北斗智能設(shè)備在EPC 總承包中的應(yīng)用

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大到國(guó)家戰(zhàn)略小到民用便利，北斗導(dǎo)航正變得越來(lái)越重要。北斗芯片進(jìn)軍智能穿戴市場(chǎng)的勢(shì)頭也日益顯現(xiàn)。建筑工地是一個(gè)安全事故多發(fā)的場(chǎng)所，工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工藝流程紛繁復(fù)雜，如何完善現(xiàn)場(chǎng)施工現(xiàn)場(chǎng)管理，控制事故發(fā)生頻率，保障文明施工，一直是施工企業(yè)、政府管理部門關(guān)注的焦點(diǎn)。本文以EPC 總承包項(xiàng)目為依托，擁抱數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的時(shí)代趨勢(shì)，全面推動(dòng)智慧化發(fā)展戰(zhàn)略落地，結(jié)合北斗系統(tǒng)等新型科技，積極探索北斗智能設(shè)備在工地應(yīng)用，提升工程總承包管控能力。

在發(fā)達(dá)國(guó)家，衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展一直處于領(lǐng)先地位，衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用日趨成熟，其中，遙感衛(wèi)星已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣象、農(nóng)業(yè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、國(guó)土、環(huán)境保護(hù)、林業(yè)、海洋、測(cè)繪等多個(gè)方面[1]。

北斗系統(tǒng)是國(guó)家的重大科技工程，相繼提出了“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)”和“軍民融合”國(guó)家戰(zhàn)略，倡導(dǎo)用科技創(chuàng)新手段推動(dòng)生產(chǎn)模式的變革和經(jīng)營(yíng)能力的提升，鼓勵(lì)“軍民融合”深度發(fā)展，使得衛(wèi)星技術(shù)在非軍用行業(yè)得到更快的推廣應(yīng)用。北斗系統(tǒng)其核心技術(shù)完全自主可控，是科技創(chuàng)新工作的重要載體。北斗系統(tǒng)作為科技創(chuàng)新工作的重要載體，衛(wèi)星技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)不同行業(yè)展開應(yīng)用，在巡視、災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急支持、安全管控、通信保障、系統(tǒng)建設(shè)等方面均進(jìn)行了積極的應(yīng)用并取得了良好成效。

北斗智能設(shè)備在工程總承包管控中的創(chuàng)新應(yīng)用主要包括：（1）結(jié)合北斗系統(tǒng)等新興科技，填補(bǔ)傳統(tǒng)工程總承包管理工作中北斗系統(tǒng)應(yīng)用的空白。（2）融合北斗高精度定位系統(tǒng)，研發(fā)基于“北斗+GIS+三維可視化模型”的工程總承包現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化安全管控?cái)?shù)據(jù)平臺(tái)。（3）融合人員、車輛、設(shè)備的高精度位置、高精度電子圍欄、軌跡、高度、狀態(tài)、安措到人、告警等功能，實(shí)現(xiàn)工程總承包一體化在線監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程管控。（4）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼具導(dǎo)航、定位、授時(shí)、短報(bào)文等多功能于一體，外加全天候、準(zhǔn)實(shí)時(shí)、大尺度、多載荷、高效率等特點(diǎn)，適用巡視、災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急支持、安全管控、通信保障、系統(tǒng)建設(shè)等。通過(guò)分步建立平臺(tái)，專業(yè)化板塊分步實(shí)施，遠(yuǎn)期可擴(kuò)展規(guī)劃：“空天地（時(shí)）一體化”工程總承包管控平臺(tái)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)現(xiàn)有北斗智能穿戴設(shè)備（智能安全帽、電子圍欄、機(jī)械監(jiān)測(cè)儀），結(jié)合GIS、北斗、三維可視化等信息技術(shù)手段研發(fā)三維互動(dòng)實(shí)景工程管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工程總承包一體化在線監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程管控，為人員安全管控、設(shè)備作業(yè)安全、電子圍欄動(dòng)態(tài)布設(shè)與告警等提供技術(shù)支撐。三維互動(dòng)實(shí)景管理平臺(tái)以云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G 等多種先進(jìn)技術(shù)為支撐，以多維、空間化信息集成為理念，多元專題信息、衛(wèi)星遙感信息和基礎(chǔ)地理信息，形成對(duì)工程施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)管理模型。通過(guò)建立工程動(dòng)態(tài)感知體系、三維數(shù)字孿生支撐體系和施工管理體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的全面感知和動(dòng)態(tài)管理[2]。總體框架設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 總體框架設(shè)計(jì)Fig.1 Overall framework design

1.1 感知層

感知層是以已建成的高精定位網(wǎng)、無(wú)線通信網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)為依托，集成圍欄監(jiān)測(cè)儀、移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端、智能監(jiān)測(cè)頭盔、機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀等智能硬件，同時(shí)結(jié)合高清相機(jī)、無(wú)人機(jī)等輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的全面感知。智能安全帽具有：（1）高精度定位，內(nèi)置北斗三代高精度RTK 定位模塊，厘米級(jí)定位；（2）4G 通訊，支持移動(dòng)、聯(lián)通、電信通訊網(wǎng)絡(luò)（單呼、群呼、語(yǔ)音播報(bào)）；（3）人員狀態(tài)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)報(bào)警（靜默報(bào)警、跌落報(bào)警、圍欄報(bào)警、脫帽報(bào)警、登高報(bào)警）；（4）救援定位等功能。手持高精度移動(dòng)作業(yè)終端，具有高精度定位、4G 全網(wǎng)通、公網(wǎng)對(duì)講、星光夜視和平臺(tái)作業(yè)等功能，適用于農(nóng)業(yè)林業(yè)測(cè)量測(cè)繪、鐵路、消防應(yīng)急、戶外作業(yè)等多種應(yīng)用場(chǎng)景。高精度亞米級(jí)智能預(yù)警燈，4G 產(chǎn)品，基于高精度定位的物聯(lián)網(wǎng)道路作業(yè)安全預(yù)警設(shè)備，可精準(zhǔn)采集位置數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)道路施工、事故和封閉管制等信息的實(shí)時(shí)采集和發(fā)布，提升用戶出行效率和道路施工人員的安全水平[3]。車載衛(wèi)星定位平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)車船等移動(dòng)目標(biāo)的定位跟蹤、監(jiān)控調(diào)度、軌跡分析、報(bào)警處理、防盜防劫、信息發(fā)布、運(yùn)營(yíng)管理、統(tǒng)計(jì)分析于一體的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，能滿足對(duì)于移動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)控定位管理需求?？蓪?shí)現(xiàn)車輛超速報(bào)警、停車超時(shí)報(bào)警、定位天線開路報(bào)警、圍欄報(bào)警、求助報(bào)警。

1.2 中臺(tái)層

中臺(tái)層實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的接入、數(shù)據(jù)的管理。同時(shí)，建立了滿足業(yè)務(wù)深度應(yīng)用的數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析、工作流、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等業(yè)務(wù)支撐引擎。形成統(tǒng)一共享服務(wù)資源池，通過(guò)云服務(wù)系統(tǒng)，為各種業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐服務(wù)。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層以中臺(tái)服務(wù)為支撐，以解決用戶的直接需求為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程信息、施工動(dòng)態(tài)、施工過(guò)程進(jìn)行可視化的全面展示和管理。

（1）設(shè)備人員管理。該功能界面列出已創(chuàng)建所有設(shè)備，針對(duì)某一具體設(shè)備，提供編輯、刪除、查看詳情、管理數(shù)據(jù)流、添加觸發(fā)器以及發(fā)送命令功能。（2）施工進(jìn)度管理。施工進(jìn)度管理分為全景施工進(jìn)度和三維施工進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)施工生命周期展現(xiàn)、對(duì)比，可作為施工安排依據(jù)把控施工時(shí)間。三維施工進(jìn)度是由三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、三維場(chǎng)景信息和電子圍欄上報(bào)信息通過(guò)系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)三維可視化應(yīng)用服務(wù)。三維施工可視化，可看到基于三維地形的三維施工場(chǎng)景：完工區(qū)域展示完整施工3D 模型；施工區(qū)域展示灰度3D 模型；未施工區(qū)域展示透明3D 模型。（3）電子圍欄管理。列表顯示圍欄名稱，地圖中線框形狀顯示圍欄區(qū)域。設(shè)置圍欄ID、圍欄類型、圍欄名稱、報(bào)警規(guī)則、創(chuàng)建人、創(chuàng)建時(shí)間。根據(jù)終端上報(bào)位置信息，繪制電子圍欄，自由設(shè)置圍欄控制范圍。（4）動(dòng)態(tài)報(bào)警管理。設(shè)備告警：通過(guò)規(guī)則引擎設(shè)置告警規(guī)則，并啟用相應(yīng)動(dòng)作轉(zhuǎn)發(fā)告警消息，支持可視化規(guī)則設(shè)計(jì)器快速配置。實(shí)現(xiàn)效果：自定義告警規(guī)則：禁入、禁出、邊界告警，支持告警信息后臺(tái)提醒、記錄；支持短信、郵件、即時(shí)通訊、手持設(shè)備等告警提醒方式。系統(tǒng)規(guī)則報(bào)警如圖2 所示。（5）統(tǒng)計(jì)報(bào)表管理。用戶名、IP、所屬組織、操作時(shí)間、操作內(nèi)容，支持按操作時(shí)間、所屬組織、用戶名進(jìn)行篩選，及日志列表下載。系統(tǒng)中對(duì)所有對(duì)象進(jìn)行的操作均有日志記錄，并按該對(duì)象屬性分類記錄。例如，新增任務(wù)，需要記錄任務(wù)的操作內(nèi)容、操作時(shí)間、任務(wù)信息（包含任務(wù)綁定的設(shè)備和圍欄路線）、記錄人等。任務(wù)、圍欄、路線、設(shè)備的狀態(tài)變化均有后臺(tái)記錄。

圖2 系統(tǒng)規(guī)則報(bào)警Fig.2 System rule alarm

1.4 用戶層

現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目經(jīng)理可對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)資源分配、施工情況、施工動(dòng)態(tài)進(jìn)行全面管理；項(xiàng)目管理人員可全面了解施工進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)施工的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和管理[4]；施工人員，在全面監(jiān)管下嚴(yán)格按要求施工，發(fā)生異常行為報(bào)警提示，有效保障施工人員安全及項(xiàng)目進(jìn)度。

1.4.1 三維工地場(chǎng)景

綜合多種數(shù)據(jù)模型，將工地情況進(jìn)行三維建模，直觀顯示工地場(chǎng)景與各車輛、人員等位置關(guān)系。依據(jù)需求將地面、圍欄、道路、光伏子陣、箱變、臨時(shí)住房等設(shè)施（以光伏電站建設(shè)項(xiàng)目為例），按規(guī)劃圖要求建模、擺放。三維場(chǎng)景制作流程經(jīng)歷以下階段：二維數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入或創(chuàng)建、矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入、矢量數(shù)據(jù)編輯、三維模型導(dǎo)入、場(chǎng)景要素編輯、動(dòng)畫和輸出編輯。

數(shù)字工地三維數(shù)據(jù)制作，主要需控制以下幾點(diǎn)流程：（1）資料采集流程：根據(jù)不同制作精度，收集和整理特定比例尺的測(cè)繪資料，現(xiàn)狀立面拍攝和外業(yè)調(diào)研均有流程控制。（2）數(shù)據(jù)制作標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)流程：包括制作精度劃分、制作單位、坐標(biāo)系和制作技術(shù)流程等。（3）命名標(biāo)準(zhǔn)：包括地物分類編碼標(biāo)準(zhǔn)、模型貼圖命名規(guī)范、圖層和基礎(chǔ)資料規(guī)范等。（4）數(shù)據(jù)制作流程管理：主要包括制作任務(wù)管理、數(shù)據(jù)安全控制、備份、質(zhì)量控制等。數(shù)據(jù)生產(chǎn)項(xiàng)目實(shí)行三級(jí)質(zhì)量控制，以保證準(zhǔn)確和精美的三維工地?cái)?shù)據(jù)。

1.4.2 360°全景展示

360°全景技術(shù)是一種基于靜態(tài)圖像在管理平臺(tái)上能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)?？稍陔娔X端進(jìn)行360°全景觀察，通過(guò)交互操作，實(shí)現(xiàn)自由瀏覽，從而體驗(yàn)三維視覺(jué)世界。360°全景是由兩大部分組成：全景攝影與虛擬全景系統(tǒng)。把相機(jī)環(huán)360°的一組照片通過(guò)無(wú)縫處理，拼接成一張全景圖像，該攝影工作由全景管理員在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)景拍攝，通過(guò)全景防抖高清相機(jī)拍攝，也可用手機(jī)自帶相機(jī)全景功能拍攝生成包含全方向視角像素點(diǎn)的全景照片。打開工程管理平臺(tái)（PC 或移動(dòng)端）進(jìn)入虛擬全景系統(tǒng)照片上傳模塊，將拍攝生成的全景照片上傳至平臺(tái)，虛擬全景系統(tǒng)自動(dòng)將展開全景圖片和視頻映射到虛擬的球體表面，在球心放置透視相機(jī)，通過(guò)透視相機(jī)輸出畫面，結(jié)合基于經(jīng)緯、歐拉角的轉(zhuǎn)換控制算法實(shí)現(xiàn)視角自由控制。最終將真實(shí)場(chǎng)景還原在互聯(lián)網(wǎng)顯示，并具有較強(qiáng)的互動(dòng)性，通過(guò)控制環(huán)視的方向，可左右、上下、近遠(yuǎn)、大小調(diào)整視角，實(shí)現(xiàn)設(shè)備工程漫游。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)體系建設(shè)

2.1 地理信息數(shù)據(jù)

地理信息數(shù)據(jù)包括遙感影像和矢量地圖數(shù)據(jù)及相關(guān)地理信息。參照數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，采集并處理平臺(tái)地理信息。平臺(tái)地理信息主要包括：多分辨率衛(wèi)星遙感影像、數(shù)字高程模型（DEM）、工程環(huán)境信息，例如，道路、地名、重點(diǎn)建筑名稱等。對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)、矢量地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分層分級(jí)處理，以便于數(shù)據(jù)的高效高清晰度調(diào)用。

（1）遙感影像數(shù)據(jù)：整個(gè)區(qū)域采用0.6m 高分辨率航空遙感圖像和大比例尺矢量地圖及DEM 高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用三維生成技術(shù)，建立工程形象直觀、真實(shí)的地形地貌。（2）矢量地圖修測(cè)：對(duì)工程整個(gè)區(qū)域矢量地圖進(jìn)行全面修側(cè)，矢量地圖數(shù)據(jù)主要要素包括道路、園區(qū)、建筑名稱及所屬單位等，使其具有高度還原性。

2.2 三維模型數(shù)據(jù)

三維數(shù)據(jù)建庫(kù)與二維數(shù)據(jù)的建庫(kù)具有很大區(qū)別，一般經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)生產(chǎn)和數(shù)據(jù)上載等幾個(gè)主要的過(guò)程。三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)如圖3 所示。

圖3 三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)Fig.3 3D model database

2.3 資料信息數(shù)據(jù)

協(xié)同管理功能在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)用戶上報(bào)的狀態(tài)和文件等信息，系統(tǒng)將通過(guò)設(shè)計(jì)開發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和外部協(xié)議接口實(shí)時(shí)獲取并即時(shí)存儲(chǔ)這些信息，在三維空間實(shí)時(shí)展示監(jiān)控信息。

2.4 應(yīng)急救援、人員疏散、逃生路徑規(guī)劃預(yù)制數(shù)據(jù)

基于三維可視化模型，針對(duì)突發(fā)的安全事件（如火災(zāi)、地震、洪水等），用戶可以通過(guò)智能頭盔通訊功能播報(bào)現(xiàn)場(chǎng)情況，后臺(tái)AI 智能算法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)模型，計(jì)算密集人員疏散逃生路線，后通過(guò)智能頭盔進(jìn)行播報(bào)指揮。通過(guò)智能頭盔的生命狀態(tài)監(jiān)測(cè)、碰撞跌落報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傷員定位、呼救應(yīng)答[5]。

應(yīng)急救援、疏散逃生路徑規(guī)劃初階實(shí)現(xiàn)：綜合工地現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急演練預(yù)案，將人員疏散逃生路徑預(yù)先上傳于指揮平臺(tái)。出現(xiàn)險(xiǎn)情后，終端設(shè)備向指揮平臺(tái)險(xiǎn)情報(bào)警，指揮平臺(tái)向逃生組智能穿戴設(shè)備下發(fā)疏散路徑，以最大速度進(jìn)行逃生路徑規(guī)劃并指導(dǎo)人員疏散；指揮平臺(tái)向搶險(xiǎn)組下發(fā)搶險(xiǎn)任務(wù)，搶險(xiǎn)組進(jìn)行事故搶險(xiǎn)；指揮平臺(tái)向醫(yī)療救護(hù)組下發(fā)搶救任務(wù)，播報(bào)傷員位置，救護(hù)組與傷員進(jìn)行即時(shí)通訊，確定傷情及周圍環(huán)境情況，及時(shí)救助。

3 結(jié)語(yǔ)

在三維互動(dòng)實(shí)景工程管理平臺(tái)項(xiàng)目的開發(fā)實(shí)施中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)EPC 總承包項(xiàng)目管理實(shí)際需求，不斷深化三維互動(dòng)實(shí)景工程管理平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)景及功能開發(fā)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度指揮、違章作業(yè)報(bào)警、人員車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)、應(yīng)急救援指揮等功能。不僅可以讓使用者看到工程實(shí)景模型，還可以深入其中、身臨其境，真實(shí)感受身處工程現(xiàn)場(chǎng)之中，瀏覽設(shè)備結(jié)構(gòu)和內(nèi)部構(gòu)造，查看各個(gè)構(gòu)件的信息屬性?；诳梢暬夹g(shù)、具象化效果的技術(shù)交流運(yùn)用，摒棄傳統(tǒng)方式中單一依靠技術(shù)人員對(duì)照?qǐng)D紙、方案進(jìn)行講解的模式，能夠解決各級(jí)參觀考察領(lǐng)導(dǎo)無(wú)法快速游覽項(xiàng)目信息和進(jìn)度信息問(wèn)題，使得各種技術(shù)交流和項(xiàng)目展示信息更全面、感受更直觀、效果更好。