基于物聯網的升降作業平臺遠程監測管理信息系統設計

畢既華 梁洋 鄧連根

0 引言

隨著我國建筑業快速發展和城鎮化進程持續推進，高層建筑已經成為城市建筑的重要組成部分。根據世界高層建筑與都市人居學會（Council on Tall Buildings and Urban Habitat）2021 年發布的《CTBUH 年度回顧：2020 年的高層建筑發展趨勢》，近十年來世界高層建筑數量呈現穩定增長的趨勢。2020年，我國已建成56 座200m 及以上的建筑，占全球總竣工數量的52.8%。高層建筑施工面臨高空作業，傳統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作業，而且高空搭設帶來的安全風險大增。根據住房和城鄉建設部統計數據，2019 年，全國共發生房屋市政工程生產安全事故773 起、死亡904 人，在所有的事故類型中，高處墜落事故415 起，占總數的53.69%。升降作業平臺依靠自身動力系統沿豎向導向架升降，并可根據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平臺。與傳統腳手架相比，該平臺搭設方便、操作靈活、適用性強、安全性好，滿足高層建筑施工需求，市場推廣應用前景廣闊。

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

針對上述安全風險，通過采用物聯網技術、傳感技術和互聯網技術，設計開發基于升降作業平臺現場安全控制策略的遠程監測管理信息系統，實現對作業平臺運行狀態的遠程實時監測和風險預警，為規范操作行為，排查使用安全風險隱患，提高安全監管工作效率，提供技術支撐。

1 系統方案

升降作業平臺遠程監測管理信息系統基于物聯網架構設計，由感知層、網絡層、平臺層和應用層組成，包括傳感器、控制器、無線傳輸設備、IOT 服務器、WEB 服務器、數據庫服務器、遠程監測應用平臺等部分。系統總體架構如圖1 所示。

圖1 系統總體架構圖

圖1 中，感知層是實現物聯網全面感知的基礎，通過在升降作業平臺相應位置安裝荷載、位移、力矩傳感器及限位控制和PLC 等感控設備，采集作業平臺運行數據；網絡層以GPRS RTU 設備作為無線數據傳輸設備，將傳感器采集的作業平臺實時運行數據傳輸至IOT 服務器，通過應用“云計算”技術，建立實用、可靠、高效的信息化系統和智能化信息共享平臺，實現信息共享和優化管理；平臺層是物聯網應用的核心，包括軟硬件基礎設施，IOT 服務器承擔作業平臺數據接收、解析、處理和存儲任務，并根據設定的報警值進行預報警判斷，生成預報警記錄；應用層主要解決信息處理和人機界面交互的問題。本系統通過遠程監測平臺為用戶提供用戶管理、數據管理、作業平臺遠程監測數據實時展示等服務。

2 系統設計

2.1 硬件裝置

本系統的硬件裝置由數據采集及傳輸設備構成，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、RTU 遠程傳輸模塊等。作業平臺監控設備各部件安裝布置如圖2 所示。

圖2 作業平臺監控設備各部件安裝布置圖

PLC 實時采集各傳感器及限位狀態數據，經過數據轉換后獲得作業平臺實時運行狀態數據，并根據作業平臺兩側的高度差實時調整變頻器運行速度，實現自動調平。實時監測數據包括重量、額定載荷、高度、速度、力矩、運行狀態（靜止、下降、上升）、門限位狀態、超載報警、同步限位等。數據由PLC 封裝組包，形成26 字節的上傳數據包，推送到GPRS RTU的RS232 數據端口，通過2G/3G/4G 無線移動網絡上傳到監測平臺。

2.2 平臺架構設計

經過分析對比國內外主流開源、商用數據庫解決方案，結合系統用戶對象及技術特征，本系統采用開源數據庫MySQL，使用B/S 的三層架構，采用Java+MySQL 開發設計。監測平臺部署在云端，具有高并發處理能力、大數據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，查看最新數據信息。監測平臺包括數據庫服務器、Web 服務器和IOT 服務器，數據庫服務器主要用于存儲系統數據；IOT 服務器作為遠程通信的接收端用于接收原始數據包并存入系統數據庫；Web 服務器作為系統網站的服務端，處理用戶客戶端瀏覽器的請求，調取系統數據庫的數據并給出響應。安裝在升降作業平臺的數據采集傳輸設備通過 TCP/IP 協議將采集的原始數據打包，發送給IOT 服務器上的遠程通信接收端，接收端將原始數據包解析后存入系統數據庫。用戶通過客戶端瀏覽器訪問系統網站時，瀏覽器向Web 服務器發送請求，Web 服務器接收到請求后，調用系統數據庫中的相關數據并進行處理，將處理結果作為響應返回給瀏覽器。監測平臺應用架構如圖3 所示。

圖3 監測平臺應用架構圖

作業平臺升降作業時，無線數據傳輸終端RTU 聯網后自動向監測平臺上傳高度、速度、荷載、力矩、同步限位等實時監測數據；平臺接到數據后經過與預設的閾值進行比較和分析，自動判斷設備運行是否處于預警或報警狀態；現場作業人員及項目管理人員可以通過登錄系統平臺或移動終端查看實時監測數據和歷史數據，發現數據預警時及時處置，保障施工作業安全。遠端監測平臺的用戶包含施工企業、管理部門，針對不同用戶可分配不同的管理和操作權限，不同用戶登錄后系統展現的功能有所不同。

2.3 系統主要功能

針對升降作業平臺日常管理和使用狀態監測需求，本系統開發了用戶管理、設備管理、人員管理、實時顯示、數據分析、數據輸出、信息動態展示等功能模塊，實現了設備管理、運行狀態遠程實時監測和安全風險預判報警。系統功能結構如圖4所示。

圖4 系統功能結構圖

圖5 遠端監測平臺主頁面

3 系統安全性設計

本系統的數據庫與遠端監測平臺均以web 服務器為基礎，而Web 服務器易受黑客攻擊。黑客可利用網站操作系統的漏洞和Web 服務程序的SQL，得到Web 服務器的控制權限，輕則篡改網頁內容，重則竊取重要數據，甚至在網頁中植入惡意代碼，使得網站訪問者受到侵害。

3.1 系統應用安全管理

本系統應用安全管理包括用戶訪問安全、應用操作安全、信息系統容錯、備份數據測試、系統恢復演練等，滿足信息系統應用安全管理的相關要求。設計時采用訪問控制、數字認證、授權審計等措施，必要時使用CA 數字證書認證，保障數據的準確性和可用性，確保數據訪問的安全可靠。

3.2 系統數據安全管理

數據安全管理包括數據傳輸安全、數據加工存儲安全，通過制定具體的數據安全管理方案和措施，滿足信息系統數據安全管理的相關要求。數據庫配置日志功能，對用戶登錄進行記錄，記錄內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；記錄用戶對數據庫的操作，包括但不限于以賬號創建、刪除和權限修改、口令修改、讀取和修改數據庫配置等內容，記錄包含用戶賬號、操作時間、操作內容以及操作結果；根據業務要求制定數據庫審計策略。

4 結束語

升降作業平臺的應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。本文將物聯網技術引入升降作業平臺的安全監管領域，設計了基于物聯網的升降作業平臺遠程監測管理信息系統。該系統以升降作業平臺安全控制策略為基礎，通過綜合利用多項成熟的物聯網技術和無線通信技術，實現了升降作業平臺管理和運行狀態遠程監測，極大地提高了施工安全管理工作效率和管控能力。該系統的推廣應用必將促進安全生產技術信息化發展，提高工程安全監管水平，為推動城鄉建設綠色發展提供有力支撐。