劉海龍1,周 斌,曹寶夷,李文博,閆偉
(1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司, 天津 300090; 2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司東麗供電分公司,天津 300300)
基建項(xiàng)目工程現(xiàn)場(chǎng)管理不僅涉及的工程項(xiàng)目復(fù)雜而且涉及的單位、人員、參考等非常的多,傳統(tǒng)基建現(xiàn)場(chǎng)管理采用區(qū)塊化人工管理,不僅耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力,而且由于信息交互的不流暢容易發(fā)生信息孤島問(wèn)題影響項(xiàng)目的完工[1]。所以開(kāi)展基建信息共享方面的研究對(duì)于提升基建現(xiàn)場(chǎng)管理水平具有非常重要的作用。目前基建現(xiàn)場(chǎng)的信息化僅是采用人對(duì)人的信息共享,雖然能夠消除一定的信息堵塞影響,但是仍然沒(méi)有徹底擺脫人為因素的影響[2]。為此,本文研究一種利用GPS設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、安防設(shè)備等構(gòu)建起的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基建信息共享系統(tǒng),利用移動(dòng)APP進(jìn)行便捷式管理,做到物與物、人與物的信息共享,提升基建現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化管理水平。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展,基建項(xiàng)目呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì),如:公路、鐵路、橋梁、礦井、電網(wǎng)等都在積極的建設(shè)中?;ńㄔO(shè)涉及專項(xiàng)項(xiàng)目多,參與方數(shù)量大,人員流動(dòng)性強(qiáng),作業(yè)點(diǎn)分散,設(shè)備材料復(fù)雜,這給基建現(xiàn)場(chǎng)管理造成了極大的壓力。為此在基建現(xiàn)場(chǎng)管理方面信息化管理的需求非常的緊迫[3]。目前,我國(guó)大部分基建項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)管理采用人員管控,每一位管理人員控制一個(gè)環(huán)節(jié),通過(guò)基建建設(shè)信息系統(tǒng)[4]、基建檔案管理系統(tǒng)[5]、工程材料管理系統(tǒng)[6]、ERP系統(tǒng)[7]等多系統(tǒng)操作實(shí)現(xiàn)基建管理工作流向信息流的轉(zhuǎn)化。但是由于基建項(xiàng)目工程量大,需要龐大的管理人員隊(duì)伍,而由于人員配置不足,管理人員個(gè)體差異等問(wèn)題導(dǎo)致基建現(xiàn)場(chǎng)管控精細(xì)度不足,現(xiàn)場(chǎng)管控存在短板的問(wèn)題普遍存在。
在現(xiàn)有的基建信息管理中,采用多套系統(tǒng)人工添加數(shù)據(jù)的方式實(shí)現(xiàn)基建現(xiàn)場(chǎng)信息的管理,管理人員工作量非常大,并且系統(tǒng)之間信息共享能力較差,往往需要傳統(tǒng)的人工信息傳遞,這就導(dǎo)致出現(xiàn)信息延遲和信息孤島的問(wèn)題。信息共享對(duì)于基建信息管理非常的重要,建設(shè)基建信息共享系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)基建現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)督管理,而且能夠?yàn)榭焖?、?zhǔn)確做出判斷提高基建現(xiàn)場(chǎng)管理水平[8]。但是,由于人工信息交流難免出現(xiàn)疏漏,給基建現(xiàn)場(chǎng)管理埋下隱患。為此,能夠通過(guò)監(jiān)控管理設(shè)備自動(dòng)化信息管理,智能化的完成基建建設(shè)信息共享,通過(guò)共享信息實(shí)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備之間、監(jiān)控設(shè)備與管理人員之間的交互,一方面減少人工管理存在的疏漏,達(dá)到基建現(xiàn)場(chǎng)管理的無(wú)盲區(qū)目的,另一方面減少基建現(xiàn)場(chǎng)管理人力、物力、財(cái)力的支出,對(duì)于提升基建現(xiàn)場(chǎng)管理水平具有非常重要的意義。
2.1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
要實(shí)現(xiàn)基建現(xiàn)場(chǎng)管理信息共享設(shè)備之間的信息交互和人與設(shè)備之間的交互需要搭建無(wú)死角的物理環(huán)境。分析基建現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)點(diǎn)分散、人工活動(dòng)范圍廣和施工區(qū)域劃分困難等特點(diǎn)采用衛(wèi)星定位技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等設(shè)計(jì)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu),物理結(jié)構(gòu)涵蓋基建現(xiàn)場(chǎng)整體范圍,利用衛(wèi)星定位技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行定位管理,通過(guò)4G技術(shù)在作業(yè)區(qū)域建立熱點(diǎn)輔助開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)安全質(zhì)量檢查與巡視,采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)通信為管理人員提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐?;ìF(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖1所示:
圖1 基建現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境
根據(jù)基建現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,布置基建現(xiàn)場(chǎng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基建信息共享硬件環(huán)境所需要的硬件設(shè)備主要有定位設(shè)備、攝像監(jiān)控設(shè)備、消防報(bào)警設(shè)備、無(wú)線通信設(shè)備等。定位設(shè)備包括衛(wèi)星定位器和RFID芯片卡兩部分,定位器負(fù)責(zé)獲取GPS坐標(biāo),RFID芯片卡記錄現(xiàn)場(chǎng)工作人員信息,二者可以結(jié)合發(fā)送信息給系統(tǒng)確定工作人員位置信息、行動(dòng)軌跡、到崗到位等信息。攝像監(jiān)控設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行安全質(zhì)量檢查與巡視,管理人員可以通過(guò)視頻畫面實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況,同時(shí)可以回放視頻錄像輔助管理人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析。消防報(bào)警設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中存在火災(zāi)隱患的施工區(qū)域進(jìn)行警戒,采用煙感器遠(yuǎn)程預(yù)警。搭建Zigee網(wǎng)絡(luò)組織設(shè)備間的通信,將各設(shè)備采集到的信息匯集到一個(gè)節(jié)點(diǎn)再通過(guò)無(wú)線通信設(shè)備可將人員、材料及工程設(shè)備材料等位置信息在無(wú)GPS網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下發(fā)送給系統(tǒng),同時(shí)可以作為現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備之間、人與設(shè)備之間信息的共享與交互環(huán)境支撐?;谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的基建信息共享APP系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 硬件結(jié)構(gòu)
2.1.2 軟件結(jié)構(gòu)
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基建信息共享APP系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu),包括Funtion層、Module層和APP層[9]。Funtion層用于獲取類或者函數(shù)的參數(shù)信息。Module是模型層,根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)分類將相同業(yè)務(wù)封裝進(jìn)行客戶端與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接,提供數(shù)據(jù)持久化操作。APP層是客戶端操作界面層,按照基建現(xiàn)場(chǎng)管理需求和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備采集數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)功能模塊包括:現(xiàn)場(chǎng)巡檢、視頻監(jiān)控、消防管理和通信管理四個(gè)部分,現(xiàn)場(chǎng)巡檢功能通過(guò)設(shè)置在施工點(diǎn)的GPS設(shè)備精準(zhǔn)采集施工點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔高度等信息,通過(guò)綁定在工作人員身上的定位設(shè)備即時(shí)獲取GPS信息,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作人員位置、查看人員行動(dòng)軌跡、記錄進(jìn)出場(chǎng)信息等。視頻監(jiān)控功能通過(guò)攝像監(jiān)控設(shè)備獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)拍攝畫面,尤其是施工點(diǎn)、材料存放點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)出口等位置24小時(shí)全天候監(jiān)控。消防管理功能通過(guò)消防報(bào)警設(shè)備即時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)消防信息,如電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、實(shí)時(shí)消防水監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)施檢測(cè)系統(tǒng)等共享信息。通信管理功能對(duì)信息采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理,按照采集節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)對(duì)象類型對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類管理,可進(jìn)行信息的獲取和節(jié)點(diǎn)的控制?;谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的基建信息共享APP系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 軟件結(jié)構(gòu)
2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)巡檢功能模塊設(shè)計(jì)
現(xiàn)場(chǎng)巡檢功能是輔助現(xiàn)場(chǎng)管理人員日常管理的重要功能,通過(guò)GPS定位設(shè)備對(duì)基建工程現(xiàn)場(chǎng)的施工點(diǎn)作業(yè)區(qū)管理,確定施工點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔高度,輔助施工人員了解作業(yè)區(qū)的位置信息;對(duì)施工人員進(jìn)行管理,可以實(shí)時(shí)定位查詢施工人員位置、行動(dòng)軌跡,記錄施工人員進(jìn)出場(chǎng)情況、到崗到位情況?,F(xiàn)場(chǎng)巡檢功能模塊設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
采用real-ti me PCR法檢測(cè)小鼠肺組織中重要的促炎細(xì)胞因子TNF-αmRNA的表達(dá),結(jié)果表明LPS誘導(dǎo)的ALI小鼠肺內(nèi)TNF-αmRNA含量顯著增加(P<0.05),TPPU預(yù)處理可降低其含量,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(圖2,P<0.05)。結(jié)果提示TPPU可減輕LPS誘導(dǎo)的ALI小鼠肺內(nèi)炎癥反應(yīng)。
圖4 現(xiàn)場(chǎng)巡檢功能模塊設(shè)計(jì)流程
2.2.2 視頻監(jiān)控功能模塊設(shè)計(jì)
視頻監(jiān)控功能通過(guò)視頻監(jiān)控器對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全面的監(jiān)控,可調(diào)取每一個(gè)攝像頭監(jiān)控到的畫面,每一路視頻圖像都會(huì)存儲(chǔ)在服務(wù)器中,便于回放查看。視頻監(jiān)控包含有網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備、解碼器、控制器,實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、鏡頭的拉伸便于用戶更加準(zhǔn)確的捕捉畫面。視頻監(jiān)控功能模塊設(shè)計(jì)流程如圖5所示。
圖5 視頻監(jiān)控功能模塊設(shè)計(jì)流程
2.2.3 消防管理功能模塊設(shè)計(jì)
消防管理功能對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)存在火災(zāi)隱患的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)合電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、實(shí)時(shí)消防水監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)施檢測(cè)系統(tǒng)等共享的信息進(jìn)行消防安全管理,當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)感應(yīng)到火情及時(shí)將火災(zāi)預(yù)警信息共享到APP系統(tǒng)中,及時(shí)準(zhǔn)確的告知火災(zāi)位置。通過(guò)消防設(shè)施檢測(cè)功能可以對(duì)消防管理的硬件設(shè)施,如:煙感器、火焰探測(cè)器、爆炸傳感器、報(bào)警控制器等進(jìn)行通信檢測(cè),保證消防設(shè)施通信的流暢性和完成性。消防管理功能模塊設(shè)計(jì)流程如圖6所示。
圖6 消防管理功能模塊設(shè)計(jì)流程
2.2.4 通信管理功能模塊設(shè)計(jì)
通信管理功能可以進(jìn)行GPS設(shè)備、攝像機(jī)設(shè)備、消防設(shè)備的綁定,設(shè)定通信接口,對(duì)已經(jīng)添加的設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理,檢測(cè)設(shè)備之間的通信情況和設(shè)備與系統(tǒng)之間的通信情況。通信管理功能模塊設(shè)計(jì)流程如圖7所示。
圖7 通信管理功能模塊設(shè)計(jì)流程
3.1.1 GPS定位技術(shù)
GPS是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),可以應(yīng)用于定位、測(cè)距和導(dǎo)航等,具有實(shí)時(shí)性、精度高、速度快、成本低等特點(diǎn)[10]。此次研究利用GPS定位技術(shù)構(gòu)建GPS電子圍欄,綁定GPS設(shè)備在工作人員身上,根據(jù)GPS定位信息確定施工點(diǎn)位置進(jìn)行道路導(dǎo)航。
3.1.2 Zigbee組網(wǎng)技術(shù)
3.1.3 4G技術(shù)
4G技術(shù)是基于IP協(xié)議的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)縫互聯(lián)[12]。此次研究將基建現(xiàn)場(chǎng)各施工點(diǎn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)集中到一起通過(guò)核心網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主控站,實(shí)現(xiàn)基建現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程管理。
3.1.4 軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)
移動(dòng)APP是進(jìn)行基建現(xiàn)場(chǎng)的客戶端操作程序,它可以根據(jù)基建現(xiàn)場(chǎng)管理的實(shí)際需求設(shè)計(jì)功能模塊用于與基建現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。
此次搭建的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基建信息共享APP系統(tǒng)硬件環(huán)境主要采用ZigBee物聯(lián)網(wǎng)和4G通信,ZigBee物聯(lián)網(wǎng)采集現(xiàn)場(chǎng)管理設(shè)備數(shù)據(jù)如:通過(guò)GPS設(shè)備接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)、監(jiān)控設(shè)備接收視頻數(shù)據(jù)、各類感應(yīng)設(shè)備接收消防數(shù)據(jù),將所有數(shù)據(jù)集中到主控站;4G網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)施工點(diǎn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送,ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)匯集到一個(gè)節(jié)點(diǎn)后通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器。
針對(duì)基建現(xiàn)場(chǎng)施工點(diǎn)區(qū)域內(nèi)信息和設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)通信,采用樹(shù)狀Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),圍繞施工點(diǎn)布置節(jié)點(diǎn),保持節(jié)點(diǎn)間距離在50 m左右,若工作點(diǎn)間的距離較遠(yuǎn)則采用4G傳輸數(shù)據(jù)。ZigBee無(wú)線通信模塊使用TI公司制造的CC2530主控芯片[13],網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)采集區(qū)域范圍內(nèi)GPS數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和消防監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),通過(guò)射頻電路傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),并且路由節(jié)點(diǎn)使用多跳路由可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。
圖8 ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基建信息共享APP系統(tǒng)用戶可通過(guò)APP查看基建項(xiàng)目各個(gè)施工點(diǎn)的共享信息,遠(yuǎn)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡檢、視頻監(jiān)控和消防管理,軟件功能主要包括:系統(tǒng)登錄功能、現(xiàn)場(chǎng)巡檢功能、視頻監(jiān)控功能、消防管理功能和通信管理功能。
采用基于Android平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā),使用Android Studio工具建立項(xiàng)目文件,在程序文件mainactivity.java編寫系統(tǒng)功能邏輯程序,使用.xml文件Activity_main.xml進(jìn)行控件的布局[14]?;谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的基建信息共享APP系統(tǒng)主要功能界面如圖9所示。
圖9 功能界面
將本文所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基建信息共享APP系統(tǒng)應(yīng)用于某國(guó)家電網(wǎng)工程項(xiàng)目基建現(xiàn)場(chǎng)管理中,分別對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的人員定位、視頻監(jiān)控、消防管理和通信管理進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試過(guò)程如下。
應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)包含4個(gè)工程項(xiàng)目,8個(gè)施工點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)人員30人。安裝Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)48個(gè),每個(gè)項(xiàng)目有12個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),其中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有一個(gè)主控站用來(lái)匯集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù),主控站安裝有4G無(wú)線數(shù)據(jù)終端,用于將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。移動(dòng)設(shè)備中安裝APP系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)器數(shù)據(jù)。
分別對(duì)系統(tǒng)登錄功能、現(xiàn)場(chǎng)巡檢功能、視頻監(jiān)控功能、消防管理功能和通信管理功能進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示。
表1 系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果
通過(guò)對(duì)APP系統(tǒng)功能的測(cè)試,系統(tǒng)的各項(xiàng)操作結(jié)果與預(yù)期結(jié)果基本一致,在GPS定位中缺少兩個(gè)GPS信號(hào),其他功能都實(shí)現(xiàn)了測(cè)試目標(biāo),系統(tǒng)功能具有一定的完整性。
對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試,使用華為P30 512GB內(nèi)存手機(jī)持續(xù)使用APP 6小時(shí)、12小時(shí)、18小時(shí)和24小時(shí),CPU占用率、圖片處理器每秒刷新的幀數(shù)和內(nèi)存使用結(jié)果如表2所示。
表2 系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果
通過(guò)系統(tǒng)性能的測(cè)試可以看出系統(tǒng)性能壓力較大,在12小時(shí)范圍內(nèi)系統(tǒng)還可以正常操作,到18小時(shí)、24小時(shí)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)卡頓、機(jī)器發(fā)熱的問(wèn)題,在滿足24小時(shí)遠(yuǎn)程管理上所設(shè)計(jì)的APP與實(shí)際需求還存在一定差距。
此次設(shè)計(jì)研究的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了物對(duì)物、物對(duì)人的信息共享,結(jié)合項(xiàng)目基建現(xiàn)場(chǎng)施工全過(guò)程布置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),并安裝各類設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)工程項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化、扁平化和集約化管理,通過(guò)及時(shí)全面的掌控現(xiàn)場(chǎng)施工人員的活動(dòng)信息,將現(xiàn)場(chǎng)施工的進(jìn)度、質(zhì)量與安全等置于受控狀態(tài) ,對(duì)于基建工程精準(zhǔn)化程度和現(xiàn)場(chǎng)安全管控水平的全面提升具有非常積極的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。此外,要是實(shí)現(xiàn)基建現(xiàn)場(chǎng)智能化、自動(dòng)化管理還需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析,為施工決策提供指導(dǎo),在接下來(lái)的研究中還需著重對(duì)基建現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘,降低基建現(xiàn)場(chǎng)管理風(fēng)險(xiǎn),并且在系統(tǒng)使用性能方面還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。