淺談基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地建設(shè)

石凌峰

（中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢,430071）

1 概念解讀

1.1 泛在物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)以互聯(lián)網(wǎng)作為傳遞信息的媒介，它將RFID射頻識(shí)別設(shè)備、紅外傳感器、激光掃描儀全球定位系統(tǒng)、和其它信息檢測(cè)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)事物相互連接、通信和信息交換。它可以通過各種有線和無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)信息，對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行智能識(shí)別和精確定位。

物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)如圖1所示，主要可以分為：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖

感知層的主要功能是收集信息和對(duì)象識(shí)別，由溫度傳感器、攝像頭、RFID和二維碼標(biāo)簽等傳感器和網(wǎng)關(guān)所構(gòu)成。

網(wǎng)絡(luò)層主要用于將采集到的物體信息從感知層傳輸?shù)浇K端，進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的處理。它包括了互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算技術(shù)以及安全管控平臺(tái)等。

應(yīng)用層對(duì)所采集的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和整合，通過智能控制技術(shù)和程序開發(fā)實(shí)現(xiàn)如物流監(jiān)控、智能家居、無感知支付等應(yīng)用和產(chǎn)品，為用戶提供了能滿足其需求的軟件和服務(wù)。

泛在物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展而相應(yīng)產(chǎn)生的概念，相對(duì)于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)，它的主要特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)無處不在的萬物互聯(lián)。5G技術(shù)和IPv6技術(shù)的發(fā)展為泛在物聯(lián)網(wǎng)提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。它們的出現(xiàn)大幅提高了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎头秶蚱茣r(shí)間與空間上的限制從而實(shí)現(xiàn)真正意義上無處不在的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

1.2 智慧工地

智慧工地作為智慧城市在施工建設(shè)行業(yè)的具體實(shí)施，為管理者提供了更加精細(xì)有效的施工管理方案。由于施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的施工管理存在諸多缺陷，如施工進(jìn)度不明導(dǎo)致工期延誤；安全隱患排查困難；建筑材料管理困難等。伴隨物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息化技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，智慧工地作為解決這些痛點(diǎn)的全新方案應(yīng)時(shí)而生。它運(yùn)用這些技術(shù)將整個(gè)施工過程可視化,通過將工地現(xiàn)場(chǎng)人員和工程資料信息進(jìn)行全面收集和實(shí)時(shí)調(diào)控，真正實(shí)現(xiàn)了工地現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)化管理。

智慧工地整體的解決方案主要圍繞人、機(jī)、料、法、環(huán)五大生產(chǎn)要素，采用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等相關(guān)技術(shù)確保項(xiàng)目施工能夠按照工作目標(biāo)按時(shí)、安全且高質(zhì)量的完成。整個(gè)方案主要包括 成本管理、安全管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、人員管理、施工管理、培訓(xùn)管理等幾大模塊。

2 泛在物聯(lián)網(wǎng)中的核心技術(shù)

泛在物聯(lián)網(wǎng)中的核心技術(shù)主要包括：RFID射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)。

2.1 RFID射頻識(shí)別技術(shù)

RFID射頻識(shí)別技術(shù)射頻識(shí)別技術(shù)是無線通信技術(shù)的一種，它以射頻方式進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳輸，通常用于物聯(lián)網(wǎng)感知層。系統(tǒng)主要由RFID標(biāo)簽、讀寫器、記錄儀和軟件管理系統(tǒng)組成。

RFID電子標(biāo)簽在磁場(chǎng)中接收讀寫器和記錄儀發(fā)送的射頻信號(hào)，用線圈中感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送標(biāo)簽上存儲(chǔ)的信息，或者通過標(biāo)簽發(fā)送特定頻率的信號(hào)。RFID閱讀器獲取并解碼信息后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給軟件管理系統(tǒng)存儲(chǔ)和整理。

2.2 傳感器技術(shù)

傳感器是通過感應(yīng)被測(cè)量物體的各種量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號(hào)的器件或裝置。它可以收集大量信息，是獲取通信和信息系統(tǒng)所需信息的一種手段。傳感器技術(shù)作為信息技術(shù)的三大支柱之一，主要用于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的感知層來獲取信息。

傳感器技術(shù)是測(cè)試和自動(dòng)控制的重要組成部分。它的主要特點(diǎn)是準(zhǔn)確地傳輸和檢測(cè)某種形式的信息，并將其轉(zhuǎn)換為另一種形式。物聯(lián)網(wǎng)中使用的傳感器主要包括：溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感傳感器等。物聯(lián)網(wǎng)的傳感器需要具有很好的抗干擾能力和靈敏度，從而能夠準(zhǔn)確可靠地捕捉和轉(zhuǎn)換原始測(cè)量信息。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)中，作為中間橋梁連通了傳感器等產(chǎn)品和終端的行業(yè)應(yīng)用。

根據(jù)覆蓋范圍和通信距離的不同,通常可以將物聯(lián)網(wǎng)中所需要運(yùn)用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分成了以下四類：移動(dòng)廣域網(wǎng)(Mobile/WAN),采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)且覆蓋范圍大；廣域網(wǎng)(WAN),采用非移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)且覆蓋范圍大；局域網(wǎng)（LAN），覆蓋能力小且通常用于公司或公共設(shè)施；個(gè)域網(wǎng)（PAN）,覆蓋能力小且通常用于短距離通信設(shè)備。選擇物聯(lián)網(wǎng)采用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)時(shí)，除了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力，帶寬、功耗、傳輸速率以及信息安全也是很重要的考慮因素。

在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中,M2M（Machine to Machine）技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)通信的支撐技術(shù)。它是一種用于雙向通信的無線通信和信息技術(shù)系統(tǒng)，具有很好的兼容性。能與藍(lán)牙、WiFi等近距離連接技術(shù)以及GSM/GPRS/UMTS等遠(yuǎn)程連接技術(shù)集成，也能用于基于網(wǎng)絡(luò)和GPS的位置定位服務(wù)中。

隨著互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展， 5G技術(shù)已經(jīng)逐漸取代4G成為物聯(lián)網(wǎng)中的重要核心。與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度比當(dāng)下4G互聯(lián)網(wǎng)有了大幅提高，能夠達(dá)到10GBit/s。它所具有的低時(shí)延低功耗、全頻段通訊、海量連接、密集組網(wǎng)等特點(diǎn)也使物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展邁入了泛在物聯(lián)網(wǎng)階段。5G 技術(shù)在保證網(wǎng)絡(luò)承載能力的同時(shí)，提高了物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總?cè)萘亢途W(wǎng)絡(luò)傳輸效率,為實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的萬物互聯(lián)提供了有力的技術(shù)支撐。

2.4 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算技術(shù)是通過互聯(lián)網(wǎng)在大型服務(wù)器集群上進(jìn)行分布式計(jì)算的技術(shù),其運(yùn)算能力能達(dá)到每秒10萬億次。在商業(yè)的角度來看,云計(jì)算技術(shù)將計(jì)算能力當(dāng)成商品提供給用戶,是通過網(wǎng)絡(luò)提供計(jì)算資源服務(wù)的模式。它將這些計(jì)算資源服務(wù)按客戶需動(dòng)態(tài)供給,由軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理,取用方便,費(fèi)用低廉。云計(jì)算所衍生出的產(chǎn)品通常可以分為三類那就是:云設(shè)施,云平臺(tái)和云軟件。它們分別對(duì)應(yīng)三種主要的云計(jì)算服務(wù)形式:基礎(chǔ)設(shè)施及服務(wù)(IAAS),平臺(tái)及服務(wù)(PAAS)以及軟件及服務(wù)(SAAS)。

云計(jì)算中的云存儲(chǔ)技術(shù)通過分布式技術(shù)和運(yùn)用各種設(shè)備集，給泛在物聯(lián)網(wǎng)提供充足的存儲(chǔ)空間和對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析等功能。有了云存儲(chǔ)技術(shù)的支撐，物聯(lián)網(wǎng)的性能得到了提高，不僅提高了資源的利用率，讓對(duì)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)各種兆字節(jié)數(shù)據(jù)量的大型項(xiàng)目實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理和智能分析成為了可能。物聯(lián)網(wǎng)也因此被更多的行業(yè)所運(yùn)用，未來有更廣闊的發(fā)展空間。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧工地中的運(yùn)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧工地中的運(yùn)用,主要存在于智慧工地解決方案中的幾大管理系統(tǒng)。主要包括:工地人員實(shí)名制管理系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本文將以中南電力設(shè)計(jì)院智慧工地方案為例，詳細(xì)闡述這些系統(tǒng)的功能以及實(shí)際運(yùn)用情況。

3.1 工地人員實(shí)名制管理系統(tǒng)

工地人員實(shí)名制管理系統(tǒng)主要采用物聯(lián)網(wǎng)體系中的RFID射頻識(shí)別技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是一個(gè)集成了考勤管理、薪酬管理、教育培訓(xùn)等功能的工地個(gè)人信息管理平臺(tái)。采用身份證讀卡器獲取工地員工的身份資料，再通過工地設(shè)備以RFID、人臉識(shí)別等技術(shù)對(duì)員工進(jìn)行身份核對(duì)。員工通過刷IC卡或者刷臉記錄每天出勤和參加教育培訓(xùn)的情況，系統(tǒng)能通過員工考勤記錄自動(dòng)生成出工表和薪酬表，為每月給工地人員發(fā)放薪酬提供依據(jù)。

圖2 智慧工地人員管理系統(tǒng)

3.2 人員定位系統(tǒng)

人員定位系統(tǒng)通過施工人員使用集成智能芯片的頭盔，與智能定位終端交互，記錄廠區(qū)員工的運(yùn)動(dòng)軌跡并在地圖上標(biāo)注其相應(yīng)的實(shí)時(shí)位置。系統(tǒng)通過分布式算法進(jìn)行定位，降低了作業(yè)管控的復(fù)雜度，維持了施工秩序。管理者在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定了施工現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)區(qū)域的安全等級(jí)，當(dāng)有人進(jìn)入重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域時(shí)，區(qū)域會(huì)自動(dòng)報(bào)警且對(duì)其進(jìn)行位置提醒和警告，系統(tǒng)后臺(tái)也會(huì)收到預(yù)警信息，形成相應(yīng)的記錄和報(bào)告。非規(guī)定人員或在下班時(shí)間進(jìn)入廠區(qū)，系統(tǒng)也將發(fā)送相應(yīng)的語音提示，并將信息推送給管理者，從而加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)的管理，為工地人員提供更好的安全保障。

圖3 智慧工地人員定位系統(tǒng)

3.3 塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)

塔臺(tái)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要采用物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器技術(shù)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。塔吊的運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)的預(yù)警信號(hào)被傳感器采集并傳遞給后端監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的展現(xiàn)和分析，幫助操作員更加安全合理的駕駛塔吊。可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)扭矩、高度、振幅、旋轉(zhuǎn)、等極限參數(shù)，并達(dá)到預(yù)警極限。通過黑匣子對(duì)塔臺(tái)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程全程監(jiān)控,自檢行動(dòng)細(xì)節(jié)，以協(xié)助處理意外。

3.4 施工升降機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)

施工升降機(jī)安全管理系統(tǒng)集安全監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警、遠(yuǎn)程控制和事故分析等功能于一體,通過IC卡、指紋,人臉識(shí)別等技術(shù)強(qiáng)化人員管理,將監(jiān)測(cè)的設(shè)備數(shù)據(jù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳,遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況。人機(jī)信息在云端同步更新,同時(shí)將人員、載重等實(shí)時(shí)狀態(tài)留存至黑匣子,數(shù)據(jù)互通可追溯,輔助事故處理追責(zé)。具有自動(dòng)預(yù)警提醒功能,支持遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、程序升級(jí)、鎖機(jī)等操作,為駕駛員提高了很好的安全保障。

圖4 智慧工地塔臺(tái)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)

3.5 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，能通過傳感器實(shí)時(shí)采集揚(yáng)塵、噪聲、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓等各項(xiàng)數(shù)據(jù),傳輸給遠(yuǎn)程的云平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)和分析。智能聯(lián)動(dòng)外接霧炮機(jī)、噴淋等降塵裝置。數(shù)據(jù)超閾值后智能啟動(dòng),實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)控制,支持移動(dòng)端控制,提升了施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境整改的效率以及項(xiàng)目文明施工的水平。

圖5 智慧工地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4 結(jié)論與展望

泛在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境下的智慧工地建設(shè),既是對(duì)傳統(tǒng)施工管理方案的整體升級(jí),也是對(duì)工程進(jìn)度的全面掌握,資源和風(fēng)險(xiǎn)的全面控制。智慧工地中的各子系統(tǒng)通過對(duì)泛在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的部署,結(jié)合人工智能、云計(jì)算等新一代信息化技術(shù),將整個(gè)施工過程可視化，完善了施工過程中工地人員工作和溝通的模式。通過對(duì)人員信息和施工現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析,實(shí)現(xiàn)了工地精細(xì)化管理。