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，或者距離工程建設管理人員辦公地點較遠等特點，若想加強對工程建設項目的管控，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)并投入應用，讓工程建設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)應急管理、倉庫設備管理、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)設備使用城市電網(wǎng)，同時數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡也受到許多限制，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)設備產(chǎn)生不利影響，使得將物聯(lián)網(wǎng)應用在工程施工建設項目中遇到眾多挑戰(zhàn)。本文分享這些挑戰(zhàn)的應對方案。

二、系統(tǒng)的架構(gòu)和功能

（一）系統(tǒng)目標

工程施工管控信息系統(tǒng)的建設目標是，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)應用于對傳統(tǒng)工程建設項目的管理，實現(xiàn)企業(yè)各類管理人員對各工程建設項目現(xiàn)場的遠程監(jiān)視，有效地提高企業(yè)對工程建設項目的施工人員、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：建設單位、管理單位、各類檢查人員和相關(guān)領(lǐng)導，操作采用瀏覽器的方式進行。

工程施工管控信息系統(tǒng)的應用層主要包含6個子系統(tǒng)：基礎GIS信息應用、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。中間件支持應用層相關(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)的基礎層包含支撐系統(tǒng)運行的硬件設備、物聯(lián)網(wǎng)設備、網(wǎng)絡基礎設施。主要包括服務器、視頻監(jiān)控設備、衛(wèi)星定位設備、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

將各個工程建設項目通過GIS進行展示，實現(xiàn)對工程項目各分標段信息的采集、瀏覽及詳細信息查看等功能。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、項目的分標段信息、各分標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，并通過記錄當前位置和歷史軌跡，使管理人員直觀查詢各分標段當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)控設備的位置以圖標方式GIS在系統(tǒng)中展示，授權(quán)用戶可查看視頻監(jiān)控設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)控設備后，單擊相應的圖標即可實時查看現(xiàn)場畫面，也可遠程操控設備進行左右轉(zhuǎn)動和遠近推拉，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、定位設備管理、視頻監(jiān)控設備管理、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)的設備進行自動采集。這些設備包括智能手機APP、專門設計的電子標簽、專門設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等遠程方式保存到指定的服務器中。

通常情況下，由于安裝在工程施工現(xiàn)場的感知層設備正常城市供電無法得到保障，因此必須在感知層解決設備的用電問題，通常有充電電池供電、太陽能供電、風力發(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)控設備進行供電。對于安全帽上的定位終端，設計了容量為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)控設備供電，每塊容量為60Ah，充電10小時能保證視頻監(jiān)控設備正常工作6—8小時。

（二）傳輸層

由于人員機械定位信息數(shù)據(jù)量小，因此在實際應用過程中可采用2G通信網(wǎng)絡進行傳輸。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)的服務器中，只能保存在DMZ區(qū)的一個服務器中。因此為了簡化網(wǎng)絡配置，系統(tǒng)建設過程中進行了一點特殊的處理：選用一臺可訪問DMZ區(qū)（相當于可訪問互聯(lián)網(wǎng)）服務器的局域網(wǎng)計算機，編寫一個PHP程序?qū)MZ區(qū)服務器上的衛(wèi)星定位信息讀出，再寫入局域網(wǎng)內(nèi)的服務器中，同時將該程序添加到Windows的任務計劃中定時自動執(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)場無法架設有線網(wǎng)絡，因此在實際應用中可采用4G通信網(wǎng)絡進行傳輸。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)的服務器連接，此時只要將視頻監(jiān)控設備的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。

當視頻監(jiān)控設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)服務器傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)內(nèi)的服務器中。

（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、視頻設備等）當前所處的位置，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)控設備）的圖標查閱相關(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)應用于工程建設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)建設以及在多個工程建設項目應用的實踐經(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)在工程建設項目管理中的應用思路。

作者單位：中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司