公路建設(shè)施工信息化監(jiān)管平臺研究與應(yīng)用

劉士寬，羅志剛，王 盟，何穎杰，胡 珂

（1.中交宇科（北京）空間信息技術(shù)有限公司，北京 100094；2.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2000年，中國建成北斗導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[1]，2012年“北斗”系統(tǒng)在亞太地區(qū)組網(wǎng)完成，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)不僅在我國國土范圍內(nèi)廣泛使用，同時向周邊國家提供服務(wù)[2]。它由30顆非靜止軌道衛(wèi)星和5顆靜止軌道衛(wèi)星組成，2018年底，北斗三號衛(wèi)星在軌數(shù)量計劃達(dá)到19顆，北斗工程全球組網(wǎng)進(jìn)入關(guān)鍵期[3]，為用戶提供免費(fèi)的導(dǎo)航、定位、授時服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建立和使用，擺脫了我國對GPS的依賴，打破了發(fā)達(dá)國家壟斷衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的局面，重要的是可以直接體現(xiàn)我國的技術(shù)實(shí)力和綜合 國力[4]。

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2018年形成“一帶一路”沿線國家全球初始服務(wù)的基本能力，到2020年形成全球服務(wù)能力[5]。目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋范圍為55 E～180 E，以及55 N～55 S之間的 區(qū)域。

交通運(yùn)輸行業(yè)具有點(diǎn)多、線長、面廣、移動的特點(diǎn)，集中了衛(wèi)星導(dǎo)航主要應(yīng)用方向[6]，其高精度的定位和短報文通信能力，持續(xù)獲得用戶好評。是無人區(qū)公路建設(shè)的不二選擇。針對本項(xiàng)目，北斗衛(wèi)星的高精度定位和短報文通信，可以滿足公路工程建設(shè)中無運(yùn)營商信號覆蓋環(huán)境下的施工人員及設(shè)備的位置服務(wù)，保障其安全。因此，為了滿足公路建設(shè)及其項(xiàng)目部人員、車輛安全管理需求，急需搭建公路建設(shè)施工信息化監(jiān)管平臺（以下簡稱：監(jiān)管平臺），利用北斗衛(wèi)星定位和通信，實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目部現(xiàn)場人、車、設(shè)備的統(tǒng)一管理、安全隱患管理、綜合調(diào)度和應(yīng)急處置，為建設(shè)單位對施工項(xiàng)目的在線監(jiān)管和安全施工奠定 基礎(chǔ)。

1 平臺總體設(shè)計

1.1 總體框架

公路建設(shè)施工信息化監(jiān)管平臺，是基于自主框架和SuperMap平臺進(jìn)行二次開發(fā)的B/S架構(gòu)的監(jiān)管平臺，后臺數(shù)據(jù)庫采用了MySQL開源數(shù)據(jù)庫，采用云端部署的方式為用戶提供監(jiān)管服務(wù)。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 總體框架圖

基礎(chǔ)支撐層：包括北斗衛(wèi)星、服務(wù)器存儲設(shè)施、運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控設(shè)施、無線基站、北斗定位終端和北斗一體機(jī)。北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)人員、車輛的定位和通信服務(wù)；服務(wù)器實(shí)現(xiàn)采集后數(shù)據(jù)的存儲、處理等；運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)是安全網(wǎng)絡(luò)的輔助網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)基于北斗的無運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的無縫融合；視頻監(jiān)控設(shè)施部署在重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)控；無線基站搭建局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的通信。

數(shù)據(jù)層：包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫提供電子地圖、遙感數(shù)據(jù)、隧道區(qū)域地圖等基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫包括人員位置信息、車輛位置信息、視頻數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。

平臺層：平臺層提供運(yùn)維管理平臺和基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)。運(yùn)維管理平臺提供權(quán)限管理、日志管理和系統(tǒng)管理；基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)提供地圖制作、Web端地圖服務(wù)等功能。

應(yīng)用層：應(yīng)用層包括施工車輛及人員管理平臺、項(xiàng)目部綜合管理平臺。施工車輛及人員管理平臺提供車輛人員的位置服務(wù)；項(xiàng)目部綜合管理平臺實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目部人員、車輛等基本信息管理，并對項(xiàng)目部的安全信息進(jìn)行匯總統(tǒng)計。

用戶層：包括項(xiàng)目部指揮中心管理人員、項(xiàng)目部管理人員和施工人員。

上述各部分共同構(gòu)成公路建設(shè)施工信息化監(jiān)管平臺，相互依存，缺一不可，在標(biāo)準(zhǔn)和安全保障措施的指導(dǎo)下，穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮總體結(jié)構(gòu)框架滿足系統(tǒng)的管理和功能要求，并根據(jù)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)提出了系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖，如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)流程圖

1.3 平臺功能

公路建設(shè)施工信息化監(jiān)管平臺包括以下功能模塊：主頁統(tǒng)計分析、綜合展示、位置監(jiān)控、綜合管理、 系統(tǒng)管理，如圖3所示。

圖3 功能結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 與北斗定位設(shè)備的對接

北斗源數(shù)據(jù)由北斗指揮機(jī)讀取串口獲得，并且按照標(biāo)準(zhǔn)格式解碼并解析。如果需要對一帶一路國外國家提供北斗定位服務(wù)，一般有兩種方案，一種是在國外建立北斗指揮中心，另一種方案是和國內(nèi)北斗分理平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。前一種方案無疑增加了維護(hù)成本。本研究主要采用的是第二種方案，北斗終端設(shè)備和國內(nèi)北斗分理平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。本研究建立了中轉(zhuǎn)機(jī)制，由北斗分理平臺，接收北斗設(shè)備數(shù)據(jù)，并使用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)WebSocket的方式將設(shè)備數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)推送至本研究的數(shù)據(jù)接收平臺。

數(shù)據(jù)接收平臺根據(jù)數(shù)據(jù)的推送類型和頻率決定調(diào)取多少線程執(zhí)行調(diào)度任務(wù)，并加以解析存儲。所接收的北斗數(shù)據(jù)包括設(shè)備定位數(shù)據(jù)、主動報警數(shù)據(jù)、短報文數(shù)據(jù)等。對于可能存在由網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定所帶來的連接中斷，數(shù)據(jù)接收平臺采用了心跳檢測和斷線重連[7]機(jī)制，由數(shù)據(jù)接收平臺每5 s向北斗分理平臺傳輸一個隨機(jī)數(shù)值，北斗分理平臺根據(jù)隨機(jī)數(shù)值返回一串加密，若長時間不回應(yīng)或者超過5次未回應(yīng)，則判定為網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或者連接關(guān)閉，執(zhí)行重連機(jī)制，從而保證通訊的穩(wěn)定性。

從性能和安全考慮，數(shù)據(jù)接收平臺只用于數(shù)據(jù)的解析存儲，對于本監(jiān)管平臺的前臺展示，則是由監(jiān)管平臺另行建立WebSocket通道獲取數(shù)據(jù)并用于渲染，這樣保證前后臺分離數(shù)據(jù)使用，不會互相影響。對于國外北斗數(shù)據(jù)，傳輸國內(nèi)可能由于網(wǎng)絡(luò)、距離等原因?qū)е聰?shù)據(jù)丟包嚴(yán)重，根據(jù)其部署地點(diǎn)，本文采用了國際云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，建立轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制中轉(zhuǎn)至國內(nèi)，減少了數(shù)據(jù)丟包率。

2.2 設(shè)備與圍欄、人員車輛的綁定

北斗設(shè)備是專門用于與北斗衛(wèi)星通信而獲得定位坐標(biāo)的終端裝置，為了實(shí)現(xiàn)人員/車輛的定位和超出范圍預(yù)警，需要將設(shè)備與圍欄、人員/車輛進(jìn)行綁定。

首先需要保證設(shè)備、圍欄、人員/車輛同屬于一個機(jī)構(gòu)下，在人員/車輛管理功能下對于未綁定的設(shè)備可以選擇綁定，綁定信息將存儲于設(shè)備信息綁定表，屆時機(jī)構(gòu)下的圍欄將匹配設(shè)備信息綁定表的數(shù)據(jù)，若檢測有匹配數(shù)據(jù)不在圍欄范圍內(nèi)，則視為跨出圍欄并加以報警。

2.3 大數(shù)據(jù)量存儲與可視化

本文平臺需要對人員、車輛進(jìn)行實(shí)時的定位監(jiān)控，則必然導(dǎo)致定位數(shù)據(jù)每分每秒的傳輸進(jìn)入監(jiān)管平臺。后臺數(shù)據(jù)庫承載能力受到極大的挑戰(zhàn)。本文采用的是MySQL數(shù)據(jù)庫，使用其MRG_MYISAM存儲引擎技術(shù)存儲，再由數(shù)據(jù)接收平臺根據(jù)數(shù)據(jù)的推送月份，將其存儲至不同的數(shù)據(jù)庫月表內(nèi)，每張表存放于不同的物理環(huán)境，實(shí)現(xiàn)分布式存儲，再對于不同的數(shù)據(jù)庫表使用表合并技術(shù)，匯總成一張查詢總表。對于合并表的ID做了特定自增機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一查詢。

由于日平均數(shù)據(jù)量巨大，對于監(jiān)管平臺而言不可能一直頻繁的讀取數(shù)據(jù)庫調(diào)用數(shù)據(jù)，因此采用從WebSocket通信中取出數(shù)據(jù)并且加以渲染，對于歷史軌跡等需要追溯歷史數(shù)據(jù)的時候，才會通過時間排序索引來查詢數(shù)據(jù)庫表，從而盡可能減少了網(wǎng)絡(luò)訪問傳輸帶來的損耗。

3 平臺實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本平臺將矢量與業(yè)務(wù)屬性表格進(jìn)行關(guān)聯(lián)聯(lián)動，并采用北斗、微基站等定位技術(shù)為建設(shè)施工人員車輛的定位監(jiān)管提供服務(wù)。

3.1 示范工程

本平臺已在海外KKH項(xiàng)目中得到示范應(yīng)用，KKH項(xiàng)目是“一帶一路”交通先導(dǎo)工程，對我國及沿線國家經(jīng)濟(jì)及各產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著重要意義，公路建設(shè)項(xiàng)目全長約120 km，周邊施工條件惡劣，基建設(shè)施落后，多個地段無運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)信號，施工人員、設(shè)備安全難以保障。通過本平臺導(dǎo)入KKH公路二維矢量路線設(shè)計數(shù)據(jù)，并采集了公路建設(shè)施工項(xiàng)目數(shù)據(jù)、人員、車輛等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了二維、信息聯(lián)動管理。利用北斗定位和通信、微基站、GIS、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了人員/車輛實(shí)時定位監(jiān)控、隱蔽工程視頻監(jiān)控等，提高了建設(shè)施工監(jiān)管的可視化、精細(xì)化程度，提高了海外項(xiàng)目施工的安全性。

3.2 主頁統(tǒng)計分析

在首頁上顯示被監(jiān)控車輛的數(shù)量、被監(jiān)控人員的數(shù)量、被管理的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量以及監(jiān)控預(yù)警次數(shù)等信息。并利用熱力圖動態(tài)統(tǒng)計了隧道內(nèi)部施工人員的位置分布，如圖4所示。

圖4 主頁統(tǒng)計分析

3.3 綜合展示

利用圖層管理對所監(jiān)管的POI信息進(jìn)行綜合展示能夠進(jìn)行矢量點(diǎn)位和屬性的雙向關(guān)聯(lián)查詢與檢索。包括建設(shè)項(xiàng)目、項(xiàng)目施工部、災(zāi)害隱患點(diǎn)、視頻監(jiān)控點(diǎn)、電子圍欄以及營地、炸藥庫、拌合站等POI圖層，如圖5所示。

圖5 綜合展示頁面

3.4 位置監(jiān)控

通過接收便攜式北斗定位終端發(fā)送定位信息，在地圖上實(shí)時展現(xiàn)人員或車輛的定位位置，每分鐘刷新1次位置，點(diǎn)擊人員定位圖標(biāo)，可以彈出人員信息框，并可以查看歷史軌跡等信息，了解人員或車輛的活動范圍，如圖6所示。

圖6 位置監(jiān)控頁面

當(dāng)發(fā)生人員或車輛進(jìn)入或離開某一區(qū)域，而觸發(fā)圍欄預(yù)警的時候，系統(tǒng)會自動給出預(yù)警提示框，提醒管理人員及時處理。

3.5 綜合管理

對平臺所管理的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入、編輯、刪除、查詢等操作，包括項(xiàng)目基本信息、項(xiàng)目施工部信息、人員、車輛、北斗終端信息、電子圍欄信息、災(zāi)害隱患點(diǎn)信息、視頻監(jiān)控點(diǎn)信息、短報文等信息的 管理，如圖7所示。

圖7 綜合管理頁面

4 結(jié) 語

公路建設(shè)施工信息化監(jiān)管平臺的應(yīng)用，為KKH項(xiàng)目的管理人員提供了一個可視化的人員、車輛位置監(jiān)管平臺，有效整合了KKH項(xiàng)目信息，實(shí)現(xiàn)了全面、精細(xì)的可視化管理和施工大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，并利用北斗、微基站、GIS、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，保證了人員、車輛的安全，提高了公路建設(shè)施工安全監(jiān)督管理的效率和水平。另一方面，公路建設(shè)施工信息化監(jiān)管平臺，以云端部署的方式為公路建設(shè)施工管理者提供服務(wù)，節(jié)省了用戶維護(hù)成本，也能有效的避免公路建設(shè)安全監(jiān)督管理信息化的重復(fù)投資。對我國公路建設(shè)施工安全監(jiān)管水平的提高有著十分積極的作用。在逐步的推廣應(yīng)用的過程中，云端服務(wù)也可以為公路建設(shè)單位收集整合公路建設(shè)施工大數(shù)據(jù)，形成公路建設(shè)施工數(shù)據(jù)的積累，為大數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。