淺談智慧工地中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

田昉

（北京城市軌道交通咨詢有限公司）

1 智慧工地概述

智慧工地將更多人工智能、傳感技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等高科技技術(shù)植入到建筑、機(jī)械、人員穿戴設(shè)施等各類物體中，形成“物聯(lián)網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)工程管理干系人與工程施工現(xiàn)場(chǎng)的整合。軌道交通施工周期長(zhǎng)、工法復(fù)雜、涉及機(jī)械設(shè)備眾多等原因使得需要用以一種“更智慧”的方法來改進(jìn)工程各干系組織和崗位人員相互交互的方式，以便提高交互的明確性、效率、靈活性和響應(yīng)速度，降低信息傳遞不暢造成的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，及時(shí)收集傳輸工地人員、設(shè)備、物料、環(huán)境信息至相關(guān)政府機(jī)關(guān)、建設(shè)、監(jiān)理等單位，積累相關(guān)數(shù)據(jù)，為管理層提供決策依據(jù)。

2 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)包含大量低能耗、低成本、存儲(chǔ)與計(jì)算能力受限、經(jīng)常休眠的設(shè)備,因此需要保證不同種類的感知設(shè)備和控制設(shè)備在異構(gòu)環(huán)境下高效互聯(lián)互通[1]。

傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。由于物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、工業(yè)監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。相關(guān)專家預(yù)言：未來10年內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)一定會(huì)像現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)一樣高度普及，且有萬億元級(jí)的市場(chǎng)空間[2]。

2.1 LPWAN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)介紹

下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)—5G服務(wù)的三大應(yīng)用場(chǎng)景包括：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(enhanced Mobile Broadband,eMBB)、大規(guī)模機(jī)器類通信(massive Machine Type Communications,mMTC)和超高可靠性低時(shí)延通信(ultra-Reliable and Low La-tency Communications,uRLLC)[3]。

eMTC（enhance Machine Type Communication）增強(qiáng)機(jī)器類通信與mMTC都是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景技術(shù)應(yīng)用。mMTC和eMTC各自側(cè)重點(diǎn)不同，mMTC主要是人與物之間的信息交互，eMTC主要體現(xiàn)物與物之間的通信需求。

2.2 NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)

廣覆蓋、低功耗、大連接、低成本的優(yōu)勢(shì)使得NB-IoT能夠大規(guī)模、遠(yuǎn)距離接入終端設(shè)備，適用于軌道交通智慧工地復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景。

國內(nèi)現(xiàn)階段NB-IoT技術(shù)研發(fā)主要由華為推動(dòng)，由運(yùn)營(yíng)商建網(wǎng)。運(yùn)營(yíng)商使用政府下發(fā)的FDD-LTE牌照開發(fā)NB-IoT，使用NB-IoT技術(shù)的終端必須使用運(yùn)營(yíng)商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)無法獨(dú)立建網(wǎng)，是NBIoT網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用的特點(diǎn)。

2.3 eMTC技術(shù)特點(diǎn)

eMTC相比NB-IoT，有五個(gè)優(yōu)勢(shì)：

1）速率高

MTC支持上下行最大1Mbs的峰值速率，在保證覆蓋和功耗的基礎(chǔ)上足以支撐更豐富的物聯(lián)應(yīng)用，如低速視頻、語音等，智慧工地上視頻數(shù)據(jù)可采用eMTC技術(shù)傳輸。

2）移動(dòng)性

NB-IoT的移動(dòng)性差，只支持重選，不支持切換。所以，它一般都用于不怎么需要?jiǎng)拥念I(lǐng)域，例如水表電表及路燈井蓋。但eMTC不同，它支持連接態(tài)的移動(dòng)性，物聯(lián)網(wǎng)用戶可以無縫切換，保障用戶體驗(yàn)。因此，在智慧工地中eMTC更適用于智能安全帽、智能巡檢設(shè)備這樣的可穿戴設(shè)備。

3）可定位

基于TDD的eMTC，利用基站側(cè)的PRS測(cè)量，在無需新增GPS芯片的情況下就可以進(jìn)行位置定位。這樣一來，更有利于eMTC在智慧工地人員定位、機(jī)械設(shè)備定位、物料跟蹤等場(chǎng)景的普及。

4）支持語音

eMTC技術(shù)可支持語音傳輸，而且支持ⅤoLTE。因此，在智慧工地中eMTC可被廣泛應(yīng)用到緊急呼救相關(guān)的物聯(lián)設(shè)備中，如智能安全帽可實(shí)現(xiàn)語音雙向通信功能，可大幅度提高工地應(yīng)急反應(yīng)能力，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

5）支持LTE網(wǎng)絡(luò)復(fù)用

eMTC可以基于現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)直接升級(jí)部署，和現(xiàn)有的LTE基站共站址共天饋。這個(gè)特點(diǎn)使其可利用到運(yùn)營(yíng)商基站快速部署物聯(lián)網(wǎng)，智慧工地如車輛段、明挖車站等地面施工區(qū)域可直接利用運(yùn)營(yíng)商基站，向運(yùn)營(yíng)商繳納租用、流量費(fèi)，施工完成后撤銷，可節(jié)省硬件成本。

3 智慧工地物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

軌道交通智慧工地管理系統(tǒng)按照北京市住建委《智慧工地技術(shù)規(guī)程》DB11/T 1710-2019要求梳理為八個(gè)模塊：勞務(wù)人員管理、機(jī)械設(shè)備管理、物料管理、進(jìn)度管理、環(huán)境與能耗管理、安全管理、質(zhì)量管理、視頻監(jiān)控功能。這八個(gè)模塊涵蓋了工地上人、機(jī)、物、法、環(huán)這些關(guān)鍵要素，智慧工地邏輯架構(gòu)從上到下分為應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)采集層，前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接起來通過工地物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)上傳至數(shù)據(jù)層，為安全管理、質(zhì)量管理、機(jī)械設(shè)備管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等模塊積累數(shù)據(jù)，部署在應(yīng)用層的智慧工地應(yīng)用模塊也通過物聯(lián)網(wǎng)下發(fā)互動(dòng)指令到前端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)前端與后端的互動(dòng)。

項(xiàng)目施工建設(shè)現(xiàn)狀，通過提高數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性才能為工程項(xiàng)目建設(shè)提供保障。目前，國內(nèi)軌道交通行業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，將目標(biāo)定位為根據(jù)社會(huì)發(fā)展需要構(gòu)建一套集智能、互通互聯(lián)以及共享于一體的現(xiàn)代管理系統(tǒng)，對(duì)工程項(xiàng)目施工全過程加強(qiáng)管控。

3.1 典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景-智能安全帽

智能安全帽系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位、感知、預(yù)警、語音對(duì)講等功能，是智慧工地實(shí)現(xiàn)勞工垂直化管理的關(guān)鍵手段。eMTC技術(shù)可支持語音傳輸，可利用基站側(cè)的PRS測(cè)量實(shí)現(xiàn)人員定位功能，滿足工地勞務(wù)人員雙向?qū)χv、人員所處位置定位兩大功能需求。

3.2 機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

除了人員管理，機(jī)械設(shè)備管理也是智慧工地工作的重中之重。軌道交通工地上使用設(shè)備復(fù)雜，涵蓋從大型龍門吊到小型電葫蘆、電焊機(jī)，設(shè)備與設(shè)備之間距離較遠(yuǎn)，很多小型機(jī)械不帶電使用，這就要求其集成的物聯(lián)網(wǎng)模塊需自身電池供電。NB-IoT以其廣覆蓋、低功耗、大連接、低成本特點(diǎn)完美解決了上述問題，實(shí)現(xiàn)了工地設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、即時(shí)預(yù)警功能。

3.3 高支模、深基坑檢測(cè)

高支模、深基坑檢測(cè)是住房城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳發(fā)布《危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程安全管理規(guī)定》中重要檢測(cè)項(xiàng)之一。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的高支模監(jiān)控利用前端傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高大模板的立桿軸力、支架變形和模板沉降,其具有危險(xiǎn)報(bào)警、超限預(yù)警和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能系統(tǒng)主要是由監(jiān)控軟件、智能采集儀和前端采集器等共同組成。深基坑檢測(cè)中傳感器可對(duì)基坑內(nèi)部軸力檢測(cè)、土體內(nèi)移等關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)并傳輸?shù)胶蠖朔?wù)器。

4 智慧工地物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)未來展望

智慧工地物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在未來會(huì)逐漸與5G關(guān)鍵技術(shù)融合，可以從國際、國內(nèi)兩方面來看物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。未來智慧工地一定是基于NB-IoT、4G（Cat1）、5G等關(guān)鍵技術(shù)，各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系，不同應(yīng)用場(chǎng)景使用不同物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)人員、設(shè)備、物料等工地關(guān)鍵要素的互聯(lián)，真正實(shí)現(xiàn)軌道交通工地上的“萬物互聯(lián)”。