信息化守护建筑工地平安
——“数字化平安工地”系统工程

近年来，随着我国经济建设的快速发展，建筑工地塔吊和施工升降机的产量和拥有量增长迅猛。在我国，仅塔机保有量已达70万台，这不可免地带来了各种安全隐患。当前我国建筑安全生产的情况是总体稳定、趋于好转的发展态势与依然严峻的形势并存，机遇与挑战同在。

从国际范围来看，建筑生产安全事故亦屡有发生。频繁的起重机事故促使欧美等发达国家自2001年后开始应用全参数监控系统，迅速改变了频繁发生事故的被动局面。有关数据显示，全参数监控系统运用后，事故率下降了88%，这为建筑行业运用信息化预防事故树立了榜样。

在各种因素的影响下，我国建筑行业信息化水平有了较大提高，部分城市的建筑安全管理部门已经建立了覆盖管理业务职能的工程项目管理系统、视频监控系统等，为促进行业管理起到了良好的激励作用。为了加大行业监督管理力度，也为了提高建筑行业安全监管水平和应急保障能力，促进区域建筑工程安全形势持续稳定提高，由黑龙江共友科技发展有限公司研发与黑龙江宏达建筑工程有限公司联合实施推出了“数字化平安工地”系统工程。

“数字化平安工地系统”由基于物联网技术的“共友塔机安全监控管理子系统”（特种生产设备监控）、基于传感技术的“施工升降机起重量限制子系统”和“建筑工地远程视频监控管理子系统”（工地现场视频监控）三部分组成。

一、塔机安全监控管理子系统

近年来，塔吊以其高效率的垂直运输能力在建筑行业得到大量应用。国内建筑工地运行的塔吊约70万台，并以每年10%的数量增加。然而，各类塔吊运行安全事故的发生，给国家和人民的生命财产安全带来了巨大的损失和隐患。据统计，塔机事故占到了建设工地重特大安全事故的近三分之一。究其原因，赶工期、抢进度，违规超重、超力矩起吊作业，塔吊碰撞、结构疲劳失稳，以及各种违规操作、超载作业等是事故发生的主因。

由此可见，加强监督和控制，引导塔吊规范操作有助于有效遏制事故的发生。然而，塔吊的安全监管一直是业内的难题。一方面，塔吊的数量众多，属于高空作业，违规操作行为隐蔽且难于取证。另一方面，常规塔吊机械式限位装置性能差，易遭到人为屏蔽和破坏。

图1 “数字化平安工地系统”解决方案拓扑结构图

目前，建筑工地实际应用的塔吊绝大多数均属于机械式限位，屏蔽破坏限位装置几近常态。现有塔吊记录仪、塔吊黑匣子的实际作用比较有限，且采用的是封闭式的监测、记录方式，不仅容易遭到屏蔽破坏，难于监管，而且主要用于事故后分析，滞后处理意义不大。

2010年1月21日，全国建筑塔吊安全监控系统应用交流会在哈尔滨市举行，这次应用交流会为解决塔吊监控难题打开了思路，黑龙江共友科技发展有限公司推出了塔吊安全监控系统，能够采集并记录塔吊的运行工况，进行塔吊现场监控、预警报警，打造开放式塔吊安全实时动态远程监控平台，并为塔吊司机提供实时操作指南。

该系统是根据国家标准GB/T5031-2008 《塔式起重机》、国家标准GB5144-2006《塔式起重机安全规程》和原建设部令第166号《建筑起重机械安全监督管理规定》由黑龙江共友科技发展有限公司自主创新研发的GBST-100型塔吊安全监控系统。

这套系统基于传感器技术、嵌入式技术、数据采集和融合技术、无线传感网络技术、远程数据通信技术，高效率地完整实现建筑塔吊单机运行和群塔干涉作业防碰撞的实时监控与声光预警报警功能，并在报警的同时可选择自动终止塔吊危险动作。

2010年，国务院发布“国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知”，在第9条“强制推行先进适用的技术装备”中特别提出“大型起重机械要安装安全监控管理系统”。

（一）开放式的实时动态监控

与过去的塔吊机械式限位器以及塔吊“黑匣子”或塔吊记录仪的封闭式监控、记录不同，GBST-100 型塔吊安全监控前端监控装置和后端远程监控平台无缝融合，实现了开放式的实时监控，在对塔吊实现现场安全监控、运行记录和声光报警的同时，通过远程高速无线数据传输，将塔吊运行工况安全数据和报警信息实时发送到远程GIS可视化监控平台，并能在报警时自动触发手机短息向相关人员告知，从而实现实时动态的远程监控、远程报警和远程告知，使得塔吊安全监控成为开放的实时动态监控。

图2 塔吊安全监控系统架构

（二）系统硬件组成

图3 塔机安全监控管理系统组成

在塔吊安全监控系统中，主控器连接各个传感器，并把传感器的电信号转化为数字量进行相应的处理，最后在显示器上显示塔吊的工作状态。钢绳专用旁压式测重传感器有较高的精度，安装方便，不需改动塔吊结构。变幅、高度传感器波坦因无触点电位传感器负责测量小车变幅和吊钩位置。转角传感器采用编码器技术研制，能够精确测定塔吊工作转角。显示器为工业级液晶显示器，抗干扰、耐低温，并能够实施屏面保护。无线传感器网络组网，进而实现塔吊实时相互通信。

图4 塔吊安全监控系统示意图

图5 无线传感器网络组网

（三）塔吊安全监控系统功能

1、塔吊运行数据采集

通过精密传感器实时采集吊重、变幅、高度、回转转角、环境风速等多项安全作业工况实时数据。

2、实时显示

通过显示屏以图形数值方式实时显示当前实际工作参数和塔吊额定工作能力参数，使司机直观了解塔吊工作状态，正确操作。

3、单机运行状态监控

监控单台塔吊的运行安全指标，包括吊重、起重力矩、变幅、高度、工作回转角及作业高度风速，在临近额定限值时发出声光预警和报警。

4、单机防碰撞监控

监控单台塔吊与建筑物的干涉防碰撞、禁行区域、塔吊自身各种限位，在临近额定限值时发出声光预警和报警。

5、塔吊群防碰撞

监控塔吊群实时干涉作业的防碰撞，使塔吊司机直观全面地掌握周边塔吊与本机塔吊当前干涉情况，并在发现碰撞危险时自动进行声光预警和报警。

6、远程可视化监控平台

塔吊运行数据和报警信息通过无线网络实时传送回监控平台，基于GIS技术实现塔吊安全运行可视化远程监控。实时、动态、开放性监控，从根本上防止反监控屏蔽，监控平台数据库完整存储塔吊运行安全的全部历史数据，可根据需要进行各种综合查询，并能输出书面报表和电子表格。

图6 远程可视化监控平台主界面

图7 方便的气泡信息查询提示

图8 远程可视化监控平台信息化查询视图

7、手机短信报警告知

违规操作发生时，系统触发手机短信告警，向有关人员自动发送手机短息，实时告知报警内容。

（四）系统应用推广情况

共友GBST-100塔吊安全监控系统已在黑龙江省哈尔滨市、大庆市、齐齐哈尔市、吉林省吉林市和延边州以及其他十余个省市得到建设安全主管部门推广实施，目前已在数百个建筑工地成功安装和运行。

上述地市建设安全主管部门塔吊监控远程监管平台由共友公司负责架设和维护，与前端设备无缝融合。其中，哈尔滨市塔吊安全远程监控平台是国内最先投入实际运行和目前监控点容量最大的塔吊安全监控平台。

二、施工升降机起重量限制子系统

违规超重、超载不仅是造成塔吊事故的主因之一，超负荷运行同样是建筑行业升降机事故的最大隐患。如果升降机长期在超负荷状态下运行，设备就很容易加速磨损，出现钢丝绳断丝、承重梁应力断裂等破坏性险情，严重威胁人们的生命和财产安全。为防止施工升降机超载运行，施工升降机国家标准 GB/T10054-2005制定了严格的规定。标准的落实需要特定设备的配合，来显示升降机承载的重量，一旦超载必须报警。

（一）系统工作机制

“施工升降机起重量限制子系统”能够测量当前载货或载人的轿箱重量，当所测重量超出额定重量时，系统会输出相应的信号，同时有相应的声光报警，有效防止升降机超负荷工作的情况出现，为升降机的安全性、舒适性提供了保障，益于延长升降机使用寿命。这种新型载荷控制系统采用了先进的压力传感技术，使称重灵敏度和精度大大提高。系统的起重量限制器是为控制起重设备的载荷专门设计而成。

超载检测在吊笼静止时进行，超载保护装置在载荷达到额定载重量的90%时给出清晰的报警信号，并在载荷达到额定载荷的110%前中止吊笼启动。“施工升降机起重量限制器”自带满载及超载报警蜂鸣器和报警指示灯，一个超载继电器触点，用于切断控制电机的控制电路使驱动电机失电。

施工升降机起重量限制器与施工升降机专用称重传感器配合使用。其工作原理如下：在弹性范围内，物体的变形和所受到的外力成正比。贴在物体上并组成平衡电桥的电阻应变片在物体受到外力时变形，自身阻值改变，电桥因此失去平衡输出和外力成正比的微弱电压信号。将此信号放大，并经过模拟量到数字量的 AD转换送给微处理器CPU，CPU与事先设定好的数值比较，从而获得所需的各种信号，包括满载报警，超载信号等。

（二）系统实现的功能

1、装置采用三位数码管，正常工作状态用于显示升降机当前实际重量，调试状态用于显示升降机仪器设置信息，方便用户操作。

2、可按要求进行触点输出，以实现控制升降机。

3、运用轴销式传感器，而且备有多款传感器，可以根据用户需要自由选择。

4、装置采用对升降机启动瞬间进行采样延时处理，保证在升降机启动瞬间不会因为惯性原因导致误报警。

5、控制仪具有故障自诊断功能，当系统故障时输出报警信号。

6、控制仪具有数据锁定功能，非设备管理人员不能改变仪器内参数，保障施工升降机安全运行。

7、采用微机智能控制，简便易学。所有调整操作通过按键和菜单操作完成，无需人工调节电路板上的元器件参数。

8、载荷学习功能，用于学习空载时吊笼的重量和额定载荷时的总重量。

9、满载报警和超载载荷值可根据实际情况通过菜单操作、设置，灵活方便。

10、提供传感器航空插头输入和端子接线输入途径，两种输入方式用户任意选择。（使用时二者选其一）。

11、可根据实际情况，通过菜单设定所使用的传感器数量，便于配套使用不同结构的传感器。

12、自带满载及超载报警蜂鸣器和指示灯，当载荷超过满载设定值时，蜂鸣器间断鸣叫，报警指示灯也是间断闪烁。当载荷超过超载设定值时, 蜂鸣器一直鸣叫，报警指示灯也是一直点亮，以提示升降机操作人员注意已经超载。

（三）系统技术参数

图9 起重量限制器尺寸及安装图

电源电压：AC 220V 50～60HZ (电压允许波动范围 –15%～+10 %)

继电器开关量输出负载能力：5A

开关量输入电压等级：DC24V，与内部电路通过光耦隔离。

LD-IS限制器外型尺寸：长 × 宽 × 高=166 × 110 ×62 (单位：mm)

图10 起重量限制器由控制器、销轴式称重传感器两部分组成

图11 传感器外形尺寸示意图

图12 传感器安装示意图

三、建筑工地远程视频监控管理子系统

建筑工地是一个安全事故多发的场所，杜绝各种违规操作和不文明施工行为一直是施工企业、政府管理部门关注的焦点。利用现代科技，优化监控手段，实现实时的、全过程的、不间断的安全监管也成了建筑行业安全施工管理待考虑的问题，为此，各地方建设局（建委）都明文规定：辖区内的建筑工地必须安装音视频监控系统以供远程监视，并录像取证。

随着科技高速发展，视频信号经过数字压缩，通过互联网宽带或者移动3G网络传递，可实现远程视频监控功能。将这一功能运用于施工现场安全管理，势必会大大提高管理效率，提升监管层次。该监控系统的运行，将使施工企业跃上新的管理平台，政府监管力度得到加强，及时有效地掌握现场施工动态情况。

依据《中华人民共和国公共安全行业标准》GA/T75-94、《建筑智能化系统工程设计标准》DB32181-1998、《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》（GB/T50312-2000）、《中国电气装置安装工程施工及验收规范》GBJ232-82、《商业建筑物综合布线系统国际标准》（ISO/IEC11801）及《工业企业通信接地设计规范》，建筑工地远程视频监控管理子系统被研发出来。

（一）系统建设目标

建筑工地远程视频监控管理系统建设的目标是，通过网络摄像机随时随地监控建筑工地现场的状况。设备拆装方便，可随时布置于新工地（可二次利用）；对各种工程车辆进行视频监视；可在任何一台能够连接公网的电脑上监控多个监控点的信息，实现全方位监视；通过镜头及云台，对现场的部分细节进行缩放检视；录制现场监视情况，随时检索回放，杜绝危险事故及非法盗窃等行为，减少工地物资损失；系统配备红外灯，能够在夜间、强光等恶劣状况下正常工作。

（二）远程视频监控管理功能

1、远程音视频监控

远程音视频监控系统能够全天候监控掌握动态即时信息，发现问题及时整改。可以观察并即时掌握现场施工动态信息。信息包括：

A、门卫管理：如工程设备、设施、材料进场管理、工作人员进出施工现场、安全通道设置、安全“七牌二图”宣传告示等情况。B、场地管理：如材料堆放、材料加工场、大型机械使用、基坑开挖放坡、围护及坑边堆载等情况。C、施工操作管理：如作业人员安全装置、脚手架、临边围挡及危险作业安全防范措施，以及根据所戴安全帽颜色区分现场施工、管理、监理人员到位情况等。

2、工地本地/集中录像功能

工程监控人员可以设置指定录像时间。例如工程实施时间为早晨8点到晚上20点，系统可以被指定在这个时间段进行录像。管理员也可以通过回放器查询并回放录像文件。

3、远程管理功能

工地负责人可以借助网络实现在线管理，通过网络远程查看所辖所有的现场施工情况、物资安全。

4、移动侦测和联动报警功能

移动侦测功能和端口联动报警功能可以加强物料仓库等重地的安全。

使用该系统还可以减少现场安全管理人员数量，使管理人员制订针对性管理措施，及时发现违规现象，使整改信息传达落实，有的放矢，提高掌握现场情况的效率和准确性。现场施工人员文化层次参差不齐，远程监控的设置在很大程度上敦促了施工人员的责任心和工作积极性，促进规范操作意识，便于施工统一管理。远程视频监控用于施工现场安全、质量的监控，是计算机技术在工程建设领域应用的提升，有效地提升了企业管理水平，使企业及时了解和掌握施工过程信息，做出高效决策。

图13 建筑工地人员考勤管理系统

（三）监控终端实现功能

远程浏览

操作员通过直接对目录树进行操作即可调出远端图像，并可根据权限设置调整前端的云台镜头、手动录像、检索录像资料。

操作员日志记录

监控终端自动记录操作员每次登陆、退出、切换通道、记录违规等操作，并自动发送到管理服务器数据库中保存，作为操作员日常工作绩效考核依据。

远程配置

监控终端利用远程配置软件，对前端各个监控点进行远程配置，并可连接管理服务器数据库，对监控系统内用户进行配置操作。

远程控制

监控终端可直接控制前端云台镜头，并可对前端设备进行远程设置操作。

设备巡检

监控终端利用客户端软件轮流连接前端硬盘录像机和视频服务器设备，实时获取设备的各种参数，对设备进行定期巡检。

图14 监控中心结构图

（四）视频管理服务器实现功能

管理服务器负责整个报警监控系统所有硬件设备配置信息及所有用户注册信息的管理、智能虚拟巡检员、网络优化等以下几项功能：

1、管理服务：保障系统中所有设备、各种资源安全有效地运行与共享，软件应具备设备管理、用户管理、权限管理、图像设置、报警及报警联动设置、视频遮挡设置录像及回放管理、日志管理的能力。

2、目录服务：用户登录后，可以自动根据权限生成树型监控目录，轻松实现海量设备的管理。

3、转发服务：支持图像的汇聚与转发，远程用户可在外网访问监控图像。

4、存储服务：单服务器支持多达300路图像25帧/秒的存储。

5、视频浏览器：支持多种浏览模式选择，1/4/6/7/8/9/10/12/13/16窗口。

6、播放器：支持录像文件的VOD点播，支持多种关联查询模式。

通过三个子系统的建设与实施，“数字化平安工地系统”正在努力实现这样的目标：对建筑工地塔式起重机实行实时在线的工地循检，提高工作效率，掌握全局动态及时发现超载超力矩等违章操作的隐患，有效避免重大安全事故的发生；对建筑工地升降机进行过载保护，有效防止升降机超负荷状态的出现；对建设工地实现分布式的视频监控，提供本地化完整解决方案，同时满足其他有权限的机构和人员通过远程访问实时对工程现场进行监督抽查。

数字化平安工地系统运用信息化的手段守护着建筑工地的平安，也为管理者创新管理方法、提升管理水平、提高管理效率提供了得力的工具。目前，数字化平安工地系统在由黑龙江宏达建筑工程有限公司施工建设的天微丽景园二期工程中得到成功的应用。

（本文根据“数字化平安工地系统工程——建筑工地安全监控管理系统”2011科技示范项目材料编辑整理。）