基于物联网的建筑施工现场人员安全监测系统设计与应用

一、引言

建筑施工行业因作业环境复杂、人员流动性大，安全事故频发。近年来，尽管安全管理措施不断加强，但因人员操作不当、安全防护不足等原因引发的事故仍占较高比例。据相关统计，建筑施工安全事故造成的人员伤亡和经济损失在各行业中居前列，严重威胁施工人员生命安全和企业经济效益。物联网技术的发展为解决这一问题提供了新方向，其具备信息实时采集、传输和处理能力，可有效挖掘施工现场安全隐患，提前预防事故发生，为建筑施工现场人员安全监测带来新的解决方案。

二、系统架构与功能实现

基于物联网的建筑施工现场人员安全监测系统主要由感知层、传输层、数据处理层和应用层构成。感知层作为系统的数据采集前端，通过智能安全帽和各类环境传感器实现信息获取。智能安全帽内置 GPS、加速度传感器、陀螺仪传感器及心率传感器，能够实时定位施工人员位置，监测其运动状态（如是否发生摔倒、坠落等异常动作）和身体健康状况（通过心率变化反映疲劳程度）。环境传感器则部署在塔吊周边、深基坑、脚手架等关键区域，用于采集温度、湿度、噪声、粉尘浓度及有害气体浓度等环境参数；同时，在危险区域设置红外、微波等区域传感器，监测人员违规进入情况。

传输层负责将感知层采集的数据传输至数据处理中心。根据施工现场环境特点，采用多种传输技术协同工作。在办公区域和主要作业区，利用WLAN 实现高速数据传输，其具有成本低、传输速度快的优势，但覆盖范围有限；4G/5G 网络凭借广域覆盖和稳定信号，可满足大数据量、实时性要求高的数据传输需求；对于低功耗、长续航的传感器设备，如环境监测传感器，则采用 NB-IoT、LoRa 等 LPWAN 技术，确保数据稳定传输。

数据处理层是系统的核心，采用关系型数据库与非关系型数据库结合的混合存储方式，分别处理结构化（人员信息、设备信息等）和非结构化数据（传感器实时数据、视频监控数据等）。运用大数据分析技术和人工智能算法，对人员轨迹、健康数据以及环境参数进行深度挖掘。例如，通过分析人员运动轨迹判断是否违规进入危险区域；结合心率数据和环境参数评估人员身体疲劳与健康风险；利用机器学习算法对历史事故数据学习，建立安全风险预测模型，当数据分析结果显示存在潜在安全隐患时，通过短信、APP 推送、现场声光报警等多种方式及时预警。

应用层为用户提供操作界面和功能服务，包含人员安全管理平台和施工人员 APP。管理人员通过网页端或移动端登录人员安全管理平台，可实时查看施工现场人员位置分布、运动状态、健康状况等信息，实现对人员的动态监控和调度；同时，平台支持预警信息处理和统计分析，帮助管理人员掌握安全动态，制定管理策略。施工人员通过手机 APP 能查看工作任务、作业路线及安全提示信息，遇到紧急情况时可一键呼救，系统自动上传位置信息，并将其健康档案等相关资料提供给救援人员，便于及时开展救援工作。

系统集成了人员定位与轨迹跟踪、安全状态监测、危险区域管控、环境监测与预警以及紧急救援管理等功能。人员定位与轨迹跟踪功能借助智能安全帽 GPS 定位，在电子地图标注人员位置并记录行动轨迹，分析人员作业行为是否合规，防止误入危险区域。安全状态监测通过加速度、陀螺仪传感器检测人员异常动作，结合心率传感器数据判断身体疲劳情况，及时预警健康风险。危险区域管控利用区域传感器，当人员未经授权进入危险区域时，系统立即通过平台和 APP 发出预警，管理人员可查看闯入人员信息并引导撤离。环境监测与预警功能在环境参数超出安全阈值时自动报警，联动降尘、通风等设备改善施工环境。紧急救援管理则在施工人员呼救时，为救援人员提供位置和健康信息，助力制定救援方案、跟踪救援进度。

三、关键技术应用

在系统实现过程中，物联网设备的低功耗设计、数据融合与分析技术以及系统可靠性与安全性保障技术至关重要。物联网设备低功耗设计从硬件和软件两方面着手。硬件上，选用低功耗芯片和电子元器件，优化电路设计，使设备在空闲时进入休眠模式，降低整体功耗；软件层面，通过减少数据采集频率，采用缓存和批量传输数据的策略，减少设备与网络的连接次数，延长设备电池续航时间。

数据融合与分析技术解决多源异构数据处理问题。采用加权平均法、卡尔曼滤波法等对来自不同传感器的数据进行融合，提高数据准确性和可靠性；运用数据挖掘、机器学习、深度学习等算法，从海量数据中挖掘潜在安全规律，识别人员行为模式，实现对安全风险的精准预测。

系统可靠性与安全性保障通过冗余备份和安全防护措施实现。在系统架构设计上采用冗余设计，关键设备和网络链路设置备份，确保部分设备故障时系统仍能正常运行；对数据进行加密处理，设置严格的用户权限管理机制，定期进行安全漏洞扫描和修复，防止数据泄露和恶意攻击，保障系统稳定安全运行。

四、系统应用效果与发展趋势

基于物联网的建筑施工现场人员安全监测系统在实际应用中，显著提升了施工现场安全管理水平，有效降低了安全事故发生率。通过实时、全面的人员与环境监测，实现了对安全隐患的及时发现和处理，为企业提供了丰富的安全管理数据，有助于优化安全管理体系。

展望未来，该系统将朝着智能化、集成化和应用场景拓展方向发展。智能化方面，深度学习等人工智能技术的深入应用，将使系统具备更精准的安全风险预测能力；集成化上，系统将加强与建筑信息模型（BIM）、项目管理系统的融合，实现数据共享与协同工作，提升项目整体管理效率；应用场景也将进一步拓展，从人员安全监测延伸到施工设备安全监测、消防安全管理等领域，构建全方位的建筑施工安全监测体系。

五、结论

基于物联网的建筑施工现场人员安全监测系统，通过创新的系统架构设计、丰富的功能模块以及关键技术应用，为建筑施工安全管理提供了有效解决方案。该系统有助于保障施工人员生命安全、降低企业安全风险、提升企业经济效益。随着物联网及相关技术的不断发展，该系统将在建筑行业发挥更大作用，推动建筑施工安全管理向智能化、数字化方向迈进。

参考文献：

[1] 王强，李明。基于物联网的建筑施工现场人员安全管理系统研究 [J].建筑技术开发，2021， 48 （12）： 123 - 125.

[2] 张伟，王丽。建筑施工安全监测中的物联网技术应用与实践 [J]. 安全与环境工程，2022， 29 （3）： 185 - 190.

[3] 刘峰，陈丽。智能建筑施工现场人员安全监测系统的设计与优化 [J].建筑科学与工程学报，2023， 40 （4）： 178 - 185.