方面又會運用各種措施使成本一降再降，加上各企業管理水平參差不齊，極有可能導致建筑機械管理的不規范。

1.1 施工任務重、環境差

目前，很多施工方的任務量和機械數量失衡，為了滿足工程進度的要求、降低成本，忽視設備的自身問題，帶病作業，這很大程度上導致了設備的超負荷運轉，影響了設備整體使用壽命。工程項目大多數所處的地理位置偏遠，這些地方往往現場復雜，易出現一系列不利于設備安全穩定運行的情況，影響設備的正常運轉，加速老化。

1.2 設備頻繁調運，日常維護無法跟上

在企業的管理中，項目分布散亂，各項目對設備的需求各異，且需求存在著很大的不確定性，導致建設單位在設備調配方面，無法做到系統性、規律性、計劃性地使用機械設備，更無法做到對機械設備進行定時定量的保養，造成了機械設備的過度損耗，影響設備可靠性的同時，也存在著很大的安全隱患。

1.3 對運行設備量化監測力度不足

在項目實施過程中，存在工作量大、人員密集、協調困難等因素，對施工所用的機械設備運行狀態沒有完善的了解和及時的跟蹤，出現問題后才能發現，這樣一來，輕則損傷設備使用壽命，為后續工作帶來不可控的隱患，重則設備無法正常工作，影響工作正常進行，增加投入的成本。

1.4 檔案管理力度不足

由于不同的項目有著不同的實際情況，項目中所使用的建筑機械情況也不盡相同。目前設備分為自購和租賃兩種，大多數建設單位以租賃設備為主，不過會存在調研力度不夠等問題，設備質量無法保證，加上相應的檔案管理存在松弛現象，所以會存在設備狀況不明確的情況。

2 基于物聯網的建筑機械安全管理方式的研究

2.1 基于物聯網的建筑機械安全管理總體框架

2.1.1 物聯網的體系結構

物聯網主要解決的是物品和物品、人和物品以及人和人之間的互聯問題。通常情況下，物聯網劃分為感知層、應用層、網絡層三個層次。感知層是物聯網的核心，是信息采集的關鍵部分，它位于物聯網三層結構中的第一層，其功能就是通過網絡獲取環境信息，以RFID、傳感器、二維碼等為主；網絡層是物聯網結構的中間環節，是基于現有的通信網絡和互聯網基礎上建立起來的，用于連接感知層和應用層，負責信息的接入、傳輸和承載，包括WSN 技術、M2M 技術等；應用層是物聯網服務的發現以及呈現，是物聯網和用戶之間的接口，并與行業需求緊密相連，能夠實現智能應用，包括中間件技術、智能技術、云計算技術等。

2.1.2 建筑機械安全管理模式

現代化的工程建設有著高速性和準確性的特點，需要大量的機械設備作為輔助，以降低建筑施工的勞動強度并且提升生產效率。越來越多的機械被投入到生產現場，在提升效率的同時也加大了現場施工機械設備的管理難度。

在這種情況下，可以采用物聯網與設備狀態監測及故障診斷技術結合的方式進行現場設備管理。

機械設備的狀態監測以及故障診斷是屬于同一個學科的不同層次，相互聯系，是一個有機整體。狀態監測是故障診斷的基礎、先決條件以及必要手段，而故障診斷則是綜合利用監測數據和信息進行決策。主要研究的是機械設備在運轉過程中的狀態變化在診斷信息中的反映情況，即通過傳感器等測量設備來測取運行狀態的設備的信號，對當前的信號進行處理、分析，提取其中存在的特征從而能夠定量的辨識出當前設備的零部件的運行狀態，并結合歷史記錄中的狀況，綜合判斷，最終確定采取何種措施來進一步優化設備運行質量、提升設備可靠性。

設備的狀態監測與故障診斷內容可以大致概括為：診斷信息的獲取、信息的處理，這兩大部分，具體可分解為以下幾個方面。

（1）狀態監測以及特征信號的提取。需要在設備的適當位置放置相關傳感器，用于獲取震動數據，形成待檢資料。

（2）狀態識別與診斷。將待檢的資料數據和預先存儲的樣板數進行對比，根據相關的主要指標判斷，高于或低于期望目標的范圍來認定相應的故障。然后根據故障程度來分別給予不同程度的警報，提出不同的建議。

（3）狀態分析以及預測。根據檢測出的信息找出故障源，就其設備的各項指標和影響程度做出綜合評估，綜合認定出故障的等級，并適當預測當前狀態的發展趨勢。

（4）決策處理。根據上述評價，對設備做出適當的決策，以作為干預措施和做出控制維護或停機的決定。

2.2 基于物聯網的建筑機械安全管理方式實施

將施工現場的建筑機械所處的運行狀態進行在線監測以及診斷，結合物聯網的多層架構，以及設備的相關信息臺賬，形成及時、準確、高效的設備安全管理方式。

設備的狀態監測及故障診斷在建筑機械中主要可運用：振動診斷技術、紅外溫度診斷、專家系統等。振動診斷需要振動監測系統來獲取設備的振動數據，從而給出診斷結果及建議。振動監測系統由測振傳感器、信號調理器和信號記錄與處理設備組成，振動傳感器是將機械振動的動量信號轉變為電信號，信號記錄與處理設備用來存儲信號，信號調理器起協調作用。紅外溫度診斷是由紅外點測溫儀、紅外行掃描儀、紅外熱成像儀等工具進行掃描收集數據，從而判斷被測位置的溫度狀況。專家系統指的是在高深的專業工作中，起到人類專家相似或相同的作用，具有相當數量的權威性知識，能夠采取一定的策略，可以通過該系統解決一定的難題。

設備的狀態監測及故障診斷主要是由各類傳感器、掃描儀等接收節點進行信號的采集，這類傳感器、掃描儀等節點可作為物聯網的感知層，收集信息后通過事先構建的網絡層進行信息傳遞，最終發送給應用層。

各類傳感器、掃描儀等接收節點可事先安裝在設備的特定位置，用來接收該設備位置的信號，主要集中在減速機及軸承上，如塔式起重機變幅小車電機、減速機及軸承處、升降機驅動系統電機、減速機及軸承處等，以便采集振動參數和紅外溫度圖譜，通過無線信號傳遞至服務器；在服務器中，可存放當前所使用的各類機械設備的基本信息和參數，形成相應臺賬，所儲存的信息包括但不限于：設備名稱、品牌型號、入場使用日期、設備關鍵測點、設備狀態監測參數記錄、設備故障診斷記錄、設備維護記錄等，這樣可作為設備的檔案進行統一管理。服務器中加入相應專家系統，用于將感知層收集到的振動信號進行分類和判斷，給出相應的建議，供管理者和使用者進行參考，紅外溫度掃描儀給出的熱成像圖也可輔助設備狀態的判斷，以免設備過熱。

上述所有功能所產生的數據，都存儲在服務器中，施工單位可以將數據進行以設備為單位的分類管理，某個設備進入其他項目時，可以及時調用其所有數據，判斷它的安全性和使用可靠性，既保證安全，又有助于各設備的分配調用。

3 與傳統建筑機械安全管理的對比分析

當前建筑機械狀態的管理模式還較為傳統，經過比較可給出基于物聯網技術的管理模式與傳統管理模式的對比，總結出物聯網模式的優勢。

3.1 人員安全管理

人員往往是安全管理中最不可控的因素，由于工程量大、工期較短、人員的水平和技術操作等都是管理難點，進行績效化的人員培訓和考核工作在消除難點上作用微乎其微。在物聯網技術的加持下，后臺服務器登記和存儲上員工的網絡數據庫，包括但不限于人員基本信息、培訓時間、培訓成績、入場時間、出場時間、工種、工作期間設備狀態的參數等，既能掌握人員信息，也能跟蹤人員操作設備的狀態，側面反應人員操作水平，實現動態化人員管理，提高人的因素控制。

3.2 設備跟蹤管理

由于建筑項目的流動性和地域的限制性，企業難以形成穩定的設備供應和管理過程。傳統的建筑項目在機械質量安全單靠資質審核和部分抽樣難以完全杜絕設備安全隱患。有不合格設備流入使用時也難以發現和追蹤。引入物聯網技術，不僅能記錄每一臺設備的具體情況、流向等信息，還包含了設備的狀態檢測、維護記錄等情況，便于安全考核和追蹤。上述數據均存儲在公司服務器中，限制修改權限，保證每組數據的真實性，保證了設備使用過程中的追蹤管理。

3.3 安全管理信息系統化

相比較于傳統管理模式的分散式安全信息管理，物聯網技術將各類數據整合到后臺服務器中，可完整記錄設備、人員等各類安全管理對象的信息，打造覆蓋全壽命周期項目的安全信息網，為企業后續的安全管理和其他項目進行提供依據。

3.4 設備安全管理智能化

施工單位相關部門和人員通過系統檢測，通過專家系統進行對比，當檢測到異常時，能夠及時預警，打破了傳統單一管理模式，節省安全管理的人力成本。

4 總結

文章介紹了一種基于物聯網技術的建筑機械安全管理方式。主要實現方法為，將機械的狀態監測和故障診斷技術應用于所使用的建筑機械中，通過相關傳感器在設備的某些關鍵點位進行振動信號或者紅外信號的采集、分析，通過無線網絡將數據傳輸至服務器內，內部的專家診斷系統進行全面分析，判斷當前設備狀態，并給出處理意見。設備上各點位的傳感器作為物聯網的感知層，無線網絡可作為傳輸數據的網絡層，服務器內建立設備管理平臺作為應用層，形成整個物聯網安全管理的框架。該方式可以快速掌握設備在運行過程中的狀態，并得出結論，判斷設備的健康狀況，減少管理成本的同時大幅減少設備安全隱患。