基于物聯(lián)網(wǎng)的工程施工管控信息系統(tǒng)

黃向東 權(quán)重民

一、前言

對于大多數(shù)工程施工項目，如水電工程、風(fēng)電工程、光伏發(fā)電工程、水環(huán)境治理工程等，因為項目地點偏僻交通不便，或者距離工程建設(shè)管理人員辦公地點較遠(yuǎn)等特點，若想加強對工程建設(shè)項目的管控，需要投入大量的人力、財力，并且效果往往還不盡人意。因此，能否借助物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星定位、視頻監(jiān)控、移動互聯(lián)、GIS等新興技術(shù)，開發(fā)工程施工管控信息系統(tǒng)并投入應(yīng)用，讓工程建設(shè)管理人員定期甚至實時掌握工程施工項目的人員機械投入情況、形象進度，實現(xiàn)對工程建設(shè)項目的管控，有效地節(jié)省人力、財力的投入，已成為工程建設(shè)管理人員的迫切需求，同時也是信息技術(shù)人員探索和嘗試的方向。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起和成熟，一些行業(yè)開展了基于物聯(lián)網(wǎng)的化工園區(qū)應(yīng)急管理、倉庫設(shè)備管理、智慧路燈管理等管理信息系統(tǒng)的研發(fā)。由于工程施工項目現(xiàn)場往往既難以保證物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用城市電網(wǎng)，同時數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)也受到許多限制，加之工程施工現(xiàn)場常遇到雨水、灰塵、噪聲等條件對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生不利影響，使得將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在工程施工建設(shè)項目中遇到眾多挑戰(zhàn)。本文分享這些挑戰(zhàn)的應(yīng)對方案。

二、系統(tǒng)的架構(gòu)和功能

（一）系統(tǒng)目標(biāo)

工程施工管控信息系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是，基于“智慧工地”和“互聯(lián)網(wǎng)+”理念，將物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星定位、視頻監(jiān)控、移動互聯(lián)、GIS等新興技術(shù)應(yīng)用于對傳統(tǒng)工程建設(shè)項目的管理，實現(xiàn)企業(yè)各類管理人員對各工程建設(shè)項目現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)視，有效地提高企業(yè)對工程建設(shè)項目的施工人員、施工機械、現(xiàn)場形象進度等方面的直觀掌控，使企業(yè)在行業(yè)中的管理優(yōu)勢得到提升，同時為工程建設(shè)項目工作量評定及定額結(jié)算提供定性的參考。

（二）系統(tǒng)總體架構(gòu)

工程施工管控信息系統(tǒng)的用戶層主要包括：建設(shè)單位、管理單位、各類檢查人員和相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，操作采用瀏覽器的方式進行。

工程施工管控信息系統(tǒng)的應(yīng)用層主要包含6個子系統(tǒng)：基礎(chǔ)GIS信息應(yīng)用、基本信息管理子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、人員機械定位子系統(tǒng)、形象進度管理子系統(tǒng)、后臺運維管理子系統(tǒng)。

工程施工管控信息系統(tǒng)的支撐層由GIS平臺、中間件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等應(yīng)用支撐軟件組成。GIS平臺提供了對地理空間數(shù)據(jù)的管理、維護、操作、顯示、分析和建模等一系列與空間位置相關(guān)的服務(wù)。中間件支持應(yīng)用層相關(guān)系統(tǒng)快速靈活的構(gòu)建和部署。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)支持對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（照片、文檔、地圖數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)）的存儲管理。

工程施工管控信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和管理的中心，由基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)等特定數(shù)據(jù)組成。

工程施工管控信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)層包含支撐系統(tǒng)運行的硬件設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。主要包括服務(wù)器、視頻監(jiān)控設(shè)備、衛(wèi)星定位設(shè)備、互聯(lián)用、物聯(lián)網(wǎng)等。

（三）系統(tǒng)主要功能

1、項目信息管理

將各個工程建設(shè)項目通過GIS進行展示，實現(xiàn)對工程項目各分標(biāo)段信息的采集、瀏覽及詳細(xì)信息查看等功能。各個項目的管理人員根據(jù)其權(quán)限可在地圖上查閱各項目方位、項目基本信息、項目的分標(biāo)段信息、各分標(biāo)段的進度形象圖片和視頻信息等。

2、人員機械定位信息

通過將衛(wèi)星定位設(shè)備與施工人員或者施工機械綁定，自動實時記錄施工人員、施工機械的位置信息和行進軌跡，并通過GIS在地圖上顯示，并通過記錄當(dāng)前位置和歷史軌跡，使管理人員直觀查詢各分標(biāo)段當(dāng)前或者歷史上投入的資源情況，有利于管理人員從另一個角度分析工程各分標(biāo)段、各階段的施工資源投入情況。

3、實時視頻監(jiān)控

將安裝視頻監(jiān)控設(shè)備的位置以圖標(biāo)方式GIS在系統(tǒng)中展示，授權(quán)用戶可查看視頻監(jiān)控設(shè)備在工程項目上的安裝部署情況。同時通過二次開發(fā)的監(jiān)控設(shè)備ActiveX控件與工程施工管控信息系統(tǒng)集成，授權(quán)用戶在系統(tǒng)中查找到視頻監(jiān)控設(shè)備后，單擊相應(yīng)的圖標(biāo)即可實時查看現(xiàn)場畫面，也可遠(yuǎn)程操控設(shè)備進行左右轉(zhuǎn)動和遠(yuǎn)近推拉，從不同視角查看工程項目現(xiàn)場形象。

4、后臺運維管理

為配合工程施工管控信息系統(tǒng)的應(yīng)用，為系統(tǒng)管理員日常維護系統(tǒng)運行而提供的配套管理功能。主要包括用戶管理、部門管理、系統(tǒng)角色管理、數(shù)據(jù)角色管理、項目管理、定位設(shè)備管理、視頻監(jiān)控設(shè)備管理、日志管理等。

三、物聯(lián)網(wǎng)各數(shù)據(jù)層實現(xiàn)方法

按照有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的分層概念，工程施工管控信息系統(tǒng)在感知層（數(shù)據(jù)采集層）、傳輸層、匯聚層、應(yīng)用層的實現(xiàn)方面，除了采用與傳統(tǒng)的管理信息系統(tǒng)相同的技術(shù)和處理方法外，還在人員機械定位信息、實時視頻監(jiān)控信息分別應(yīng)用了衛(wèi)星定位技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)進行信息自動采集，利用通訊網(wǎng)絡(luò)進行信息傳輸，并在前端利用GIS技術(shù)進行信息展示。

（一）感知層（數(shù)據(jù)采集層）

人員機械定位信息主要采用基于衛(wèi)星定位技術(shù)的設(shè)備進行自動采集。這些設(shè)備包括智能手機APP、專門設(shè)計的電子標(biāo)簽、專門設(shè)計并且可安裝在安全帽上的定位終端等方式進行。在實際應(yīng)用過程中，這幾種方式均可使用，也均被本系統(tǒng)支持，但這幾種方式各有優(yōu)缺點，感興趣的讀者可參閱相關(guān)文獻擇優(yōu)選用。

實時視頻監(jiān)控信息主要采用市場占有率較高的監(jiān)控設(shè)備進行圖像采集，采集的圖像一方面可以供用戶實時查閱，另一方面也可以通過FTP等遠(yuǎn)程方式保存到指定的服務(wù)器中。

通常情況下，由于安裝在工程施工現(xiàn)場的感知層設(shè)備正常城市供電無法得到保障，因此必須在感知層解決設(shè)備的用電問題，通常有充電電池供電、太陽能供電、風(fēng)力發(fā)電供電等方案可供選擇。經(jīng)過試驗和探索，我們選擇用充電電池的方式為安裝在安全帽上的定位終端、視頻監(jiān)控設(shè)備進行供電。對于安全帽上的定位終端，設(shè)計了容量為400mAh可充電電池，并被直接置入終端中，充電4小時能保證定位終端正常工作7天左右。對于視頻監(jiān)控設(shè)備，配備了外置式的可充電電池和一套逆變器，兩塊電池交替為一個視頻監(jiān)控設(shè)備供電，每塊容量為60Ah，充電10小時能保證視頻監(jiān)控設(shè)備正常工作6—8小時。

（二）傳輸層

由于人員機械定位信息數(shù)據(jù)量小，因此在實際應(yīng)用過程中可采用2G通信網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。在人員機械定位信息的傳輸過程中，由于工程施工管控信息系統(tǒng)部署在企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)，而通過感知層采集的信息一般無法直接穿過防火墻而保存到局域網(wǎng)的服務(wù)器中，只能保存在DMZ區(qū)的一個服務(wù)器中。因此為了簡化網(wǎng)絡(luò)配置，系統(tǒng)建設(shè)過程中進行了一點特殊的處理：選用一臺可訪問DMZ區(qū)（相當(dāng)于可訪問互聯(lián)網(wǎng)）服務(wù)器的局域網(wǎng)計算機，編寫一個PHP程序?qū)MZ區(qū)服務(wù)器上的衛(wèi)星定位信息讀出，再寫入局域網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)器中，同時將該程序添加到Windows的任務(wù)計劃中定時自動執(zhí)行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從互聯(lián)網(wǎng)到局域網(wǎng)的傳送。

由于視頻監(jiān)控信息數(shù)據(jù)量大，并且工程施工現(xiàn)場無法架設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，因此在實際應(yīng)用中可采用4G通信網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。在傳輸過程中，為了保證數(shù)據(jù)的安全性，實時視頻監(jiān)控信息采用IPsec協(xié)議通過“VPN網(wǎng)關(guān)—VPN網(wǎng)關(guān)”的連接方式，與局域網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)器連接，此時只要將視頻監(jiān)控設(shè)備的IP地址配置成局域網(wǎng)內(nèi)的IP地址，用戶在工程施工管控信息系統(tǒng)即可直接進行訪問。

當(dāng)視頻監(jiān)控設(shè)備在傳輸過程中無法采用IPsec協(xié)議通過“VPN網(wǎng)關(guān)—VPN網(wǎng)關(guān)”的連接方式時，此時可將歷史的視頻監(jiān)控信息通過FTP方式保存在DMZ區(qū)的一個服務(wù)器中，之后采用與人員機械定位信息相類似的方式，將數(shù)據(jù)從DMZ區(qū)服務(wù)器傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)內(nèi)的服務(wù)器中。

（三）匯聚層

不論是通過常規(guī)方式采集的項目信息、項目位置信息，還是通過物聯(lián)網(wǎng)采集的人員機械定位信息、視頻監(jiān)控信息，或者通過其他方式采集的GIS地圖信息，最終將都匯聚到局域網(wǎng)的服務(wù)器上，經(jīng)過在數(shù)據(jù)匯聚層進行數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)冗余清除、數(shù)據(jù)融合等處理后，最終向用戶進行展示。

（四）應(yīng)用層

為了使用戶更為直觀地理解系統(tǒng)展示的對象（如人員、機械、視頻設(shè)備等）當(dāng)前所處的位置，同時便于了解這些對象的相對方位、測量對象之間的距離，有關(guān)項目位置信息、人員機械定位信息、視頻監(jiān)控信息等數(shù)據(jù)，全部實現(xiàn)在GIS地圖上進行展示；用戶可以通過在地圖上直接單擊相關(guān)對象（如人員、機械、視頻監(jiān)控設(shè)備）的圖標(biāo)查閱相關(guān)屬性，瀏覽其運動軌跡或者實時視頻，也可以通過在GIS地圖上框選/圈選方式選擇一批對象，以表格方式列出這批對象的屬性；還可以采用常規(guī)信息系統(tǒng)的查詢過濾對象屬性（如名稱、所屬分標(biāo)段等）方式對相關(guān)對象進行篩選，在篩選的結(jié)果中進一步查閱特定的人員機械運動軌跡，或者特定視頻監(jiān)控設(shè)備的實時圖像。

此外，由于采用在GIS地圖展示對象，用戶還可以方便地利用GIS的固有特性，在地圖上查閱各個對象所在的行政區(qū)、與特定地理數(shù)據(jù)（如某個建筑物）的相對方向和距離。

四、結(jié)語

如何將日益成熟的物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星定位、視頻監(jiān)控、GIS等新興技術(shù)應(yīng)用于工程建設(shè)項目的施工管理工作中，l可以有效提高管理效率、節(jié)省差旅成本，正在得到越來越多的信息技術(shù)人員的關(guān)注和探索，筆者結(jié)合工程施工管控信息系統(tǒng)建設(shè)以及在多個工程建設(shè)項目應(yīng)用的實踐經(jīng)驗，介紹了系統(tǒng)的組成、主要功能、物聯(lián)網(wǎng)各數(shù)據(jù)層的實現(xiàn)方法，希望為大家拓展這些新興技術(shù)在工程建設(shè)項目管理中的應(yīng)用思路。

作者單位：中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司