公路建設施工信息化監管平臺研究與應用

劉士寬，羅志剛，王 盟，何穎杰，胡 珂

（1.中交宇科（北京）空間信息技術有限公司，北京 100094；2.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011）

北斗衛星導航系統是中國自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統。2000年，中國建成北斗導航實驗系統[1]，2012年“北斗”系統在亞太地區組網完成，北斗導航系統不僅在我國國土范圍內廣泛使用，同時向周邊國家提供服務[2]。它由30顆非靜止軌道衛星和5顆靜止軌道衛星組成，2018年底，北斗三號衛星在軌數量計劃達到19顆，北斗工程全球組網進入關鍵期[3]，為用戶提供免費的導航、定位、授時服務。北斗衛星導航系統的建立和使用，擺脫了我國對GPS的依賴，打破了發達國家壟斷衛星導航定位技術的局面，重要的是可以直接體現我國的技術實力和綜合 國力[4]。

中國北斗衛星導航系統于2018年形成“一帶一路”沿線國家全球初始服務的基本能力，到2020年形成全球服務能力[5]。目前北斗導航系統的覆蓋范圍為55 E～180 E，以及55 N～55 S之間的 區域。

交通運輸行業具有點多、線長、面廣、移動的特點，集中了衛星導航主要應用方向[6]，其高精度的定位和短報文通信能力，持續獲得用戶好評。是無人區公路建設的不二選擇。針對本項目，北斗衛星的高精度定位和短報文通信，可以滿足公路工程建設中無運營商信號覆蓋環境下的施工人員及設備的位置服務，保障其安全。因此，為了滿足公路建設及其項目部人員、車輛安全管理需求，急需搭建公路建設施工信息化監管平臺（以下簡稱：監管平臺），利用北斗衛星定位和通信，實現對項目部現場人、車、設備的統一管理、安全隱患管理、綜合調度和應急處置，為建設單位對施工項目的在線監管和安全施工奠定 基礎。

1 平臺總體設計

1.1 總體框架

公路建設施工信息化監管平臺，是基于自主框架和SuperMap平臺進行二次開發的B/S架構的監管平臺，后臺數據庫采用了MySQL開源數據庫，采用云端部署的方式為用戶提供監管服務。系統總體框架如圖1所示。

圖1 總體框架圖

基礎支撐層：包括北斗衛星、服務器存儲設施、運營商網絡、視頻監控設施、無線基站、北斗定位終端和北斗一體機。北斗衛星實現人員、車輛的定位和通信服務；服務器實現采集后數據的存儲、處理等；運營商網絡是安全網絡的輔助網絡，整個網絡實現基于北斗的無運營商網絡和運營商網絡的無縫融合；視頻監控設施部署在重點區域監控；無線基站搭建局域網，實現局域網內的通信。

數據層：包括基礎數據庫和業務數據庫基礎數據庫提供電子地圖、遙感數據、隧道區域地圖等基礎空間數據；業務數據庫包括人員位置信息、車輛位置信息、視頻數據等數據。

平臺層：平臺層提供運維管理平臺和基礎地理信息系統。運維管理平臺提供權限管理、日志管理和系統管理；基礎地理信息系統提供地圖制作、Web端地圖服務等功能。

應用層：應用層包括施工車輛及人員管理平臺、項目部綜合管理平臺。施工車輛及人員管理平臺提供車輛人員的位置服務；項目部綜合管理平臺實現項目部人員、車輛等基本信息管理，并對項目部的安全信息進行匯總統計。

用戶層：包括項目部指揮中心管理人員、項目部管理人員和施工人員。

上述各部分共同構成公路建設施工信息化監管平臺，相互依存，缺一不可，在標準和安全保障措施的指導下，穩定運行。

1.2 系統業務流程設計

系統設計時應考慮總體結構框架滿足系統的管理和功能要求，并根據系統的邏輯結構提出了系統業務流程圖，如圖2所示。

圖2 業務流程圖

1.3 平臺功能

公路建設施工信息化監管平臺包括以下功能模塊：主頁統計分析、綜合展示、位置監控、綜合管理、 系統管理，如圖3所示。

圖3 功能結構圖

2 關鍵技術研究

2.1 與北斗定位設備的對接

北斗源數據由北斗指揮機讀取串口獲得，并且按照標準格式解碼并解析。如果需要對一帶一路國外國家提供北斗定位服務，一般有兩種方案，一種是在國外建立北斗指揮中心，另一種方案是和國內北斗分理平臺進行數據交互。前一種方案無疑增加了維護成本。本研究主要采用的是第二種方案，北斗終端設備和國內北斗分理平臺實現數據交互。本研究建立了中轉機制，由北斗分理平臺，接收北斗設備數據，并使用網絡通信技術WebSocket的方式將設備數據中轉推送至本研究的數據接收平臺。

數據接收平臺根據數據的推送類型和頻率決定調取多少線程執行調度任務，并加以解析存儲。所接收的北斗數據包括設備定位數據、主動報警數據、短報文數據等。對于可能存在由網絡不穩定所帶來的連接中斷，數據接收平臺采用了心跳檢測和斷線重連[7]機制，由數據接收平臺每5 s向北斗分理平臺傳輸一個隨機數值，北斗分理平臺根據隨機數值返回一串加密，若長時間不回應或者超過5次未回應，則判定為網絡不穩定或者連接關閉，執行重連機制，從而保證通訊的穩定性。

從性能和安全考慮，數據接收平臺只用于數據的解析存儲，對于本監管平臺的前臺展示，則是由監管平臺另行建立WebSocket通道獲取數據并用于渲染，這樣保證前后臺分離數據使用，不會互相影響。對于國外北斗數據，傳輸國內可能由于網絡、距離等原因導致數據丟包嚴重，根據其部署地點，本文采用了國際云服務器進行數據中轉，建立轉發機制中轉至國內，減少了數據丟包率。

2.2 設備與圍欄、人員車輛的綁定

北斗設備是專門用于與北斗衛星通信而獲得定位坐標的終端裝置，為了實現人員/車輛的定位和超出范圍預警，需要將設備與圍欄、人員/車輛進行綁定。

首先需要保證設備、圍欄、人員/車輛同屬于一個機構下，在人員/車輛管理功能下對于未綁定的設備可以選擇綁定，綁定信息將存儲于設備信息綁定表，屆時機構下的圍欄將匹配設備信息綁定表的數據，若檢測有匹配數據不在圍欄范圍內，則視為跨出圍欄并加以報警。

2.3 大數據量存儲與可視化

本文平臺需要對人員、車輛進行實時的定位監控，則必然導致定位數據每分每秒的傳輸進入監管平臺。后臺數據庫承載能力受到極大的挑戰。本文采用的是MySQL數據庫，使用其MRG_MYISAM存儲引擎技術存儲，再由數據接收平臺根據數據的推送月份，將其存儲至不同的數據庫月表內，每張表存放于不同的物理環境，實現分布式存儲，再對于不同的數據庫表使用表合并技術，匯總成一張查詢總表。對于合并表的ID做了特定自增機制，從而實現了數據的統一查詢。

由于日平均數據量巨大，對于監管平臺而言不可能一直頻繁的讀取數據庫調用數據，因此采用從WebSocket通信中取出數據并且加以渲染，對于歷史軌跡等需要追溯歷史數據的時候，才會通過時間排序索引來查詢數據庫表，從而盡可能減少了網絡訪問傳輸帶來的損耗。

3 平臺實現與應用

本平臺將矢量與業務屬性表格進行關聯聯動，并采用北斗、微基站等定位技術為建設施工人員車輛的定位監管提供服務。

3.1 示范工程

本平臺已在海外KKH項目中得到示范應用，KKH項目是“一帶一路”交通先導工程，對我國及沿線國家經濟及各產業發展有著重要意義，公路建設項目全長約120 km，周邊施工條件惡劣，基建設施落后，多個地段無運營商網絡信號，施工人員、設備安全難以保障。通過本平臺導入KKH公路二維矢量路線設計數據，并采集了公路建設施工項目數據、人員、車輛等業務數據，實現了二維、信息聯動管理。利用北斗定位和通信、微基站、GIS、大數據等先進技術手段，實現了人員/車輛實時定位監控、隱蔽工程視頻監控等，提高了建設施工監管的可視化、精細化程度，提高了海外項目施工的安全性。

3.2 主頁統計分析

在首頁上顯示被監控車輛的數量、被監控人員的數量、被管理的災害點數量以及監控預警次數等信息。并利用熱力圖動態統計了隧道內部施工人員的位置分布，如圖4所示。

圖4 主頁統計分析

3.3 綜合展示

利用圖層管理對所監管的POI信息進行綜合展示能夠進行矢量點位和屬性的雙向關聯查詢與檢索。包括建設項目、項目施工部、災害隱患點、視頻監控點、電子圍欄以及營地、炸藥庫、拌合站等POI圖層，如圖5所示。

圖5 綜合展示頁面

3.4 位置監控

通過接收便攜式北斗定位終端發送定位信息，在地圖上實時展現人員或車輛的定位位置，每分鐘刷新1次位置，點擊人員定位圖標，可以彈出人員信息框，并可以查看歷史軌跡等信息，了解人員或車輛的活動范圍，如圖6所示。

圖6 位置監控頁面

當發生人員或車輛進入或離開某一區域，而觸發圍欄預警的時候，系統會自動給出預警提示框，提醒管理人員及時處理。

3.5 綜合管理

對平臺所管理的各類數據進行導入、編輯、刪除、查詢等操作，包括項目基本信息、項目施工部信息、人員、車輛、北斗終端信息、電子圍欄信息、災害隱患點信息、視頻監控點信息、短報文等信息的 管理，如圖7所示。

圖7 綜合管理頁面

4 結 語

公路建設施工信息化監管平臺的應用，為KKH項目的管理人員提供了一個可視化的人員、車輛位置監管平臺，有效整合了KKH項目信息，實現了全面、精細的可視化管理和施工大數據的統計分析，并利用北斗、微基站、GIS、大數據等先進技術，保證了人員、車輛的安全，提高了公路建設施工安全監督管理的效率和水平。另一方面，公路建設施工信息化監管平臺，以云端部署的方式為公路建設施工管理者提供服務，節省了用戶維護成本，也能有效的避免公路建設安全監督管理信息化的重復投資。對我國公路建設施工安全監管水平的提高有著十分積極的作用。在逐步的推廣應用的過程中，云端服務也可以為公路建設單位收集整合公路建設施工大數據，形成公路建設施工數據的積累，為大數據分析提供基礎。