基于物联网技术的建筑机械安全管理探究

郭秩源，张 伟

（1.山东建筑大学，山东 济南 250101；2.日照公路建设有限公司二分公司，山东 日照 276801）

随着工业化的愈发进步，以及自动化、人工智能等高端行业的发展，更多的作业活动逐渐被相应的工程机械所替代，但一直以来，施工现场建筑机械的使用和维护依然延续着传统的定期维护或独立进行状态检测和故障诊断来检修的方式，这样就存在着效率低、人员工作量大、设备状态记录和传递不及时等问题，影响了设备后期维护和监测的可靠性，而且建筑工程本身就有工序复杂、现场环境复杂等特点，人员对于工程机械的使用上存在着监管困难、死角多等问题。

物联网是通过射频识别技术以及相关设备将人、物、网三者相结合，从而实现智能化管理的技术。通过各类传感器、监控等手段，将数据与平台进行实时连接，对各类建筑机械进行标准化管理，对设备的各项维护以及使用的指标实时传输至网络，从而对整个使用周期进行全方位管理

对物联网在建筑行业的运用中，许多专家学者做出了新研究：徐友全，贾美珊提出基于物联网的智慧工地总体框架体系，总结基于物联网的智慧工地安全管控体系架构；宁欣提出工程安全物联网的概念，以实现信息空间、施工现场、建筑结构和管理空间的高度融合；张玉媛，余琴等分析了装配式建筑安全管理的重要控制点，及物联网技术的具体应用。

文章旨在将物联网技术与机械设备状态监测相结合，在推广建筑机械状态监测技术、加强对机械的操作人员管控的同时，探索物联网技术与传统的建筑机械安全管理相结合的管理方法。

1 建筑机械安全管理现状

随着各生产活动的机械化程度逐渐提高，高效生产的需要和设备维护的需要是必须保持相对平衡的，生产者往往倾向于更高的效率或产量，而设备在高负荷的运行中，尤其在复杂的生产环境下，损坏程度迅速上升，满足一方必然会影响另一方。下面将从现场设备管理的角度出发，列举当前建筑机械安全管理的现状。

近年来，建设规模仍有扩大趋势，业主一方面要求施工单位能够尽可能快速地完成建设项目，另一方面又会运用各种措施使成本一降再降，加上各企业管理水平参差不齐，极有可能导致建筑机械管理的不规范。

1.1 施工任务重、环境差

目前，很多施工方的任务量和机械数量失衡，为了满足工程进度的要求、降低成本，忽视设备的自身问题，带病作业，这很大程度上导致了设备的超负荷运转，影响了设备整体使用寿命。工程项目大多数所处的地理位置偏远，这些地方往往现场复杂，易出现一系列不利于设备安全稳定运行的情况，影响设备的正常运转，加速老化。

1.2 设备频繁调运，日常维护无法跟上

在企业的管理中，项目分布散乱，各项目对设备的需求各异，且需求存在着很大的不确定性，导致建设单位在设备调配方面，无法做到系统性、规律性、计划性地使用机械设备，更无法做到对机械设备进行定时定量的保养，造成了机械设备的过度损耗，影响设备可靠性的同时，也存在着很大的安全隐患。

1.3 对运行设备量化监测力度不足

在项目实施过程中，存在工作量大、人员密集、协调困难等因素，对施工所用的机械设备运行状态没有完善的了解和及时的跟踪，出现问题后才能发现，这样一来，轻则损伤设备使用寿命，为后续工作带来不可控的隐患，重则设备无法正常工作，影响工作正常进行，增加投入的成本。

1.4 档案管理力度不足

由于不同的项目有着不同的实际情况，项目中所使用的建筑机械情况也不尽相同。目前设备分为自购和租赁两种，大多数建设单位以租赁设备为主，不过会存在调研力度不够等问题，设备质量无法保证，加上相应的档案管理存在松弛现象，所以会存在设备状况不明确的情况。

2 基于物联网的建筑机械安全管理方式的研究

2.1 基于物联网的建筑机械安全管理总体框架

2.1.1 物联网的体系结构

物联网主要解决的是物品和物品、人和物品以及人和人之间的互联问题。通常情况下，物联网划分为感知层、应用层、网络层三个层次。感知层是物联网的核心，是信息采集的关键部分，它位于物联网三层结构中的第一层，其功能就是通过网络获取环境信息，以RFID、传感器、二维码等为主；网络层是物联网结构的中间环节，是基于现有的通信网络和互联网基础上建立起来的，用于连接感知层和应用层，负责信息的接入、传输和承载，包括WSN 技术、M2M 技术等；应用层是物联网服务的发现以及呈现，是物联网和用户之间的接口，并与行业需求紧密相连，能够实现智能应用，包括中间件技术、智能技术、云计算技术等。

2.1.2 建筑机械安全管理模式

现代化的工程建设有着高速性和准确性的特点，需要大量的机械设备作为辅助，以降低建筑施工的劳动强度并且提升生产效率。越来越多的机械被投入到生产现场，在提升效率的同时也加大了现场施工机械设备的管理难度。

在这种情况下，可以采用物联网与设备状态监测及故障诊断技术结合的方式进行现场设备管理。

机械设备的状态监测以及故障诊断是属于同一个学科的不同层次，相互联系，是一个有机整体。状态监测是故障诊断的基础、先决条件以及必要手段，而故障诊断则是综合利用监测数据和信息进行决策。主要研究的是机械设备在运转过程中的状态变化在诊断信息中的反映情况，即通过传感器等测量设备来测取运行状态的设备的信号，对当前的信号进行处理、分析，提取其中存在的特征从而能够定量的辨识出当前设备的零部件的运行状态，并结合历史记录中的状况，综合判断，最终确定采取何种措施来进一步优化设备运行质量、提升设备可靠性。

设备的状态监测与故障诊断内容可以大致概括为：诊断信息的获取、信息的处理，这两大部分，具体可分解为以下几个方面。

（1）状态监测以及特征信号的提取。需要在设备的适当位置放置相关传感器，用于获取震动数据，形成待检资料。

（2）状态识别与诊断。将待检的资料数据和预先存储的样板数进行对比，根据相关的主要指标判断，高于或低于期望目标的范围来认定相应的故障。然后根据故障程度来分别给予不同程度的警报，提出不同的建议。

（3）状态分析以及预测。根据检测出的信息找出故障源，就其设备的各项指标和影响程度做出综合评估，综合认定出故障的等级，并适当预测当前状态的发展趋势。

（4）决策处理。根据上述评价，对设备做出适当的决策，以作为干预措施和做出控制维护或停机的决定。

2.2 基于物联网的建筑机械安全管理方式实施

将施工现场的建筑机械所处的运行状态进行在线监测以及诊断，结合物联网的多层架构，以及设备的相关信息台账，形成及时、准确、高效的设备安全管理方式。

设备的状态监测及故障诊断在建筑机械中主要可运用：振动诊断技术、红外温度诊断、专家系统等。振动诊断需要振动监测系统来获取设备的振动数据，从而给出诊断结果及建议。振动监测系统由测振传感器、信号调理器和信号记录与处理设备组成，振动传感器是将机械振动的动量信号转变为电信号，信号记录与处理设备用来存储信号，信号调理器起协调作用。红外温度诊断是由红外点测温仪、红外行扫描仪、红外热成像仪等工具进行扫描收集数据，从而判断被测位置的温度状况。专家系统指的是在高深的专业工作中，起到人类专家相似或相同的作用，具有相当数量的权威性知识，能够采取一定的策略，可以通过该系统解决一定的难题。

设备的状态监测及故障诊断主要是由各类传感器、扫描仪等接收节点进行信号的采集，这类传感器、扫描仪等节点可作为物联网的感知层，收集信息后通过事先构建的网络层进行信息传递，最终发送给应用层。

各类传感器、扫描仪等接收节点可事先安装在设备的特定位置，用来接收该设备位置的信号，主要集中在减速机及轴承上，如塔式起重机变幅小车电机、减速机及轴承处、升降机驱动系统电机、减速机及轴承处等，以便采集振动参数和红外温度图谱，通过无线信号传递至服务器；在服务器中，可存放当前所使用的各类机械设备的基本信息和参数，形成相应台账，所储存的信息包括但不限于：设备名称、品牌型号、入场使用日期、设备关键测点、设备状态监测参数记录、设备故障诊断记录、设备维护记录等，这样可作为设备的档案进行统一管理。服务器中加入相应专家系统，用于将感知层收集到的振动信号进行分类和判断，给出相应的建议，供管理者和使用者进行参考，红外温度扫描仪给出的热成像图也可辅助设备状态的判断，以免设备过热。

上述所有功能所产生的数据，都存储在服务器中，施工单位可以将数据进行以设备为单位的分类管理，某个设备进入其他项目时，可以及时调用其所有数据，判断它的安全性和使用可靠性，既保证安全，又有助于各设备的分配调用。

3 与传统建筑机械安全管理的对比分析

当前建筑机械状态的管理模式还较为传统，经过比较可给出基于物联网技术的管理模式与传统管理模式的对比，总结出物联网模式的优势。

3.1 人员安全管理

人员往往是安全管理中最不可控的因素，由于工程量大、工期较短、人员的水平和技术操作等都是管理难点，进行绩效化的人员培训和考核工作在消除难点上作用微乎其微。在物联网技术的加持下，后台服务器登记和存储上员工的网络数据库，包括但不限于人员基本信息、培训时间、培训成绩、入场时间、出场时间、工种、工作期间设备状态的参数等，既能掌握人员信息，也能跟踪人员操作设备的状态，侧面反应人员操作水平，实现动态化人员管理，提高人的因素控制。

3.2 设备跟踪管理

由于建筑项目的流动性和地域的限制性，企业难以形成稳定的设备供应和管理过程。传统的建筑项目在机械质量安全单靠资质审核和部分抽样难以完全杜绝设备安全隐患。有不合格设备流入使用时也难以发现和追踪。引入物联网技术，不仅能记录每一台设备的具体情况、流向等信息，还包含了设备的状态检测、维护记录等情况，便于安全考核和追踪。上述数据均存储在公司服务器中，限制修改权限，保证每组数据的真实性，保证了设备使用过程中的追踪管理。

3.3 安全管理信息系统化

相比较于传统管理模式的分散式安全信息管理，物联网技术将各类数据整合到后台服务器中，可完整记录设备、人员等各类安全管理对象的信息，打造覆盖全寿命周期项目的安全信息网，为企业后续的安全管理和其他项目进行提供依据。

3.4 设备安全管理智能化

施工单位相关部门和人员通过系统检测，通过专家系统进行对比，当检测到异常时，能够及时预警，打破了传统单一管理模式，节省安全管理的人力成本。

4 总结

文章介绍了一种基于物联网技术的建筑机械安全管理方式。主要实现方法为，将机械的状态监测和故障诊断技术应用于所使用的建筑机械中，通过相关传感器在设备的某些关键点位进行振动信号或者红外信号的采集、分析，通过无线网络将数据传输至服务器内，内部的专家诊断系统进行全面分析，判断当前设备状态，并给出处理意见。设备上各点位的传感器作为物联网的感知层，无线网络可作为传输数据的网络层，服务器内建立设备管理平台作为应用层，形成整个物联网安全管理的框架。该方式可以快速掌握设备在运行过程中的状态，并得出结论，判断设备的健康状况，减少管理成本的同时大幅减少设备安全隐患。