塔吊在线安全监控系统的研究

吕军 吴海建 齐国强 鄢团军 吴缙峰 缪泽峰 王君

摘 要：为了解决无法有效监管建筑工地塔吊的问题，文中提出了一种基于人脸特征识别技术的实名制管理和安装、使用一体化安全监管策略。设计和开发了在线安全监控系统，应用物联网和互联网技术建立大数据管理平台，实现了信息化的塔吊安全监管策略。实际应用表明，该监控系统实现了对塔吊的全方位安全监管，极大地提高了塔吊系统的安全性和可靠性。

关键词：塔吊；监控系统；在线；人脸特征识别

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）08-00-04

0 引 言

塔吊是建筑工地上必不可少的一种起重设备，主要用于建筑施工中物料的垂直和水平输送，具有使用范围广、回转半径大、起升高度高和施工效率高等特点。塔吊工作于多样的施工场合中，自身结构较复杂、作业环境恶劣，一旦出现塔机安全事故，将严重危害人身及财产安全，因此塔机运行的安全问题备受人们关注。

通过对大量塔吊出现的安全事故进行分析、总结[1-2]，可将其事故原因概括为三个方面，即人的不安全行为、机的不安全状态和环境的不安全因素。为此，文献[3]将ZigBee技术应用于塔吊安全监测预警系统，设计专用WSN节点，实现位移、压力和距离监测功能，将现场监测数据通过WSN节点及时上传到监控中心PC机进行实时显示、处理、报警。文献[4]设计了塔机安全监控管理系统的信号采集和数据存储系统。该系统采集起吊重量、起升高度、塔机变幅、回转角度、风速、电机电压、电机电流、电机温度等模拟信号，建立了数据存储系统，能用U盘拷贝数据并分析塔机的工作状态。文献[5]探讨了塔式起重机监控仪的工作原理，建立了数学模型分析塔吊受力情况，提出了一种测量塔吊力矩的直测力矩方法。文献[6]设计了一种智能化塔吊安全监测预警系统，能够全方位保证塔机的安全运行，具备塔机区域安全防护、塔机防碰撞、塔机超载、塔机防倾翻、指纹识别驾驶人员等功能，能够提供塔机安全状态的实时预警，并进行制动

控制。

上述文献[3，5]中提到的塔吊监控系统，其监管对象重点仍在“机的不安全因素”，没有加强对人的监管。文献[6]对

“人的不安全行为”和“机的不安全状态”进行了研究，采用指纹识别方式识别驾驶人员[7]，但未将塔吊维保、施工工地的安全员纳入识别管理范围。指纹识别系统在安监部门现场执法过程中受不直观、调查取证困难等因素的影响，无法达到现场执法要求。

本文从“人的行为”“机的状态”和“环境因素”三方面

出发，提出了一种将“机的不安全状态”和“人的不安全行为”列为重点监管对象的塔吊在线安全监管系统。该策略采用在线安全監控系统，应用物联网和互联网技术建立大数据管理平台，形成大数据业务体系和新的管理模式，预防塔吊安全事故，提高原有塔吊系统的安全性和可靠性，提高建筑工地现场“人的不安全行为”“机的不安全状态”和“环境的不安全因素”的综合安全管理水平。同时为了达到现场监管执法要求，特采用人脸识别技术[8]，可形成清晰的人脸图像信息，极大地降低了现场执法的难度。

1 监控系统的建构

建立塔吊在线安全监控系统，系统主要由在线安全监控设备、通信基站、互联网、智慧工地数据服务器及客户监控终端PC机等组成，其结构如图1所示。在线监控设备安装于塔吊上，采集塔吊的高度、幅度、载重、风速和回转角度信息，以及人脸图像识别信息、预警报警信息和监控设备信息，打包封装通过在线监控设备的2G/3G/4G通信模块经由通信基站和互联网发送至预定IP地址的数据服务器。控制命令的下行传输流向正好与此相反。

以工地为单位，每个塔吊司机室均安装在线安全监控设备。在线安全监控设备通过2G/3G/4G移动通信网络与互联网交换数据。租赁/维保单位、施工单位、安监部门、工地安全员以及手机移动客户按照权限访问相应的业务单元，开展相关工作。

2 监控策略

鉴于塔吊安全事故的分析、总结，提出一种将“人的不安全行为”和“机的不安全状态”列为重点监管对象的塔吊在线安全监管策略，同时也考虑风速等环境变量，该策略如图2所示。

该策略将与塔吊有关联的驾驶员、工地安全员、租赁公司人员、维保人员全部纳入到系统中进行监管，有效管控“人的不安全行为”。同时将“机的不安全状态”也纳入监管。该策略的要点在于人脸识别的实名制管理业务流程的实现。人脸识别流程如图3所示。通过实时比对司机的人脸特征信息，排除非法司机和非法操作塔吊的现象，达到在线监管塔吊的目的。

在塔吊的使用过程中，维保是一个重要环节，但维保作假现象比较普遍，难于监管。本系统建立了维保管理模块，将保障塔吊的维保工作落到实处。塔吊监控系统会根据设备的安装时间和使用情况，定期向维保单位发送维保提醒，而维保人员则需要到现场进行维保，且待维保结束后，还需要在监控系统中登记。登记后，维保结果会发送给项目部的管理人员，待项目部人员核实后，一次维保过程完成。同时系统还会将维保相关信息记录到数据库中。维保流程如图4所示。

同时，还将加节加高、拆卸和转场纳入监管过程中。当安装人员将塔吊安装完毕、加节加高和转场后，需要在此系统中确认。由于维保人员需要持证到现场维保，同时维保记录还会在系统中实时体现，大大降低了维保作假的可能性。维保过程中出现异常状态后，系统会自动锁车，只有派人员到现场核实通过后才能开车。安装、加节加高、拆卸和转场过程中，系统严禁塔吊运行，以保证安全。

3 监控设备

为实现上述在线安全监控策略，特研发了安装于塔机的在线安全监控设备。图5所示为塔吊在线安全监控设备功能框图。监控设备采用灵活的模块化设计思路，每个功能模块均可通过拔插方式接入或者退出系统。

控制主机能外接高度传感器、幅度传感器、载重传感器、风速传感器和回转传感器等。

（1）高度传感器可实现塔吊吊钩的高度测量，将吊钩的高度信息实时传递至控制主机，控制主机采集到高度信息后，按照控制逻辑进行相应的处理。

（2）幅度传感器将塔吊小车在塔吊悬臂上与塔基的距离信息实时传递至控制主机。

（3）载重传感器作为塔吊重要的传感器，实时采集塔吊的吊重信息并传递至控制主机，作为力矩超载的判别依据。

（4）风速传感器感知塔吊所在环境的风速，风速超过设定预警值时，司机不可操作塔吊。

（5）回转传感器实现塔吊绕着自身塔基旋转的角度测量功能，是塔吊区域防碰撞、群塔间防碰撞的重要依据。

2G/3G/4G模块将控制主机的信息上报给平台，将平台信息下发至控制主机。使用群塔通信模块可实现群塔防碰撞功能。当塔吊离线时，离线数据存储在存储模块里，当某时塔吊上线后，将离线时的数据补传至监控平台。

监控系统还设计有控制信号输出模块。该模块接收控制主机的控制信号，输出9路继电器信号，实现塔吊幅度内减、幅度外减、幅度外限、幅度内限、高度减速、高度下限、高度上限、回转左限和回转右限等功能。

为了能够方便操作、配置参数和查看数据，监控设备带有液晶显示器。当有预警和报警信号时，声光报警电路会进行相应的声音和发光报警。

人脸识别设备通过RS 232与控制主机连接，实现塔吊操作人员的人脸识别。人脸识别设备因其结构安装和识别位置要求较高，需要具备灵活安装的能力。

施工工地某些区域存在高压线、建筑物等影响塔吊正常运行的区域，一般将其设定为塔吊禁行区，启用禁行区规避功能。在塔吊密集布置的区域，需要启用群塔通信功能，通信模块的通信距离约1 km，以保证通信的可靠性，实现群塔防碰撞功能，减少和规避塔吊之间的碰撞事故。

为降低在线安全监控设备的自身维护成本，必须考虑设备的设计可靠性。塔吊自身较高，安装环境恶劣，易受塔吊电磁环境、雷电、阳光、雨水、粉尘等影响，设备设计时应考虑采取防雷措施、接地措施及EMC、防水、防尘、防阳光照射老化问题等。

为实现现场维护、检查、执法的方便性，设计了手持设备，可通过无线传输方式实现塔吊现场与控制主机的通信，将使用者关心的数据从控制主机上下载到手机设备，同时也能将指令上传到控制主机。手持设备大大减少了攀爬塔吊的次数，也提高了现场巡查效率。

4 监控管理平台

远程监控管理平台由应用服务器、数据库服务器、Web服务器以及Web浏览器组成[9]。在线安全监管设备通过移动网络与远程监控管理平台通信，发送塔吊的工作状态信息、人员信息到远程监管平台，接收远程监控管理平台发送的远程控制指令。用戶通过登录远程监控管理平台查询、管理和控制塔吊的状态。塔吊远程监控平台为使用者提供了互动管理界面。

5 系统实现与应用

为了实现在线安全监控，将现场监控设备均安装在江苏省某市某建筑工地的塔吊司机室内。设备的主要部件如图6所示。图6（a）所示为由控制主板和各功能模块组合而成的控制主机。图6（b）所示为监控设备的显示器，可实现人机交互功能。图6（c）所示为人脸识别系统。图7所示为系统安装在升降机内的显示器。图8所示为平台登录界面。图9所示为系统首页界面。图10所示为系统动画模拟塔吊运行的界面。

系统使用结果表明：工地现场监控设备能够正确采集司机、安全员和维保人员的人脸特征信息，采集塔吊的运行状态信息与故障数据，保持与应用服务器的正常通信，具备远程锁车/远程解锁功能；应用服务器能够正确解析、存储现场监控终端上报的数据，有针对性地发送和接收维保指令；管理人员能够通过网站对所属塔吊的维保情况进行有效监管。该系统还包含当前政府监管部分的业务流程，实现了工地安监的信息化和智能化。

6 结 语

本文从人-机-环境角度出发，提出了一种将“人的不安全行为”和“机的不安全状态”列为重点监管对象的塔吊在线安全监管策略及系统。设计了在线安全监控系统，描述了系统的总体架构，阐明了系统的硬件设备和软件流程，验证了系统的可行性。系统针对当前普遍存在的驾驶员识别不利于现场快速调查取证和人员排查的情况，采用人脸识别技术提高了系统的实用性和兼容性。同时对事故多发易发的塔吊安装、加高、拆卸阶段进行了深入研究并将其纳入监管。

实际应用表明，该系统实现了对塔吊“人的不安全行为”和“机的不安全状态”的全方位监管，具有良好的应用前景与市场推广价值。

参考文献

[1]李丽，牛秀艳，赵爽，等.塔式起重机事故分析与对策[J].吉林建筑工程学院学报，2007，24（1）：67-70

[2]余群舟，孙博文，骆汉宾，等.塔吊事故统计分析[J].建筑安全，2015，30（11）：10-13

[3]张青春，王伟庚，孙志勇.ZigBee技术在塔吊安全监测预警系统中的应用[J].计算机测量与控制，2014，22（8）：2615-2617，2621.

[4]陈科，张建庭，郑红梅，等.塔机信号采集与存储系统的设计与实现[J].电子测量与仪器学报，2014，28（8）：892-900.

[5]刘虎，周蕾.直测力矩塔式起重机监控仪[J].仪表技术与传感器，2014（8）：38-39.

[6]陈炬锋.施工群塔监测智能控制系统研究[D].南京：东南大学，2017.

[7]肖建力，张静.联合人脸与指纹的多模态生物特征识别方法综述[J].上海理工大学学报，2017，39（1）：51-57.

[8]邹国锋，傅桂霞，李海涛，等.多姿态人脸识别综述[J].模式识别与人工智能，2015，28（7）：613-625.

[9]柯磊.基于Web平台建筑吊塔设备远程监控系统的研究与应用[D].成都：电子科技大学，2017.