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物联网在工程安全方面的应用

2013-8-16 10:29| 编辑:电工学习网| 查看: 21898| 评论: 0

我国正处于经济高速发展的时期,各地都在紧张地进行工程建设。然而由于自然或人为因素,常常会发生各种事故,诸如地震中建筑物、构筑物大面积塌陷,在建楼房倒塌,桥梁突然断裂等。这些事故的发生不仅仅造成了许多人员的伤亡,还对社会经济、人民生活和周边自然环境产生了许多负面影响。本文结合“物联网”技术思想,讨论如何将“物联网”引入到施工现场以及工程建成后的维护工作中,借助“物联网”来更好地保障施工安全,延长建筑物、构筑物的使用寿命,减少事故的发生概率。最后针对应用中可能存在的问题提出一些合理的建议。
 1、工程安全问题及分析

建筑业是国民经济的支柱产业,但同时,它也是高风险行业之一,我国每年建筑施工的伤亡人数在各个行业中仅次于采矿业和交通业。下面从施工安全和工程维护两方面概括工程安全存在的问题以及对应分析。

1.1施工安全问题及分析

一般来讲,施工现场可以看作由人、机械设备、材料和半成品等资源组成的,在有一定组织的空间范围内,进行动态作业过程的场地。由于现场存在一定的无序的、条件复杂的动态环境,往往导致这些资源无法妥善管理,就容易发生安全事故。2013年3月30日,在中兴路一处地铁工地,一男子因走路时没注意到地下两层的洞口,导致摔入地下三层的位置,致胸部、面部和盆骨位置严重受伤。

另外,设备破损老化也是事故发生的原因之一。3月21日11时30分,锁蒙高速公路开远段第三合同段正在进行大桥横梁橡胶支座检查,因施工吊笼一头吊绳断开,导致正在吊笼上作业的3名工人从高处坠落,2名工人当场死亡,1名重伤工人送医院抢救无效后死亡。

1.2工程维护问题及分析

工程完工后的维护工作也同等重要。首先,由于风、雨水的侵蚀,建筑物材料会不断老化,甚至会出现裂缝、断裂。外表的问题容易发现,但是内部结构的破损常人就难以发现,这就导致出现了许多潜在的危房;其次,部分城市正在兴建地铁,然而在地下爆破或者盾构时,对土壤、地下水的影响很难精确计算,如果发生意外,则会导致一些在建地铁上方出现了房屋倾斜甚至是直接陷入地下的事故发生;另外,我国大部分地区处在地震带中,东部沿海每年都会遭受多次台风的侵袭,这些自然灾害都会对建筑物、构筑物造成巨大破坏,如何巧妙应对自然灾害并且能够使人准确判断哪些房屋是可以用来避难的,这不仅仅关系到国家的经济,更关系到当地群众的生命。

1.3解决问题的思想方法

尽管现阶段已经有许多计算机模拟系统,使得设计、施工单位以及物业公司能够全方位掌握建筑物的每一个细节,但是这种模拟多是静态理想化模型,无法实时监控实体的状态;普通摄像技术无法检测到实体内部结构变化,高级的摄像技术又无法做到全天候监测;另外,各个实体之间仅仅是依靠简单的机械连接,实体之间并不能进行有效的交流。鉴于以上因素,我们可以大胆设想:如果让一切实体都具有一定的“生命”,让实体可以独立寻址、自主汇报自己的状态,并可以互相交流,或许许多问题都会得到较好的解决。为了让这种设想成为现实,我们可以引入一项正在蓬勃发展的技术——“物联网”技术(Internet of Things)

2物联网技术

2.1物联网定义

国际电信联盟( ITU) 发布的ITU 互联网报告,对物联网做了如下定义: 通过二维码识读设备、射频识别( RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

2.2物联网的原理

物联网是在计算机互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中,物品(商品)能够彼此进行“交流”,而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)技术,通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。

而RFID,正是能够让物品“开口说话”的一种技术。在“物联网”的构想中,RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息,通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统,实现物品(商品)的识别,进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享,实现对物品的“透明”管理。 

2.3我国物联网的发展

第一,我国早在1999年就启动了物联网核心传感网技术研究,研发水平处于世界前列;第二,在世界传感网领域,我国是标准主导国之一,专利拥有量高;第三,我国能够实现物联网完整产业链的国家之一;第四,我国无线通信网络和宽带覆盖率高,为物联网的发展提供了坚实的基础设施支持;第五,我国已经成为世界第二大经济体,有较为雄厚的经济实力支持物联网发展。得益于我国在物联网方面的五大优势,物联网在中国迅速崛起。

而伴随着物联网整体技术日益成熟,在工程方面,物联网也得到了更多的重视。仅列举2012年9月份的大事记:1日,广州市所有在建的建设工程,开始要求在施工现场制作的抗压试件中全部植入芯片,用于监管工程混凝土质量,切实保障工程质量。9月17日,上海首个超高层的智慧商务社区——“上海中心”—— 启动建设。9月18日科技部公布了《中国云科技发展“十二五”专项规划》

3物联网在工程安全方面的应用

下面从施工安全和工程维护两个方面阐述我个人对物联网应用的一些设想。

3.1物联网在施工安全方面的应用

针对施工现场的动态管理问题,可以将每一位工人、每一台机械设备、每一件大型材料,以及各个关键的施工环节安置具有发射、接收功能的“标签”,实现控制中心、工人、物品的全面实时互联。这样,工人可以了解周围物品的状态信息,接收控制中心下达的命令;控制台可以掌握工人和物品设备的整体情况,进行工作部署;如果有必要,机器也可以接收指令信号进行一定的施工操作。#p#分页标题#e#

以上这种全面实时互联可以解决以下几个具体问题:

1.      当工人进行测量工作时,可以直接通过标签的坐标差来实现精准测量;

2.      当工人进行高危活动时,标签会实时监控人与物品间的距离、并接收周围设备的安全信号,当发现潜在威胁(例如冲撞)时,及时发出预警信号,使工人快速撤离;

3.      在突然遇到雷雨大风浓雾等恶劣天气,或者夜间工作时,工人无法辨明道路,可以通过接收器接收的信息准确找到撤退路线,保障人身安全。

对于设备老化问题,可以在设备中加入芯片,实时监控设备的内部应力、振动频率、温度、形变等参数变化并反映给驾驶员以及在设备周围施工的工人,并督促相关人员及时维修。

3.2物联网在工程维护方面的应用

对于常见的侵蚀,可以学习广州市的做法,在重要的结构中加入感应芯片,当压力、潮湿度、化学元素含量数据有较大变化时,向屋内的户主发出紧急信号,并同时发送给物业部门;如果条件允许,可以在建筑结构中加入一个小型的“仓库”以及机器人,当材料出现磨损时,机器人可以直接在芯片引导下,对磨损处进行修复。

对于城建问题,可以在地表、可能受到影响的建筑、地下放置“标签”实时监控可能发生的震动甚至是明显的位移,并将信号发送给工人的接收端、以及工地外的LED屏幕上,警惕周围过路行人。实现施工的透明化,使周围群众更加放心。

对于自然灾害,分为如下几个方面阐述:

1.        台风的防护:几乎所有的建筑物在完工后,形状不会发生任何改变,而风的方向却是不断变化的,因次,为了更好的应对台风,可以将大楼设计成可以旋转的建筑(比如迪拜旋转塔),旋转塔的旋转控制端优先接收风力风向信号(信号来源可以是气象台,也可以是大楼顶部的监测仪器),在台风来临时主动旋转到与台风接触面积最小的角度(部分利用台风发电的建筑旋转到其它合适位置,例如上海中心)。而平日,可以根据户主的需要,监控阳光、风景等因素,进行适当的旋转。

2.        轻微震动的防护:为了减少地震动对建筑物造成的晃动,或者风对桥梁产生的振动,在原有的机械阻尼器基础上,可以引入智能阻尼,在对振动最敏感的地方放置标签,实时监控楼体、桥面的位移,并将信号传输给楼、桥内的负重机器人,机器人通过分析,适当改变自身的运动状态来减少楼体的振动幅度。相对于机械阻尼只能减弱不能抵消能量的缺点,智能阻尼只要计算准确,有能力实现抵消振动能量的目标。

3.        大型地震的避难:发生大地震后,部分楼房没有立即倒塌,但不排除潜在的危险,可能经历一次余震就会立即成为废墟,如何准确的判断哪些建筑时危房、哪些建筑仍然可以用来避难?可以仿照应对侵蚀问题的做法,在房屋的地基、承重墙等重要结构处安置芯片,将结构的破坏程度传输到地震台、地方政府,方便尽快提供救援,同时在楼体外墙LED显示屏直接显示该建筑是否适于避难。为了应对人员拥挤问题,可以采用地铁监控的方式,智能搜寻下一个能够提供避难的建筑物并同步计算出两站之间距离,显示在LED屏幕上,方便合理安排群众。

4.        对于火灾,可以在承重墙、楼板加入压感、温感芯片,监控结构的形变;在通道处加入光感芯片,监控烟雾浓度;两者将信号直接发送至119,方便接线员全方面了解火灾情况,实施救援;同时信号传输至大楼控制台,控制台控制机器人在重要通道根据着火材料、楼体结构进行选择性、专业性、智能性救火,迅速打通救生通道。

4物联网应用存在的问题及改进

4.1存在问题

1)        电力问题:遇到飓风、强震等极端自然灾害时,电力可能无法得到持续供应,此时智能化机器、芯片将可能完全丧失其应有的救灾监控功能;

2)        通信问题:我国通信速率世界排名相对落后,可能制约物联网的发展;遭遇强磁暴时,物联网可能会陷入全面瘫痪;

3)        结构问题:芯片的加入有可能破坏结构本身,影响结构的稳定性;

4)        经济问题:施工维护的智能化是服务行业,早期投入成本高,效益不明显,可能并不会得到设计单位、施工单位、物业单位的认可;

5)        技术问题:我国的芯片制造技术相对落后,生产份额仅占世界10%,严重依赖国外生产厂家;

6)        终端问题:巨大的工程市场需求可能会给终端的制造产生巨大的压力;

7)        数据问题:一个大型工程项目需要众多人力物力,使得物联网需要处理的动态数据将会异常巨大,因而需要配套的大型储存和高速运算系统;

4.2改进措施

1)        电力问题:使用压电、无线充电技术保证电力供应;仿照“生命游戏”机制,根据权重让芯片间歇性工作,节约电力;

2)        通信问题:新的TD-LTE以及FDD-LTE网络会极大提升网络速率,为物联网发展做好铺垫;采用电磁保护措施防止磁暴,同时也要出台没有物联网时紧急情况处理的预案;

3)        结构问题:在材料制造时便加入芯片,使得芯片和材料作为一个整体出现;

4)        经济问题:政府、企业提供资金支持,高校提供技术支持,采取合作的方式推动物联网在工程安全方面的发展;

5)        技术问题:大力提倡科技创新,努力掌握芯片制造的核心科技;

6)        终端问题:随着嵌入式系统的发展,以及Android、Linux等开源操作系统的普及,现在已经出现了智能眼镜、智能手表等轻便智能终端,这些设备都可以作为物联网系统的一部分,节省了物联网应用的成本。

7)        数据问题:结合最新的云计算技术,可以方便地解决大数据问题;

5结论

物联网在工程安全方面的应用价值是明显的。尽管现阶段物联网的发展主要倾向于智能家居、智能城市,但相信随着技术的不断成熟,物联网会给工程安全带来前所未有的变化,因为有了物联网,工人的生命安全得到了保障,居民对建筑工程更加放心,我国突破了国际上对监控系统的技术垄断,世界上的大型建筑也将有新的发展,相信建设工程的明天将会更加绚丽多彩。 

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