基于物聯網技術的基建信息共享APP系統設計與研究

劉海龍1,周 斌,曹寶夷,李文博,閆偉

(1.國網天津市電力公司, 天津 300090; 2.國網天津市電力公司東麗供電分公司,天津 300300)

0 引言

基建項目工程現場管理不僅涉及的工程項目復雜而且涉及的單位、人員、參考等非常的多，傳統基建現場管理采用區塊化人工管理，不僅耗費大量的人力和財力，而且由于信息交互的不流暢容易發生信息孤島問題影響項目的完工[1]。所以開展基建信息共享方面的研究對于提升基建現場管理水平具有非常重要的作用。目前基建現場的信息化僅是采用人對人的信息共享，雖然能夠消除一定的信息堵塞影響，但是仍然沒有徹底擺脫人為因素的影響[2]。為此，本文研究一種利用GPS設備、監控設備、安防設備等構建起的基于物聯網技術的基建信息共享系統，利用移動APP進行便捷式管理，做到物與物、人與物的信息共享，提升基建現場的自動化管理水平。

1 基建信息管理現狀及信息共享需求

1.1 基建信息管理現狀

隨著我國經濟建設的不斷發展，基建項目呈現出蓬勃發展的態勢，如：公路、鐵路、橋梁、礦井、電網等都在積極的建設中。基建建設涉及專項項目多，參與方數量大，人員流動性強，作業點分散，設備材料復雜，這給基建現場管理造成了極大的壓力。為此在基建現場管理方面信息化管理的需求非常的緊迫[3]。目前，我國大部分基建項目現場管理采用人員管控，每一位管理人員控制一個環節，通過基建建設信息系統[4]、基建檔案管理系統[5]、工程材料管理系統[6]、ERP系統[7]等多系統操作實現基建管理工作流向信息流的轉化。但是由于基建項目工程量大，需要龐大的管理人員隊伍，而由于人員配置不足，管理人員個體差異等問題導致基建現場管控精細度不足，現場管控存在短板的問題普遍存在。

1.2 信息共享需求

在現有的基建信息管理中，采用多套系統人工添加數據的方式實現基建現場信息的管理，管理人員工作量非常大，并且系統之間信息共享能力較差，往往需要傳統的人工信息傳遞，這就導致出現信息延遲和信息孤島的問題。信息共享對于基建信息管理非常的重要，建設基建信息共享系統不僅可以實現基建現場動態監督管理，而且能夠為快速、準確做出判斷提高基建現場管理水平[8]。但是，由于人工信息交流難免出現疏漏，給基建現場管理埋下隱患。為此，能夠通過監控管理設備自動化信息管理，智能化的完成基建建設信息共享，通過共享信息實現監控設備之間、監控設備與管理人員之間的交互，一方面減少人工管理存在的疏漏，達到基建現場管理的無盲區目的，另一方面減少基建現場管理人力、物力、財力的支出，對于提升基建現場管理水平具有非常重要的意義。

2 基于物聯網技術的基建信息共享APP系統設計

2.1 系統結構設計

2.1.1 硬件結構設計

要實現基建現場管理信息共享設備之間的信息交互和人與設備之間的交互需要搭建無死角的物理環境。分析基建現場作業點分散、人工活動范圍廣和施工區域劃分困難等特點采用衛星定位技術、無線通信技術等設計系統物理結構，物理結構涵蓋基建現場整體范圍，利用衛星定位技術對現場人員進行定位管理，通過4G技術在作業區域建立熱點輔助開展現場安全質量檢查與巡視，采用Zigbee網絡完成數據通信為管理人員提供更準確的數據支撐。基建現場環境如圖1所示：

圖1 基建現場環境

根據基建現場環境，布置基建現場基于物聯網技術的基建信息共享硬件環境所需要的硬件設備主要有定位設備、攝像監控設備、消防報警設備、無線通信設備等。定位設備包括衛星定位器和RFID芯片卡兩部分，定位器負責獲取GPS坐標，RFID芯片卡記錄現場工作人員信息，二者可以結合發送信息給系統確定工作人員位置信息、行動軌跡、到崗到位等信息。攝像監控設備對現場施工進行安全質量檢查與巡視，管理人員可以通過視頻畫面實時了解現場作業情況，同時可以回放視頻錄像輔助管理人員進行現場分析。消防報警設備對現場施工過程中存在火災隱患的施工區域進行警戒，采用煙感器遠程預警。搭建Zigee網絡組織設備間的通信，將各設備采集到的信息匯集到一個節點再通過無線通信設備可將人員、材料及工程設備材料等位置信息在無GPS網絡環境下發送給系統，同時可以作為現場施工設備之間、人與設備之間信息的共享與交互環境支撐。基于物聯網技術的基建信息共享APP系統硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件結構

2.1.2 軟件結構

基于物聯網技術的基建信息共享APP系統采用三層體系結構，包括Funtion層、Module層和APP層[9]。Funtion層用于獲取類或者函數的參數信息。Module是模型層，根據系統業務分類將相同業務封裝進行客戶端與數據庫的連接，提供數據持久化操作。APP層是客戶端操作界面層，按照基建現場管理需求和現場監控設備采集數據設計功能模塊包括：現場巡檢、視頻監控、消防管理和通信管理四個部分，現場巡檢功能通過設置在施工點的GPS設備精準采集施工點經緯度、海拔高度等信息，通過綁定在工作人員身上的定位設備即時獲取GPS信息，實時監測工作人員位置、查看人員行動軌跡、記錄進出場信息等。視頻監控功能通過攝像監控設備獲取現場實時拍攝畫面，尤其是施工點、材料存放點、現場進出口等位置24小時全天候監控。消防管理功能通過消防報警設備即時獲取現場消防信息，如電氣火災監控系統、火災報警系統、實時消防水監控系統、消防設施檢測系統等共享信息。通信管理功能對信息采集節點進行管理，按照采集節點對應的檢測對象類型對節點進行分類管理，可進行信息的獲取和節點的控制。基于物聯網技術的基建信息共享APP系統軟件結構如圖3所示。

圖3 軟件結構

2.2 系統功能設計

2.2.1 現場巡檢功能模塊設計

現場巡檢功能是輔助現場管理人員日常管理的重要功能，通過GPS定位設備對基建工程現場的施工點作業區管理，確定施工點的經緯度和海拔高度，輔助施工人員了解作業區的位置信息；對施工人員進行管理，可以實時定位查詢施工人員位置、行動軌跡，記錄施工人員進出場情況、到崗到位情況。現場巡檢功能模塊設計流程如圖4所示。

采用real-ti me PCR法檢測小鼠肺組織中重要的促炎細胞因子TNF-αmRNA的表達,結果表明LPS誘導的ALI小鼠肺內TNF-αmRNA含量顯著增加(P<0.05),TPPU預處理可降低其含量,差異具有統計學意義(圖2,P<0.05)。結果提示TPPU可減輕LPS誘導的ALI小鼠肺內炎癥反應。

圖4 現場巡檢功能模塊設計流程

2.2.2 視頻監控功能模塊設計

視頻監控功能通過視頻監控器對施工現場進行全面的監控，可調取每一個攝像頭監控到的畫面，每一路視頻圖像都會存儲在服務器中，便于回放查看。視頻監控包含有網絡攝像機、網絡存儲設備、解碼器、控制器，實時監控時可以通過遠程控制攝像機的轉動、鏡頭的拉伸便于用戶更加準確的捕捉畫面。視頻監控功能模塊設計流程如圖5所示。

圖5 視頻監控功能模塊設計流程

2.2.3 消防管理功能模塊設計

消防管理功能對施工現場內存在火災隱患的區域進行監測，結合電氣火災監控系統、火災報警系統、實時消防水監控系統、消防設施檢測系統等共享的信息進行消防安全管理，當檢測系統感應到火情及時將火災預警信息共享到APP系統中，及時準確的告知火災位置。通過消防設施檢測功能可以對消防管理的硬件設施，如：煙感器、火焰探測器、爆炸傳感器、報警控制器等進行通信檢測，保證消防設施通信的流暢性和完成性。消防管理功能模塊設計流程如圖6所示。

圖6 消防管理功能模塊設計流程

2.2.4 通信管理功能模塊設計

通信管理功能可以進行GPS設備、攝像機設備、消防設備的綁定，設定通信接口，對已經添加的設備節點進行管理，檢測設備之間的通信情況和設備與系統之間的通信情況。通信管理功能模塊設計流程如圖7所示。

圖7 通信管理功能模塊設計流程

3 基于物聯網技術的基建信息共享APP系統開發

3.1 關鍵技術

3.1.1 GPS定位技術

GPS是全球衛星定位系統，可以應用于定位、測距和導航等，具有實時性、精度高、速度快、成本低等特點[10]。此次研究利用GPS定位技術構建GPS電子圍欄，綁定GPS設備在工作人員身上，根據GPS定位信息確定施工點位置進行道路導航。

3.1.2 Zigbee組網技術

3.1.3 4G技術

4G技術是基于IP協議的移動網絡技術，可以實現不同網絡間的無縫互聯[12]。此次研究將基建現場各施工點Zigbee網絡節點所采集到的數據集中到一起通過核心網絡發送到主控站，實現基建現場的遠程管理。

3.1.4 軟件開發技術

移動APP是進行基建現場的客戶端操作程序，它可以根據基建現場管理的實際需求設計功能模塊用于與基建現場設備之間的通信，實現遠程監視與控制。

3.2 硬件開發

此次搭建的基于物聯網技術的基建信息共享APP系統硬件環境主要采用ZigBee物聯網和4G通信，ZigBee物聯網采集現場管理設備數據如：通過GPS設備接收衛星數據、監控設備接收視頻數據、各類感應設備接收消防數據，將所有數據集中到主控站；4G網絡可實現多個施工點數據的遠程發送，ZigBee網絡中的數據匯集到一個節點后通過4G網絡上傳到服務器。

針對基建現場施工點區域內信息和設備進行組網通信，采用樹狀Mesh拓撲結構，圍繞施工點布置節點，保持節點間距離在50 m左右，若工作點間的距離較遠則采用4G傳輸數據。ZigBee無線通信模塊使用TI公司制造的CC2530主控芯片[13]，網絡設備包括協調器節點、路由節點和終端節點。終端節點采集區域范圍內GPS數據、視頻監控數據和消防監控數據，通過射頻電路傳輸到協調器節點，并且路由節點使用多跳路由可以提高數據傳輸的距離。ZigBee網絡硬件結構如圖8所示。

圖8 ZigBee網絡硬件結構

3.3 軟件開發

基于物聯網技術的基建信息共享APP系統用戶可通過APP查看基建項目各個施工點的共享信息，遠程進行現場巡檢、視頻監控和消防管理，軟件功能主要包括：系統登錄功能、現場巡檢功能、視頻監控功能、消防管理功能和通信管理功能。

采用基于Android平臺進行開發，使用Android Studio工具建立項目文件，在程序文件mainactivity.java編寫系統功能邏輯程序，使用.xml文件Activity_main.xml進行控件的布局[14]。基于物聯網技術的基建信息共享APP系統主要功能界面如圖9所示。

圖9 功能界面

4 基于物聯網技術的基建信息共享APP系統應用

將本文所設計的基于物聯網技術的基建信息共享APP系統應用于某國家電網工程項目基建現場管理中，分別對施工現場的人員定位、視頻監控、消防管理和通信管理進行測試，測試過程如下。

4.1 實驗環境

應用現場包含4個工程項目，8個施工點，現場人員30人。安裝Zigbee網絡節點48個，每個項目有12個網絡節點，其中每個網絡都有一個主控站用來匯集網絡節點采集到的數據，主控站安裝有4G無線數據終端，用于將數據發送到服務器。移動設備中安裝APP系統調用服務器數據。

4.2 系統應用測試

分別對系統登錄功能、現場巡檢功能、視頻監控功能、消防管理功能和通信管理功能進行應用測試，測試結果如表1所示。

表1 系統功能測試結果

通過對APP系統功能的測試，系統的各項操作結果與預期結果基本一致，在GPS定位中缺少兩個GPS信號，其他功能都實現了測試目標，系統功能具有一定的完整性。

對系統性能進行測試，使用華為P30 512GB內存手機持續使用APP 6小時、12小時、18小時和24小時，CPU占用率、圖片處理器每秒刷新的幀數和內存使用結果如表2所示。

表2 系統性能測試結果

通過系統性能的測試可以看出系統性能壓力較大，在12小時范圍內系統還可以正常操作，到18小時、24小時系統會出現卡頓、機器發熱的問題，在滿足24小時遠程管理上所設計的APP與實際需求還存在一定差距。

5 結束語

此次設計研究的系統實現了物對物、物對人的信息共享，結合項目基建現場施工全過程布置網絡節點，并安裝各類設備，實現對工程項目的標準化、扁平化和集約化管理，通過及時全面的掌控現場施工人員的活動信息，將現場施工的進度、質量與安全等置于受控狀態 ，對于基建工程精準化程度和現場安全管控水平的全面提升具有非常積極的現實意義和理論價值。此外，要是實現基建現場智能化、自動化管理還需要進行大量的數據分析，為施工決策提供指導，在接下來的研究中還需著重對基建現場采集到的數據進行深度挖掘，降低基建現場管理風險，并且在系統使用性能方面還需要進一步的優化。