智慧城市背景下基于北斗定位的建筑管控平臺研究

丁超，魏曉莉，唐雅勤，張家精，萬文芳，李佳佳，劉雯韻，陸賽賽

（1.安徽建筑大學；2.上海海積信息科技股份有限公司）

1 引言

智慧工地是通過先進的信息技術與施工現場深度融合，通過傳感器植入到建筑、機械、施工人員穿戴設備等各類載體中來收集信息。以此為背景設計基于北斗定位的裝配式鋼結構建筑全生命周期信息化智慧建造管控平臺構建方案，立足于BIM 平臺的二次開發，可促進信息交換，實時信息訪問，以及項目成員之間的信息收集[1]，解決現階段裝配式鋼結構建筑尚存在的問題，創新裝配式鋼結構建筑從建造到安全監測的全生命周期管理模式。

2 智慧工地

“十三五”時期，全球信息技術革命持續迅猛發展，“互聯網+”、大數據、物聯網成為智慧工地的重要基礎設施。信息化技術是實現智慧工地的重要載體和手段，對行業治理體系和服務模式將產生廣泛而深刻的影響，對智慧工地建設尤為重要。智慧工地是智慧地球、智慧城市、智能建筑的延伸。即“智慧”、“智能”延伸到工程項目的建造過程中，就產生了智慧工地的概念。智慧工地意味著在建造過程中充分利用智能技術及其相關技術，通過建立和應用智能化系統，提高建造過程智能化水平，減少對人的依賴，實現安全建造，并實現性價比更好、質量更優的建筑[2]。以富煌鋼構施工信息化管理系統等為代表的智慧工地建設的研究成果具有較強的實用價值，在建設過程中所積累的經驗、積淀的技術必將在未來的大型建筑工程項目中推廣應用，能夠大大促進國內信息化領域人才的發展，對于今后打造“智慧城市”“智慧未來”等具有借鑒和指導意義。智慧工地建設內容如圖1 所示。

3 基于北斗定位的裝配式鋼結構建筑全生命周期信息化智慧建造

為響應國家和省、市對裝配式建筑工業化產業政策的號召，平臺搭建方案的開展符合裝配式建筑產業信息化發展需求。完善裝配式建筑建造信息化管理、可靠安全地運行，從而展現裝配式建筑帶來的經濟、社會和環境效益，促進建筑業轉型升級和推動裝配式建筑高質量發展。

基于北斗定位的裝配式鋼結構建筑全生命周期信息化智慧建造管控平臺的構建主要是與智慧工地需求相對應，利用物聯網、互聯網+、傳感器技術、智能處理等最新技術，配合全球定位系統、通信技術和計算機智能平臺等，從而實現城市施工的智能化[3]。國內外專家學者前期進行了深入的研究，陳勇強等指出由于大型項目中參與方都有自己的組織架構，其信息溝通受到阻礙，只有通過對大型項目進行信息標準化和集成化管理，使信息能夠在各參與方之間進行有效共享，才能保證大型項目的順利實施，Becerik 等指出裝配式建筑采用信息化管理模式的動力之一是他們可獲得信息價值，并通過詳細的案例研究和行業調查來了解信息化管理在美國裝配式建筑行業的信息利用價值，以此進一步研究信息化管理所帶來的價值[4]。

我國歷來注重“人防、技防、物防”的有機結合，隨著科技進步，技防越來越受重視。為應對越來越復雜的施工場景，近年來信息物理系統、大數據、移動互聯網等先進技術不斷應用于建筑事業。如圖2 所示，在智慧工地的大背景下，基于北斗定位的裝配式鋼結構建筑全生命周期信息化智慧建造體系搭建而出，達到提升城市建筑建設和建筑安全能力，實現快速響應和決策的目的。

圖1 智慧工地建設內容

圖2 智慧建造管控平臺建設內容

4 智慧建造管控平臺概述

4.1 平臺方案搭建

裝配式建筑項目信息化管理是指裝配式建筑項目建造與管理的過程中將現代信息技術與傳統管理理念相融合，以促進建設項目建造和管理水平不斷提高的過程。這個過程包括信息收集、信息傳輸、信息處理和信息使用等環節。裝配式建筑項目的建造是一種將建筑業全產業鏈整合，并環環相扣的鏈狀生產過程，與傳統建筑項目相比，裝配式建筑項目產業化標準化的特點決定了其項目管理過程中信息收集傳遞加工使用的必要性。因此推動裝配式建筑高質量發展以及加快建筑業工業化與信息化深度融合，實現信息化管理尤為重要[4]。

裝配式建筑全生命周期管理和建后安全監測平臺，是針對于裝配式建筑利用高科技解決建造精度不高，人為失誤嚴重造成的經濟、時間、人力問題的平臺。本方案通過中國北斗定位平臺與RTK(Real time kinematic，實時動態)平臺與BIM 形成組合來監測裝配式建筑建造。通過實時動態監控來縮小裝配式建筑的誤差，控制定位安裝精度。平臺安全便利，易于操作，可以搭載任意手機app上進行實時反饋。工人們可以通過手機了解并上傳相應數據。同時該平臺通過區塊鏈進行加密。可以使整個工程的信息不外漏，保證了建筑工程的隱私性和安全性。

平臺第一階段先通過設計多種傳感器模塊來實現環境參數感知和采集，接著利用數據通信平臺和數據處理平臺，將采集到的數據傳輸和處理，存入數據處理服務中心數據庫，并將已采集的和已處理的數據顯示在自搭建監控平臺和手機移動端軟件上，部分數據經處理后以圖表形式顯示，同時由北斗接收器采集到的裝配式建筑三維坐標等信息可在平臺中構成建筑三維可視化模型。在裝配式建筑建造過程中，將采集到的數據與程序設計的正常范圍作比較，當數據超出正常范圍時在平臺和手機上報警，或者可以通過發送消息或現場報警給到現場施工人員，現場施工人員按照移動端上提供的施工信息進行細節調節；在裝配式建筑建成的維護中，通過不斷的監測建筑的多種相關信息，便于分析裝配式建筑物的各項指標，并對建筑物的健康狀況進行診斷，主要路線如圖3 和圖4 所示，平臺具體框架如圖5 所示。

4.2 主要研究內容

4.2.1 結構件和人員定位坐標計算

1）結構件坐標采集

在施工現場空曠的位置布設兩臺北斗高精度接收機，實時接收衛星數據和基站差分數據（提供已知點坐標起算數據）進行實時RTK 定位解算。在被測結構與北斗高精度接收機之間的空曠區域，布設360 度電控旋轉光電測距裝置，光電測距裝置用于監測其自身與北斗定位設備以及被測結構關鍵節點的相對距離、相對仰角和方向角；根據北斗接收機已知點坐標起算數據，根據光電測距測出與北斗接收機之間的距離和角度，推算出光電測距儀自身的點位坐標。同樣原理利用光電測距儀測出結構件的實時點位坐標，通過坐標轉換同步到BIM 平臺中，實時查看結構件模型的移動位置，當與設計坐標在一定合理范圍內，即可安裝結構件[4]。

圖3 平臺流程圖

圖4 系統架構圖

2）人員定位

施工人員通過攜帶含北斗小型化高精度定位芯片的終端，定位芯片將大地坐標和人員信息實時發送給數據中心，通過坐標轉換后，同步到施工BIM 模型中。BIM 平臺顯示當前施工人員的實際位置，將實際施工環境與虛擬三維模型相對應，實現現場與虛擬環境的數據交流。數據中心將人員信息、自身定位信息和結構件信息存儲到數據庫中，便于后續查詢規范施工和施工質量。

4.2.2 坐標轉換

1）建立北斗控制點

在施工場地外網穩固的地點建設三臺高精度北斗GNSS 接收機，同步觀測24h。利用GNSS 平差軟件算出三個控制點位的高精度坐標。由控制點坐標和對應點位在BIM 中的坐標計算出七參數。通過七參數可將采集到大地坐標轉換成BIM 的獨立坐標系中，從而實現結構件坐標和人員定位坐標實時同步到BIM 平臺中，如圖6 為七參數計算：

2）監測數據采集子平臺設計

數據采集平臺主要由傳感器和采集單元組成，以GNSS 接收機為主的傳感器，結合多種輔助傳感器單元，共同感知裝配式建筑關鍵部位的應力、位移和加速度等監測指標。

圖5 智慧工地背景下基于北斗定位的裝配式鋼結構建筑全生命周期信息化智慧建造管控平臺

圖6 七參數計算

3）數據傳輸通信子平臺設計

數據傳輸子平臺的主要功能是對各個傳感器的信號進行采集傳輸，供數據保存、處理和評估使用。本監測平臺需要采用不同的傳感器，各種傳感器又有不同的接口、多種信號和通信協議。目前，在組網中采用較多的是TCP/IP 技術，TCP/IP 技術是受用戶認可、完全公開的網絡通信技術，主干網采用高速4G/5G網，是非常理想的組網方式。

4）數據處理服務中心設計

數據處理分析子平臺是整個平臺的核心單元，由機房、中心網絡和軟件平臺組成，具有數據處理、平臺控制和網絡管理的功能。對于傳輸過來的數據將記錄和數據分散并部署在區塊鏈中，使得任何一方都不可能篡改數據或記錄；通過區塊去中心化大大增加了惡意攻擊的難度，保障數據的安全性和隱私性；使用分布式的節點網絡來維護賬本使得公司可以消除或減輕托管、安全和維護成本。

5）高精度GNSS 定位解算軟件

高精度GNSS 定位解算軟件是實時形變監測平臺的核心，可長時間通過網絡實時接收形變監測項目中所有參考站和監測站的 GNSS 原始觀測數據，進行數據處理，解算得到高精度三維坐標和形變信息，并將這些信息實時導入數據庫，或供第三方軟件接口調用。

高精度GNSS 定位解算軟件支持BDS、GPS、GLONASS 等 四 大 衛 星 導航定位平臺，同時具備動態、靜態、后處理三種基線解算模式。采用先進的靜態處理算法，結合誤差修正、平差處理和卡爾曼濾波等方法，軟件解算精度達到毫米級。

6）平臺功能設計

本監控預警管理平臺是基于BIM一體化平臺的工程展示、查詢、數據管理與報警平臺軟件，具有項目管理、平臺配置、報警管理、日志管理以及各項工程監測信息的顯示等功能。用戶可以直觀的通過查看建筑3D 模型來了解工程施工情況，并通過圖表形式查看各項監測信息的變化情況，針對異常情況還可以以多種方式進行報警，通知相關人員，方便用戶對監測工程進行監控、管理和災害預防。平臺功能架構圖如圖7所示。

圖7 平臺功能架構圖

5 結語

發展裝配式建筑是牢固樹立和貫徹落實創新、協調、綠色、開放、共享五大發展理念，按照適用、經濟、安全、綠色、美觀要求堅持市場主導、堅持頂層設計 、協調發展，推動建造方式創新，推進新型城鎮化的改革。使用鋼結構、混凝土等裝配式建筑，可以發展節能環保新產業、提高建筑安全水平并推動化解過剩產能等功能，有利于改善城市環境、提高建筑綜合質量和性能、推進生態文明建設，保證城鄉建設的高效、安全且經濟。將物聯網、互聯網、區塊鏈技術與北斗衛星導航平臺相聯系，可以建立一個覆蓋整個城市的、方便利民的巨大網絡。利用北斗定位平臺在建筑建造時、建造后、災后進行測量監督，減少人工監測誤差，提高監測效率并保證建筑安全。