1 引 言

建筑行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)生產(chǎn)部門(mén)和支柱產(chǎn)業(yè)之一，也是安全事故多發(fā)的高危行業(yè)。影響施工工地的安全因素有很多，包含施工機(jī)械、安全管理、人員操作、氣候環(huán)境等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2007年～2017年上半年，全國(guó)共發(fā)生6 371起建筑施工安全事故，造成7 804人死亡，建筑施工安全事故死亡人數(shù)主要集中在高空墜落、物體打擊、坍塌、起重傷害及觸電等方面。加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理、降低事故發(fā)生頻率、杜絕各種違規(guī)操作、提高建筑工程質(zhì)量，是各級(jí)政府、業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。

當(dāng)前建筑施工安全管理面臨的主要問(wèn)題為：①缺乏對(duì)建筑機(jī)械的全生命周期管理，不能對(duì)設(shè)備的有效工作時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控；②缺乏對(duì)施工設(shè)備關(guān)鍵部件進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測(cè)，無(wú)法對(duì)部件的故障進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)，也不能及時(shí)維護(hù)與檢修；③缺乏對(duì)施工人員的全程監(jiān)管手段，例如，缺乏對(duì)施工人員培訓(xùn)、操作等工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，無(wú)法對(duì)人員操作規(guī)范化程度進(jìn)行合理評(píng)估。因此，當(dāng)前建筑行業(yè)整體缺乏科學(xué)先進(jìn)的信息化手段對(duì)工地施工情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，進(jìn)而難以提高工程管理的信息化水平。

基于以上問(wèn)題，北京某工地通過(guò)構(gòu)建基于多源傳感器的“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合人員的考勤記錄實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)駕駛員（以下簡(jiǎn)稱“塔司”）有效工作時(shí)長(zhǎng)、違規(guī)操作的監(jiān)測(cè)。但是僅僅只是做到多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合和集成，解決了工地現(xiàn)場(chǎng)各種智能設(shè)備、信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的問(wèn)題，并沒(méi)有對(duì)這些工程數(shù)據(jù)進(jìn)行充分利用和深入挖掘，難以實(shí)現(xiàn)工程施工可視化智能管理，以提高對(duì)建筑施工工地的精細(xì)化管理。

針對(duì)以上問(wèn)題，我們采取了以下手段：①首先 通 過(guò) ETL（Extraction-Transform-Loading）的手段對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和清洗，生成塔機(jī)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，便于后繼的分析與挖掘；②將經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)分析方法引入到塔司操作、工作時(shí)長(zhǎng)、排班情況等各種影響因素分析之中。希望通過(guò)結(jié)果客觀地反映出建筑施工管理存在的問(wèn)題；利用“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”打造智慧工地，推動(dòng)建筑工地實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化管理，實(shí)現(xiàn)綠色建造和生態(tài)建造。為我國(guó)基于“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”的建筑施工機(jī)械安全管理進(jìn)行有益的探索，為智慧工地建設(shè)提供參考性意見(jiàn)。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 塔機(jī)數(shù)據(jù)

本文研究數(shù)據(jù)來(lái)源于北京某大型工地，記錄了36臺(tái)塔機(jī)在2016年11月1日～2017年1月16日期間操作生成的約548萬(wàn)條數(shù)據(jù)。塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集環(huán)境如圖1所示。系統(tǒng)共采集了塔機(jī)使用時(shí)間、起重量、小車幅度、力矩比、吊鉤高度、回轉(zhuǎn)角度、載重比等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每10s上傳一次。

圖1 北京某大型工地塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集環(huán)境

2.2 操作人員數(shù)據(jù)

本研究記錄了98位塔司在2016年11月01日到2017年1月16日期間操作生成的約548萬(wàn)條數(shù)據(jù)，按照塔司值班表對(duì)塔司操作記錄進(jìn)行劃分，值班時(shí)段：6時(shí)～12時(shí)、12時(shí)～18時(shí)及18時(shí)～次日6時(shí)。白班均為6h，夜班為12h。

2.3 工人培訓(xùn)及考勤記錄

為了提升工人安全意識(shí)，規(guī)范工人操作行為，施工工人在進(jìn)入工地成為正式工作人員前，均需要在培訓(xùn)中心進(jìn)行3h的施工安全培訓(xùn)。經(jīng)過(guò)培訓(xùn)后的工人，需要在培訓(xùn)中心登記其個(gè)人信息和培訓(xùn)信息。此外，工地內(nèi)配置了完善的考勤系統(tǒng)，工人考勤記錄了每位工人進(jìn)入工地的詳細(xì)信息，主要包括了工人個(gè)人信息表和工人刷卡記錄表。通過(guò)以上信息，管理人員可以了解工地內(nèi)用工情況。

3 數(shù)據(jù)清洗

數(shù)據(jù)清洗是數(shù)據(jù)分析中最重要也是最耗時(shí)的工作，保證了數(shù)據(jù)分析結(jié)果的可靠性。

3.1 塔機(jī)數(shù)據(jù)

根據(jù)GB 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)循環(huán)的定義，“從起吊一個(gè)物品起，到能開(kāi)始起吊下一個(gè)物品時(shí)止，包括起重機(jī)運(yùn)行及正常的停歇在內(nèi)的一個(gè)完整的過(guò)程”，將每位塔司的操作記錄劃分為完整的吊裝過(guò)程。因此，主要通過(guò)判斷吊重信息對(duì)循環(huán)進(jìn)行劃分。循環(huán)的判斷條件為，載重由零變?yōu)榉橇汩_(kāi)始，經(jīng)歷吊鉤提升高度、小車滑動(dòng)幅度、大臂回轉(zhuǎn)角度三類運(yùn)行參數(shù)的變化后載重再次歸為零，至再次重復(fù)以上過(guò)程前終止。

由于塔機(jī)傳感器數(shù)據(jù)的采樣間隔為10s，相鄰兩條記錄的數(shù)值差距較大，如果使用差分方法計(jì)算速度和加速度值，相比真實(shí)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)較大偏差。因此，本文使用均值濾波的方法對(duì)塔機(jī)傳感器數(shù)據(jù)記錄的吊鉤提升高度、小車滑動(dòng)幅度、大臂回轉(zhuǎn)角度3個(gè)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行均值濾波，以消除大采樣間隔導(dǎo)致的速度和加速度數(shù)值結(jié)果不精確的影響。其中，卷積核。以信號(hào)長(zhǎng)度為256的吊高提升高度為例進(jìn)行均值濾波，其濾波前后信號(hào)振幅變化如圖2所示。

3.2 塔司數(shù)據(jù)

利用記錄發(fā)生地點(diǎn)（塔機(jī)編號(hào)）與時(shí)間的信息，將工人值班表與塔機(jī)運(yùn)行記錄聯(lián)合為一張表，以便確定每位塔司的操作記錄。

圖2 均值濾波效果圖

一般情況下塔機(jī)黑匣子記錄保存在設(shè)備生產(chǎn)商處而塔司值班記錄保存在工程開(kāi)發(fā)單位，因此為了將操作記錄與塔司對(duì)應(yīng)起來(lái)，需要在R分析軟件中進(jìn)行如下操作：①對(duì)黑匣子數(shù)據(jù)表和塔司值班表進(jìn)行整合，將操作記錄對(duì)應(yīng)至塔司名下，即將塔司值班數(shù)據(jù)與塔機(jī)黑匣子數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將塔機(jī)編號(hào)及時(shí)間進(jìn)行關(guān)聯(lián)；②將沒(méi)有對(duì)應(yīng)司機(jī)的操作記錄刪除，此外將沒(méi)有載重的數(shù)據(jù)記錄刪除，從而排除干擾。經(jīng)過(guò)篩選后，剩余31臺(tái)塔機(jī)、79位塔司以及約311萬(wàn)條數(shù)據(jù)。

3.3 違章操作的定義

目前，塔機(jī)黑匣子作為記錄塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)的工具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在實(shí)際工程作業(yè)當(dāng)中，借助塔機(jī)黑匣子記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析師可以挖掘出違章信息及不熟練操作，包括急啟急剎、超載、打回車、提前剎車及不規(guī)范卸貨等5種不同的違章操作。急啟急剎表現(xiàn)為塔機(jī)的提升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，由于操作不規(guī)范，容易產(chǎn)生較大的加速度，造成機(jī)械磨損。在載物時(shí)，急啟急剎容易產(chǎn)生瞬時(shí)超載情況，容易造成塔機(jī)傾覆事件。超載則表現(xiàn)為吊運(yùn)重物過(guò)程中產(chǎn)生了超過(guò)額定吊重的現(xiàn)象。打回車、提前剎車及不規(guī)范卸貨是塔司操作不熟練的體現(xiàn)，也容易導(dǎo)致事故的發(fā)生。

通過(guò)咨詢塔機(jī)設(shè)計(jì)專家以及具體的施工安全監(jiān)督人員，對(duì)以上5種操作進(jìn)行如下定義。

圖3 判斷啟動(dòng)與制動(dòng)

1）急啟急剎 啟動(dòng)與制動(dòng)可以通過(guò)“速度為零，加速度不為零”作為判斷條件，如圖3所示，最左1列為位移列，通過(guò)一階差分計(jì)算出速度并補(bǔ)零（判斷啟動(dòng)時(shí)在首位補(bǔ)零，判斷制動(dòng)時(shí)在末尾補(bǔ)零），通過(guò)二階差分計(jì)算加速度，并在首尾均補(bǔ)零。

2）超載 圖4介紹了某塔司在一段時(shí)間內(nèi)的吊載紀(jì)錄，圖中每個(gè)點(diǎn)代表一條操作記錄，“○”為早上6時(shí)～12時(shí)，“△”為12時(shí)～18時(shí)，“+”點(diǎn)為18時(shí)～次日6時(shí)操作記錄，線條為該型塔機(jī)的額定力矩曲線。

圖4 塔機(jī)吊載及超載示意圖

當(dāng)記錄點(diǎn)位于曲線上方時(shí)即為超載，圖4中塔司黑某占有多次超過(guò)塔機(jī)規(guī)定參數(shù)的超載操作，其中早上超載11次，下午全部合格，夜晚超載97次。

3）打回車 指的是塔司由于缺乏經(jīng)驗(yàn)或預(yù)判不足，導(dǎo)致剎車不及時(shí)、大臂擺動(dòng)角度超過(guò)卸貨點(diǎn)，在未停穩(wěn)（速度降為零）狀態(tài)下即進(jìn)行反向回轉(zhuǎn)大臂的操作，反映在數(shù)據(jù)上即卸貨點(diǎn)的所處的回轉(zhuǎn)角度值即非本次循環(huán)內(nèi)的最大值，也非最小值，且相鄰操作記錄的速度值正負(fù)號(hào)相反。如圖5所示。

圖5 判斷打回車

4）提前剎車 指的是塔司由于缺乏經(jīng)驗(yàn)或預(yù)判不足，在回轉(zhuǎn)大臂到達(dá)卸貨點(diǎn)前過(guò)早剎車，反復(fù)啟動(dòng)后才到達(dá)卸貨點(diǎn)的操作，反映在數(shù)據(jù)上即在到達(dá)卸貨點(diǎn)之前回轉(zhuǎn)速度至少一次降為零，但是由于10s采集一次數(shù)據(jù)不一定能夠準(zhǔn)確捕捉到停止動(dòng)作，因此限定速度值有一個(gè)先降低，然后起升的趨勢(shì)即可認(rèn)定提前剎車。

5）不規(guī)范卸貨 主要指貨物在落地接觸卸貨點(diǎn)后，在固定過(guò)程中，塔司突然起升的操作。反映在數(shù)據(jù)中即高度降低，吊鉤接近卸貨點(diǎn)后突然起升的現(xiàn)象。

通過(guò)上述定義，我們可以分析出每個(gè)塔司的急啟急剎與超載操作的次數(shù)，從而發(fā)現(xiàn)塔司違規(guī)操作與時(shí)間分布的關(guān)系及規(guī)律。但是，由于每個(gè)塔司的工作量不同，可能會(huì)導(dǎo)致個(gè)別工作量較大的塔司的違規(guī)數(shù)遠(yuǎn)高于其他塔司，因此為了合理的反映違規(guī)發(fā)生情況，本文采用違章率來(lái)定義塔司的操作水平，計(jì)算方法如下。

假設(shè)違章率為R，n代表5種違章中的第n種，m代表79位塔司的第m位，emm表示第m位塔司在第n種違章中出錯(cuò)的循環(huán)數(shù)，tm表示第m位塔司完成的所有循環(huán)數(shù)，第m位塔司的第n中違章的違章率Rnm的計(jì)算方法如下

其中，循環(huán)的定義按《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》的“從起吊一個(gè)物品起，到起吊下一個(gè)物品時(shí)止，包括起重機(jī)運(yùn)行及正常的停歇在內(nèi)的一個(gè)完整的過(guò)程”。

此外，由于目前獲取的基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)為每10s生成一條，因此必然會(huì)損失一些操作細(xì)節(jié)，導(dǎo)致分析準(zhǔn)確率不高，該問(wèn)題可以隨著操作記錄時(shí)間分辨率的增加而得到解決。

4 統(tǒng)計(jì)結(jié)果及分析

4.1 違章率與工作時(shí)長(zhǎng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系

將79名塔司的違章數(shù)據(jù)分別根據(jù)工作時(shí)長(zhǎng)的不同，按照白班6h，夜班12h進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。圖6中橫坐標(biāo)代表塔司工作時(shí)長(zhǎng)，縱坐標(biāo)代表違章率。

圖6 違章率與工作時(shí)長(zhǎng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在白班6h和夜班12h工作制下，塔司的違章次數(shù)均有相同的變化趨勢(shì)，在上班后的第1h和臨下班的最后1h塔司都有比較高的違章率。因此可以表明，剛上班第1h，塔司因?yàn)楦鞣N原因還未調(diào)整為上班狀態(tài)，導(dǎo)致違章次數(shù)較高；而臨下班時(shí)操作人員提前進(jìn)入下班狀態(tài)，心情浮躁，也會(huì)導(dǎo)致違章次數(shù)較高。因此，工地管理人員可以根據(jù)這一分析結(jié)果采取針對(duì)性措施對(duì)塔司在第1h和最后1h進(jìn)行監(jiān)督，在這些敏感時(shí)間段中降低違章率。

圖7為79名塔司超載違章率的均值和方差分布情況，橫坐標(biāo)為超載違章率均值，縱坐標(biāo)為違章率標(biāo)準(zhǔn)差。違章率均值越大，說(shuō)明此操作人員超載違章率較其他人來(lái)說(shuō)要高；超載違章率的標(biāo)準(zhǔn)差越大，說(shuō)明此操作人員操作穩(wěn)定性越差。從圖7可以觀察出謝某超的超載違章率均值和標(biāo)準(zhǔn)差都是最大的，說(shuō)明謝某超超載違章率高，而且操作穩(wěn)定性也比較差。工地管理人員可以針對(duì)謝某超進(jìn)行專門(mén)的培訓(xùn)，改進(jìn)其業(yè)務(wù)水平。管理人員也可以通過(guò)圖7看出整個(gè)工地塔司業(yè)務(wù)水平的排名情況，對(duì)違章率均值和標(biāo)準(zhǔn)差都比較大的操作人員采取相應(yīng)的管理措施，提高工地整體的業(yè)務(wù)水平。

圖7 操作人員超載違章率均值和標(biāo)準(zhǔn)差的分布情況

4.2 違章率與工作時(shí)段的關(guān)聯(lián)關(guān)系

本文統(tǒng)計(jì)了A1、A3、A4、B3四個(gè)工地塔司在白班和夜班不同時(shí)段的違章率。從圖8可以看出，四個(gè)不同工地塔司在夜班違章率均高于白班；從表1可以看出急起急剎、打回車、提前剎車、不規(guī)范卸貨四種操作行為在白班時(shí)段的違章率均高于夜班，而超載的違章率明顯在夜間高于白班違章率。

此現(xiàn)象可以看出，由于時(shí)間短任務(wù)急在白班四種違章率均高于夜班，由于夜晚管理不嚴(yán)格同時(shí)造成超載數(shù)量增多的情況。針對(duì)此現(xiàn)象，工地管理人員應(yīng)相應(yīng)在白班加強(qiáng)違章監(jiān)督，合理安排工作量，降低白班工作的工作量，在夜班加強(qiáng)超載的監(jiān)管，以免產(chǎn)生安全事故。

圖8 四個(gè)工地在白班與夜班違章率對(duì)比

表1 五種違章操作的違章率在不同時(shí)段的對(duì)比

本文統(tǒng)計(jì)了編號(hào)為A1的工地52名塔司在白班和夜班兩個(gè)不同時(shí)段的超載違章率。從圖9可以看出姓名為張某全的塔司在白班時(shí)段違章率是所有塔機(jī)中最高的，姓名為郝某發(fā)的操作人員在夜間時(shí)段超載違章率最高。工地管理人員可針對(duì)這兩位塔司進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督，以降低超載的違章行為發(fā)生率。實(shí)際中，很多建筑工地的工人文化程度較低，學(xué)習(xí)能力和技術(shù)水平普遍低下，嚴(yán)重影響到建筑施工質(zhì)量，因此需要提升工人的整體業(yè)務(wù)水平。

圖9 不同操作人員在白班與夜班違章率比較

4.3 按工地塔司操作水平評(píng)估

本文通過(guò)定義—編程—檢測(cè)三個(gè)步驟對(duì)塔機(jī)黑匣子數(shù)據(jù)進(jìn)行急起急剎、超載、打回車、提前剎車及不規(guī)范卸貨5種塔機(jī)違規(guī)操作的檢測(cè)，并通過(guò)違章數(shù)據(jù)量占總工作量的百分比計(jì)算違章率，最后通過(guò)違章率對(duì)塔司的操作水平進(jìn)行評(píng)估，評(píng)分的機(jī)制如下。

假設(shè)m代表79位工人中的第m位，n代表5中違章中的第n種，R代表違章率，S代表工人評(píng)分分值，則第m為塔司的分值計(jì)算方法如下

計(jì)算每種違規(guī)操作的違章數(shù)量，并計(jì)算違章率，其值的大小介于0～1之間；定義每種違規(guī)操作的得分為：分值＝1-違章率；對(duì)5類違章操作分別計(jì)算分值，加和后得到總得分值，分值越大代表水平越高。大于等于4分的記為優(yōu)秀，介于3～4分之間的記為良好，計(jì)算方法如下

對(duì)A3、A1、B3、A4四個(gè)工地的79名塔司違章操作記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過(guò)現(xiàn)有方法對(duì)A3、A1、B3、A4四個(gè)工地塔司操作水平進(jìn)行量化評(píng)估，從圖10可以看出A3工地的塔司操作水平在優(yōu)秀的比例最高，達(dá)到83.3%，而A4工地的塔司操作水平在優(yōu)秀的比例最小，僅有36.3%。

圖10 四個(gè)不同工地塔機(jī)駕駛員操作水平分布圖

5 結(jié) 論

加強(qiáng)建筑施工的安全管理水平是我國(guó)建筑行業(yè)的迫切需求。本文就我國(guó)建筑施工在安全管理中常見(jiàn)的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過(guò)對(duì)建筑施工數(shù)據(jù)的深入分析和挖掘，進(jìn)而探討針對(duì)性的解決對(duì)策，以期對(duì)提高建筑行業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力與國(guó)家建筑施工管理水平有所借鑒。未來(lái)還將實(shí)現(xiàn)：①通過(guò)建立施工大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)更為廣泛和全面的數(shù)據(jù)的整合和集成；②利用人臉識(shí)別、指紋識(shí)別等生物特征識(shí)別手段實(shí)現(xiàn)對(duì)工人考勤、轉(zhuǎn)場(chǎng)、培訓(xùn)等管理；③利用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)施工車輛路線規(guī)劃、排班數(shù)據(jù)造假等問(wèn)題的進(jìn)一步解決；④通過(guò)利用綠色環(huán)保的智能設(shè)備，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域的綠色和可持續(xù)的理念。

本文對(duì)面向智慧工地的施工安全管理大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行了初探，為促進(jìn)建筑安全管理向精細(xì)化、數(shù)據(jù)化、信息化轉(zhuǎn)變，為相關(guān)法律法規(guī)的建立健全提供科學(xué)依據(jù)和決策支撐，助力我國(guó)建筑行業(yè)不斷向前發(fā)展。

致謝：感謝中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑機(jī)械化研究分院的李守林研究員、羅文龍研究員以及姚金柯研究員，各位專家為本課題研究提出的寶貴的指導(dǎo)意見(jiàn)并為本課題研究提供了塔機(jī)傳感器數(shù)據(jù)及相關(guān)資料。

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