畢既華 梁洋 鄧連根

0 引言

隨著我國建筑業(yè)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程持續(xù)推進，高層建筑已經(jīng)成為城市建筑的重要組成部分。根據(jù)世界高層建筑與都市人居學(xué)會（Council on Tall Buildings and Urban Habitat）2021 年發(fā)布的《CTBUH 年度回顧：2020 年的高層建筑發(fā)展趨勢》，近十年來世界高層建筑數(shù)量呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢。2020年，我國已建成56 座200m 及以上的建筑，占全球總竣工數(shù)量的52.8%。高層建筑施工面臨高空作業(yè)，傳統(tǒng)落地式和懸挑式腳手架用于高層建筑施工不僅需要大量搭設(shè)作業(yè)，而且高空搭設(shè)帶來的安全風(fēng)險大增。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2019 年，全國共發(fā)生房屋市政工程生產(chǎn)安全事故773 起、死亡904 人，在所有的事故類型中，高處墜落事故415 起，占總數(shù)的53.69%。升降作業(yè)平臺依靠自身動力系統(tǒng)沿豎向?qū)蚣苌?，并可根?jù)施工需要停留在任意高度，為建筑外立面施工提供物料運輸和作業(yè)平臺。與傳統(tǒng)腳手架相比，該平臺搭設(shè)方便、操作靈活、適用性強、安全性好，滿足高層建筑施工需求，市場推廣應(yīng)用前景廣闊。

升降作業(yè)平臺通過機電設(shè)備控制電機驅(qū)動系統(tǒng)運行實現(xiàn)升降。對于雙導(dǎo)向架式升降作業(yè)平臺，雙驅(qū)動系統(tǒng)的運行同步狀態(tài)直接決定著作業(yè)平臺的升降安全性；作業(yè)平臺所搭載物料和施工人員荷載的分布情況決定著作業(yè)平臺使用的安全性。升降作業(yè)平臺通過配備超速、制動、超載/力矩保護等安全裝置和執(zhí)行安全操作規(guī)程等措施確保升降作業(yè)平臺安全性。但是，由于部分作業(yè)人員安全意識不強，違規(guī)操作現(xiàn)象時有發(fā)生，加之施工過程諸多不確定因素，增加了升降作業(yè)平臺使用安全風(fēng)險。

針對上述安全風(fēng)險，通過采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計開發(fā)基于升降作業(yè)平臺現(xiàn)場安全控制策略的遠程監(jiān)測管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)對作業(yè)平臺運行狀態(tài)的遠程實時監(jiān)測和風(fēng)險預(yù)警，為規(guī)范操作行為，排查使用安全風(fēng)險隱患，提高安全監(jiān)管工作效率，提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)方案

升降作業(yè)平臺遠程監(jiān)測管理信息系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層組成，包括傳感器、控制器、無線傳輸設(shè)備、IOT 服務(wù)器、WEB 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、遠程監(jiān)測應(yīng)用平臺等部分。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

圖1 中，感知層是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的基礎(chǔ)，通過在升降作業(yè)平臺相應(yīng)位置安裝荷載、位移、力矩傳感器及限位控制和PLC 等感控設(shè)備，采集作業(yè)平臺運行數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層以GPRS RTU 設(shè)備作為無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，將傳感器采集的作業(yè)平臺實時運行數(shù)據(jù)傳輸至IOT 服務(wù)器，通過應(yīng)用“云計算”技術(shù)，建立實用、可靠、高效的信息化系統(tǒng)和智能化信息共享平臺，實現(xiàn)信息共享和優(yōu)化管理；平臺層是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心，包括軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施，IOT 服務(wù)器承擔(dān)作業(yè)平臺數(shù)據(jù)接收、解析、處理和存儲任務(wù)，并根據(jù)設(shè)定的報警值進行預(yù)報警判斷，生成預(yù)報警記錄；應(yīng)用層主要解決信息處理和人機界面交互的問題。本系統(tǒng)通過遠程監(jiān)測平臺為用戶提供用戶管理、數(shù)據(jù)管理、作業(yè)平臺遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)實時展示等服務(wù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件裝置

本系統(tǒng)的硬件裝置由數(shù)據(jù)采集及傳輸設(shè)備構(gòu)成，包括PLC、荷載傳感器、力矩傳感器、位移傳感器、電控箱、限位開關(guān)、RTU 遠程傳輸模塊等。作業(yè)平臺監(jiān)控設(shè)備各部件安裝布置如圖2 所示。

圖2 作業(yè)平臺監(jiān)控設(shè)備各部件安裝布置圖

PLC 實時采集各傳感器及限位狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后獲得作業(yè)平臺實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)作業(yè)平臺兩側(cè)的高度差實時調(diào)整變頻器運行速度，實現(xiàn)自動調(diào)平。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)包括重量、額定載荷、高度、速度、力矩、運行狀態(tài)（靜止、下降、上升）、門限位狀態(tài)、超載報警、同步限位等。數(shù)據(jù)由PLC 封裝組包，形成26 字節(jié)的上傳數(shù)據(jù)包，推送到GPRS RTU的RS232 數(shù)據(jù)端口，通過2G/3G/4G 無線移動網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)測平臺。

2.2 平臺架構(gòu)設(shè)計

經(jīng)過分析對比國內(nèi)外主流開源、商用數(shù)據(jù)庫解決方案，結(jié)合系統(tǒng)用戶對象及技術(shù)特征，本系統(tǒng)采用開源數(shù)據(jù)庫MySQL，使用B/S 的三層架構(gòu)，采用Java+MySQL 開發(fā)設(shè)計。監(jiān)測平臺部署在云端，具有高并發(fā)處理能力、大數(shù)據(jù)量處理能力和高可靠性，同時兼具可擴展性和靈活性。用戶可以通過客戶端瀏覽器隨時隨地訪問系統(tǒng)，查看最新數(shù)據(jù)信息。監(jiān)測平臺包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web 服務(wù)器和IOT 服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要用于存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)；IOT 服務(wù)器作為遠程通信的接收端用于接收原始數(shù)據(jù)包并存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；Web 服務(wù)器作為系統(tǒng)網(wǎng)站的服務(wù)端，處理用戶客戶端瀏覽器的請求，調(diào)取系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)并給出響應(yīng)。安裝在升降作業(yè)平臺的數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備通過 TCP/IP 協(xié)議將采集的原始數(shù)據(jù)打包，發(fā)送給IOT 服務(wù)器上的遠程通信接收端，接收端將原始數(shù)據(jù)包解析后存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。用戶通過客戶端瀏覽器訪問系統(tǒng)網(wǎng)站時，瀏覽器向Web 服務(wù)器發(fā)送請求，Web 服務(wù)器接收到請求后，調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)并進行處理，將處理結(jié)果作為響應(yīng)返回給瀏覽器。監(jiān)測平臺應(yīng)用架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測平臺應(yīng)用架構(gòu)圖

作業(yè)平臺升降作業(yè)時，無線數(shù)據(jù)傳輸終端RTU 聯(lián)網(wǎng)后自動向監(jiān)測平臺上傳高度、速度、荷載、力矩、同步限位等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；平臺接到數(shù)據(jù)后經(jīng)過與預(yù)設(shè)的閾值進行比較和分析，自動判斷設(shè)備運行是否處于預(yù)警或報警狀態(tài)；現(xiàn)場作業(yè)人員及項目管理人員可以通過登錄系統(tǒng)平臺或移動終端查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)警時及時處置，保障施工作業(yè)安全。遠端監(jiān)測平臺的用戶包含施工企業(yè)、管理部門，針對不同用戶可分配不同的管理和操作權(quán)限，不同用戶登錄后系統(tǒng)展現(xiàn)的功能有所不同。

2.3 系統(tǒng)主要功能

針對升降作業(yè)平臺日常管理和使用狀態(tài)監(jiān)測需求，本系統(tǒng)開發(fā)了用戶管理、設(shè)備管理、人員管理、實時顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)輸出、信息動態(tài)展示等功能模塊，實現(xiàn)了設(shè)備管理、運行狀態(tài)遠程實時監(jiān)測和安全風(fēng)險預(yù)判報警。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖5 遠端監(jiān)測平臺主頁面

3 系統(tǒng)安全性設(shè)計

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫與遠端監(jiān)測平臺均以web 服務(wù)器為基礎(chǔ)，而Web 服務(wù)器易受黑客攻擊。黑客可利用網(wǎng)站操作系統(tǒng)的漏洞和Web 服務(wù)程序的SQL，得到Web 服務(wù)器的控制權(quán)限，輕則篡改網(wǎng)頁內(nèi)容，重則竊取重要數(shù)據(jù)，甚至在網(wǎng)頁中植入惡意代碼，使得網(wǎng)站訪問者受到侵害。

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用安全管理

本系統(tǒng)應(yīng)用安全管理包括用戶訪問安全、應(yīng)用操作安全、信息系統(tǒng)容錯、備份數(shù)據(jù)測試、系統(tǒng)恢復(fù)演練等，滿足信息系統(tǒng)應(yīng)用安全管理的相關(guān)要求。設(shè)計時采用訪問控制、數(shù)字認證、授權(quán)審計等措施，必要時使用CA 數(shù)字證書認證，保障數(shù)據(jù)的準確性和可用性，確保數(shù)據(jù)訪問的安全可靠。

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全管理

數(shù)據(jù)安全管理包括數(shù)據(jù)傳輸安全、數(shù)據(jù)加工存儲安全，通過制定具體的數(shù)據(jù)安全管理方案和措施，滿足信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全管理的相關(guān)要求。數(shù)據(jù)庫配置日志功能，對用戶登錄進行記錄，記錄內(nèi)容包括用戶登錄使用的賬號、登錄是否成功、登錄時間以及用戶遠程登錄時使用的IP 地址；記錄用戶對數(shù)據(jù)庫的操作，包括但不限于以賬號創(chuàng)建、刪除和權(quán)限修改、口令修改、讀取和修改數(shù)據(jù)庫配置等內(nèi)容，記錄包含用戶賬號、操作時間、操作內(nèi)容以及操作結(jié)果；根據(jù)業(yè)務(wù)要求制定數(shù)據(jù)庫審計策略。

4 結(jié)束語

升降作業(yè)平臺的應(yīng)用為高層建筑施工提供了一種便捷、高效的施工機具，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。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入升降作業(yè)平臺的安全監(jiān)管領(lǐng)域，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的升降作業(yè)平臺遠程監(jiān)測管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)以升降作業(yè)平臺安全控制策略為基礎(chǔ)，通過綜合利用多項成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通信技術(shù)，實現(xiàn)了升降作業(yè)平臺管理和運行狀態(tài)遠程監(jiān)測，極大地提高了施工安全管理工作效率和管控能力。該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用必將促進安全生產(chǎn)技術(shù)信息化發(fā)展，提高工程安全監(jiān)管水平，為推動城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展提供有力支撐。