智慧工地時空信息平臺架構研究

羅乾鵬 馮 帆

（中鐵建電氣化局集團南方工程有限公司,湖北 武漢 430000）

近年來，智慧城市在不斷地飛速發展，信息化系統在基建工程領域的應用越來越多，比如工地實名制人臉識別閘機、勞務管理系統等的使用。傳統基建施工行業屬于勞務密集型產業，傳統的管理方式使勞動工地的人力、設備、物資材料利用都存在嚴重的浪費，各類原材料數據、生產過程數據不能互通和及時利用。智慧城市概念在2008年提出，隨后大多數國家都開始了智慧城市的建設，隨著智慧城市在各行業的深入發展，由智慧城市衍生出的智慧工地系統也在各大工地大規模實施，成為基建施工行業信息化應用的必然趨勢。

時空數據是基于統一的時空基準，與位置直接或間接相關聯的地理要素的自然、工程、人文和社會信息的數據等，具有時間維（T）、空間維（S）和屬性維（D）的多維特征[1]。時空數據平臺集成物聯網實時感知數據、基礎地理位置信息、時間信息、相關專題信息及擴展數據，提供從數據采集到存儲、清洗、加工、共享及分析的泛在技術服務。

智慧工地時空信息平臺將時空信息技術、智能感知設備、大數據分析、可視化展示等應用到工程施工現場中，以數字化、智能化豐富工程管理模式，提高企業施工信息化管理水平，提升企業核心競爭力，進一步實現工程管理精細化、協作化和高效化[2]。通過時空信息平臺實現對現場工作人員、工程物資、機械設備等的實時位置監控，形成軌跡數據，同時獲取時間信息，通過數據分析形成對人員、物資、工程等多維度的管理，并監測人員異常、物資庫存使用量、工程進度，并對將來的物資使用、工程進度進行預測，同時對工地發生的應急事件進行及時發現和反饋[3]。

1 智慧工地時空信息平臺架構設計

1.1 建設目標

與當前智慧工地使用的人臉識別閘機、勞務管理等分散獨立部署的軟件系統模板不同，時空信息平臺應有以下6個轉變。

（1）分散部署架構到云部署架構：基于IT基礎服務設施，使用虛擬化技術建設云計算存儲資源池，按照需要提供彈性的可擴展的IT實施環境，以支撐智慧工地系統的云部署實施。

（2）離散數據到時空數據：在傳統的物料及過程數據的基礎上，增加施工現場的時間和空間過程數據，比如基于BIM的建筑仿真模型、工地物料設備位置等數據。對數據在位置維度上做處理，同時與時間維度對應，以此完成離散數據到時空數據的過程化處理。

（3）一般性到定制化：除了提供一般性服務，比如物料監控管理、人員管理、進度管理、視頻監控、設備管理等，還給用戶提供定制化服務，比如基于時空信息平臺的基于某一類特征的大數據分析服務。

（4）數據共享交換服務：改變以往的各個獨立軟件模塊各自數據互不相通的局面，通過統一的數據共享交換模塊，建立面向業務數據的協同共享交換數據體系，實現業務數據與時空數據的整合應用。

（5）時間數據服務到時空數據服務：服務模式上，改變僅能提供時間數據服務的方式，轉為提供基于地理位置的時空數據服務方式，并提供基于時空大數據分析后的數據增值服務。

（6）桌面端到APP端：在展現和操作方式上，從基于B/S架構的桌面端應用向APP端轉變，從界面、功能、數據、展現等全方位支持APP端。

1.2 總體架構

智慧工地時空信息平臺，利用虛擬化技術進行搭建，結合移動通信、物聯網等技術，以服務工地信息化建設為目的，為科學推進工地管理、建設、施工提供全面的信息化服務支撐。如圖1所示。

圖1 智慧工地時空信息平臺總架構

1.2.1 基礎設施服務

硬件基礎設施服務分為硬件基礎、軟件基礎數據庫及資源池。細分來看，硬件基礎包括IT服務器、存儲磁盤、網絡通信、攝像頭、傳感器等；軟件基礎數據庫包括Windows、Linux操作系統、Oracle或MySQL數據庫、中間件等；資源池即虛擬化解決方案，整合現有零散IT基礎服務資源為可擴展的動態資源，以虛擬化系統為載體提供硬件基礎設施、運行平臺、業務功能軟件等形式的自動化服務。

1.2.2 平臺服務

平臺服務建立于基礎設施服務，面向使用者提供以下5類應用平臺或服務。

（1）數據平臺是業務系統的支撐，主要包括基礎地理信息數據庫、專題空間數據庫、物聯網數據庫、元數據庫等。基礎地理數據庫包括柵格地圖數據庫、矢量地形要素數據庫、數字高程模型數據庫、地名數據庫、攝影影像數據庫等。專題空間數據庫包括工地行業應用系統需要對接的專業數據，如天氣數據、物料數據、建筑BIM數據、施工人員數據等。

（2）數據資源管理平臺以資源目錄體系為紐帶，以時空信息平臺數據為基礎，主要整合施工工地的各類數據，為工地的各部門或小組的管理施工提供數據支持，平臺也能利用已有的數據，根據業務需要做進一步的大數據分析，滿足資源整合及數據共享的復雜需求。

（3）應用開發管理平臺提供應用二次開發部署環境及統一的數據接口，使用戶能統一完成如插件加載、微信接口對接、電話短信對接等工作，同時提供應用模塊的加載、移除、更改等管理功能。

（4）BIM建模平臺為用戶提供一個內嵌或跳轉服務的可視化BIM建模環境，通過可視化模型所見即所得的、協調性避免工地施工問題的發生，平臺的模擬性體現在設計階段，模擬真實世界操作事物，提供各種模擬工具對復雜項目進行優化。

（5）服務管理平臺提供云資源的動態管理維護服務，包括基礎設施的資源彈性調整服務、數據資源的監控服務、數據資源的統計服務等，從而實現上層業務對數據資源的請求服務，以及結合工地BIM數據，提供專業模型的分析服務等。

1.2.3 軟件服務

軟件服務建立于平臺服務上，通過服務平臺提供的數據資源和服務資源，直觀地為用戶提供各種應用場景的操作功能。比如工程人事管理、工程進度管理、物料進出庫管理、閘機管理、塔吊管理、電子圍欄管理等諸多方面的場景功能。

2 關鍵技術路線

2.1 云平臺虛擬化技術

虛擬化技術將大量物理設備，比如CPU、內存、磁盤、網絡等集中到一起形成集中資源，通過集中管理統一調度的技術手段，把這些集中資源按需做分配，統一調度，如此可以最大程度地利用所有硬件資源，并大幅提高這些物理設備的運行效率。在分配到的資源上部署操作系統，并部署需要的應用系統，就形成了各類云平臺。如圖2所示。

圖2 云平臺虛擬化技術

時空信息平臺基于云平臺虛擬化技術做搭建，具體實施步驟：部署虛擬機，安裝操作系統，部署應用形成云平臺。比如，在構建地理信息平臺時，首先使用虛擬化技術構建計算資源池，再根據地理信息平臺的資源需求，利用云計算的彈性分配特點，按需提供易擴展、高效穩定的資源服務。

2.2 基于地理位置信息組織時空數據

現實中80%的信息資源與空間位置有關，工地上的材料放置、工人的人員位置、施工位置、塔吊等設備位置、建筑中的物件安放位置等，都可以確切落在一個具體的空間坐標上。因此，以地理空間信息為基準，結合時間維度，將材料位置、施工位置、人員定位、設備位置、物件安放位置等部件，在空間和時間維度下進行整合，實現“部件、空間、時間、屬性”多位一體的時空數據組織形式。如圖3所示。

圖3 時空數據組織

2.3 地理編碼數據庫

地理編碼是把實際地理位置轉變成數據庫中的數字地理坐標的過程。地理編碼數據庫的目標是利用空間定位技術和地址匹配技術，建立智慧工地的地址編碼庫，實現統一的空間坐標，整合與工地相關的各類部件要素資源，在智慧工地各應用系統之間建立數據關聯，為各應用系統之間的數據共享和交換提供數字信息支撐。

地理編碼數據庫的形成過程：首先根據工地上的部件的位置，自動生成“部件+地理坐標”形式的標準地址，然后根據標準地址，自動生成地圖坐標，從而建立地理編碼庫。

地理編碼數據庫是“智慧工地時空信息平臺”的數字基礎，地理編碼數據庫為智慧工地各應用系統提供關于材料、人員、設備等部件的準確、實時的信息支撐，滿足了智慧工地對部件時空位置定位的需求。

2.4 共享交換技術

共享交換平臺是依托地理編碼數據庫，實現各應用系統之間信息資源的實時共享和交換，滿足智慧工地各類應用系統對地理信息和空間定位、分析的基本需求。其以SOA（面向服務的架構）設計實現，集成GEO-ESB服務總線（地理信息企業服務總線）的模式實現空間信息的共享、交換、運維、管理和服務。共享交換系統包括中心交換、前置交換、地理編碼交換等功能，同時支持二次開發。

通過共享交換平臺的建設，將智慧工地應用中的各類時空數據進行打通，從而實現各類數據的共享與關聯性分析。

3 結語

隨著智慧工地建設的推進，信息化科技手段正在為傳統的建筑工地帶來一場“智慧變革”，時空信息平臺也急需應用到建筑施工現場。本文主要探討了在智慧工地現狀的基礎上，時空信息平臺給智慧工地帶來的轉變，同時圍繞此目標探討了時空信息平臺的總體架構的搭建，以及提供的基礎設施服務、平臺服務和軟件服務，并基于此提出了構建智慧工地時空信息平臺的關鍵技術路線：基于虛擬化技術構建地理信息平臺、基于地理位置信息組織時空數據、地理編碼數據庫和共享交換技術。

除了以上內容，智慧工地時空信息平臺還有其他研究內容，比如基于位置和時間的大數據分析、基于時間和位置的指揮中心大屏信息的構建及展示等，都是下一步需要研究的方向。