基于定位技術的信息管理系統(tǒng)的研發(fā)

黃向東，權重民

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

在工程建設項目施工過程中，為了保證施工區(qū)域內外不會互相干擾，傳統(tǒng)的管理方法是在施工區(qū)域的邊界建立臨時性的圍擋，并預留若干個出入口，在這些出入口建立管理措施，如門衛(wèi)、智能化門禁、智能化匣機等，管理者通過這些管理措施很容易準確獲得施工區(qū)域的人員/施工機械的數(shù)量和類別、進出時間等信息，同時阻止了非施工人員進入施工區(qū)域。

隨著中國基礎設施建設的不斷深入開展，近年來許多城市開始重視并實施城市及周邊區(qū)域的水環(huán)境治理工程、海綿城市工程、綜合管廊工程的建設。這些工程建設項目有一個特點是施工區(qū)域較為分散，可能深入到城市的大街小巷，滲透到居民的日常生活區(qū)域，基本上屬于開放式、半開放式。因此，通常無法完全采用建立臨時性圍擋等傳統(tǒng)的管理措施，來實現(xiàn)對施工人員/施工機械的有效管理。能否利用當前快速發(fā)展的衛(wèi)星定位技術、物聯(lián)網技術、智能識別技術、數(shù)據通信技術、互聯(lián)網技術、地理信息系統(tǒng)等信息技術手段，探索出一整套對這類工程建設項目的施工人員/機械進行有效管理的解決方案，以提高工程建設項目的精細化管理水平和效率，已然成為信息技術應用工作者面臨的一項挑戰(zhàn)。

1 系統(tǒng)建設方案

1.1 系統(tǒng)原理

1.1.1 定位技術簡介

目前基于位置的常用定位方法主要有：① 衛(wèi)星定位；② 基站定位；③ Wi-Fi定位；④ 藍牙定位等。

(1) 衛(wèi)星定位是采用覆蓋全球的多顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。在地球上終端設備獲取4顆或者以上衛(wèi)星的信號，通過這些衛(wèi)星的方位、高度、與終端設備的距離等數(shù)據計算出終端設備所處的經緯度、高程等信息，實現(xiàn)對終端設備的定位[1-2]。

(2) 基站定位一般應用于手機用戶，手機基站定位服務又叫做移動位置服務(LBS——Location Based Service)。它是通過電信移動等運營商的網絡(如GSM網)及其信號強度計算出移動終端用戶的位置信息(經緯度坐標)[2-3]。

(3) Wi-Fi定位是采用在Android、iOS和Windows Phone等智能手機操作系統(tǒng)中內置位置服務。由于每一個Wi-Fi熱點都有一個獨一無二的Mac地址，智能手機開啟Wi-Fi后就會自動掃描附近熱點并上傳其位置信息[2,4]。

(4) 藍牙定位是采用藍牙技術，通過在室內部署適當?shù)乃{牙局域網接入點，配置多用戶的基礎網絡連接模式，之后匯總建筑物的位置數(shù)據的室內定位數(shù)據通過計算來實現(xiàn)定位[2]。

上述定位方法各有其優(yōu)缺點，可以根據其優(yōu)缺點和實際應用情況擇優(yōu)采用一種或多種。

1.1.2 人員或者機械定位獲取

通過衛(wèi)星定位、基站定位、Wi-Fi定位獲得的位置信息，通常分手動和自動2種方式向服務器端發(fā)送，其間的通訊鏈路可選擇電信等運營商的無線網絡、Zigbee/Lora網絡接入到互聯(lián)網[5]。在系統(tǒng)建設過程中，根據不同使用人員、使用的不同設備，系統(tǒng)考慮采用手動/自動的不同方式。對于工程施工作業(yè)人員，由于通常信息化水平參差不齊，而且他們在作業(yè)過程中不可能再對設備進行操作，因此通常采用自動方式；施工機械通常也是采用自動方式；其他人員則可以根據智能手機的使用頻度、經濟性、整個工程對其管理要求等方面在自動和手動2種方式中選擇。

1.1.3 信息展示方式

由于需要展示位置信息這類核心數(shù)據，根據實際應用的特點，采用傳統(tǒng)的信息展示方式已經無法滿足要求。例如對某一時間段的數(shù)據進行查詢、過濾、分析、統(tǒng)計，最后生成圖、表等，向包括工程建設項目管理者在內的用戶進行展示。為此我們借助地理信息系統(tǒng)GIS的原理和方法來綜合展示信息：① 將數(shù)據通過直觀的方式展示在二維/三維地圖上，如施工人員/機械的位置顯示、運動軌跡顯示等；② 還為用戶提供必要的交互查詢，如框選地圖上某一區(qū)域獲取在該區(qū)域的施工人員/機械的數(shù)量，輸入某一行政區(qū)劃以獲取在該區(qū)域的施工人員/機械的數(shù)量等。因此，本系統(tǒng)既采用了常規(guī)的查詢、過濾、分析、統(tǒng)計的方式來展示信息，也利用了地理信息系統(tǒng)特有的位置查詢分析方法來展示信息[6]。

1.2 系統(tǒng)設備連接拓撲圖

系統(tǒng)建設過程中，涉及的硬件和設備的連接拓樸(見圖1)，其中涉及的定位方式綜合利用了衛(wèi)星定位、LBS定位、Wi-Fi定位技術。

圖1 系統(tǒng)設備連接拓樸圖

1.3 位置信息獲取方案

從圖1的拓樸圖可見，系統(tǒng)建設過程中，采用了至少4種方案通過獲取終端的位置信息，以達到施工人員和機械管理的目標。

1.3.1 定制可安裝在安全帽的設備定位

安全帽是工程建設項目施工者的必須佩帶裝備，所以利用安全帽加裝定制的定位設備，采用衛(wèi)星/基站/Wi-Fi定位功能，獲取設備當前位置信息。通過網絡傳輸至數(shù)據中心，實現(xiàn)對施工者的定位管理。該方案易于安裝、攜帶，既支持施工人員的使用，也支持施工機械的使用；并且該方案具有信息自動獲取、發(fā)送的功能，幾乎不影響施工人員/施工機械的正常作業(yè)，因此是一種最為穩(wěn)定、可靠的位置信息獲取方案。主要缺點是設備費用投入較大，運行期間還需要產生一定的無線通訊流量費。圖2為專門安裝于安全帽上的定制設備。

圖2 定制可安裝在安全帽上的定位設備圖

1.3.2 智能手機APP定位

施工人員通過下載并安裝定制開發(fā)的手機APP，開啟衛(wèi)星/基站/Wi-Fi定位功能，利用手機APP，獲取當前位置的詳細信息。通過網絡傳輸至數(shù)據中心，以實現(xiàn)當前所在位置信息的自動獲取。該APP可以設定間隔一定時間后自動發(fā)送定位信息，也可以關閉自動發(fā)送功能，改為手工發(fā)送定位信息。該方案主要缺點是定位信息自動發(fā)送受手機操作系統(tǒng)干擾較大，手工發(fā)送為使用帶來一些不便，通常僅支持施工人員的使用。

1.3.3 電子手表定位

利用定制或者成熟的具有定位功能的手表，施工人員佩帶該手表，通過電子手表獲取衛(wèi)星/基站/Wi-Fi定位信息，而位置信息通過網絡傳輸至數(shù)據中心，以實現(xiàn)當前所在位置信息的自動獲取。這種方式若使用商品化的手表則無需再定制開發(fā)專用設備，同時也具有穩(wěn)定可靠的特點。該方案主要缺點是讓施工人員佩帶手表通常會影響其正常作業(yè)，有時也容易遺失或者損壞；該方案也需要投入一定的設備費用，但費用較第(1)方案略低，運行期間也需要產生一定的無線通訊流量費。

1.3.4 讀卡器和門禁卡結合定位

對于施工范圍相對固定的場地，可以利用門禁卡系統(tǒng)，通過施工人員刷門禁卡后獲取人員刷卡信息，同時將讀卡器所在的位置信息一并通過網絡傳輸至數(shù)據中心，以實現(xiàn)當前所在位置信息的獲取。該方案的特點是終端設備無需充電，成熟可靠，造價低廉，易于實施。但是若施工人員到其他作業(yè)區(qū)，則必須在新作業(yè)區(qū)再次刷卡，因此這種方案屬于半自動的位置信息獲取方案。

1.3.5 基站和RFID標簽結合定位

該方案類似于“讀卡器和門禁卡結合定位”方案，區(qū)別在于無需施工人員進行刷卡。但由于RFID標簽被基站(或者讀卡器)識別的距離有限，即使是有源RFID標簽通常在120～150 m[7]，若大面積推廣需要建立很多基站(基站之間可采用Zigbee/Lora方式進行組網)，最終將導致初始造價特別昂貴，此外解決基站的供電也是一大難題，故難以大范圍實施。

1.3.6 其他方案

此外，中國電信股份有限公司的《中國電信外勤助手系統(tǒng)》、中國聯(lián)通公司的《位置通-外勤管家系統(tǒng)》等均具備位置信息自動獲取的功能。但由于這類系統(tǒng)屬這些運營商專用系統(tǒng)，一般不對公眾開放；而且使用這類系統(tǒng)的前提是必須使用支持運營商通訊網絡的智能手機，并且所有持智能手機的用戶必須與其簽署位置隱私可被提供給第三方的協(xié)議，因此一般企業(yè)實施起來難度很大。

1.4 系統(tǒng)主要功能

1.4.1 施工項目管理

實現(xiàn)工程建設項目基本信息的管理功能。工程項目基本信息包括工程項目的屬性信息(如項目編號、項目名稱、所屬標段、項目負責人、項目所在區(qū)域、項目工程量等等)、與工程建設項目相關的文檔等。

本模塊實現(xiàn)了添加、刪除、修改、查詢、EXCEL導出、打印等基本管理功能。在實現(xiàn)這些管理功能期間，系統(tǒng)還需解決與工程項目相關聯(lián)的標段、施工人員、施工機械等信息匹配、關聯(lián)問題。

1.4.2 施工人員管理

實現(xiàn)施工人員屬性信息(如身份證號、姓名、性別、年齡、聯(lián)系電話、工種、所屬項目、所屬標段等等)的管理和施工人員的角色管理功能。

在施工人員屬性信息管理中，本模塊實現(xiàn)了施工人員的添加、刪除、修改、查詢、EXCEL導出、打印等基本管理功能。在施工人員的角色管理中，系統(tǒng)根據需要對施工管理人員、工段管理人員、安全管理人員等角色進行添加、刪除、修改、查詢、EXCEL導出等基本管理功能，并將這些角色與施工人員進行關聯(lián)。

1.4.3 施工機械管理

與施工人員管理的功能類似，區(qū)別在于施工機械不再具有角色的屬性或者功能。

1.4.4 定位設備管理

提供定位設備驗收入庫管理，定位設備屬性的添加、刪除、修改、查詢管理，定位設備的狀態(tài)管理(新購、啟用、停用、失效/丟失/報廢等)、掛失管理、歸還管理。

1.4.5 設備綁定管理

實現(xiàn)定位設備與使用人員綁定和解綁定、手機APP與使用人員綁定和解綁定、電子手表與使用人員綁定和解綁定、基站與電子標簽的綁定和解綁定、電子標簽與使用人員綁定和解綁定等功能。

1.4.6 定位結果展示

將人員/機械的位置信息、運動軌跡形象化地展示在電子地圖上，單擊電子地圖上的基站或者人員/機械圖標，可立即以“氣泡”方式顯示出基站或者人員/機械的詳細信息；輸入基站或者人員/機械的編號、名稱，在電子地圖上可以醒目的方式顯示出其所在的位置；輸入某一時間段，在電子地圖上可顯示出這一時間段施工人員/施工機械的歷史運動軌跡，從而幫助管理者實現(xiàn)設備、人員的監(jiān)控管理和調度。

1.4.7 查詢和統(tǒng)計

提供詳細的查詢和統(tǒng)計方式：按對象的屬性信息進行查詢和統(tǒng)計；單擊項目的樹狀結構(省/項目/標段/班組)進行查詢和統(tǒng)計；在電子地圖上單擊對象圖標或者框選某一區(qū)域進行查詢和統(tǒng)計；按時間段進行查詢和統(tǒng)計；按時間段、人員屬性、項目、標段、設備使用情況等組合進行數(shù)量統(tǒng)計；統(tǒng)計各類設備的使用情況；各類在用設備的電量情況統(tǒng)計；各類設備在各個項目、各給定時間段的分布情況統(tǒng)計；各類在用設備在各個項目、各給定時間段的分布情況統(tǒng)計；按項目屬性進行設備數(shù)量統(tǒng)計；等等。

1.4.8 系統(tǒng)運維管理

系統(tǒng)管理員可通過后臺管理模塊獲取硬件設備運行狀態(tài)信息，以此向相關人員就硬件設備及時充電、更換、維修等進行提醒。

2 應用效果

(1) 為實現(xiàn)系統(tǒng)功能定制開發(fā)了系統(tǒng)前端定位設備，定位信息實現(xiàn)自動化采集。由于定位設備專門設計定制，與目前市面上類似設備相比，具有外型小巧美觀、工作時間長、安裝方式緊貼工程建設項目需要、僅需充電即可使用、防水防塵防震防泥滿足施工工地要求、參數(shù)配置方便、維護簡捷、產品穩(wěn)定可靠、應用范圍較廣、使用門檻低、經濟實用。

(2) 系統(tǒng)所需的位置信息自動采集到私有云平臺。通過定制開發(fā)的軟件，解決了定位數(shù)據定時讀取問題，并自動通過廣域網傳輸?shù)酵ㄓ脭?shù)據庫管理系統(tǒng)中保存，整個過程實現(xiàn)的自動化完成，在軟硬件的成熟度方面滿足大規(guī)模推廣應用的條件。由于信息存儲在企業(yè)私有云平臺上，而非存儲在公有云平臺上，可較好地滿足企業(yè)的網絡與信息安全要求。

(3) 通過系統(tǒng)實現(xiàn)了位置信息在GIS中可視化展示。通過將各類信息特別是施工人員和機械的位置信息在地理信息系統(tǒng)中實時展示，可視化程度高，有效提升企業(yè)的管理工作效率，降低管理成本，增強工程建設企業(yè)的核心競爭優(yōu)勢，受到業(yè)主和工程管理人員的歡迎。

(4) 系統(tǒng)方案已經完成了2個工程建設項目的試點實施(如圖3)。這兩個工程建設項目分別是茅洲河流域(寶安片區(qū))水環(huán)境綜合整治項目和漢中市興元新區(qū)水系工程項目。其中前者綜合試點實施了可安裝在安全帽的設備定位、智能手機APP定位、電子手表定位、讀卡器和門禁卡結合定位、基站和RFID標簽結合定位等眾多方案；后者主要試點實施了可安裝在安全帽的定位設備。2個工程建設項目均根據業(yè)主的不同要求開發(fā)了基于GIS的信息管理系統(tǒng)，目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定正常。

圖3 系統(tǒng)在某工程建設項目應用結果圖

3 推廣前景

通過本系統(tǒng)所述方案的成功實施，不僅實現(xiàn)了在開放式、半開放式工程建設項目的施工人員/施工機械等目標的實時定位管理功能，而且為探索開展目標越界監(jiān)測預警、遠程簽到管理、電子圍欄應用、目標活動行為分析、遠程工作簡報等延展性應用的眾多中小企業(yè)提供了一套完整的解決方案，為致力于提高工程建設項目管控水平和效率，降低管理成本的企業(yè)提供了借鑒。例如，當需要開展目標越界監(jiān)測預警時：① 將前端定位設備的定位信息發(fā)送間隔縮短；② 在后端軟件系統(tǒng)中增加設置界線的功能，當有目標越過該界線時，系統(tǒng)自動向后端管理員發(fā)出告警，管理員再通過廣播蜂鳴等方式向目標發(fā)出警報。當然也可以為前端定位設備增加一項蜂鳴功能，當目標越過界線時，由后端管理員觸發(fā)前端定位設備的蜂鳴功能來發(fā)出警報。

4 結 語

利用當前快速發(fā)展的衛(wèi)星定位技術等信息技術手段，輔助解決開放、半開放工程建設項目施工區(qū)域中施工人員/施工機械的定位等方面的管理，是一種可行的方案，值得進一步深入探討和完善，同時還可據此開展更為延展性的應用。

本文所列的各種位置信息獲取方案，各有優(yōu)缺點，實際實施過程中應根據業(yè)主方的需求，在易用性、穩(wěn)定可靠性、信息自動或者手動發(fā)送、經濟性等方面進行綜合評估比選，以期達到預期目標。

要較好地通過衛(wèi)星定位等技術來實現(xiàn)工程建設項目的施工人員/施工機械的定位管理，開發(fā)一套信息管理系統(tǒng)是必不可少的，而地理信息系統(tǒng)被認為是形象化展示各類目標對象的優(yōu)選工具。