基于物联网的升降作业平台远程监测管理信息系统设计

毕既华 梁洋 邓连根

0 引言

随着我国建筑业快速发展和城镇化进程持续推进，高层建筑已经成为城市建筑的重要组成部分。根据世界高层建筑与都市人居学会（Council on Tall Buildings and Urban Habitat）2021 年发布的《CTBUH 年度回顾：2020 年的高层建筑发展趋势》，近十年来世界高层建筑数量呈现稳定增长的趋势。2020年，我国已建成56 座200m 及以上的建筑，占全球总竣工数量的52.8%。高层建筑施工面临高空作业，传统落地式和悬挑式脚手架用于高层建筑施工不仅需要大量搭设作业，而且高空搭设带来的安全风险大增。根据住房和城乡建设部统计数据，2019 年，全国共发生房屋市政工程生产安全事故773 起、死亡904 人，在所有的事故类型中，高处坠落事故415 起，占总数的53.69%。升降作业平台依靠自身动力系统沿竖向导向架升降，并可根据施工需要停留在任意高度，为建筑外立面施工提供物料运输和作业平台。与传统脚手架相比，该平台搭设方便、操作灵活、适用性强、安全性好，满足高层建筑施工需求，市场推广应用前景广阔。

升降作业平台通过机电设备控制电机驱动系统运行实现升降。对于双导向架式升降作业平台，双驱动系统的运行同步状态直接决定着作业平台的升降安全性；作业平台所搭载物料和施工人员荷载的分布情况决定着作业平台使用的安全性。升降作业平台通过配备超速、制动、超载/力矩保护等安全装置和执行安全操作规程等措施确保升降作业平台安全性。但是，由于部分作业人员安全意识不强，违规操作现象时有发生，加之施工过程诸多不确定因素，增加了升降作业平台使用安全风险。

针对上述安全风险，通过采用物联网技术、传感技术和互联网技术，设计开发基于升降作业平台现场安全控制策略的远程监测管理信息系统，实现对作业平台运行状态的远程实时监测和风险预警，为规范操作行为，排查使用安全风险隐患，提高安全监管工作效率，提供技术支撑。

1 系统方案

升降作业平台远程监测管理信息系统基于物联网架构设计，由感知层、网络层、平台层和应用层组成，包括传感器、控制器、无线传输设备、IOT 服务器、WEB 服务器、数据库服务器、远程监测应用平台等部分。系统总体架构如图1 所示。

图1 系统总体架构图

图1 中，感知层是实现物联网全面感知的基础，通过在升降作业平台相应位置安装荷载、位移、力矩传感器及限位控制和PLC 等感控设备，采集作业平台运行数据；网络层以GPRS RTU 设备作为无线数据传输设备，将传感器采集的作业平台实时运行数据传输至IOT 服务器，通过应用“云计算”技术，建立实用、可靠、高效的信息化系统和智能化信息共享平台，实现信息共享和优化管理；平台层是物联网应用的核心，包括软硬件基础设施，IOT 服务器承担作业平台数据接收、解析、处理和存储任务，并根据设定的报警值进行预报警判断，生成预报警记录；应用层主要解决信息处理和人机界面交互的问题。本系统通过远程监测平台为用户提供用户管理、数据管理、作业平台远程监测数据实时展示等服务。

2 系统设计

2.1 硬件装置

本系统的硬件装置由数据采集及传输设备构成，包括PLC、荷载传感器、力矩传感器、位移传感器、电控箱、限位开关、RTU 远程传输模块等。作业平台监控设备各部件安装布置如图2 所示。

图2 作业平台监控设备各部件安装布置图

PLC 实时采集各传感器及限位状态数据，经过数据转换后获得作业平台实时运行状态数据，并根据作业平台两侧的高度差实时调整变频器运行速度，实现自动调平。实时监测数据包括重量、额定载荷、高度、速度、力矩、运行状态（静止、下降、上升）、门限位状态、超载报警、同步限位等。数据由PLC 封装组包，形成26 字节的上传数据包，推送到GPRS RTU的RS232 数据端口，通过2G/3G/4G 无线移动网络上传到监测平台。

2.2 平台架构设计

经过分析对比国内外主流开源、商用数据库解决方案，结合系统用户对象及技术特征，本系统采用开源数据库MySQL，使用B/S 的三层架构，采用Java+MySQL 开发设计。监测平台部署在云端，具有高并发处理能力、大数据量处理能力和高可靠性，同时兼具可扩展性和灵活性。用户可以通过客户端浏览器随时随地访问系统，查看最新数据信息。监测平台包括数据库服务器、Web 服务器和IOT 服务器，数据库服务器主要用于存储系统数据；IOT 服务器作为远程通信的接收端用于接收原始数据包并存入系统数据库；Web 服务器作为系统网站的服务端，处理用户客户端浏览器的请求，调取系统数据库的数据并给出响应。安装在升降作业平台的数据采集传输设备通过 TCP/IP 协议将采集的原始数据打包，发送给IOT 服务器上的远程通信接收端，接收端将原始数据包解析后存入系统数据库。用户通过客户端浏览器访问系统网站时，浏览器向Web 服务器发送请求，Web 服务器接收到请求后，调用系统数据库中的相关数据并进行处理，将处理结果作为响应返回给浏览器。监测平台应用架构如图3 所示。

图3 监测平台应用架构图

作业平台升降作业时，无线数据传输终端RTU 联网后自动向监测平台上传高度、速度、荷载、力矩、同步限位等实时监测数据；平台接到数据后经过与预设的阈值进行比较和分析，自动判断设备运行是否处于预警或报警状态；现场作业人员及项目管理人员可以通过登录系统平台或移动终端查看实时监测数据和历史数据，发现数据预警时及时处置，保障施工作业安全。远端监测平台的用户包含施工企业、管理部门，针对不同用户可分配不同的管理和操作权限，不同用户登录后系统展现的功能有所不同。

2.3 系统主要功能

针对升降作业平台日常管理和使用状态监测需求，本系统开发了用户管理、设备管理、人员管理、实时显示、数据分析、数据输出、信息动态展示等功能模块，实现了设备管理、运行状态远程实时监测和安全风险预判报警。系统功能结构如图4所示。

图4 系统功能结构图

图5 远端监测平台主页面

3 系统安全性设计

本系统的数据库与远端监测平台均以web 服务器为基础，而Web 服务器易受黑客攻击。黑客可利用网站操作系统的漏洞和Web 服务程序的SQL，得到Web 服务器的控制权限，轻则篡改网页内容，重则窃取重要数据，甚至在网页中植入恶意代码，使得网站访问者受到侵害。

3.1 系统应用安全管理

本系统应用安全管理包括用户访问安全、应用操作安全、信息系统容错、备份数据测试、系统恢复演练等，满足信息系统应用安全管理的相关要求。设计时采用访问控制、数字认证、授权审计等措施，必要时使用CA 数字证书认证，保障数据的准确性和可用性，确保数据访问的安全可靠。

3.2 系统数据安全管理

数据安全管理包括数据传输安全、数据加工存储安全，通过制定具体的数据安全管理方案和措施，满足信息系统数据安全管理的相关要求。数据库配置日志功能，对用户登录进行记录，记录内容包括用户登录使用的账号、登录是否成功、登录时间以及用户远程登录时使用的IP 地址；记录用户对数据库的操作，包括但不限于以账号创建、删除和权限修改、口令修改、读取和修改数据库配置等内容，记录包含用户账号、操作时间、操作内容以及操作结果；根据业务要求制定数据库审计策略。

4 结束语

升降作业平台的应用为高层建筑施工提供了一种便捷、高效的施工机具，有助于提高施工效率，降低施工成本，提升安全文明施工形象。本文将物联网技术引入升降作业平台的安全监管领域，设计了基于物联网的升降作业平台远程监测管理信息系统。该系统以升降作业平台安全控制策略为基础，通过综合利用多项成熟的物联网技术和无线通信技术，实现了升降作业平台管理和运行状态远程监测，极大地提高了施工安全管理工作效率和管控能力。该系统的推广应用必将促进安全生产技术信息化发展，提高工程安全监管水平，为推动城乡建设绿色发展提供有力支撑。