基于北斗定位和物联网技术的智慧工地研究.pdf

收稿日期：基金项目：国家铁路局课题（，）；北斗卫星导航系统重大专项（）。作者简介：李佳茜（），女，四川什邡人，助理工程师，理学硕士，研究方向为北斗导航装备与时空信息技术。基于北斗定位和物联网技术的智慧工地研究李佳茜（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 ）摘要：近年来，为促进劳务管理和安全管理信息化建设，提出了一种适用于施工建设条件下的智慧工地系统解决方案。该方案融合移动互联网技术、技术、云计算技术等手段，采集施工人员和车辆的位置信息与行动轨迹，设立电子围栏，综合分析现场环境数据，提高施工现场管理的精细化、可视化、实时化和智慧化水平。关键词：北斗；物联网；智慧工地；智慧劳务；人员定位中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：（，）：，：；引言智慧工地是近年来工程建设的重点发展领域之一。针对传统劳务管理粗放的问题，智慧工地通过高度信息化建设，实现人员全面感知、工作互联互通、信息同步对称、科学决策分析、风险预警防控等智慧化目标，提高施工现场管理的数字化、精细化、可视化、实时化和智慧化水平 。我国北斗卫星导航系统快速发展并普及，物联网作为国家五大新兴战略性产业之一被广泛应用，两种技术融合可发挥各自优势。本文设计了一种基于北斗定位技术和物联网技术的智慧工地平台系统，对施工人员和车辆进行高第 卷第 期 年 月 北京工业职业技术学院学报 精度定位，并将采集的数据实时上传到平台，同时设计电子围栏和环境监测系统，实现施工现场精细化管理，提升工程施工效率。研究现状目前，智慧工地应用水平仍处于探索和发展阶段，北斗定位技术和物联网技术在工程建设施工中得到了一定技术研究和实践。崔楠 研究了智慧工地系统的发展趋势，阐述了物联网、云技术及 等现代先进技术对智慧工地的重要性，指出基于云平台的智慧工地需要数据共享、高效协同。胡建华 开展了融合定位技术在智慧工地的应用研究，表明北斗定位技术可以提高工程安全生产的感知、监测、预警、处理和评估能力。桂?等 搭建了北斗铁路时空信息云平台，实现北斗定位技术在工程施工及运营维护中的应用，并集成人员管控调度、电子围栏和危险预警等管理系统，展现了位置信息在施工数字化管理中的核心应用价值。钟康健等 研究了基于物联网技术的智慧桥梁管理平台，表明物联网技术能够增强数据可靠性，节约资源，并提升管理效率。丁超等 提出了一种基于北斗定位的智慧建筑管控平台方案，将物联网、互联网和北斗定位技术融合，提高监测效率，实现智能化施工。系统设计基于北斗定位技术和物联网技术的智慧工地平台系统，借助移动互联网技术、技术和云计算技术等，部署北斗定位终端，设置电子围栏，接入环境监测传感器，对施工人员、车辆及相关设备进行高精度位置监控、可视化管理，设置智能预警警报，有效加强安全管理水平，提升监管和协作效率，实现智慧工地“人机料法环”的统一时空管理。平台系统架构设计基于北斗定位技术和物联网技术的智慧工地平台系统的总体设计框架分为 层：感知层、传输层、数据层、应用层和智慧层，如图 所示。图 智慧工地平台系统总体设计框架图（）感知层包括施工现场用于信息采集的各类设备，如北斗卫星导航定位终端、电子标签、视频监控、环境监测传感器等类似设备或系统。（）传输层将感知层的信息传输至数据层，主要方式包括有线专网、互联网和移动互联网。（）数据层完成施工现场各项信息数据的汇聚与整合，将各业务功能模块集成运行，支撑应用层的具体场景应用。（）应用层为各方责任主体及相关人员提供应用服务，包括人员监控、车辆监控、环境监测、进度管控、应用等业务功能模块，并完成数据统计、分析、预警和各模块之间的数据共享。（）智慧层在大数据和云计算技术的基础上，为智慧劳务、智慧物料、智慧进度、智慧设备和智慧监测等应用提供数据挖掘和智能决策服务。系统功能（）实时定位功能系统通过北斗终端或定位标签对人员或车辆进行实时高精度定位：人员管理方面，室外环境可通过北斗高精度定位技术确定位置，室内环境可通过 、蓝牙或 技术，实现人员信息和实时或历第 期李佳茜：基于北斗定位和物联网技术的智慧工地研究史轨迹查询，系统可查询指定区域内人员数量，并进行实时调度；车辆管理方面，如渣土车、混凝土搅拌车和特种机械等，利用北斗高精度位置服务、计算机网络、智能化管理等技术，可监管车辆路线，严防车辆超载，限制行车速度，保证行车安全，加强安全车辆监管力度。（）电子围栏功能系统可自主创建电子围栏，结合北斗定位技术，能够监控施工人员是否进入禁入区域，并对重点施工作业区域进行边界管理。基于电子围栏的人员位置监控系统如图 所示。图 基于电子围栏的人员位置监控系统图当人员进入电子围栏划定的禁入区域时，系统可控制手持终端通过声音、图像、震动等方式对人员进行提示，并向管理人员发出警报。（）智慧监测功能智慧监测系统集成了扬尘监测设备、噪声监测仪、气象参数仪、物联网和云计算技术，可实时、远程、自动监控和记录总颗粒物、噪声、温度、风速等环境指标以及现场视频。数据超过警戒指标时，系统将发出警报提示，以便及时响应和处理。此外，基于北斗高精度定位的变形监测系统可对基坑和高支模等工地常见高危风险源进行全天候、全天时的沉降变形监测。（）智慧物料功能智慧物料系统主要通过 、二维码等技术对物料的采购、流转、存储信息进行录入和读取，标签信息和物资数据统一，管理人员可便捷查询物资的名称、属性、实时位置、轨迹等详细信息，保证施工材料质量安全，提升进场验收效率，减少管理成本。（）智慧巡检功能管理人员可通过手持北斗巡查设备查询项目施工期间数据，对施工计划的完成情况进行标记和评价，并对现场质量和安全问题进行拍照、定位、记录，设定回访提醒，便于掌握施工进度和控制施工质量。关键技术 北斗高精度定位技术智慧工地平台系统中，人员、车辆的定位和电子围栏都需要高精度定位技术。如图 所示，智慧工地系统从北斗基准站和观测站获得原始观测值，并对其进行处理。人员或车载定位终端从平台获取差分数据并进行解算，将解算之后获得的高精度位置数据发送回平台。图 智慧工地系统定位数据传输图北斗基准站和观测站全天候、全天时向智慧工地系统发送卫星观测数据，形变监测系统进行解算，并得到观测站的形变数据。利用载波相位信息和载波相位差分技术，北斗定位技术能够将单点 的定位精度提升到实时分米级和厘米级，实现高精度定位，并为工地的建筑物、边坡、路基等基础设施提供毫米级的形变监测服务。目前，该技术已应用在涉铁施工项目中，监测施工临近铁路的路基和涵洞形变，确保铁路运行安全 。电子围栏技术电子围栏技术通过使用多个经纬度标记，在指定区域内构成 个多边形，区域边界即为电子围栏。电子围栏的边界点保存在智慧工地系统中，北斗终端周期性地向平台发送定位数据，平台在接收到位置信息后，实时判断终端是否跨越电子围栏。北 京 工 业 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷（）设计思路电子围栏的关键是利用北斗高精度定位，精确确定每个“桩点”的位置，即多边形各条边的两端。（）核心算法系统结合射线法和空间索引法，判断坐标点是否在围栏内。对于少量围栏的场景，仅使用射线法。如图所示，从 点沿 轴绘制条射线，计算该射线与多边形各边交点的个数。若交点数为奇数，该点在多边形内部；若交点数为偶数，则在多边形外部。射线法适用于各种形状的多边形。图 射线法对于多围栏同时判断坐标的场景，需要结合空间索引法和射线法，通过 树判别坐标点。空间索引 树的流程如下：如图 所示，对围栏进行近似，采用最简单的最小外包矩形表示多边形；如图所示，对最小外包矩形进行 树索引；通过 树判断终端所在位置（点）是否被外包矩形覆盖；如果不被任何外包矩形覆盖则返回结果，终端不在电子围栏区域内；如果被外包矩形覆盖，则要进一步判断是否在此外包矩形的多边形内部。图 中，点的判别结果在 区域内，需要进一步运用射线法判断 点和 、的位置关系。图 最小外包矩形表示多边形图 对最小外包矩形进行 树索引 物联网技术基于北斗定位和物联网技术的智慧工地平台系统涉及大量传感器、设备和智能控制系统，能够收集实时的工地信息，包括北斗定位、图片、视频、温度、湿度、扬尘、噪音等多种数据源，并将这些数据传输到云平台中进行处理和分析。物联网技术通过自动、及时和准确的数据采集和传输，实现了各种数据类型（格式）的互通和扩展性。物联网技术还可以实现设备之间的相互通讯和协作，使得工程施工进度和质量控制更加高效和准确。在该系统中，物联网技术不仅能够调用不同业务需求所涉及的数据，而且能够根据用户需求对数据进行集成化处理和展示，满足多元化管理的需求，实现一体化、模块化、智能化的施工监管模式。中建、中铁建等一些大型国企已率先推行“物联网 ”下的智慧工地项目，为智慧工地的实施提供示范应用 。结论本文提出的基于北斗定位技术和物联网技术的智慧工地平台系统，融合了移动互联网技术、技术和云计算技术。系统通过对施工现场各个维度海量数据的采集和运算，支持施工全过程统筹，实时监测各项风险，大幅提升工程建设管理效率，促进工程管理精细化、参建各方协作化、综合决策智慧化、行业监管高效化，可以在实际施工现场推广使用。参考文献 刘雪妮 基于物联网技术的智慧劳务管理系统研究 河南科技，（）：段媛媛 智慧工地系统在施工现场安全管理中的应用 建筑安全，（）：崔楠 智慧工地的发展趋势 科技创新与应用，（）：胡建华 融合定位技术在智慧工地管理中的应用 现代信息科技，（）：桂?北斗铁路时空信息云平台建设与应用 铁道技术标准（中英文），（）：钟康健，马超凡 建筑信息模型 数字化 物联网技术引领下的智慧桥梁施工管理分析 公路，（）：丁超，魏晓莉，唐雅勤，等 智慧城市背景下基于北斗定位的建筑管控平台研究 智能建筑与城市信息，（）：王元昌，陈京辉，张海龙，等 基于北斗与智能全站仪组合技术的铁路基础设施变形监测系统研究 铁道技术标准（中英文），（）：李霞，吴跃明 物联网 下的智慧工地项目发展探索 建筑安全，（）：（责任编辑：黄宇婷）第 期李佳茜：基于北斗定位和物联网技术的智慧工地研究