建筑施工高空作业智能安全防护技术研究

引言：高空作业是指在离地面 2m 以上进行的作业活动，是建筑施工中最危险的工种之一。据统计，高空坠落已成为建筑施工人员伤亡的首要原因，约占建筑业死亡总人数的 50% 以上。传统高空作业安全防护主要依靠个人防护用品和临时性防护设施，存在佩戴不规范、维护不到位、设施老化失效等问题，防护效果难以保证。近年来，以物联网、人工智能为代表的新一代信息技术蓬勃发展，为解决高空作业安全防护难题提供了新思路。物联网技术可实现施工现场的全方位感知与信息采集；人工智能算法能够对各类数据进行分析，精准识别危险工况；大数据分析可挖掘海量历史数据中蕴藏的安全规律。将上述技术与高空作业安全防护融合，构建智能安全防护系统，将有助于从源头遏制事故发生。

1 系统架构与关键技术

智能高空作业安全防护系统由环境感知、状态监测、危险预警、救援处置四大功能模块组成，以云平台为数据汇聚与决策中枢，利用物联网、人工智能、大数据等技术，实现由被动防护向主动防控的转变。

1.1 环境感知技术

利用无线传感器网络对施工作业面周边环境进行全方位动态感知是实现智能防护的基础。系统采用自组织、低功耗、多跳通信的 Zigbee 技术搭建无线传感网络，节点配备温湿度、噪声、风速等多种微型传感器，实时采集高空作业环境参数。同时还在塔吊、升降机等大型设备上装配倾角、振动传感器，监测设备运行工况。多源异构传感数据汇聚至数据处理模块进行分析，为工况评估、危险预警提供数据支撑。

1.2 作业人员状态监测技术

对高空作业人员进行实时状态监测可有效避免人为失误导致的事故。本系统研制了集成多种生理传感器的智能安全帽，能够连续检测佩戴者体温、心率、血压等生命体征，判别其身体状态是否适合高空作业。同时通过脑电图、眼动仪等设备分析人员疲劳程度，避免过度疲劳作业。此外，在安全帽及作业服装上植入RFID 电子标签，对人员进出场进行考勤管理，杜绝无证违规作业。

1.3 基于知识图谱的危险预警技术

海量异构数据给事故预警分析带来极大挑战。本系统基于本体建模方法，构建了高空作业安全领域知识图谱，将环境参数、设备状态、人员状况等数据按照语义关系进行映射关联，形成全局性的高空作业场景描述。在此基础上，设计危险模式识别算法，实时分析图谱中节点、边的动态变化，自动推理判别高危工况。一旦识别出危险状态，系统将向管理人员推送预警信息，同时通过LED 显示屏、语音播报等多种方式及时告警作业人员，规避危险发生。

1.4 事故智能化施救技术

一旦发生高空坠落事故，快速、高效的施救极为关键。传统"呼叫-派遣-搜寻-救援"的响应模式存在时间长、协同差等问题。本系统充分利用物联网定位技术，通过在智能安全帽内置北斗/GPS 定位模块，实时跟踪人员位置。一旦检测到坠落，系统自动激活位置上报机制，将坠落者准确坐标推送到救援平台。平台根据现场环境状况，利用启发式搜索算法快速生成最优救援路径，调度就近救援力量赶赴事故地点，极大提升了施救效率。

2 功能模块设计与实现

2.1 环境感知模块

无线传感网络采用星型拓扑结构，各节点通过Zigbee 协议与中心节点通信。中心节点负责数据汇聚、预处理与转发，通过 GPRS/3G 等无线通信方式将数据上传至云平台。考虑到施工现场恶劣的工作环境，传感器节点采用抗干扰、防水防尘的工业级设计，并内置锂电池供电，可连续工作30 天以上。

云平台数据处理引擎基于Hadoop 框架开发，采用MapReduce 并行计算模型对海量传感数据进行清洗、融合与分析。环境参数超标、设备状态异常等情况将触发预警事件，通过消息中间件发送至危险预警模块。同时，处理后的数据还被持久化存储，用于工况评估和数据挖掘。

2.2 状态监测模块

智能安全帽采用模块化设计，由主控单元、传感器阵列、定位模块、供电电路等部分组成。多种生理传感器协同工作，实时采集人员生命体征数据。同时，利用脑电图、眼动仪等分析人员疲劳状态，当疲劳指数超过预设阈值时，触发声光报警提醒。

作业人员管理子系统基于RFID 技术，对每位工人佩戴的智能安全帽及作业服饰进行唯一标识。利用门禁系统对施工现场出入口进行管控，只有授权人员才能进入，杜绝无证违规作业。同时结合考勤打卡数据，对工人工时进行自动统计与分析。

2.3 危险预警模块

高空作业安全知识图谱采用本体建模语言 OWL 构建，由概念层、关系层、实例层组成。概念层定义了高空作业领域核心类，如环境、设备、人员等；关系层刻画了概念间语义联系，如环境影响设备、设备关联人员；实例层由实际作业数据动态填充。基于图谱的危险预警分析算法，首先提取图谱中环境、设备、人员三要素特征向量，再通过深度学习网络进行多维关联分析，实现工况的实时评估与异常诊断。一旦发现潜在危险，立即通过手机 App、LED 显示屏等向管理人员和作业人员发送告警信息。

2.4 事故施救模块

智能安全帽采用双模卫星定位技术，综合利用北斗与 GPS 系统，实现室内外无缝定位。当检测到人员发生坠落时，安全帽自动切换为应急定位模式，通过短报文方式将求救信息与坠落者位置坐标上传至救援调度平台。

调度平台采用微服务架构，由事故报警、救援调度、辅助决策等服务组成。接到求救信号后，平台自动生成事故处置预案，综合考虑伤员位置、周边环境、救援力量分布等因素，利用 A^* 启发式搜索算法规划最优救援路径。同时联动120、消防等外部急救力量，多方协同开展救援行动。

3 应用实例

某建筑工地利用本系统开展高空作业安全智能化管理，取得良好效果。施工现场布设了125 个传感器节点，实时感知塔吊、脚手架等部位的环境参数。为作业人员配备 56 套智能安全防护装置，对人员进出场、人员状态进行全程监控。系统运行期间累计预警各类危险工况 18 次，成功避免 3 起险情。与去年同期相比，高空事故发生率降低 80% ，受伤人数下降 75% ，有效保障了施工人员生命安全。

项目应用表明，智能化技术为破解高空作业安全防护难题开辟了新路径。传感物联、大数据分析、人工智能等技术的融合应用，使得对施工过程的全面感知、智能管控成为可能，工程项目安全管理实现了由经验向科学、由粗放向精细的转变。

结语：本文面向建筑施工高空作业安全防护需求，设计开发了一套集成智能感知、分析、预警、施救等功能的智能化系统。通过将物联网、人工智能、大数据等新兴技术与安全生产深度融合，突破了传统被动防护模式的局限，实现了事前预防、事中控制、事后救援一体化智能管控，有效提升了施工人员安全防护水平。但系统在实际应用中仍存在一些不足，如何进一步提高各类复杂工况的识别准确率、优化系统能耗和成本等都有待后续研究。未来，随着 5G、边缘计算等新一代信息基础设施的完善，以及建筑业与新技术融合的不断深入，智能化将成为建筑安全管理的必然趋势。

参考文献：

[1]李娟，陈义，郭健.建筑施工高空作业智能安全防护技术研究[J].新城建科技，2025，34（05）：13-15.

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