基于定位技術(shù)的信息管理系統(tǒng)的研發(fā)

黃向東，權(quán)重民

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

在工程建設(shè)項(xiàng)目施工過程中，為了保證施工區(qū)域內(nèi)外不會(huì)互相干擾，傳統(tǒng)的管理方法是在施工區(qū)域的邊界建立臨時(shí)性的圍擋，并預(yù)留若干個(gè)出入口，在這些出入口建立管理措施，如門衛(wèi)、智能化門禁、智能化匣機(jī)等，管理者通過這些管理措施很容易準(zhǔn)確獲得施工區(qū)域的人員/施工機(jī)械的數(shù)量和類別、進(jìn)出時(shí)間等信息，同時(shí)阻止了非施工人員進(jìn)入施工區(qū)域。

隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷深入開展，近年來許多城市開始重視并實(shí)施城市及周邊區(qū)域的水環(huán)境治理工程、海綿城市工程、綜合管廊工程的建設(shè)。這些工程建設(shè)項(xiàng)目有一個(gè)特點(diǎn)是施工區(qū)域較為分散，可能深入到城市的大街小巷，滲透到居民的日常生活區(qū)域，基本上屬于開放式、半開放式。因此，通常無法完全采用建立臨時(shí)性圍擋等傳統(tǒng)的管理措施，來實(shí)現(xiàn)對施工人員/施工機(jī)械的有效管理。能否利用當(dāng)前快速發(fā)展的衛(wèi)星定位技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能識別技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)等信息技術(shù)手段，探索出一整套對這類工程建設(shè)項(xiàng)目的施工人員/機(jī)械進(jìn)行有效管理的解決方案，以提高工程建設(shè)項(xiàng)目的精細(xì)化管理水平和效率，已然成為信息技術(shù)應(yīng)用工作者面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

1 系統(tǒng)建設(shè)方案

1.1 系統(tǒng)原理

1.1.1 定位技術(shù)簡介

目前基于位置的常用定位方法主要有：① 衛(wèi)星定位；② 基站定位；③ Wi-Fi定位；④ 藍(lán)牙定位等。

(1) 衛(wèi)星定位是采用覆蓋全球的多顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。在地球上終端設(shè)備獲取4顆或者以上衛(wèi)星的信號，通過這些衛(wèi)星的方位、高度、與終端設(shè)備的距離等數(shù)據(jù)計(jì)算出終端設(shè)備所處的經(jīng)緯度、高程等信息，實(shí)現(xiàn)對終端設(shè)備的定位[1-2]。

(2) 基站定位一般應(yīng)用于手機(jī)用戶，手機(jī)基站定位服務(wù)又叫做移動(dòng)位置服務(wù)(LBS——Location Based Service)。它是通過電信移動(dòng)等運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)(如GSM網(wǎng))及其信號強(qiáng)度計(jì)算出移動(dòng)終端用戶的位置信息(經(jīng)緯度坐標(biāo))[2-3]。

(3) Wi-Fi定位是采用在Android、iOS和Windows Phone等智能手機(jī)操作系統(tǒng)中內(nèi)置位置服務(wù)。由于每一個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)都有一個(gè)獨(dú)一無二的Mac地址，智能手機(jī)開啟Wi-Fi后就會(huì)自動(dòng)掃描附近熱點(diǎn)并上傳其位置信息[2,4]。

(4) 藍(lán)牙定位是采用藍(lán)牙技術(shù)，通過在室內(nèi)部署適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，配置多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，之后匯總建筑物的位置數(shù)據(jù)的室內(nèi)定位數(shù)據(jù)通過計(jì)算來實(shí)現(xiàn)定位[2]。

上述定位方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用情況擇優(yōu)采用一種或多種。

1.1.2 人員或者機(jī)械定位獲取

通過衛(wèi)星定位、基站定位、Wi-Fi定位獲得的位置信息，通常分手動(dòng)和自動(dòng)2種方式向服務(wù)器端發(fā)送，其間的通訊鏈路可選擇電信等運(yùn)營商的無線網(wǎng)絡(luò)、Zigbee/Lora網(wǎng)絡(luò)接入到互聯(lián)網(wǎng)[5]。在系統(tǒng)建設(shè)過程中，根據(jù)不同使用人員、使用的不同設(shè)備，系統(tǒng)考慮采用手動(dòng)/自動(dòng)的不同方式。對于工程施工作業(yè)人員，由于通常信息化水平參差不齊，而且他們在作業(yè)過程中不可能再對設(shè)備進(jìn)行操作，因此通常采用自動(dòng)方式；施工機(jī)械通常也是采用自動(dòng)方式；其他人員則可以根據(jù)智能手機(jī)的使用頻度、經(jīng)濟(jì)性、整個(gè)工程對其管理要求等方面在自動(dòng)和手動(dòng)2種方式中選擇。

1.1.3 信息展示方式

由于需要展示位置信息這類核心數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的信息展示方式已經(jīng)無法滿足要求。例如對某一時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、過濾、分析、統(tǒng)計(jì)，最后生成圖、表等，向包括工程建設(shè)項(xiàng)目管理者在內(nèi)的用戶進(jìn)行展示。為此我們借助地理信息系統(tǒng)GIS的原理和方法來綜合展示信息：① 將數(shù)據(jù)通過直觀的方式展示在二維/三維地圖上，如施工人員/機(jī)械的位置顯示、運(yùn)動(dòng)軌跡顯示等；② 還為用戶提供必要的交互查詢，如框選地圖上某一區(qū)域獲取在該區(qū)域的施工人員/機(jī)械的數(shù)量，輸入某一行政區(qū)劃以獲取在該區(qū)域的施工人員/機(jī)械的數(shù)量等。因此，本系統(tǒng)既采用了常規(guī)的查詢、過濾、分析、統(tǒng)計(jì)的方式來展示信息，也利用了地理信息系統(tǒng)特有的位置查詢分析方法來展示信息[6]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)備連接拓?fù)鋱D

系統(tǒng)建設(shè)過程中，涉及的硬件和設(shè)備的連接拓樸(見圖1)，其中涉及的定位方式綜合利用了衛(wèi)星定位、LBS定位、Wi-Fi定位技術(shù)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)備連接拓樸圖

1.3 位置信息獲取方案

從圖1的拓樸圖可見，系統(tǒng)建設(shè)過程中，采用了至少4種方案通過獲取終端的位置信息，以達(dá)到施工人員和機(jī)械管理的目標(biāo)。

1.3.1 定制可安裝在安全帽的設(shè)備定位

安全帽是工程建設(shè)項(xiàng)目施工者的必須佩帶裝備，所以利用安全帽加裝定制的定位設(shè)備，采用衛(wèi)星/基站/Wi-Fi定位功能，獲取設(shè)備當(dāng)前位置信息。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)對施工者的定位管理。該方案易于安裝、攜帶，既支持施工人員的使用，也支持施工機(jī)械的使用；并且該方案具有信息自動(dòng)獲取、發(fā)送的功能，幾乎不影響施工人員/施工機(jī)械的正常作業(yè)，因此是一種最為穩(wěn)定、可靠的位置信息獲取方案。主要缺點(diǎn)是設(shè)備費(fèi)用投入較大，運(yùn)行期間還需要產(chǎn)生一定的無線通訊流量費(fèi)。圖2為專門安裝于安全帽上的定制設(shè)備。

圖2 定制可安裝在安全帽上的定位設(shè)備圖

1.3.2 智能手機(jī)APP定位

施工人員通過下載并安裝定制開發(fā)的手機(jī)APP，開啟衛(wèi)星/基站/Wi-Fi定位功能，利用手機(jī)APP，獲取當(dāng)前位置的詳細(xì)信息。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前所在位置信息的自動(dòng)獲取。該APP可以設(shè)定間隔一定時(shí)間后自動(dòng)發(fā)送定位信息，也可以關(guān)閉自動(dòng)發(fā)送功能，改為手工發(fā)送定位信息。該方案主要缺點(diǎn)是定位信息自動(dòng)發(fā)送受手機(jī)操作系統(tǒng)干擾較大，手工發(fā)送為使用帶來一些不便，通常僅支持施工人員的使用。

1.3.3 電子手表定位

利用定制或者成熟的具有定位功能的手表，施工人員佩帶該手表，通過電子手表獲取衛(wèi)星/基站/Wi-Fi定位信息，而位置信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前所在位置信息的自動(dòng)獲取。這種方式若使用商品化的手表則無需再定制開發(fā)專用設(shè)備，同時(shí)也具有穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。該方案主要缺點(diǎn)是讓施工人員佩帶手表通常會(huì)影響其正常作業(yè)，有時(shí)也容易遺失或者損壞；該方案也需要投入一定的設(shè)備費(fèi)用，但費(fèi)用較第(1)方案略低，運(yùn)行期間也需要產(chǎn)生一定的無線通訊流量費(fèi)。

1.3.4 讀卡器和門禁卡結(jié)合定位

對于施工范圍相對固定的場地，可以利用門禁卡系統(tǒng)，通過施工人員刷門禁卡后獲取人員刷卡信息，同時(shí)將讀卡器所在的位置信息一并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前所在位置信息的獲取。該方案的特點(diǎn)是終端設(shè)備無需充電，成熟可靠，造價(jià)低廉，易于實(shí)施。但是若施工人員到其他作業(yè)區(qū)，則必須在新作業(yè)區(qū)再次刷卡，因此這種方案屬于半自動(dòng)的位置信息獲取方案。

1.3.5 基站和RFID標(biāo)簽結(jié)合定位

該方案類似于“讀卡器和門禁卡結(jié)合定位”方案，區(qū)別在于無需施工人員進(jìn)行刷卡。但由于RFID標(biāo)簽被基站(或者讀卡器)識別的距離有限，即使是有源RFID標(biāo)簽通常在120～150 m[7]，若大面積推廣需要建立很多基站(基站之間可采用Zigbee/Lora方式進(jìn)行組網(wǎng))，最終將導(dǎo)致初始造價(jià)特別昂貴，此外解決基站的供電也是一大難題，故難以大范圍實(shí)施。

1.3.6 其他方案

此外，中國電信股份有限公司的《中國電信外勤助手系統(tǒng)》、中國聯(lián)通公司的《位置通-外勤管家系統(tǒng)》等均具備位置信息自動(dòng)獲取的功能。但由于這類系統(tǒng)屬這些運(yùn)營商專用系統(tǒng)，一般不對公眾開放；而且使用這類系統(tǒng)的前提是必須使用支持運(yùn)營商通訊網(wǎng)絡(luò)的智能手機(jī)，并且所有持智能手機(jī)的用戶必須與其簽署位置隱私可被提供給第三方的協(xié)議，因此一般企業(yè)實(shí)施起來難度很大。

1.4 系統(tǒng)主要功能

1.4.1 施工項(xiàng)目管理

實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)項(xiàng)目基本信息的管理功能。工程項(xiàng)目基本信息包括工程項(xiàng)目的屬性信息(如項(xiàng)目編號、項(xiàng)目名稱、所屬標(biāo)段、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、項(xiàng)目所在區(qū)域、項(xiàng)目工程量等等)、與工程建設(shè)項(xiàng)目相關(guān)的文檔等。

本模塊實(shí)現(xiàn)了添加、刪除、修改、查詢、EXCEL導(dǎo)出、打印等基本管理功能。在實(shí)現(xiàn)這些管理功能期間，系統(tǒng)還需解決與工程項(xiàng)目相關(guān)聯(lián)的標(biāo)段、施工人員、施工機(jī)械等信息匹配、關(guān)聯(lián)問題。

1.4.2 施工人員管理

實(shí)現(xiàn)施工人員屬性信息(如身份證號、姓名、性別、年齡、聯(lián)系電話、工種、所屬項(xiàng)目、所屬標(biāo)段等等)的管理和施工人員的角色管理功能。

在施工人員屬性信息管理中，本模塊實(shí)現(xiàn)了施工人員的添加、刪除、修改、查詢、EXCEL導(dǎo)出、打印等基本管理功能。在施工人員的角色管理中，系統(tǒng)根據(jù)需要對施工管理人員、工段管理人員、安全管理人員等角色進(jìn)行添加、刪除、修改、查詢、EXCEL導(dǎo)出等基本管理功能，并將這些角色與施工人員進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

1.4.3 施工機(jī)械管理

與施工人員管理的功能類似，區(qū)別在于施工機(jī)械不再具有角色的屬性或者功能。

1.4.4 定位設(shè)備管理

提供定位設(shè)備驗(yàn)收入庫管理，定位設(shè)備屬性的添加、刪除、修改、查詢管理，定位設(shè)備的狀態(tài)管理(新購、啟用、停用、失效/丟失/報(bào)廢等)、掛失管理、歸還管理。

1.4.5 設(shè)備綁定管理

實(shí)現(xiàn)定位設(shè)備與使用人員綁定和解綁定、手機(jī)APP與使用人員綁定和解綁定、電子手表與使用人員綁定和解綁定、基站與電子標(biāo)簽的綁定和解綁定、電子標(biāo)簽與使用人員綁定和解綁定等功能。

1.4.6 定位結(jié)果展示

將人員/機(jī)械的位置信息、運(yùn)動(dòng)軌跡形象化地展示在電子地圖上，單擊電子地圖上的基站或者人員/機(jī)械圖標(biāo)，可立即以“氣泡”方式顯示出基站或者人員/機(jī)械的詳細(xì)信息；輸入基站或者人員/機(jī)械的編號、名稱，在電子地圖上可以醒目的方式顯示出其所在的位置；輸入某一時(shí)間段，在電子地圖上可顯示出這一時(shí)間段施工人員/施工機(jī)械的歷史運(yùn)動(dòng)軌跡，從而幫助管理者實(shí)現(xiàn)設(shè)備、人員的監(jiān)控管理和調(diào)度。

1.4.7 查詢和統(tǒng)計(jì)

提供詳細(xì)的查詢和統(tǒng)計(jì)方式：按對象的屬性信息進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)；單擊項(xiàng)目的樹狀結(jié)構(gòu)(省/項(xiàng)目/標(biāo)段/班組)進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)；在電子地圖上單擊對象圖標(biāo)或者框選某一區(qū)域進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)；按時(shí)間段進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)；按時(shí)間段、人員屬性、項(xiàng)目、標(biāo)段、設(shè)備使用情況等組合進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)；統(tǒng)計(jì)各類設(shè)備的使用情況；各類在用設(shè)備的電量情況統(tǒng)計(jì)；各類設(shè)備在各個(gè)項(xiàng)目、各給定時(shí)間段的分布情況統(tǒng)計(jì)；各類在用設(shè)備在各個(gè)項(xiàng)目、各給定時(shí)間段的分布情況統(tǒng)計(jì)；按項(xiàng)目屬性進(jìn)行設(shè)備數(shù)量統(tǒng)計(jì)；等等。

1.4.8 系統(tǒng)運(yùn)維管理

系統(tǒng)管理員可通過后臺管理模塊獲取硬件設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，以此向相關(guān)人員就硬件設(shè)備及時(shí)充電、更換、維修等進(jìn)行提醒。

2 應(yīng)用效果

(1) 為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能定制開發(fā)了系統(tǒng)前端定位設(shè)備，定位信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集。由于定位設(shè)備專門設(shè)計(jì)定制，與目前市面上類似設(shè)備相比，具有外型小巧美觀、工作時(shí)間長、安裝方式緊貼工程建設(shè)項(xiàng)目需要、僅需充電即可使用、防水防塵防震防泥滿足施工工地要求、參數(shù)配置方便、維護(hù)簡捷、產(chǎn)品穩(wěn)定可靠、應(yīng)用范圍較廣、使用門檻低、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

(2) 系統(tǒng)所需的位置信息自動(dòng)采集到私有云平臺。通過定制開發(fā)的軟件，解決了定位數(shù)據(jù)定時(shí)讀取問題，并自動(dòng)通過廣域網(wǎng)傳輸?shù)酵ㄓ脭?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中保存，整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化完成，在軟硬件的成熟度方面滿足大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件。由于信息存儲(chǔ)在企業(yè)私有云平臺上，而非存儲(chǔ)在公有云平臺上，可較好地滿足企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)與信息安全要求。

(3) 通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了位置信息在GIS中可視化展示。通過將各類信息特別是施工人員和機(jī)械的位置信息在地理信息系統(tǒng)中實(shí)時(shí)展示，可視化程度高，有效提升企業(yè)的管理工作效率，降低管理成本，增強(qiáng)工程建設(shè)企業(yè)的核心競爭優(yōu)勢，受到業(yè)主和工程管理人員的歡迎。

(4) 系統(tǒng)方案已經(jīng)完成了2個(gè)工程建設(shè)項(xiàng)目的試點(diǎn)實(shí)施(如圖3)。這兩個(gè)工程建設(shè)項(xiàng)目分別是茅洲河流域(寶安片區(qū))水環(huán)境綜合整治項(xiàng)目和漢中市興元新區(qū)水系工程項(xiàng)目。其中前者綜合試點(diǎn)實(shí)施了可安裝在安全帽的設(shè)備定位、智能手機(jī)APP定位、電子手表定位、讀卡器和門禁卡結(jié)合定位、基站和RFID標(biāo)簽結(jié)合定位等眾多方案；后者主要試點(diǎn)實(shí)施了可安裝在安全帽的定位設(shè)備。2個(gè)工程建設(shè)項(xiàng)目均根據(jù)業(yè)主的不同要求開發(fā)了基于GIS的信息管理系統(tǒng)，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定正常。

圖3 系統(tǒng)在某工程建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)用結(jié)果圖

3 推廣前景

通過本系統(tǒng)所述方案的成功實(shí)施，不僅實(shí)現(xiàn)了在開放式、半開放式工程建設(shè)項(xiàng)目的施工人員/施工機(jī)械等目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位管理功能，而且為探索開展目標(biāo)越界監(jiān)測預(yù)警、遠(yuǎn)程簽到管理、電子圍欄應(yīng)用、目標(biāo)活動(dòng)行為分析、遠(yuǎn)程工作簡報(bào)等延展性應(yīng)用的眾多中小企業(yè)提供了一套完整的解決方案，為致力于提高工程建設(shè)項(xiàng)目管控水平和效率，降低管理成本的企業(yè)提供了借鑒。例如，當(dāng)需要開展目標(biāo)越界監(jiān)測預(yù)警時(shí)：① 將前端定位設(shè)備的定位信息發(fā)送間隔縮短；② 在后端軟件系統(tǒng)中增加設(shè)置界線的功能，當(dāng)有目標(biāo)越過該界線時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向后端管理員發(fā)出告警，管理員再通過廣播蜂鳴等方式向目標(biāo)發(fā)出警報(bào)。當(dāng)然也可以為前端定位設(shè)備增加一項(xiàng)蜂鳴功能，當(dāng)目標(biāo)越過界線時(shí)，由后端管理員觸發(fā)前端定位設(shè)備的蜂鳴功能來發(fā)出警報(bào)。

4 結(jié) 語

利用當(dāng)前快速發(fā)展的衛(wèi)星定位技術(shù)等信息技術(shù)手段，輔助解決開放、半開放工程建設(shè)項(xiàng)目施工區(qū)域中施工人員/施工機(jī)械的定位等方面的管理，是一種可行的方案，值得進(jìn)一步深入探討和完善，同時(shí)還可據(jù)此開展更為延展性的應(yīng)用。

本文所列的各種位置信息獲取方案，各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際實(shí)施過程中應(yīng)根據(jù)業(yè)主方的需求，在易用性、穩(wěn)定可靠性、信息自動(dòng)或者手動(dòng)發(fā)送、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行綜合評估比選，以期達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

要較好地通過衛(wèi)星定位等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)項(xiàng)目的施工人員/施工機(jī)械的定位管理，開發(fā)一套信息管理系統(tǒng)是必不可少的，而地理信息系統(tǒng)被認(rèn)為是形象化展示各類目標(biāo)對象的優(yōu)選工具。