建筑行業(yè)智慧工地安全監(jiān)管平臺的設(shè)計研究

王蜀元，程蒴，吳春艷，王安江，董彥宏

（烏魯木齊禾潤科技開發(fā)有限公司，烏魯木齊 830000）

1 引言

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑施工現(xiàn)場的安全事故發(fā)生率也在不斷增長，如何有效降低安全隱患、提升安全監(jiān)管質(zhì)量成為當前建筑行業(yè)需要認真思考的重點問題。智慧工地是一種全新的管理理念，智慧工地安全監(jiān)管平臺可以融合各類信息，能夠?qū)芾砣藛T進行安全監(jiān)管提供精準的數(shù)據(jù)支撐，增進部門之間的有效交流，不僅可以降低人工成本，還能提升施工現(xiàn)場的安全性，有助于建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

2 問題的提出

建筑行業(yè)是我國社會經(jīng)濟發(fā)展過程中重要的支柱產(chǎn)業(yè)，有助于我國經(jīng)濟快速發(fā)展。在進入新時代之后，隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化和工業(yè)化的相繼出現(xiàn)，建筑行業(yè)的管理方式也發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，為了適應(yīng)新時代發(fā)展需求，建筑業(yè)需要積極采取有效措施，將信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)等運用到本行業(yè)中?！笆濉币?guī)劃中提出了要創(chuàng)新建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展，調(diào)整建筑產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的提議，推動建筑行業(yè)朝著新型模式發(fā)展，并不斷增進服務(wù)形式。同時將BIM 信息化技術(shù)引用到建筑行業(yè)中，加快BIM 技術(shù)的集成應(yīng)用，打造出人工智能、BIM、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)和智能化技術(shù)相結(jié)合的“智慧工地”，促進建筑行業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展。

建筑行業(yè)由于涉及的工作人員較多，且工作素質(zhì)參差不齊，缺乏較強的安全意識和先進的管理模式，相應(yīng)的安全措施準備不充分，監(jiān)管不到位、智能化水平較低等眾多問題，以致于在建筑施工現(xiàn)場常常發(fā)生安全事故，危及工作人員的人身安全。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2016年到2018年因建筑安全事故造成的人員傷亡率呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢，而2019年要比2018年的事故和死亡人數(shù)增長了5.31%和7.62%[1]。為此，針對建筑行業(yè)存在的安全事故問題，需要在促進建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型過程中加強安全管理體系信息化建設(shè)，提升建筑施工現(xiàn)場的安全管理和監(jiān)管能力，降低事故發(fā)生率。

綜上所述，建筑行業(yè)作為推動我國國民經(jīng)濟快速增長的支柱產(chǎn)業(yè)，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但是之前碎片化、粗放式管理方式難以滿足新時代提出的新要求，在國家新政策和信息技術(shù)發(fā)展導(dǎo)向下，建筑行業(yè)正在朝著信息化和數(shù)字化方向發(fā)展，運用數(shù)字化技術(shù)來提升建筑行業(yè)的安全和監(jiān)管能力，促進建筑行業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，構(gòu)建智慧工地安全監(jiān)管平臺是當前建筑行業(yè)的重點發(fā)展方向。

3 智慧工地安全監(jiān)管平臺所用關(guān)鍵技術(shù)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

在建筑工程施工現(xiàn)場中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一項應(yīng)用極為廣泛的先進技術(shù)，同時也是構(gòu)建智慧工地安全監(jiān)管平臺必不可少的一項技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來為用戶提供信息，便于他們進行有效的交流和溝通，所有的信息都是在互聯(lián)網(wǎng)與信息傳感設(shè)備進行連接的基礎(chǔ)上實現(xiàn)相互交互和傳輸，以此達到智能化管理的目的。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作用下，獲取在施工現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將傳感器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_中，進行數(shù)字化通信、信息交換和資源共享。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“智慧安監(jiān)”作用下，可以對施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行實時采集，然后上傳到云端進行資源共享，從中找到存在的安全隱患，進而幫助政府監(jiān)管人員對現(xiàn)場的施工狀況和進度進行實時掌控。

3.2 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)是模仿人類的思維模式對數(shù)據(jù)進行分析，然后為用戶進行數(shù)據(jù)分析并作出決策提供支撐和幫助。人工智能在近幾年得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，而且建筑行業(yè)應(yīng)用人工智能技術(shù)以后在信息化轉(zhuǎn)型升級中取得了較為顯著的應(yīng)用效果。人工智能技術(shù)憑借自身具備的感知能力和計算能力，可以對建筑工程施工現(xiàn)場中存在的安全隱患以及工作人員的違規(guī)行為進行智能化識別和管理，利用人工智能技術(shù)自身的能力以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)，可以對角度較大的數(shù)據(jù)分析問題進行有效的解決和處理，這對于構(gòu)建智慧工地安全監(jiān)管平臺非常重要[2]。在智慧工地安全監(jiān)管平臺設(shè)計過程中應(yīng)用人工智能技術(shù)可以提升現(xiàn)場施工管理效率，使監(jiān)管人員可以實時掌控施工現(xiàn)場具體狀況，從而加強監(jiān)管力度，提升施工現(xiàn)場的安全性，不僅可以降低安全事故發(fā)生率，還能節(jié)約人工成本，有助于提升施工質(zhì)量，增加企業(yè)效益。

3.3 云計算技術(shù)

云計算技術(shù)就是通過互聯(lián)網(wǎng)平臺為用戶提供安全、便捷的數(shù)據(jù)存儲和云計算服務(wù)，讓互聯(lián)網(wǎng)上的用戶都可以通過網(wǎng)絡(luò)來獲取想要的數(shù)據(jù)信息，并通過網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備為用戶提供個性化、廣泛化的服務(wù)，云計算是一項與互聯(lián)網(wǎng)、軟件、信息技術(shù)有關(guān)的，具有同時性和彌漫性的一種先進技術(shù)。智慧工地安全監(jiān)管平臺就是將各種數(shù)據(jù)存儲在阿里云上，然后借助互聯(lián)網(wǎng)的傳輸功能，與阿里云的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心進行連接，然后在網(wǎng)絡(luò)云中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用、傳輸和處理。

3.4 3S 技術(shù)

3S 技術(shù)是GPS、GIS、RS 的統(tǒng)稱，是通訊技術(shù)、計算機技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、傳感器技術(shù)等的有效結(jié)合，是一種可以對信息進行采集、分析、整合、管理、傳輸和應(yīng)用的現(xiàn)代化信息技術(shù)，是構(gòu)建智慧工地安全監(jiān)管平臺不可缺少的技術(shù)之一。3S 技術(shù)可以保證數(shù)據(jù)信息的精準性，將其融入“智慧安監(jiān)平臺”中，可以配合BIM 技術(shù)對施工現(xiàn)場進行功能劃分，通過模型對重大機械設(shè)備工作范圍、施工車輛路線、工作人員工作區(qū)域進行動態(tài)模擬，保證建筑工程高效運行；通過對施工現(xiàn)場進行智能化監(jiān)測，實時獲取精準數(shù)據(jù)，避免安全事故發(fā)生，做好安全預(yù)防和全局化控制。

4 智慧工地安全監(jiān)管平臺總體設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 設(shè)計思路

智慧工地安全監(jiān)管平臺主要是為了解決施工現(xiàn)場存在的安全管理以及監(jiān)管問題而設(shè)計的一種新型監(jiān)管模式。通過設(shè)計此平臺可以為施工單位、政府監(jiān)管部門等相關(guān)人員提供信息化技術(shù)智慧監(jiān)管，提升安全監(jiān)管水平。該系統(tǒng)在設(shè)計師將硬件和軟件進行集成應(yīng)用，實現(xiàn)各個系統(tǒng)直接的聯(lián)動效應(yīng)，通過系統(tǒng)的相互協(xié)作來進行預(yù)警，現(xiàn)場處理整改閉環(huán)，達到預(yù)先進行風險控制的目的[3]。該平臺的設(shè)計思路主要為：在建筑工程的施工現(xiàn)場安裝各種類型的傳感裝置，通過傳感裝置來感知和采集施工過程中存在的有可能造成安全事故的各種直觀動態(tài)數(shù)據(jù)，這樣可以提升數(shù)據(jù)的準確率，防止出現(xiàn)因人為操作而出現(xiàn)的不可控情況；將獲取的所有數(shù)據(jù)及時傳遞到平臺中進行分析，通過分析發(fā)現(xiàn)問題并及時解決，從而提升監(jiān)管的時效性，對于異常的數(shù)據(jù)要進行深入的研究，實現(xiàn)異常狀態(tài)預(yù)警和智能監(jiān)控等；保證各個單位之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同發(fā)展，為管理人員進行有效管理提供決策支持，以此降低發(fā)生安全事故的概率，提升施工現(xiàn)場的安全監(jiān)管效力。

4.2 總體設(shè)計架構(gòu)

建筑行業(yè)應(yīng)該嚴格遵從相關(guān)的法律法規(guī)和行業(yè)標準，以建筑施工現(xiàn)場的實際安全管理需求為基礎(chǔ)，通過對信息化資源進行優(yōu)化整合，利用物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等軟件和硬件技術(shù)來對智慧工地安全監(jiān)管平臺進行設(shè)計。智慧工地安全監(jiān)管平臺為建筑企業(yè)和政府職能部門進行信息化安全管理提供了支持和幫助。該系統(tǒng)在設(shè)計過程中，采用一體化平臺，分層使用、分層設(shè)計的方式，在滿足一體化平臺要求的基礎(chǔ)上，提升了整個系統(tǒng)的靈活性，并為后期系統(tǒng)擴展奠定了架構(gòu)基礎(chǔ)，該平臺總體架構(gòu)一共分為以下6 個層級：第一，基礎(chǔ)層。在建筑施工現(xiàn)場中，基礎(chǔ)層被稱為是監(jiān)管系統(tǒng)的總稱，指的是在建筑施工現(xiàn)場安裝的智慧工地系統(tǒng)，主要為監(jiān)管系統(tǒng)提供所需數(shù)據(jù)?；A(chǔ)層就是所謂的設(shè)備采集層，通過在施工現(xiàn)場安裝智能化設(shè)備便于物聯(lián)網(wǎng)采集或感知數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)層應(yīng)用到的設(shè)備一般包括通信設(shè)備、應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備、用電監(jiān)測設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、GPS、升降機監(jiān)測設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備等終端設(shè)備（見圖1）。第二，傳輸層。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐下，傳輸層可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸各監(jiān)管規(guī)定數(shù)據(jù)，經(jīng)“施工現(xiàn)場監(jiān)管”數(shù)據(jù)通過網(wǎng)管自動實現(xiàn)格式化之后存儲到業(yè)務(wù)子系統(tǒng)或相關(guān)設(shè)備中。傳輸層應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通常為VPN 專網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)（Internet、Intranet）、移動通信網(wǎng)絡(luò)（3G、4G、WiFi、WiMAX、5G）、無感傳感網(wǎng)WSN。第三，數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層可以存儲和管理監(jiān)管系統(tǒng)所需要的所有數(shù)據(jù)，在大數(shù)據(jù)分布式架構(gòu)基礎(chǔ)上構(gòu)建，可以為監(jiān)管系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析提供可平行擴展支持。此平臺中搭建數(shù)據(jù)層可以對建筑施工現(xiàn)場中所有的數(shù)據(jù)進行抽取、采集、加工、整合和管理，并通過構(gòu)建數(shù)據(jù)模型來對這些數(shù)據(jù)進行分析和進一步挖掘。數(shù)據(jù)層中包含的數(shù)據(jù)類型有：外部數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等，通過大數(shù)據(jù)中心的元數(shù)據(jù)服務(wù)和數(shù)據(jù)計算服務(wù)、數(shù)據(jù)模型、共享交換服務(wù)、目錄服務(wù)等，實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)信息的共享服務(wù)和集中管理。第四，服務(wù)層。服務(wù)層是專門為智慧工地安全監(jiān)管平臺正常運行提供服務(wù)，便于政府部門進行監(jiān)管的重要組成部分，主要由集成服務(wù)和公共服務(wù)兩部分構(gòu)成。其中集成服務(wù)可以從多個方面為信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)交互方案，也可以解決系統(tǒng)中存在的集成問題，包括數(shù)據(jù)交互共享服務(wù)、界面集成服務(wù)、單點登錄服務(wù)等[4]。公共服務(wù)主要是為監(jiān)管系統(tǒng)提供基礎(chǔ)服務(wù)，滿足其集成需求，根據(jù)業(yè)務(wù)類型應(yīng)包括但不限于緩存服務(wù)、日志服務(wù)、消息服務(wù)、綜合查詢服務(wù)等。在服務(wù)層的支撐作用下實現(xiàn)與數(shù)據(jù)層的統(tǒng)一接口，保證數(shù)據(jù)可以進行持久封裝，便于外部服務(wù)和各個應(yīng)用模塊之間實現(xiàn)統(tǒng)一的接口操作，促使平臺的縱向業(yè)務(wù)可以實現(xiàn)融會貫通，提升各系統(tǒng)之間的協(xié)同聯(lián)動能力，為整個智慧工地政府監(jiān)管信息系統(tǒng)的正常運行提供便捷服務(wù)。第五，應(yīng)用層。應(yīng)該層主要涵蓋了行政監(jiān)督管理、視頻監(jiān)控、安全檢查管理、危險源管理、危大機械設(shè)備管理系統(tǒng)、人員管理、項目管理等，并針對各個層面的具體要求提供了具有針對性的業(yè)務(wù)場景服務(wù)和接口服務(wù)，為上層應(yīng)用提供訂閱服務(wù)。第六，用戶層。用戶層主要是為建筑工程所涉及的監(jiān)理單位、施工單位、設(shè)計單位、勘察單位、建設(shè)單位、監(jiān)管主管部門等相關(guān)人員，提供精準的業(yè)務(wù)操作和數(shù)據(jù)可視化展示，設(shè)計用戶層時，應(yīng)該確保其可以實現(xiàn)多種終端展示。在構(gòu)建監(jiān)控中心時，需要達到安全可控、實時可視化、全域感知、“監(jiān)管部門-施工企業(yè)-項目現(xiàn)場”三級聯(lián)動的目的。

圖1 智慧工地安全監(jiān)管平臺總體架構(gòu)圖

4.3 系統(tǒng)拓撲

智慧工地安全監(jiān)管平臺在設(shè)計過程中主要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，由處理層、信息存儲層、傳輸網(wǎng)絡(luò)、接入層、信息采集等組成。集成工地現(xiàn)場的環(huán)境數(shù)據(jù)、塔吊運行監(jiān)測數(shù)據(jù)、人員安全數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等重要數(shù)據(jù)，都會通過傳輸層和網(wǎng)絡(luò)接入層實時上傳到該監(jiān)管平臺中的各個模塊中，平臺在采集和存儲了多方傳遞過來的數(shù)據(jù)之后，會將相應(yīng)數(shù)據(jù)提供給各個責任方、實時預(yù)警、報警聯(lián)動抓拍[5]。在此系統(tǒng)之下，參與建筑工程施工的各個單位以及政府管理部門就可以及時準確掌握施工現(xiàn)場的實際進展狀況，這相當于為各個責任方提供了一雙辨識度極高的眼睛，在對工地進行安全監(jiān)管方面，更是為其提供了具有智慧化的決策大腦來輔助開展施工工作，從而進一步提升了建筑行業(yè)施工現(xiàn)場安全管理和項目管理的效率與質(zhì)量。

4.4 安全設(shè)計

系統(tǒng)是否具有安全性需要在人員、過程和技術(shù)三方的有效結(jié)合之下才能實現(xiàn)[6]。本文在對智慧工地安全監(jiān)管平臺進行設(shè)計時，需要考慮到運行保障和技術(shù)兩個方面。首先從技術(shù)方面來講，要從多個角度、多個層面展開安全設(shè)計，確保數(shù)據(jù)、驗證和通訊等方面的安全性。其次從運行保障方面來講，通過搭建安全操作框架，可以為智慧工地安全監(jiān)管平臺提供保證其正常運行所需要的安全管理實踐。最后從應(yīng)用、管理、數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)層面來講，根據(jù)目前所采用的信息安全技術(shù)，可以構(gòu)建出系統(tǒng)化、科學化的安全保證體系，在此體系的保護作用下，提升信息的可用性、完整性、機密性和安全性，形成高性能的安全防護系統(tǒng)。

4.5 運維設(shè)計

運維設(shè)計主要包括兩大方面：一方面是日?；揪S護?；谶@方面來說，它最重點的工作就是對平臺的進程狀態(tài)和系統(tǒng)服務(wù)進行實時監(jiān)控，并在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行錯誤時及時發(fā)出警報，同時還能對錯誤的運行程序及時終止運行，自動對進程操作進行刷新；定期監(jiān)測系統(tǒng)在運行過程中形成的各項數(shù)據(jù)和記錄文件，通過對其進行分析，判斷出現(xiàn)問題的具體環(huán)節(jié)，告警問題并對系統(tǒng)錯誤進行處理；對關(guān)鍵服務(wù)的響應(yīng)時間進行實時監(jiān)控，對于存在異?，F(xiàn)象的響應(yīng)時間要及時進行處理。另一方面是專項高級維護?；谶@方面來說，其最重點的工作就是修復(fù)系統(tǒng)存在的漏洞，同時還要進行功能拓展，針對此平臺的程序設(shè)計特點，提升系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

5 結(jié)語

綜上所述，智慧工地是目前的一種全新的管理理念，將智慧工地和云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)進行有效結(jié)合，可以提升建筑施工現(xiàn)場的安全性和監(jiān)管力度，因此，一定要加快構(gòu)建智慧工地安全監(jiān)管平臺，通過合理設(shè)計，來提升此平臺的有效性，以便實現(xiàn)對建筑施工的可視化和全過程管理，使其朝著信息化、數(shù)字化方向發(fā)展，促進建筑行業(yè)盡快實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。