智慧工程管理系統助力變電站建設

蔡宇飛，趙康偉

（北京送變電有限公司,北京 102401）

引言

目前，在電網建設領域，變電站建筑安裝工程涉及專業種類多，交叉作業多，在傳統管理模式下施工工藝控制難，施工過程管控容易不到位。特別是特高壓建設參建單位、參建人員和施工機械車輛多，施工管理工作量大，基建信息管理對象龐大繁雜，易產生信息時效性、真實性和溯源性差，易出現安全、質量監控漏洞等問題，而這些問題越來越成為影響企業效益增長及發展的關鍵因素。

因此，本文研究開發出“智慧工程管理系統”，它是針對變電站管理現狀及企業改革發展目標，結合當下智慧企業管理理念及管理發展趨勢，利用移動互聯網、云技術、物聯網等前沿科技，實現企業經營管理科學化、網絡化和智能化的項目管理系統。系統建設的核心目標是通過系統全方位獲取智能化設備（RFID、PAD 等）采集的數據，并應用于各業務環節，通過實時高效的信息化技術手段，提升現場管理效率，降低企業管理成本，最終實現智慧管理，增長效益的目標。

1 系統設計目標及原則

“智慧工程管理系統”旨在通過物聯網（RFID）、云計算、移動互聯網等新興信息技術，完成工程施工過程的人力、財力、物資、信息等各類要素資源的優化配置，實現企業內部及時、互動、整合的信息感知、傳遞和處理，最終達到增強工程管理的目標，從而提高企業核心競爭力。

系統設計原則主要包含以下四點：

（1）智慧性：在施工現場各管理環節融入物聯網、移動互聯網等新興信息化技術，構建智慧型工程管理。

（2）創新性：利用先進信息化技術手段與現場管理體系、流程相結合，簡化操作流程，減輕管理工作量。

（3）高效性：高效數據采集，實時數據分發處理，提供高效決策支撐及全面信息掌控。

（4）靈活性：系統可與其它業務系統進行數據交互對接，靈活拓展。

2 系統總體設計

2.1 系統拓撲結構設計

系統分為3 個使用場景，一是后端云服務，二是分公司辦公室，三是施工現場，如圖1 所示。

后端云服務，是系統核心部分，包括應用服務器（是應用的總集成者，包括web 應用和接口服務等），數據庫服務器以及實時通信服務器（只要用于接收人員定位數據）。

分公司辦公室，是對施工項目信息進行監控，查詢等，只需要使用瀏覽器就可以完成系統操作。

圖1 拓撲結構設計圖

施工現場則是實施系統的重點，主要負責數據采集和展現，包括PAD 的APP 應用、自動考勤系統、門禁管理系統、大屏展現系統、人員定位基站等。

2.2 系統架構設計

系統采用J2EE 的架構進行開發，采用現階段成熟的基于MVC 的SpringMVC 架構，包括表示層、業務層、支撐層、數據資源層和數據采集層。架構設計如圖2 所示。

圖2 架構設計圖

2.3 系統功能結構設計

系統開發安全、質量、進度、技術、機具、材料、經營、隊伍、信息9 大功能模塊及標準庫、基礎庫、宣傳屏、系統管理4 個基礎模塊，可智能采集項目信息源，同時協助并督促質量、安全、技術的檢查及管理資料的記錄、統計工作。功能結構設計如圖3 所示。

圖3 功能結構設計圖

2.4 系統安全設計

系統使用移動互聯、云技術等，涉及到外網訪問，數據安全和保密性需要更高要求，對數據傳輸、加密、數據安全有著特殊要求。

（1）數據傳輸安全

由于需要接入移動設備，系統服務部署在云上，所以必須確保數據傳輸安全，采用HTTPS 的方式來保障數據傳輸安全。

（2）敏感數據加密處理

對系統中的敏感數據進行加密處理，例如，用戶秘密將采用二次的MD5 進行加密，MD5 是非對稱算法，目前相對來說比較安全，并且本文將采用二次加密的方式，可以視系統需要，提高加密次數來提高敏感數據安全。

（3）防止惡意輸入

系統的設計采用多層架構方式進行，其中，業務邏輯和數據庫層之間采用DAO 層的模式，采用JAVA 持久化API 由hibernate 框架實現，能有效防止用戶的惡意輸入，SQL 注入等安全漏洞。

3 系統關鍵技術

3.1 RFID 技術

3.1.1 RFID 技術簡介

RFID（Radio Frequency Identification），又稱“無線射頻識別”，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標，并讀寫相關數據。它無需識別系統與特定目標兩者之間建立的機械或者光學接觸。

RFID 系統由三部分組成：電子標簽、識讀器和天線。其物理結構如圖4 所示。

圖4 RFID 物理結構圖

電子標簽（Tag），又稱應答器、射頻卡，是指由IC 芯片和無線通信天線組成的模塊化標簽。閱讀器（Reader），又稱讀寫器、讀頭，是與RFID 標簽進行信息交換的無線電收發設備，用于讀取電子標簽中所存儲的數據信息。

3.1.2 人員身份識別應用

利用RFID 技術的非接觸、遠距離識別特性，將RFID 編碼與人員信息進行綁定，通過讀寫器自動讀取電子標簽信息，實現對施工現場人員的身份識別。識別信息主要用于門禁考勤、用餐統計、人員識別定位。系統中選用2.45G 頻段RFID 技術，該頻段技術具有遠距離多目標識別特性，電子標簽內置電池，相對無源電子標簽其讀取距離遠（1-80 米可調），識別率更高。通過利用RFID 技術自動采集數據的高效性，來提升現場人員管理的準確性及有效性。人員身份識別應用如圖5 所示。

3.1.3 機械機具信息載體

圖5 人員身份識別應用圖

現有信息化管理中，對機械機具進行編碼管理后，通常采用打碼或條碼等手段，將編碼與實物綁定，但在施工現場惡劣環境中，污損經常造成讀碼失敗，造成獲取信息失敗。RFID 技術非接觸識別的特性，可以很好的克服這種情況。使機械機具等現場重要資產信息，可以在管理過程中被高效及準確的獲取，從而為管理帶來幫助。使機械機具等重要資產的流向、分布、狀況得到及時的掌控，從而降低管理缺失帶來的資產管理維護成本。

系統中利用RFID 超高頻無源電子標簽的特點，即非接觸識別、遠距離識別、多目標識別、無源抗污損等。將其為機械機具等施工資產編碼數據載體，用于出入庫盤點、維護、查找等管理應用，使管理人員可以高效快速獲取目標物編碼信息，并進行相應操作管理。以此提升管理效率。機械機具電子標簽應用如圖6 所示。

圖6 機械機具電子標簽應用圖

3.1.4 RFID 定位技術

隨著大數據時代的到來，海量數據分析將可以幫助決策者實現更深層次的分析能力，這種能力體現到施工現場，可以是人員工作效率和機具機械動態分布，這些數據分析能夠輔助分析資源的利益情況，進而精準考核、降低投入成本。本系統中，通過對人員定位信息與進度工程、分部分項工程、人員工作交底記錄等信息進行聯動，可實時掌握現場各施工區人員分布情況與施工內容的關聯情況，進而進行分析得出相應的人工效率或管理效率，輔助管理人員進行決策。

目前市場中較成熟的定位技術包括有GPS 定位、WIFI 定位、RFID 定位，相對前兩者，采用基于信號強度信息定位（RSSI）的RFID 定位技術，具有投入成本低，一卡（電子標簽）多用的特點，更適合本項目中的定位管理需求。

3.2 智能移動終端設備

隨著移動互聯網應用的普及，移動應用因其便利性、高效性優勢已經越來越多應用于各領域，在施工現場信息化管理過程中，“移動互聯”顯然可以改變傳統管理模式下“數據滯后”“數據孤島”等問題。智能移動終端設備，是集合計算機、數據采集模塊、網絡傳輸模塊、照相機于一體的智能化設備。通過智能化設備，管理人員在施工現場可隨時進行高效的信息化管理作業，如巡檢填報，人員機具數據采集、數據查詢、數據回傳、協同辦公等。大大提升了管理效率，不同部門溝通協同效率，同時通過智能化數據采集分發處理流程，可以減少管理人員工作強度，優化管理流程。在本項目中移動終端設備具有以下功能：移動定位樁定位功能、進度數據填報、施工履歷、進度圖展現、質量檢查、質量數碼照片、安全檢查、安全數碼照片、技術交底等。

4 系統創新及亮點

4.1 系統面向施工單位，專業全覆蓋

本系統是適用于特高壓建設管理的一套智能管理系統，從施工現場管理角度出發，系統設計質量、安全、進度、材料、機具、隊伍、經營、技術、信息9 大管理模塊，涵蓋了特高壓建設現場管理的全部過程。為了操作簡便還設計標準庫和基礎信息模塊，同時開發了現場宣傳屏幕模塊和系統管理模塊，更好的展示施工信息及多媒體內容。工作流程圖如圖7、8、9 所示。

圖7 工作流程圖（安全管理，質量管理，進度管理）

通過該系統的應用，可加強施工單位對特高壓項目部施工現場各專業的監管，嚴格執行“兩案一措”，堅決落實“一嚴三禁”，提高管理水平，加強風險管控，加強督導檢查，加強管理問責。

圖8 工作流程圖（隊伍管理）

圖9 工作流程圖（機具材料管理）

4.2 最優智能庫，多庫關聯，一次提取多庫跟隨

按照國家、行業、國網規范標準建立標準庫，提供持續完善標準庫機制，組建標準化資源庫，完成各專業體系標準和技術規范的梳理。基礎庫中涵蓋人員相關信息、組織機構信息以及數據字典。庫的建立可指導、監督現場各種管理行為，同時減輕新建工程時數據重復錄入工作，為后續進度安排、安全檢查、質量檢查、風險預控等提供基本數據支持。標準庫和最優智能庫如圖10、11 所示。

4.3 實現對人員、車輛、機具管理智能化

施工人員及管理人員的胸卡和安全帽中都配備了2.45GHz RFID 有源電子標簽。門禁系統可對人員胸卡及佩戴安全帽同時進行掃描，如人員胸卡及安全帽佩戴齊全可順利通過閘口，只佩戴其中一項則閘機閘口不會打開。同時系統會自動統計人員進出記錄，便于日后信息追溯查詢。

通過2.45GHz RFID 有源電子標簽在施工機械的應用，系統中可隨時查看機械信息并生成實時車輛、機具分布圖，便于機具管理人員隨時查看、方便派遣。系統可提前對需維護設備進行提醒，對施工機具進行流程化、精細化管理，有效解決了車輛、機具維護不及時和閑置的問題，大大提高了使用率。實際機具管理如圖12 所示。

圖10 標準庫

圖11 最優智能庫

4.4 人員實時定位，準確展現施工區域人員數量

施工現場專門設計了可移動定位基站，可對施工區人員、機械、車輛進行定位數據采集并通過無線網絡傳輸至后臺系統。該設備主要硬件由太陽能光伏板、3G/4G 定位讀寫器、充電電池、控制器和可移動推車組成，無需線纜敷設。可實現對人員到崗到位的監督及提醒功能。可移動定位基站和人員（區域）定位功能如圖13、14 所示。

當現場有三級風險施工時系統可監測到相關管理人員是否到達施工區，并形成可追溯記錄。

可移動定位基站還可作為交底定位樁使用。定位基站對在此范圍內參與交底的施工人員進行掃描，通過PAD 對基站二維碼進行掃碼，可將參與交底人員全部記錄到系統，使交底信息具有可追溯性。

圖12 機具管理圖

圖13 可移動定位基站

圖14 人員（區域）定位功能

4.5 現場管控信息化、實時化

開發便攜手持端APP 程序，以移動終端（手機、PAD）為載體，通過移動終端自身設備的性能來實現人與人、人與設備、設備與設備之間的互聯互通，有效提升信息技術對現場管控的支撐力度，可使公司后方與施工現場實時對接，提高現場管控的效率以及管控水平。

圖15 現場管控圖

同時，通過移動終端可將巡檢結果在現場進行相關信息錄入，并將照片信息與檢查記錄有效結合，避免了信息及照片的騰挪，減少工作量，提高工作效率。現場管控如圖15 所示。

4.6 自動實時核算成本

該系統具有高效、準確的數據采集與統計分析功能，可實時核算各項目人、機、材成本，自動生成臺賬，減輕人工工作量，提高核算精準度。工程成本統計如圖16 所示。

圖16 工程成本統計圖

4.7 自動導入工程量清單，具備提醒、比較、控制功能

系統實現與招投標工程量清單無縫對接，以工程量清單為主線，將工程量進行量化，與各模塊進行關聯及數據交互，為施工進度統計、對比提供有力數據支持。

通過施工進度填報，系統自動統計工程項目完成情況，最終形成形象進度。工程形象進度如圖17 所示。

圖17 工程形象進度圖

4.8 智能化風險評估

圖18 智能化風險評估

系統將風險評估規范化、數據化，提供評估模型，根據管理人員所勾選的相關參數自動識別生成動態風險系數，減少管理人員的工作量，并消除人為原因造成的計算錯誤。智能化風險評估部分內容如圖18 所示。

5 結束語

“智慧工程管理系統”是目前變電站建設管理功能較全面的一套綜合管理系統，采用移動互聯技術將人員定位基站、大屏幕展現、考勤系統、門禁系統、檢查專用APP等子系統有機結合成一個整體。它充分發揮了移動互聯、物聯網技術優勢，不僅是一款數據采集軟件，而且具有對采集數據的分析、運算及統計功能。

系統已應用于北京東1000kV 變電站工程，使各項工序的準備、執行能夠提前完成。管理人員可通過系統提供檢查項對施工項目進行逐項核查并記錄上傳，減少操作中的主觀人為因素影響，有效保證了特高壓變電站的施工質量，確保特高壓變電站按期投運。同時施工管理單位可實時查看人材機使用情況，實時核算施工成本，有助于管理者做出正確決策，有效節約人工、機械、材料成本。

系統在變電站建設的應用效果明顯，與傳統管理方法相比，能夠增強施工安全管控效果，優化施工辦公管理流程和施工隊伍考勤管理，能夠提高施工檢查人員的積極主動性，提高施工現場辦公效率及質量，提高項目管理中人、機、材成本核算效率及準確率，是變電站建設穩步推進的小小助力。