建筑行業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要物質(zhì)生產(chǎn)部門和支柱產(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，包含施工機械、安全管理、人員操作、氣候環(huán)境等。據(jù)統(tǒng)計，自2007年至2017 年上半年，全國共發(fā)生6371起建筑施工安全事故，造成7804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。加強施工現(xiàn)場安全管理、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，是各級政府、業(yè)內(nèi)人士關注的焦點問題。

當前建筑施工安全管理面臨的主要問題為：①缺乏對建筑機械的全生命周期管理，不能對設備的有效工作時間進行監(jiān)控；②缺乏對施工設備關鍵部件進行精細化監(jiān)測，無法對部件的故障進行及時的監(jiān)測，也不能及時維護與檢修；③缺乏 對施工人員的全程監(jiān)管手段，例如，缺乏對施工人員培訓、操作等工作狀態(tài)的監(jiān)測，無法對人員操作規(guī)范化程度進行合理評估。因此，當前建筑行業(yè)整體缺乏科學先進的信息化手段對工地施工情況進行實時監(jiān)測與分析，進而難以提高工程管 理的信息化水平。 基于以上問題，北京某工地通過構建基于多源傳感器的“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”平臺實現(xiàn)對塔機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，并結合人員的考勤記錄實現(xiàn)對塔機駕駛員（以下簡稱“塔司”）有效工作時長、違規(guī)操作的監(jiān)測。但是僅僅只是做到多源異構數(shù)據(jù)的整合和集成，解決了工地現(xiàn)場各種智能設備、信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的問題，并沒有對這些工程數(shù)據(jù)進行充分利用和深入挖掘，難以實現(xiàn)工程施工可視化智能管理，以提高對建筑施工工地的精細化管理。 針對以上問題，我們采取了以下手段：①首先通過 ET的手段對實時數(shù)據(jù)進行采集和清洗，生成塔機大數(shù)據(jù)分析平臺的數(shù)據(jù)倉庫，便于后繼的分析與挖掘；②將經(jīng)典的統(tǒng)計分析方法引入到塔司操作、工作時長、排班情況等各種影響因素分析之中。希望通過結果客觀地反映出建筑施工管理存在的問題；利用“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”打造智慧工地，推動建筑工地實現(xiàn)精細化、信息化、標準化管理，實現(xiàn)綠色建造和生態(tài)建造。為我國基于“物 聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”的建筑施工機械安全管理進行有益的探索，為智慧工地建設提供參考性意見。

數(shù)據(jù)采集：2.1 本文研究數(shù)據(jù)來源于北京某大型工地，記錄了36臺塔機在 2016 年 11 月 1 日～ 2017 年 1 月 16 日期間操作生成的約548萬條數(shù)據(jù)。塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集環(huán)境如圖1所示。系統(tǒng)共采集了塔機使用時間、起重量、小車幅度、力矩比、吊鉤高度、回轉角度、載重比等實時數(shù)據(jù)，每10S上傳一次。

     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 條數(shù)據(jù)，按照塔司值班表對塔司操作記錄進行劃分，值班時段：6 時～ 12 時、12 時～ 18 時及 18 時～次日 6 時。白班均為 6h，夜班為 12h。

2.3 工人培訓及考勤記錄 為了提升工人安全意識，規(guī)范工人操作行為，施工工人在進入工地成為正式工作人員前，均需要在培訓中心進行2h的施工安全培訓。經(jīng)過培訓后的工人，需要在培訓中心登記其個人信息和培訓信息。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入工地的詳細信息，主要包括了工人個人信息表和工人刷卡記錄表。通過以上信息，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的工作，保證了數(shù)據(jù)分析結果的可靠性。 3.1 塔機數(shù)據(jù) 根據(jù) GB 3811-2008《起重機設計規(guī)范》對 循環(huán)的定義，“從起吊一個物品起，到能開始起吊下一個物品時止，包括起重機運行及正常的停歇在內(nèi)的一個完整的過程”，將每位塔司的操作記錄劃分為完整的吊裝過程。因此，主要通過判斷吊重信息對循環(huán)進行劃分。循環(huán)的判斷條件為，載重由零變?yōu)榉橇汩_始，經(jīng)歷吊鉤提升高度、小車滑動幅度、大臂回轉角度三類運行參數(shù)的變化后載重再次歸為零，至再次重復以上過程前終止。 由于塔機傳感器數(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 計算速度和加速度值，相比真實數(shù)據(jù)會出現(xiàn)較大偏差。因此，本文使用均值濾波的方法對塔機傳感器數(shù)據(jù)記錄的吊鉤提升高度、小車滑動幅度、 大臂回轉角度 3 個運行參數(shù)進行均值濾波，以消除大采樣間隔導致的速度和加速度數(shù)值結果不精確的影響。其中，卷積核 h(n) = [ 1 3 , 1 3 , 1 3 ]。以信號長度為 256 的吊高提升高度為例進行均值濾波，其濾波前后信號振幅變化如圖 2 所示。

 3.2 塔司數(shù)據(jù) 利用記錄發(fā)生地點（塔機編號）與時間的信息，將工人值班表與塔機運行記錄聯(lián)合為一張表，以便確定每位塔司的操作記錄。 一般情況下塔機黑匣子記錄保存在設備生產(chǎn)商處而塔司值班記錄保存在工程開發(fā)單位，因此 為了將操作記錄與塔司對應起來，需要在 R 分析軟件中進行如下操作：①對黑匣子數(shù)據(jù)表和塔司

值班表進行整合，將操作記錄對應至塔司名下，即將塔司值班數(shù)據(jù)與塔機黑匣子數(shù)據(jù)進行整合，將塔機編號及時間進行關聯(lián)；②將沒有對應司機的操作記錄刪除，此外將沒有載重的數(shù)據(jù)記錄刪除，從而排除干擾。經(jīng)過篩選后，剩余 31 臺塔機、79 位塔司以及約311萬條數(shù)據(jù)。

3.3 違章操作的定義 目前，塔機黑匣子作為記錄塔機運行參數(shù)的工具，已經(jīng)廣泛應用在實際工程作業(yè)當中，借助塔機黑匣子記錄的實時數(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)為塔機的提升機構、變幅機構與回轉機構在啟動和制動時，由于操作不規(guī)范，容易產(chǎn)生較大的加速度，造成機械磨損。在載物時急啟急剎容易產(chǎn)生瞬時超載情況，容易造成塔機傾覆事件。超載則表現(xiàn)為吊運重物過程中產(chǎn)生了超過額定吊重的現(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)，也容易導致事故的發(fā)生。通過咨詢塔機設計專家以及具體的施工安全監(jiān)督人員，對以上 5 種操作進行如下定義。 1）急啟急剎啟動與制動可以通過“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，通過一階差分計算出速度并補零（判斷啟動時在首位補零，判斷制動時在末尾補零），通過二階差分計算加速度，并在首尾均補零。

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

當記錄點位于曲線上方時即為超載，圖 4 中 塔司黑某占有多次超過塔機規(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)驗或預判不足，導致剎車不及時、大臂擺動角度超過卸貨點，在未停穩(wěn)（速度降為零）狀態(tài)下即進行反向回轉大臂的操作，反映在數(shù)據(jù)上即卸貨點的所處的回轉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號相反。如圖 5 所示。

4）提前剎車　指的是塔司由于缺乏經(jīng)驗或預判不足，在回轉大臂到達卸貨點前過早剎車，反復啟動后才到達卸貨點的操作，反映在數(shù)據(jù)上即 在到達卸貨點之前回轉速度至少一次降為零，但是由于 10s 采集一次數(shù)據(jù)不一定能夠準確捕捉到停止動作，因此限定速度值有一個先降低，然后起升的趨勢即可認定提前剎車。 5）不規(guī)范卸貨　主要指貨物在落地接觸卸貨

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點后，在固定過程中，塔司突然起升的操作。反映在數(shù)據(jù)中即高度降低，吊鉤接近卸貨點后突然起升的現(xiàn)象。 通過上述定義，我們可以分析出每個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)操作與時間分布的關系及規(guī)律。但是，由于每個塔司的工作量不同，可能會導致個別工作量較大的塔司的違規(guī)數(shù)遠高于其他塔司，因此為了合理的反映違規(guī)發(fā)生情況，本文采用違章率來定義塔司的操作水平，計算方法如下。 假設違章率為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的計算方法如下： 其中，循環(huán)的定義按《起重機設計規(guī)范》的 “從起吊一個物品起，到起吊下一個物品時止， 包括起重機運行及正常的停歇在內(nèi)的一個完整的過程”。 此外，由于目前獲取的基礎分析數(shù)據(jù)為每 10s 生成一條，因此必然會損失一些操作細節(jié)，導致分析準確率不高，該問題可以隨著操作記錄時間分辨率的增加而得到解決。

4 統(tǒng)計結果及分析 4.1 違章率與工作時長的關聯(lián)關系：將79名塔司的違章數(shù)據(jù)分別根據(jù)工作時長的不同，按照白班 6h，夜班 12h 進行統(tǒng)計。圖 6 中 橫坐標代表塔司工作時長，縱坐標代表違章率。

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統(tǒng)計發(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，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，塔司因為各種原因還未調(diào)整為上班狀態(tài)，導致違章次數(shù)較高；而臨下班時操作人員提前進入下班狀態(tài)，心情浮躁，也會導致違章次數(shù)較高。因此，工地管理人員可以根據(jù)這一分析結果采取針對性措施對塔司在第 1h 和最后 1h 進行監(jiān)督，在這些敏感時間段中降低違章率。 圖 7 為 79 名塔司超載違章率的均值和方差分布情況，橫坐標為超載違章率均值，縱坐標為違章率標準差。違章率均值越大，說明此操作人員超載違章率較其他人來說要高；超載違章率的標準差越大，說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準差都是最大的，說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謝某超進行專門的培訓，改進其業(yè)務水平。管理人員也可以通過圖 7 看出整個工地塔司業(yè)務水平的排名情況，對違章率均值和標準差都比較大的操作人員采取相應的管理措施，提高工地整體的業(yè)務水平。

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4.2 違章率與工作時段的關聯(lián)關系 本文統(tǒng)計了 A1、A3、A4、B3 四個工地塔司在白班和夜班不同時段的違章率。從圖8可以看出，四個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,由于時間短任務急在白班

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四種違章率均高于夜班，由于夜晚管理不嚴格同時造成超載數(shù)量增多的情況。針對此現(xiàn)象，工地管理人員應相應在白班加強違章監(jiān)督，合理安排工作量，降低白班工作的工作量，在夜班加強超載的監(jiān)管，以免產(chǎn)生安全事故

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本文統(tǒng)計了編號為 A1 的工地 52 名塔司在白班和夜班兩個不同時段的超載違章率。從圖9可 以看出姓名為張某全的塔司在白班時段違章率是所有塔機中最高的，姓名為郝某發(fā)的操作人員在夜間時段超載違章率最高。工地管理人員可針對這兩位塔司進行嚴格監(jiān)督，以降低超載的違章行為發(fā)生率。實際中，很多建筑工地的工人文化程

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度較低，學習能力和技術水平普遍低下，嚴重 響到建筑施工質(zhì)量，因此需要提升工人的整體業(yè)務水平。

4.3 按工地塔司操作水平評估 本文通過定義—編程—檢測三個步驟對塔機黑匣子數(shù)據(jù)進行急起急剎、超載、打回車、提前剎車及不規(guī)范卸貨 5 種塔機違規(guī)操作的檢測，并通過違章數(shù)據(jù)量占總工作量的百分比計算違章率，最后通過違章率對塔司的操作水平進行評估，評分的機制如下。 假設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 分分值，則第 m 為塔司的分值計算方法如下 計算每種違規(guī)操作的違章數(shù)量，并計算違章 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 5 類違章 操作分別計算分值，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，計算方法如下 對 A3、A1、B3、A4 四個工地的 79 名塔司 違章操作記錄進行統(tǒng)計。通過現(xiàn)有方法對 A3、 A1、B3、A4 四個工地塔司操作水平進行量化評 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%。

加強建筑施工的安全管理水平是我國建筑行業(yè)的迫切需求。本文就我國建筑施工在安全管理中常見的幾個問題進行了詳細的分析，通過對建筑施工數(shù)據(jù)的深入分析和挖掘，進而探討針對性的解決對策，以期對提高建筑行業(yè)核心競爭力與 國家建筑施工管理水平有所借鑒。未來還將實現(xiàn)： ①通過建立施工大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)對更為廣泛和全面的數(shù)據(jù)的整合和集成；②利用人臉識別、指紋識別等生物特征識別手段實現(xiàn)對工人考勤、轉場、培訓等管理；③利用機器學習、人工智能等方法實現(xiàn)對施工車輛路線規(guī)劃、排班數(shù)據(jù)造假等問題的進一步解決；④通過利用綠色環(huán)保的智能設備，進一步實現(xiàn)建筑領域的綠色和可持續(xù)的理念。 本文對面向智慧工地的施工安全管理大數(shù) 據(jù)分析進行了初探，為促進建筑安全管理向精細 化、數(shù)據(jù)化、信息化轉變，為相關法律法規(guī)的建 立健全提供科學依據(jù)和決策支撐，助力我國建筑 行業(yè)不斷向前發(fā)展。