北斗智能設備在EPC 總承包中的應用

上海勘測設計研究院有限公司 侯中華

大到國家戰略小到民用便利，北斗導航正變得越來越重要。北斗芯片進軍智能穿戴市場的勢頭也日益顯現。建筑工地是一個安全事故多發的場所，工程建設規模不斷擴大，工藝流程紛繁復雜，如何完善現場施工現場管理，控制事故發生頻率，保障文明施工，一直是施工企業、政府管理部門關注的焦點。本文以EPC 總承包項目為依托，擁抱數字化轉型升級的時代趨勢，全面推動智慧化發展戰略落地，結合北斗系統等新型科技，積極探索北斗智能設備在工地應用，提升工程總承包管控能力。

在發達國家，衛星技術的發展一直處于領先地位，衛星技術應用日趨成熟，其中，遙感衛星已經廣泛應用于氣象、農業、災害監測、國土、環境保護、林業、海洋、測繪等多個方面[1]。

北斗系統是國家的重大科技工程，相繼提出了“創新驅動”和“軍民融合”國家戰略，倡導用科技創新手段推動生產模式的變革和經營能力的提升，鼓勵“軍民融合”深度發展，使得衛星技術在非軍用行業得到更快的推廣應用。北斗系統其核心技術完全自主可控，是科技創新工作的重要載體。北斗系統作為科技創新工作的重要載體，衛星技術已經在國內不同行業展開應用，在巡視、災害監測預警、應急支持、安全管控、通信保障、系統建設等方面均進行了積極的應用并取得了良好成效。

北斗智能設備在工程總承包管控中的創新應用主要包括：（1）結合北斗系統等新興科技，填補傳統工程總承包管理工作中北斗系統應用的空白。（2）融合北斗高精度定位系統，研發基于“北斗+GIS+三維可視化模型”的工程總承包現場數字化安全管控數據平臺。（3）融合人員、車輛、設備的高精度位置、高精度電子圍欄、軌跡、高度、狀態、安措到人、告警等功能，實現工程總承包一體化在線監測與遠程管控。（4）北斗衛星導航系統兼具導航、定位、授時、短報文等多功能于一體，外加全天候、準實時、大尺度、多載荷、高效率等特點，適用巡視、災害監測預警、應急支持、安全管控、通信保障、系統建設等。通過分步建立平臺，專業化板塊分步實施，遠期可擴展規劃：“空天地（時）一體化”工程總承包管控平臺。

1 系統方案設計

通過現有北斗智能穿戴設備（智能安全帽、電子圍欄、機械監測儀），結合GIS、北斗、三維可視化等信息技術手段研發三維互動實景工程管理平臺，實現工程總承包一體化在線監測與遠程管控，為人員安全管控、設備作業安全、電子圍欄動態布設與告警等提供技術支撐。三維互動實景管理平臺以云計算、物聯網、5G 等多種先進技術為支撐，以多維、空間化信息集成為理念，多元專題信息、衛星遙感信息和基礎地理信息，形成對工程施工過程的動態管理模型。通過建立工程動態感知體系、三維數字孿生支撐體系和施工管理體系，實現對工程現場的全面感知和動態管理[2]。總體框架設計如圖1 所示。

圖1 總體框架設計Fig.1 Overall framework design

1.1 感知層

感知層是以已建成的高精定位網、無線通信網、物聯網為依托，集成圍欄監測儀、移動監測終端、智能監測頭盔、機械狀態監測儀等智能硬件，同時結合高清相機、無人機等輔助設備實現對工程現場的全面感知。智能安全帽具有：（1）高精度定位，內置北斗三代高精度RTK 定位模塊，厘米級定位；（2）4G 通訊，支持移動、聯通、電信通訊網絡（單呼、群呼、語音播報）；（3）人員狀態監測及自動報警（靜默報警、跌落報警、圍欄報警、脫帽報警、登高報警）；（4）救援定位等功能。手持高精度移動作業終端，具有高精度定位、4G 全網通、公網對講、星光夜視和平臺作業等功能，適用于農業林業測量測繪、鐵路、消防應急、戶外作業等多種應用場景。高精度亞米級智能預警燈，4G 產品，基于高精度定位的物聯網道路作業安全預警設備，可精準采集位置數據，可以實現道路施工、事故和封閉管制等信息的實時采集和發布，提升用戶出行效率和道路施工人員的安全水平[3]。車載衛星定位平臺可實現對車船等移動目標的定位跟蹤、監控調度、軌跡分析、報警處理、防盜防劫、信息發布、運營管理、統計分析于一體的應用服務系統，能滿足對于移動目標的監控定位管理需求。可實現車輛超速報警、停車超時報警、定位天線開路報警、圍欄報警、求助報警。

1.2 中臺層

中臺層實現了多源數據的接入、數據的管理。同時，建立了滿足業務深度應用的數據展示、數據分析、工作流、統計報表等業務支撐引擎。形成統一共享服務資源池，通過云服務系統，為各種業務應用提供支撐服務。

1.3 應用層

應用層以中臺服務為支撐，以解決用戶的直接需求為目標，實現對工程信息、施工動態、施工過程進行可視化的全面展示和管理。

（1）設備人員管理。該功能界面列出已創建所有設備，針對某一具體設備，提供編輯、刪除、查看詳情、管理數據流、添加觸發器以及發送命令功能。（2）施工進度管理。施工進度管理分為全景施工進度和三維施工進度，實現施工生命周期展現、對比，可作為施工安排依據把控施工時間。三維施工進度是由三維基礎數據、三維場景信息和電子圍欄上報信息通過系統算法實現三維可視化應用服務。三維施工可視化，可看到基于三維地形的三維施工場景：完工區域展示完整施工3D 模型；施工區域展示灰度3D 模型；未施工區域展示透明3D 模型。（3）電子圍欄管理。列表顯示圍欄名稱，地圖中線框形狀顯示圍欄區域。設置圍欄ID、圍欄類型、圍欄名稱、報警規則、創建人、創建時間。根據終端上報位置信息，繪制電子圍欄，自由設置圍欄控制范圍。（4）動態報警管理。設備告警：通過規則引擎設置告警規則，并啟用相應動作轉發告警消息，支持可視化規則設計器快速配置。實現效果：自定義告警規則：禁入、禁出、邊界告警，支持告警信息后臺提醒、記錄；支持短信、郵件、即時通訊、手持設備等告警提醒方式。系統規則報警如圖2 所示。（5）統計報表管理。用戶名、IP、所屬組織、操作時間、操作內容，支持按操作時間、所屬組織、用戶名進行篩選，及日志列表下載。系統中對所有對象進行的操作均有日志記錄，并按該對象屬性分類記錄。例如，新增任務，需要記錄任務的操作內容、操作時間、任務信息（包含任務綁定的設備和圍欄路線）、記錄人等。任務、圍欄、路線、設備的狀態變化均有后臺記錄。

圖2 系統規則報警Fig.2 System rule alarm

1.4 用戶層

現場項目經理可對施工現場資源分配、施工情況、施工動態進行全面管理；項目管理人員可全面了解施工進展，實現施工的統一協調和管理[4]；施工人員，在全面監管下嚴格按要求施工，發生異常行為報警提示，有效保障施工人員安全及項目進度。

1.4.1 三維工地場景

綜合多種數據模型，將工地情況進行三維建模，直觀顯示工地場景與各車輛、人員等位置關系。依據需求將地面、圍欄、道路、光伏子陣、箱變、臨時住房等設施（以光伏電站建設項目為例），按規劃圖要求建模、擺放。三維場景制作流程經歷以下階段：二維數據準備、地形數據導入或創建、矢量數據導入、矢量數據編輯、三維模型導入、場景要素編輯、動畫和輸出編輯。

數字工地三維數據制作，主要需控制以下幾點流程：（1）資料采集流程：根據不同制作精度，收集和整理特定比例尺的測繪資料，現狀立面拍攝和外業調研均有流程控制。（2）數據制作標準和技術流程：包括制作精度劃分、制作單位、坐標系和制作技術流程等。（3）命名標準：包括地物分類編碼標準、模型貼圖命名規范、圖層和基礎資料規范等。（4）數據制作流程管理：主要包括制作任務管理、數據安全控制、備份、質量控制等。數據生產項目實行三級質量控制，以保證準確和精美的三維工地數據。

1.4.2 360°全景展示

360°全景技術是一種基于靜態圖像在管理平臺上能夠實現虛擬現實的技術。可在電腦端進行360°全景觀察，通過交互操作，實現自由瀏覽，從而體驗三維視覺世界。360°全景是由兩大部分組成：全景攝影與虛擬全景系統。把相機環360°的一組照片通過無縫處理，拼接成一張全景圖像，該攝影工作由全景管理員在施工現場進行實景拍攝，通過全景防抖高清相機拍攝，也可用手機自帶相機全景功能拍攝生成包含全方向視角像素點的全景照片。打開工程管理平臺（PC 或移動端）進入虛擬全景系統照片上傳模塊，將拍攝生成的全景照片上傳至平臺，虛擬全景系統自動將展開全景圖片和視頻映射到虛擬的球體表面，在球心放置透視相機，通過透視相機輸出畫面，結合基于經緯、歐拉角的轉換控制算法實現視角自由控制。最終將真實場景還原在互聯網顯示，并具有較強的互動性，通過控制環視的方向，可左右、上下、近遠、大小調整視角，實現設備工程漫游。

2 數據庫體系建設

2.1 地理信息數據

地理信息數據包括遙感影像和矢量地圖數據及相關地理信息。參照數據處理標準，根據項目實際情況，采集并處理平臺地理信息。平臺地理信息主要包括：多分辨率衛星遙感影像、數字高程模型（DEM）、工程環境信息，例如，道路、地名、重點建筑名稱等。對遙感影像數據、矢量地圖數據進行分層分級處理，以便于數據的高效高清晰度調用。

（1）遙感影像數據：整個區域采用0.6m 高分辨率航空遙感圖像和大比例尺矢量地圖及DEM 高程數據為基礎，利用三維生成技術，建立工程形象直觀、真實的地形地貌。（2）矢量地圖修測：對工程整個區域矢量地圖進行全面修側，矢量地圖數據主要要素包括道路、園區、建筑名稱及所屬單位等，使其具有高度還原性。

2.2 三維模型數據

三維數據建庫與二維數據的建庫具有很大區別，一般經過數據轉換、數據生產和數據上載等幾個主要的過程。三維模型數據庫如圖3 所示。

圖3 三維模型數據庫Fig.3 3D model database

2.3 資料信息數據

協同管理功能在運行過程中通過用戶上報的狀態和文件等信息，系統將通過設計開發的數據結構和外部協議接口實時獲取并即時存儲這些信息，在三維空間實時展示監控信息。

2.4 應急救援、人員疏散、逃生路徑規劃預制數據

基于三維可視化模型，針對突發的安全事件（如火災、地震、洪水等），用戶可以通過智能頭盔通訊功能播報現場情況，后臺AI 智能算法結合現場模型，計算密集人員疏散逃生路線，后通過智能頭盔進行播報指揮。通過智能頭盔的生命狀態監測、碰撞跌落報警系統，實現傷員定位、呼救應答[5]。

應急救援、疏散逃生路徑規劃初階實現：綜合工地現場應急演練預案，將人員疏散逃生路徑預先上傳于指揮平臺。出現險情后，終端設備向指揮平臺險情報警，指揮平臺向逃生組智能穿戴設備下發疏散路徑，以最大速度進行逃生路徑規劃并指導人員疏散；指揮平臺向搶險組下發搶險任務，搶險組進行事故搶險；指揮平臺向醫療救護組下發搶救任務，播報傷員位置，救護組與傷員進行即時通訊，確定傷情及周圍環境情況，及時救助。

3 結語

在三維互動實景工程管理平臺項目的開發實施中，結合現場EPC 總承包項目管理實際需求，不斷深化三維互動實景工程管理平臺的應用場景及功能開發，實現現場調度指揮、違章作業報警、人員車輛狀態監測、應急救援指揮等功能。不僅可以讓使用者看到工程實景模型，還可以深入其中、身臨其境，真實感受身處工程現場之中，瀏覽設備結構和內部構造，查看各個構件的信息屬性。基于可視化技術、具象化效果的技術交流運用，摒棄傳統方式中單一依靠技術人員對照圖紙、方案進行講解的模式，能夠解決各級參觀考察領導無法快速游覽項目信息和進度信息問題，使得各種技術交流和項目展示信息更全面、感受更直觀、效果更好。