基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑機(jī)械安全管理探究

郭秩源，張 偉

（1.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101；2.日照公路建設(shè)有限公司二分公司，山東 日照 276801）

隨著工業(yè)化的愈發(fā)進(jìn)步，以及自動(dòng)化、人工智能等高端行業(yè)的發(fā)展，更多的作業(yè)活動(dòng)逐漸被相應(yīng)的工程機(jī)械所替代，但一直以來，施工現(xiàn)場(chǎng)建筑機(jī)械的使用和維護(hù)依然延續(xù)著傳統(tǒng)的定期維護(hù)或獨(dú)立進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)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(shè)備狀態(tài)記錄和傳遞不及時(shí)等問題，影響了設(shè)備后期維護(hù)和監(jiān)測(cè)的可靠性，而且建筑工程本身就有工序復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，人員對(duì)于工程機(jī)械的使用上存在著監(jiān)管困難、死角多等問題。

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識(shí)別技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備將人、物、網(wǎng)三者相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)智能化管理的技術(shù)。通過各類傳感器、監(jiān)控等手段，將數(shù)據(jù)與平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)連接，對(duì)各類建筑機(jī)械進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)維護(hù)以及使用的指標(biāo)實(shí)時(shí)傳輸至網(wǎng)絡(luò)，從而對(duì)整個(gè)使用周期進(jìn)行全方位管理

對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在建筑行業(yè)的運(yùn)用中，許多專家學(xué)者做出了新研究：徐友全，賈美珊提出基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地總體框架體系，總結(jié)基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地安全管控體系架構(gòu)；寧欣提出工程安全物聯(lián)網(wǎng)的概念，以實(shí)現(xiàn)信息空間、施工現(xiàn)場(chǎng)、建筑結(jié)構(gòu)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(diǎn)，及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的具體應(yīng)用。

文章旨在將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，在推廣建筑機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)、加強(qiáng)對(duì)機(jī)械的操作人員管控的同時(shí)，探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的建筑機(jī)械安全管理相結(jié)合的管理方法。

1 建筑機(jī)械安全管理現(xiàn)狀

隨著各生產(chǎn)活動(dòng)的機(jī)械化程度逐漸提高，高效生產(chǎn)的需要和設(shè)備維護(hù)的需要是必須保持相對(duì)平衡的，生產(chǎn)者往往傾向于更高的效率或產(chǎn)量，而設(shè)備在高負(fù)荷的運(yùn)行中，尤其在復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境下，損壞程度迅速上升，滿足一方必然會(huì)影響另一方。下面將從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理的角度出發(fā)，列舉當(dāng)前建筑機(jī)械安全管理的現(xiàn)狀。

近年來，建設(shè)規(guī)模仍有擴(kuò)大趨勢(shì)，業(yè)主一方面要求施工單位能夠盡可能快速地完成建設(shè)項(xiàng)目，另一方面又會(huì)運(yùn)用各種措施使成本一降再降，加上各企業(yè)管理水平參差不齊，極有可能導(dǎo)致建筑機(jī)械管理的不規(guī)范。

1.1 施工任務(wù)重、環(huán)境差

目前，很多施工方的任務(wù)量和機(jī)械數(shù)量失衡，為了滿足工程進(jìn)度的要求、降低成本，忽視設(shè)備的自身問題，帶病作業(yè)，這很大程度上導(dǎo)致了設(shè)備的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，影響了設(shè)備整體使用壽命。工程項(xiàng)目大多數(shù)所處的地理位置偏遠(yuǎn)，這些地方往往現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜，易出現(xiàn)一系列不利于設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況，影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，加速老化。

1.2 設(shè)備頻繁調(diào)運(yùn)，日常維護(hù)無法跟上

在企業(yè)的管理中，項(xiàng)目分布散亂，各項(xiàng)目對(duì)設(shè)備的需求各異，且需求存在著很大的不確定性，導(dǎo)致建設(shè)單位在設(shè)備調(diào)配方面，無法做到系統(tǒng)性、規(guī)律性、計(jì)劃性地使用機(jī)械設(shè)備，更無法做到對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行定時(shí)定量的保養(yǎng)，造成了機(jī)械設(shè)備的過度損耗，影響設(shè)備可靠性的同時(shí)，也存在著很大的安全隱患。

1.3 對(duì)運(yùn)行設(shè)備量化監(jiān)測(cè)力度不足

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，存在工作量大、人員密集、協(xié)調(diào)困難等因素，對(duì)施工所用的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)沒有完善的了解和及時(shí)的跟蹤，出現(xiàn)問題后才能發(fā)現(xiàn)，這樣一來，輕則損傷設(shè)備使用壽命，為后續(xù)工作帶來不可控的隱患，重則設(shè)備無法正常工作，影響工作正常進(jìn)行，增加投入的成本。

1.4 檔案管理力度不足

由于不同的項(xiàng)目有著不同的實(shí)際情況，項(xiàng)目中所使用的建筑機(jī)械情況也不盡相同。目前設(shè)備分為自購和租賃兩種，大多數(shù)建設(shè)單位以租賃設(shè)備為主，不過會(huì)存在調(diào)研力度不夠等問題，設(shè)備質(zhì)量無法保證，加上相應(yīng)的檔案管理存在松弛現(xiàn)象，所以會(huì)存在設(shè)備狀況不明確的情況。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑機(jī)械安全管理方式的研究

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑機(jī)械安全管理總體框架

2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)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(lián)問題。通常情況下，物聯(lián)網(wǎng)劃分為感知層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層三個(gè)層次。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，是信息采集的關(guān)鍵部分，它位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的第一層，其功能就是通過網(wǎng)絡(luò)獲取環(huán)境信息，以RFID、傳感器、二維碼等為主；網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的中間環(huán)節(jié)，是基于現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上建立起來的，用于連接感知層和應(yīng)用層，負(fù)責(zé)信息的接入、傳輸和承載，包括WSN 技術(shù)、M2M 技術(shù)等；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的發(fā)現(xiàn)以及呈現(xiàn)，是物聯(lián)網(wǎng)和用戶之間的接口，并與行業(yè)需求緊密相連，能夠?qū)崿F(xiàn)智能應(yīng)用，包括中間件技術(shù)、智能技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等。

2.1.2 建筑機(jī)械安全管理模式

現(xiàn)代化的工程建設(shè)有著高速性和準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，需要大量的機(jī)械設(shè)備作為輔助，以降低建筑施工的勞動(dòng)強(qiáng)度并且提升生產(chǎn)效率。越來越多的機(jī)械被投入到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在提升效率的同時(shí)也加大了現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械設(shè)備的管理難度。

在這種情況下，可以采用物聯(lián)網(wǎng)與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)結(jié)合的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理。

機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及故障診斷是屬于同一個(gè)學(xué)科的不同層次，相互聯(lián)系，是一個(gè)有機(jī)整體。狀態(tài)監(jiān)測(cè)是故障診斷的基礎(chǔ)、先決條件以及必要手段，而故障診斷則是綜合利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行決策。主要研究的是機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的狀態(tài)變化在診斷信息中的反映情況，即通過傳感器等測(cè)量設(shè)備來測(cè)取運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)備的信號(hào)，對(duì)當(dāng)前的信號(hào)進(jìn)行處理、分析，提取其中存在的特征從而能夠定量的辨識(shí)出當(dāng)前設(shè)備的零部件的運(yùn)行狀態(tài)，并結(jié)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(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量、提升設(shè)備可靠性。

設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷內(nèi)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(gè)方面。

（1）狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及特征信號(hào)的提取。需要在設(shè)備的適當(dāng)位置放置相關(guān)傳感器，用于獲取震動(dòng)數(shù)據(jù)，形成待檢資料。

（2）狀態(tài)識(shí)別與診斷。將待檢的資料數(shù)據(jù)和預(yù)先存儲(chǔ)的樣板數(shù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)相關(guān)的主要指標(biāo)判斷，高于或低于期望目標(biāo)的范圍來認(rèn)定相應(yīng)的故障。然后根據(jù)故障程度來分別給予不同程度的警報(bào)，提出不同的建議。

（3）狀態(tài)分析以及預(yù)測(cè)。根據(jù)檢測(cè)出的信息找出故障源，就其設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)和影響程度做出綜合評(píng)估，綜合認(rèn)定出故障的等級(jí)，并適當(dāng)預(yù)測(cè)當(dāng)前狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)。

（4）決策處理。根據(jù)上述評(píng)價(jià)，對(duì)設(shè)備做出適當(dāng)?shù)臎Q策，以作為干預(yù)措施和做出控制維護(hù)或停機(jī)的決定。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑機(jī)械安全管理方式實(shí)施

將施工現(xiàn)場(chǎng)的建筑機(jī)械所處的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)以及診斷，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的多層架構(gòu)，以及設(shè)備的相關(guān)信息臺(tái)賬，形成及時(shí)、準(zhǔn)確、高效的設(shè)備安全管理方式。

設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷在建筑機(jī)械中主要可運(yùn)用：振動(dòng)診斷技術(shù)、紅外溫度診斷、專家系統(tǒng)等。振動(dòng)診斷需要振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來獲取設(shè)備的振動(dòng)數(shù)據(jù)，從而給出診斷結(jié)果及建議。振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由測(cè)振傳感器、信號(hào)調(diào)理器和信號(hào)記錄與處理設(shè)備組成，振動(dòng)傳感器是將機(jī)械振動(dòng)的動(dòng)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，信號(hào)記錄與處理設(shè)備用來存儲(chǔ)信號(hào)，信號(hào)調(diào)理器起協(xié)調(diào)作用。紅外溫度診斷是由紅外點(diǎn)測(cè)溫儀、紅外行掃描儀、紅外熱成像儀等工具進(jìn)行掃描收集數(shù)據(jù)，從而判斷被測(cè)位置的溫度狀況。專家系統(tǒng)指的是在高深的專業(yè)工作中，起到人類專家相似或相同的作用，具有相當(dāng)數(shù)量的權(quán)威性知識(shí)，能夠采取一定的策略，可以通過該系統(tǒng)解決一定的難題。

設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷主要是由各類傳感器、掃描儀等接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)的采集，這類傳感器、掃描儀等節(jié)點(diǎn)可作為物聯(lián)網(wǎng)的感知層，收集信息后通過事先構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行信息傳遞，最終發(fā)送給應(yīng)用層。

各類傳感器、掃描儀等接收節(jié)點(diǎn)可事先安裝在設(shè)備的特定位置，用來接收該設(shè)備位置的信號(hào)，主要集中在減速機(jī)及軸承上，如塔式起重機(jī)變幅小車電機(jī)、減速機(jī)及軸承處、升降機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)、減速機(jī)及軸承處等，以便采集振動(dòng)參數(shù)和紅外溫度圖譜，通過無線信號(hào)傳遞至服務(wù)器；在服務(wù)器中，可存放當(dāng)前所使用的各類機(jī)械設(shè)備的基本信息和參數(shù)，形成相應(yīng)臺(tái)賬，所儲(chǔ)存的信息包括但不限于：設(shè)備名稱、品牌型號(hào)、入場(chǎng)使用日期、設(shè)備關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)記錄、設(shè)備故障診斷記錄、設(shè)備維護(hù)記錄等，這樣可作為設(shè)備的檔案進(jìn)行統(tǒng)一管理。服務(wù)器中加入相應(yīng)專家系統(tǒng)，用于將感知層收集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分類和判斷，給出相應(yīng)的建議，供管理者和使用者進(jìn)行參考，紅外溫度掃描儀給出的熱成像圖也可輔助設(shè)備狀態(tài)的判斷，以免設(shè)備過熱。

上述所有功能所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，都存儲(chǔ)在服務(wù)器中，施工單位可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行以設(shè)備為單位的分類管理，某個(gè)設(shè)備進(jìn)入其他項(xiàng)目時(shí)，可以及時(shí)調(diào)用其所有數(shù)據(jù)，判斷它的安全性和使用可靠性，既保證安全，又有助于各設(shè)備的分配調(diào)用。

3 與傳統(tǒng)建筑機(jī)械安全管理的對(duì)比分析

當(dāng)前建筑機(jī)械狀態(tài)的管理模式還較為傳統(tǒng)，經(jīng)過比較可給出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的管理模式與傳統(tǒng)管理模式的對(duì)比，總結(jié)出物聯(lián)網(wǎng)模式的優(yōu)勢(shì)。

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(shù)操作等都是管理難點(diǎn)，進(jìn)行績(jī)效化的人員培訓(xùn)和考核工作在消除難點(diǎn)上作用微乎其微。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加持下，后臺(tái)服務(wù)器登記和存儲(chǔ)上員工的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，包括但不限于人員基本信息、培訓(xùn)時(shí)間、培訓(xùn)成績(jī)、入場(chǎng)時(shí)間、出場(chǎng)時(shí)間、工種、工作期間設(shè)備狀態(tài)的參數(shù)等，既能掌握人員信息，也能跟蹤人員操作設(shè)備的狀態(tài)，側(cè)面反應(yīng)人員操作水平，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化人員管理，提高人的因素控制。

3.2 設(shè)備跟蹤管理

由于建筑項(xiàng)目的流動(dòng)性和地域的限制性，企業(yè)難以形成穩(wěn)定的設(shè)備供應(yīng)和管理過程。傳統(tǒng)的建筑項(xiàng)目在機(jī)械質(zhì)量安全單靠資質(zhì)審核和部分抽樣難以完全杜絕設(shè)備安全隱患。有不合格設(shè)備流入使用時(shí)也難以發(fā)現(xiàn)和追蹤。引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅能記錄每一臺(tái)設(shè)備的具體情況、流向等信息，還包含了設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)、維護(hù)記錄等情況，便于安全考核和追蹤。上述數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在公司服務(wù)器中，限制修改權(quán)限，保證每組數(shù)據(jù)的真實(shí)性，保證了設(shè)備使用過程中的追蹤管理。

3.3 安全管理信息系統(tǒng)化

相比較于傳統(tǒng)管理模式的分散式安全信息管理，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各類數(shù)據(jù)整合到后臺(tái)服務(wù)器中，可完整記錄設(shè)備、人員等各類安全管理對(duì)象的信息，打造覆蓋全壽命周期項(xiàng)目的安全信息網(wǎng)，為企業(yè)后續(xù)的安全管理和其他項(xiàng)目進(jìn)行提供依據(jù)。

3.4 設(shè)備安全管理智能化

施工單位相關(guān)部門和人員通過系統(tǒng)檢測(cè)，通過專家系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，能夠及時(shí)預(yù)警，打破了傳統(tǒng)單一管理模式，節(jié)省安全管理的人力成本。

4 總結(jié)

文章介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑機(jī)械安全管理方式。主要實(shí)現(xiàn)方法為，將機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)應(yīng)用于所使用的建筑機(jī)械中，通過相關(guān)傳感器在設(shè)備的某些關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)或者紅外信號(hào)的采集、分析，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器內(nèi)，內(nèi)部的專家診斷系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，判斷當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)，并給出處理意見。設(shè)備上各點(diǎn)位的傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)的感知層，無線網(wǎng)絡(luò)可作為傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層，服務(wù)器內(nèi)建立設(shè)備管理平臺(tái)作為應(yīng)用層，形成整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)安全管理的框架。該方式可以快速掌握設(shè)備在運(yùn)行過程中的狀態(tài)，并得出結(jié)論，判斷設(shè)備的健康狀況，減少管理成本的同時(shí)大幅減少設(shè)備安全隱患。