智慧城市背景下基于北斗定位的建筑管控平臺(tái)研究

丁超，魏曉莉，唐雅勤，張家精，萬(wàn)文芳，李佳佳，劉雯韻，陸賽賽

（1.安徽建筑大學(xué)；2.上海海積信息科技股份有限公司）

1 引言

智慧工地是通過(guò)先進(jìn)的信息技術(shù)與施工現(xiàn)場(chǎng)深度融合，通過(guò)傳感器植入到建筑、機(jī)械、施工人員穿戴設(shè)備等各類載體中來(lái)收集信息。以此為背景設(shè)計(jì)基于北斗定位的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑全生命周期信息化智慧建造管控平臺(tái)構(gòu)建方案，立足于BIM 平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)，可促進(jìn)信息交換，實(shí)時(shí)信息訪問(wèn)，以及項(xiàng)目成員之間的信息收集[1]，解決現(xiàn)階段裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑尚存在的問(wèn)題，創(chuàng)新裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑從建造到安全監(jiān)測(cè)的全生命周期管理模式。

2 智慧工地

“十三五”時(shí)期，全球信息技術(shù)革命持續(xù)迅猛發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)成為智慧工地的重要基礎(chǔ)設(shè)施。信息化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧工地的重要載體和手段，對(duì)行業(yè)治理體系和服務(wù)模式將產(chǎn)生廣泛而深刻的影響，對(duì)智慧工地建設(shè)尤為重要。智慧工地是智慧地球、智慧城市、智能建筑的延伸。即“智慧”、“智能”延伸到工程項(xiàng)目的建造過(guò)程中，就產(chǎn)生了智慧工地的概念。智慧工地意味著在建造過(guò)程中充分利用智能技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)，通過(guò)建立和應(yīng)用智能化系統(tǒng)，提高建造過(guò)程智能化水平，減少對(duì)人的依賴，實(shí)現(xiàn)安全建造，并實(shí)現(xiàn)性價(jià)比更好、質(zhì)量更優(yōu)的建筑[2]。以富煌鋼構(gòu)施工信息化管理系統(tǒng)等為代表的智慧工地建設(shè)的研究成果具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，在建設(shè)過(guò)程中所積累的經(jīng)驗(yàn)、積淀的技術(shù)必將在未來(lái)的大型建筑工程項(xiàng)目中推廣應(yīng)用，能夠大大促進(jìn)國(guó)內(nèi)信息化領(lǐng)域人才的發(fā)展，對(duì)于今后打造“智慧城市”“智慧未來(lái)”等具有借鑒和指導(dǎo)意義。智慧工地建設(shè)內(nèi)容如圖1 所示。

3 基于北斗定位的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑全生命周期信息化智慧建造

為響應(yīng)國(guó)家和省、市對(duì)裝配式建筑工業(yè)化產(chǎn)業(yè)政策的號(hào)召，平臺(tái)搭建方案的開(kāi)展符合裝配式建筑產(chǎn)業(yè)信息化發(fā)展需求。完善裝配式建筑建造信息化管理、可靠安全地運(yùn)行，從而展現(xiàn)裝配式建筑帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，促進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和推動(dòng)裝配式建筑高質(zhì)量發(fā)展。

基于北斗定位的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑全生命周期信息化智慧建造管控平臺(tái)的構(gòu)建主要是與智慧工地需求相對(duì)應(yīng)，利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+、傳感器技術(shù)、智能處理等最新技術(shù)，配合全球定位系統(tǒng)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)智能平臺(tái)等，從而實(shí)現(xiàn)城市施工的智能化[3]。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者前期進(jìn)行了深入的研究，陳勇強(qiáng)等指出由于大型項(xiàng)目中參與方都有自己的組織架構(gòu)，其信息溝通受到阻礙，只有通過(guò)對(duì)大型項(xiàng)目進(jìn)行信息標(biāo)準(zhǔn)化和集成化管理，使信息能夠在各參與方之間進(jìn)行有效共享，才能保證大型項(xiàng)目的順利實(shí)施，Becerik 等指出裝配式建筑采用信息化管理模式的動(dòng)力之一是他們可獲得信息價(jià)值，并通過(guò)詳細(xì)的案例研究和行業(yè)調(diào)查來(lái)了解信息化管理在美國(guó)裝配式建筑行業(yè)的信息利用價(jià)值，以此進(jìn)一步研究信息化管理所帶來(lái)的價(jià)值[4]。

我國(guó)歷來(lái)注重“人防、技防、物防”的有機(jī)結(jié)合，隨著科技進(jìn)步，技防越來(lái)越受重視。為應(yīng)對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的施工場(chǎng)景，近年來(lái)信息物理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)不斷應(yīng)用于建筑事業(yè)。如圖2 所示，在智慧工地的大背景下，基于北斗定位的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑全生命周期信息化智慧建造體系搭建而出，達(dá)到提升城市建筑建設(shè)和建筑安全能力，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和決策的目的。

圖1 智慧工地建設(shè)內(nèi)容

圖2 智慧建造管控平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

4 智慧建造管控平臺(tái)概述

4.1 平臺(tái)方案搭建

裝配式建筑項(xiàng)目信息化管理是指裝配式建筑項(xiàng)目建造與管理的過(guò)程中將現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)管理理念相融合，以促進(jìn)建設(shè)項(xiàng)目建造和管理水平不斷提高的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程包括信息收集、信息傳輸、信息處理和信息使用等環(huán)節(jié)。裝配式建筑項(xiàng)目的建造是一種將建筑業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈整合，并環(huán)環(huán)相扣的鏈狀生產(chǎn)過(guò)程，與傳統(tǒng)建筑項(xiàng)目相比，裝配式建筑項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)決定了其項(xiàng)目管理過(guò)程中信息收集傳遞加工使用的必要性。因此推動(dòng)裝配式建筑高質(zhì)量發(fā)展以及加快建筑業(yè)工業(yè)化與信息化深度融合，實(shí)現(xiàn)信息化管理尤為重要[4]。

裝配式建筑全生命周期管理和建后安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)，是針對(duì)于裝配式建筑利用高科技解決建造精度不高，人為失誤嚴(yán)重造成的經(jīng)濟(jì)、時(shí)間、人力問(wèn)題的平臺(tái)。本方案通過(guò)中國(guó)北斗定位平臺(tái)與RTK(Real time kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài))平臺(tái)與BIM 形成組合來(lái)監(jiān)測(cè)裝配式建筑建造。通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控來(lái)縮小裝配式建筑的誤差，控制定位安裝精度。平臺(tái)安全便利，易于操作，可以搭載任意手機(jī)app上進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。工人們可以通過(guò)手機(jī)了解并上傳相應(yīng)數(shù)據(jù)。同時(shí)該平臺(tái)通過(guò)區(qū)塊鏈進(jìn)行加密。可以使整個(gè)工程的信息不外漏，保證了建筑工程的隱私性和安全性。

平臺(tái)第一階段先通過(guò)設(shè)計(jì)多種傳感器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)感知和采集，接著利用數(shù)據(jù)通信平臺(tái)和數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸和處理，存入數(shù)據(jù)處理服務(wù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)，并將已采集的和已處理的數(shù)據(jù)顯示在自搭建監(jiān)控平臺(tái)和手機(jī)移動(dòng)端軟件上，部分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)處理后以圖表形式顯示，同時(shí)由北斗接收器采集到的裝配式建筑三維坐標(biāo)等信息可在平臺(tái)中構(gòu)成建筑三維可視化模型。在裝配式建筑建造過(guò)程中，將采集到的數(shù)據(jù)與程序設(shè)計(jì)的正常范圍作比較，當(dāng)數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí)在平臺(tái)和手機(jī)上報(bào)警，或者可以通過(guò)發(fā)送消息或現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警給到現(xiàn)場(chǎng)施工人員，現(xiàn)場(chǎng)施工人員按照移動(dòng)端上提供的施工信息進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)節(jié)；在裝配式建筑建成的維護(hù)中，通過(guò)不斷的監(jiān)測(cè)建筑的多種相關(guān)信息，便于分析裝配式建筑物的各項(xiàng)指標(biāo)，并對(duì)建筑物的健康狀況進(jìn)行診斷，主要路線如圖3 和圖4 所示，平臺(tái)具體框架如圖5 所示。

4.2 主要研究?jī)?nèi)容

4.2.1 結(jié)構(gòu)件和人員定位坐標(biāo)計(jì)算

1）結(jié)構(gòu)件坐標(biāo)采集

在施工現(xiàn)場(chǎng)空曠的位置布設(shè)兩臺(tái)北斗高精度接收機(jī)，實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)和基站差分?jǐn)?shù)據(jù)（提供已知點(diǎn)坐標(biāo)起算數(shù)據(jù)）進(jìn)行實(shí)時(shí)RTK 定位解算。在被測(cè)結(jié)構(gòu)與北斗高精度接收機(jī)之間的空曠區(qū)域，布設(shè)360 度電控旋轉(zhuǎn)光電測(cè)距裝置，光電測(cè)距裝置用于監(jiān)測(cè)其自身與北斗定位設(shè)備以及被測(cè)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的相對(duì)距離、相對(duì)仰角和方向角；根據(jù)北斗接收機(jī)已知點(diǎn)坐標(biāo)起算數(shù)據(jù)，根據(jù)光電測(cè)距測(cè)出與北斗接收機(jī)之間的距離和角度，推算出光電測(cè)距儀自身的點(diǎn)位坐標(biāo)。同樣原理利用光電測(cè)距儀測(cè)出結(jié)構(gòu)件的實(shí)時(shí)點(diǎn)位坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換同步到BIM 平臺(tái)中，實(shí)時(shí)查看結(jié)構(gòu)件模型的移動(dòng)位置，當(dāng)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)在一定合理范圍內(nèi)，即可安裝結(jié)構(gòu)件[4]。

圖3 平臺(tái)流程圖

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2）人員定位

施工人員通過(guò)攜帶含北斗小型化高精度定位芯片的終端，定位芯片將大地坐標(biāo)和人員信息實(shí)時(shí)發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，同步到施工BIM 模型中。BIM 平臺(tái)顯示當(dāng)前施工人員的實(shí)際位置，將實(shí)際施工環(huán)境與虛擬三維模型相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與虛擬環(huán)境的數(shù)據(jù)交流。數(shù)據(jù)中心將人員信息、自身定位信息和結(jié)構(gòu)件信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于后續(xù)查詢規(guī)范施工和施工質(zhì)量。

4.2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1）建立北斗控制點(diǎn)

在施工場(chǎng)地外網(wǎng)穩(wěn)固的地點(diǎn)建設(shè)三臺(tái)高精度北斗GNSS 接收機(jī)，同步觀測(cè)24h。利用GNSS 平差軟件算出三個(gè)控制點(diǎn)位的高精度坐標(biāo)。由控制點(diǎn)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)點(diǎn)位在BIM 中的坐標(biāo)計(jì)算出七參數(shù)。通過(guò)七參數(shù)可將采集到大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成BIM 的獨(dú)立坐標(biāo)系中，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件坐標(biāo)和人員定位坐標(biāo)實(shí)時(shí)同步到BIM 平臺(tái)中，如圖6 為七參數(shù)計(jì)算：

2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集子平臺(tái)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)主要由傳感器和采集單元組成，以GNSS 接收機(jī)為主的傳感器，結(jié)合多種輔助傳感器單元，共同感知裝配式建筑關(guān)鍵部位的應(yīng)力、位移和加速度等監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

圖5 智慧工地背景下基于北斗定位的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑全生命周期信息化智慧建造管控平臺(tái)

圖6 七參數(shù)計(jì)算

3）數(shù)據(jù)傳輸通信子平臺(tái)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸子平臺(tái)的主要功能是對(duì)各個(gè)傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集傳輸，供數(shù)據(jù)保存、處理和評(píng)估使用。本監(jiān)測(cè)平臺(tái)需要采用不同的傳感器，各種傳感器又有不同的接口、多種信號(hào)和通信協(xié)議。目前，在組網(wǎng)中采用較多的是TCP/IP 技術(shù)，TCP/IP 技術(shù)是受用戶認(rèn)可、完全公開(kāi)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，主干網(wǎng)采用高速4G/5G網(wǎng)，是非常理想的組網(wǎng)方式。

4）數(shù)據(jù)處理服務(wù)中心設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理分析子平臺(tái)是整個(gè)平臺(tái)的核心單元，由機(jī)房、中心網(wǎng)絡(luò)和軟件平臺(tái)組成，具有數(shù)據(jù)處理、平臺(tái)控制和網(wǎng)絡(luò)管理的功能。對(duì)于傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)將記錄和數(shù)據(jù)分散并部署在區(qū)塊鏈中，使得任何一方都不可能篡改數(shù)據(jù)或記錄；通過(guò)區(qū)塊去中心化大大增加了惡意攻擊的難度，保障數(shù)據(jù)的安全性和隱私性；使用分布式的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)維護(hù)賬本使得公司可以消除或減輕托管、安全和維護(hù)成本。

5）高精度GNSS 定位解算軟件

高精度GNSS 定位解算軟件是實(shí)時(shí)形變監(jiān)測(cè)平臺(tái)的核心，可長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收形變監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中所有參考站和監(jiān)測(cè)站的 GNSS 原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，解算得到高精度三維坐標(biāo)和形變信息，并將這些信息實(shí)時(shí)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，或供第三方軟件接口調(diào)用。

高精度GNSS 定位解算軟件支持BDS、GPS、GLONASS 等 四 大 衛(wèi) 星 導(dǎo)航定位平臺(tái)，同時(shí)具備動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、后處理三種基線解算模式。采用先進(jìn)的靜態(tài)處理算法，結(jié)合誤差修正、平差處理和卡爾曼濾波等方法，軟件解算精度達(dá)到毫米級(jí)。

6）平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

本監(jiān)控預(yù)警管理平臺(tái)是基于BIM一體化平臺(tái)的工程展示、查詢、數(shù)據(jù)管理與報(bào)警平臺(tái)軟件，具有項(xiàng)目管理、平臺(tái)配置、報(bào)警管理、日志管理以及各項(xiàng)工程監(jiān)測(cè)信息的顯示等功能。用戶可以直觀的通過(guò)查看建筑3D 模型來(lái)了解工程施工情況，并通過(guò)圖表形式查看各項(xiàng)監(jiān)測(cè)信息的變化情況，針對(duì)異常情況還可以以多種方式進(jìn)行報(bào)警，通知相關(guān)人員，方便用戶對(duì)監(jiān)測(cè)工程進(jìn)行監(jiān)控、管理和災(zāi)害預(yù)防。平臺(tái)功能架構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 平臺(tái)功能架構(gòu)圖

5 結(jié)語(yǔ)

發(fā)展裝配式建筑是牢固樹(shù)立和貫徹落實(shí)創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享五大發(fā)展理念，按照適用、經(jīng)濟(jì)、安全、綠色、美觀要求堅(jiān)持市場(chǎng)主導(dǎo)、堅(jiān)持頂層設(shè)計(jì) 、協(xié)調(diào)發(fā)展，推動(dòng)建造方式創(chuàng)新，推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化的改革。使用鋼結(jié)構(gòu)、混凝土等裝配式建筑，可以發(fā)展節(jié)能環(huán)保新產(chǎn)業(yè)、提高建筑安全水平并推動(dòng)化解過(guò)剩產(chǎn)能等功能，有利于改善城市環(huán)境、提高建筑綜合質(zhì)量和性能、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，保證城鄉(xiāng)建設(shè)的高效、安全且經(jīng)濟(jì)。將物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈技術(shù)與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航平臺(tái)相聯(lián)系，可以建立一個(gè)覆蓋整個(gè)城市的、方便利民的巨大網(wǎng)絡(luò)。利用北斗定位平臺(tái)在建筑建造時(shí)、建造后、災(zāi)后進(jìn)行測(cè)量監(jiān)督，減少人工監(jiān)測(cè)誤差，提高監(jiān)測(cè)效率并保證建筑安全。