智慧工地時(shí)空信息平臺(tái)架構(gòu)研究

羅乾鵬 馮 帆

（中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限公司,湖北 武漢 430000）

近年來(lái)，智慧城市在不斷地飛速發(fā)展，信息化系統(tǒng)在基建工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，比如工地實(shí)名制人臉識(shí)別閘機(jī)、勞務(wù)管理系統(tǒng)等的使用。傳統(tǒng)基建施工行業(yè)屬于勞務(wù)密集型產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的管理方式使勞動(dòng)工地的人力、設(shè)備、物資材料利用都存在嚴(yán)重的浪費(fèi)，各類原材料數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)不能互通和及時(shí)利用。智慧城市概念在2008年提出，隨后大多數(shù)國(guó)家都開(kāi)始了智慧城市的建設(shè)，隨著智慧城市在各行業(yè)的深入發(fā)展，由智慧城市衍生出的智慧工地系統(tǒng)也在各大工地大規(guī)模實(shí)施，成為基建施工行業(yè)信息化應(yīng)用的必然趨勢(shì)。

時(shí)空數(shù)據(jù)是基于統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)，與位置直接或間接相關(guān)聯(lián)的地理要素的自然、工程、人文和社會(huì)信息的數(shù)據(jù)等，具有時(shí)間維（T）、空間維（S）和屬性維（D）的多維特征[1]。時(shí)空數(shù)據(jù)平臺(tái)集成物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理位置信息、時(shí)間信息、相關(guān)專題信息及擴(kuò)展數(shù)據(jù)，提供從數(shù)據(jù)采集到存儲(chǔ)、清洗、加工、共享及分析的泛在技術(shù)服務(wù)。

智慧工地時(shí)空信息平臺(tái)將時(shí)空信息技術(shù)、智能感知設(shè)備、大數(shù)據(jù)分析、可視化展示等應(yīng)用到工程施工現(xiàn)場(chǎng)中，以數(shù)字化、智能化豐富工程管理模式，提高企業(yè)施工信息化管理水平，提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工程管理精細(xì)化、協(xié)作化和高效化[2]。通過(guò)時(shí)空信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員、工程物資、機(jī)械設(shè)備等的實(shí)時(shí)位置監(jiān)控，形成軌跡數(shù)據(jù)，同時(shí)獲取時(shí)間信息，通過(guò)數(shù)據(jù)分析形成對(duì)人員、物資、工程等多維度的管理，并監(jiān)測(cè)人員異常、物資庫(kù)存使用量、工程進(jìn)度，并對(duì)將來(lái)的物資使用、工程進(jìn)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)工地發(fā)生的應(yīng)急事件進(jìn)行及時(shí)發(fā)現(xiàn)和反饋[3]。

1 智慧工地時(shí)空信息平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

與當(dāng)前智慧工地使用的人臉識(shí)別閘機(jī)、勞務(wù)管理等分散獨(dú)立部署的軟件系統(tǒng)模板不同，時(shí)空信息平臺(tái)應(yīng)有以下6個(gè)轉(zhuǎn)變。

（1）分散部署架構(gòu)到云部署架構(gòu)：基于IT基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施，使用虛擬化技術(shù)建設(shè)云計(jì)算存儲(chǔ)資源池，按照需要提供彈性的可擴(kuò)展的IT實(shí)施環(huán)境，以支撐智慧工地系統(tǒng)的云部署實(shí)施。

（2）離散數(shù)據(jù)到時(shí)空數(shù)據(jù)：在傳統(tǒng)的物料及過(guò)程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，增加施工現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間和空間過(guò)程數(shù)據(jù)，比如基于BIM的建筑仿真模型、工地物料設(shè)備位置等數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)在位置維度上做處理，同時(shí)與時(shí)間維度對(duì)應(yīng)，以此完成離散數(shù)據(jù)到時(shí)空數(shù)據(jù)的過(guò)程化處理。

（3）一般性到定制化：除了提供一般性服務(wù)，比如物料監(jiān)控管理、人員管理、進(jìn)度管理、視頻監(jiān)控、設(shè)備管理等，還給用戶提供定制化服務(wù)，比如基于時(shí)空信息平臺(tái)的基于某一類特征的大數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

（4）數(shù)據(jù)共享交換服務(wù)：改變以往的各個(gè)獨(dú)立軟件模塊各自數(shù)據(jù)互不相通的局面，通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享交換模塊，建立面向業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的協(xié)同共享交換數(shù)據(jù)體系，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與時(shí)空數(shù)據(jù)的整合應(yīng)用。

（5）時(shí)間數(shù)據(jù)服務(wù)到時(shí)空數(shù)據(jù)服務(wù)：服務(wù)模式上，改變僅能提供時(shí)間數(shù)據(jù)服務(wù)的方式，轉(zhuǎn)為提供基于地理位置的時(shí)空數(shù)據(jù)服務(wù)方式，并提供基于時(shí)空大數(shù)據(jù)分析后的數(shù)據(jù)增值服務(wù)。

（6）桌面端到APP端：在展現(xiàn)和操作方式上，從基于B/S架構(gòu)的桌面端應(yīng)用向APP端轉(zhuǎn)變，從界面、功能、數(shù)據(jù)、展現(xiàn)等全方位支持APP端。

1.2 總體架構(gòu)

智慧工地時(shí)空信息平臺(tái)，利用虛擬化技術(shù)進(jìn)行搭建，結(jié)合移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，以服務(wù)工地信息化建設(shè)為目的，為科學(xué)推進(jìn)工地管理、建設(shè)、施工提供全面的信息化服務(wù)支撐。如圖1所示。

圖1 智慧工地時(shí)空信息平臺(tái)總架構(gòu)

1.2.1 基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)

硬件基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)分為硬件基礎(chǔ)、軟件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)及資源池。細(xì)分來(lái)看，硬件基礎(chǔ)包括IT服務(wù)器、存儲(chǔ)磁盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)通信、攝像頭、傳感器等；軟件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)包括Windows、Linux操作系統(tǒng)、Oracle或MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件等；資源池即虛擬化解決方案，整合現(xiàn)有零散IT基礎(chǔ)服務(wù)資源為可擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)資源，以虛擬化系統(tǒng)為載體提供硬件基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)行平臺(tái)、業(yè)務(wù)功能軟件等形式的自動(dòng)化服務(wù)。

1.2.2 平臺(tái)服務(wù)

平臺(tái)服務(wù)建立于基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，面向使用者提供以下5類應(yīng)用平臺(tái)或服務(wù)。

（1）數(shù)據(jù)平臺(tái)是業(yè)務(wù)系統(tǒng)的支撐，主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、專題空間數(shù)據(jù)庫(kù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)、元數(shù)據(jù)庫(kù)等。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)包括柵格地圖數(shù)據(jù)庫(kù)、矢量地形要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫(kù)、地名數(shù)據(jù)庫(kù)、攝影影像數(shù)據(jù)庫(kù)等。專題空間數(shù)據(jù)庫(kù)包括工地行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)需要對(duì)接的專業(yè)數(shù)據(jù)，如天氣數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、建筑BIM數(shù)據(jù)、施工人員數(shù)據(jù)等。

（2）數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)以資源目錄體系為紐帶，以時(shí)空信息平臺(tái)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，主要整合施工工地的各類數(shù)據(jù)，為工地的各部門(mén)或小組的管理施工提供數(shù)據(jù)支持，平臺(tái)也能利用已有的數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)務(wù)需要做進(jìn)一步的大數(shù)據(jù)分析，滿足資源整合及數(shù)據(jù)共享的復(fù)雜需求。

（3）應(yīng)用開(kāi)發(fā)管理平臺(tái)提供應(yīng)用二次開(kāi)發(fā)部署環(huán)境及統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，使用戶能統(tǒng)一完成如插件加載、微信接口對(duì)接、電話短信對(duì)接等工作，同時(shí)提供應(yīng)用模塊的加載、移除、更改等管理功能。

（4）BIM建模平臺(tái)為用戶提供一個(gè)內(nèi)嵌或跳轉(zhuǎn)服務(wù)的可視化BIM建模環(huán)境，通過(guò)可視化模型所見(jiàn)即所得的、協(xié)調(diào)性避免工地施工問(wèn)題的發(fā)生，平臺(tái)的模擬性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段，模擬真實(shí)世界操作事物，提供各種模擬工具對(duì)復(fù)雜項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化。

（5）服務(wù)管理平臺(tái)提供云資源的動(dòng)態(tài)管理維護(hù)服務(wù)，包括基礎(chǔ)設(shè)施的資源彈性調(diào)整服務(wù)、數(shù)據(jù)資源的監(jiān)控服務(wù)、數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)計(jì)服務(wù)等，從而實(shí)現(xiàn)上層業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)資源的請(qǐng)求服務(wù)，以及結(jié)合工地BIM數(shù)據(jù)，提供專業(yè)模型的分析服務(wù)等。

1.2.3 軟件服務(wù)

軟件服務(wù)建立于平臺(tái)服務(wù)上，通過(guò)服務(wù)平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)資源和服務(wù)資源，直觀地為用戶提供各種應(yīng)用場(chǎng)景的操作功能。比如工程人事管理、工程進(jìn)度管理、物料進(jìn)出庫(kù)管理、閘機(jī)管理、塔吊管理、電子圍欄管理等諸多方面的場(chǎng)景功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)路線

2.1 云平臺(tái)虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)將大量物理設(shè)備，比如CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)等集中到一起形成集中資源，通過(guò)集中管理統(tǒng)一調(diào)度的技術(shù)手段，把這些集中資源按需做分配，統(tǒng)一調(diào)度，如此可以最大程度地利用所有硬件資源，并大幅提高這些物理設(shè)備的運(yùn)行效率。在分配到的資源上部署操作系統(tǒng)，并部署需要的應(yīng)用系統(tǒng)，就形成了各類云平臺(tái)。如圖2所示。

圖2 云平臺(tái)虛擬化技術(shù)

時(shí)空信息平臺(tái)基于云平臺(tái)虛擬化技術(shù)做搭建，具體實(shí)施步驟：部署虛擬機(jī)，安裝操作系統(tǒng)，部署應(yīng)用形成云平臺(tái)。比如，在構(gòu)建地理信息平臺(tái)時(shí)，首先使用虛擬化技術(shù)構(gòu)建計(jì)算資源池，再根據(jù)地理信息平臺(tái)的資源需求，利用云計(jì)算的彈性分配特點(diǎn)，按需提供易擴(kuò)展、高效穩(wěn)定的資源服務(wù)。

2.2 基于地理位置信息組織時(shí)空數(shù)據(jù)

現(xiàn)實(shí)中80%的信息資源與空間位置有關(guān)，工地上的材料放置、工人的人員位置、施工位置、塔吊等設(shè)備位置、建筑中的物件安放位置等，都可以確切落在一個(gè)具體的空間坐標(biāo)上。因此，以地理空間信息為基準(zhǔn)，結(jié)合時(shí)間維度，將材料位置、施工位置、人員定位、設(shè)備位置、物件安放位置等部件，在空間和時(shí)間維度下進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)“部件、空間、時(shí)間、屬性”多位一體的時(shí)空數(shù)據(jù)組織形式。如圖3所示。

圖3 時(shí)空數(shù)據(jù)組織

2.3 地理編碼數(shù)據(jù)庫(kù)

地理編碼是把實(shí)際地理位置轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)字地理坐標(biāo)的過(guò)程。地理編碼數(shù)據(jù)庫(kù)的目標(biāo)是利用空間定位技術(shù)和地址匹配技術(shù)，建立智慧工地的地址編碼庫(kù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的空間坐標(biāo)，整合與工地相關(guān)的各類部件要素資源，在智慧工地各應(yīng)用系統(tǒng)之間建立數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，為各應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和交換提供數(shù)字信息支撐。

地理編碼數(shù)據(jù)庫(kù)的形成過(guò)程：首先根據(jù)工地上的部件的位置，自動(dòng)生成“部件+地理坐標(biāo)”形式的標(biāo)準(zhǔn)地址，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地址，自動(dòng)生成地圖坐標(biāo)，從而建立地理編碼庫(kù)。

地理編碼數(shù)據(jù)庫(kù)是“智慧工地時(shí)空信息平臺(tái)”的數(shù)字基礎(chǔ)，地理編碼數(shù)據(jù)庫(kù)為智慧工地各應(yīng)用系統(tǒng)提供關(guān)于材料、人員、設(shè)備等部件的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的信息支撐，滿足了智慧工地對(duì)部件時(shí)空位置定位的需求。

2.4 共享交換技術(shù)

共享交換平臺(tái)是依托地理編碼數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)之間信息資源的實(shí)時(shí)共享和交換，滿足智慧工地各類應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)地理信息和空間定位、分析的基本需求。其以SOA（面向服務(wù)的架構(gòu)）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，集成GEO-ESB服務(wù)總線（地理信息企業(yè)服務(wù)總線）的模式實(shí)現(xiàn)空間信息的共享、交換、運(yùn)維、管理和服務(wù)。共享交換系統(tǒng)包括中心交換、前置交換、地理編碼交換等功能，同時(shí)支持二次開(kāi)發(fā)。

通過(guò)共享交換平臺(tái)的建設(shè)，將智慧工地應(yīng)用中的各類時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行打通，從而實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的共享與關(guān)聯(lián)性分析。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著智慧工地建設(shè)的推進(jìn)，信息化科技手段正在為傳統(tǒng)的建筑工地帶來(lái)一場(chǎng)“智慧變革”，時(shí)空信息平臺(tái)也急需應(yīng)用到建筑施工現(xiàn)場(chǎng)。本文主要探討了在智慧工地現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，時(shí)空信息平臺(tái)給智慧工地帶來(lái)的轉(zhuǎn)變，同時(shí)圍繞此目標(biāo)探討了時(shí)空信息平臺(tái)的總體架構(gòu)的搭建，以及提供的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、平臺(tái)服務(wù)和軟件服務(wù)，并基于此提出了構(gòu)建智慧工地時(shí)空信息平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)路線：基于虛擬化技術(shù)構(gòu)建地理信息平臺(tái)、基于地理位置信息組織時(shí)空數(shù)據(jù)、地理編碼數(shù)據(jù)庫(kù)和共享交換技術(shù)。

除了以上內(nèi)容，智慧工地時(shí)空信息平臺(tái)還有其他研究?jī)?nèi)容，比如基于位置和時(shí)間的大數(shù)據(jù)分析、基于時(shí)間和位置的指揮中心大屏信息的構(gòu)建及展示等，都是下一步需要研究的方向。