基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的公路施工適應(yīng)性及遠(yuǎn)程管理研究

摘要：在大型公路工程項(xiàng)目的施工現(xiàn)場，復(fù)雜的工作流程和多變的項(xiàng)目規(guī)模與類型使得現(xiàn)場管理面臨極大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)施工方法受限于數(shù)字資源和數(shù)據(jù)的不足，項(xiàng)目管理常依賴于臨時(shí)的報(bào)告信息收集，增加了管理難度。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，文章深入研究了基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的公路施工現(xiàn)場適應(yīng)性及管理經(jīng)驗(yàn)。該平臺專為大型土木工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目方對多個(gè)建筑工地的遠(yuǎn)程管理，并通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，迅速響應(yīng)并調(diào)整管理策略和工程進(jìn)度。文章對真實(shí)建筑工地進(jìn)行了2次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，物聯(lián)網(wǎng)云平臺在施工現(xiàn)場管理中展現(xiàn)出顯著的高效性，證明了其在大型公路工程項(xiàng)目管理中的適用性和價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；可靠數(shù)據(jù)；經(jīng)營調(diào)整； 遠(yuǎn)程管理

中圖分類號：U411" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）04-0078-03

0 引言

大型土木工程項(xiàng)目規(guī)模的擴(kuò)大及所需預(yù)算的增加，容易導(dǎo)致項(xiàng)目延期或成本增加，管理項(xiàng)目任務(wù)艱巨。傳統(tǒng)項(xiàng)目管理過程中，只有少量數(shù)據(jù)可用，項(xiàng)目管理者勞動強(qiáng)度大。施工現(xiàn)場報(bào)告和臨時(shí)信息手動收集過程緩慢，信息可用性低。目前，多數(shù)工程施工企業(yè)處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的早期階段，許多流程無法跟蹤，只能使用紙質(zhì)文件進(jìn)行報(bào)告。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化應(yīng)用逐漸取代了傳統(tǒng)方式，它不僅可提高施工效率，而且在施工項(xiàng)目的整個(gè)生命周期可為管理者提供有價(jià)值的工具與服務(wù)。截至目前，大部分?jǐn)?shù)字化工作停留在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和規(guī)劃層面［1-2］。

為改善傳統(tǒng)施工存在的弊端，使大型公路施工項(xiàng)目更加高效和可預(yù)測，本文探索一種物聯(lián)網(wǎng)智能化管理模式，即基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）施工云平臺，實(shí)現(xiàn)和管理適用于建筑工地的動態(tài)與適應(yīng)性應(yīng)用程序。該平臺可用于大多數(shù)項(xiàng)目的不同階段，包括從早期準(zhǔn)備到后期任務(wù)，再到項(xiàng)目生命周期最后階段的結(jié)構(gòu)維護(hù)。該平臺由部署在施工現(xiàn)場的智能設(shè)備組成，連接到車輛和材料上，或由工人佩戴。此類設(shè)備通過分布在站點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_進(jìn)行存儲，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場數(shù)字化。

1 物聯(lián)網(wǎng)施工云平臺

該平臺主要包括兩個(gè)部分，一是部署在施工現(xiàn)場的物聯(lián)網(wǎng)，由適當(dāng)?shù)?、可配置的智能?jié)點(diǎn)構(gòu)建；另一部分是帶有用戶界面的后端云平臺。分布在施工現(xiàn)場的智能硬件節(jié)點(diǎn)，通過本地?zé)o線電網(wǎng)絡(luò)收集和分發(fā)信息，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的分配，系統(tǒng)通過移動或有線網(wǎng)絡(luò)連接到云平臺（見圖1）。項(xiàng)目管理者可便捷地遠(yuǎn)程訪問平臺。

1.1 現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

在項(xiàng)目現(xiàn)場，部署一個(gè)或多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，創(chuàng)建本地?zé)o線電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，類似于LoRa網(wǎng)關(guān)的概念，根據(jù)頻譜管理和硬件限制的規(guī)定，該網(wǎng)絡(luò)在868 MHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻帶周圍運(yùn)行，并采用其專有協(xié)議，限制短程設(shè)備使用ISM頻段。通過使用占空比的最大值，即通過限制1 h內(nèi)的最大總傳輸時(shí)間、單次傳輸?shù)淖畲髸r(shí)間和兩次連續(xù)傳輸之間的最小斷開時(shí)間，或通過使用載波偵聽（LBT）和自適應(yīng)頻率靈活性（AFA）技術(shù)限制頻譜接入。LoRa協(xié)議受占空比的限制，嚴(yán)重限制了發(fā)送分組的最大數(shù)量及其傳輸量。

軟件平臺（TI堆棧）僅與少數(shù)選定的微控制器兼容，但選項(xiàng)范圍更廣，例如允許使用更強(qiáng)大的CPU（中央處理器），包括雙頻無線芯片。對現(xiàn)場安裝節(jié)點(diǎn)的測試表明，預(yù)期的原始數(shù)據(jù)速率約為50 kb/s，根據(jù)環(huán)境、特定的天線設(shè)置和傳輸功率，傳輸距離可達(dá)4 km，可滿足各種施工場景。系統(tǒng)不依賴于移動網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)通過LTE（長期演進(jìn)）模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)需要亦可通過電話電纜或衛(wèi)星鏈路實(shí)現(xiàn)連接［3］。

現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是施工現(xiàn)場和云平臺之間的橋梁，智能節(jié)點(diǎn)分布于施工現(xiàn)場，各智能節(jié)點(diǎn)連接到最近或唯一可用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)將接收數(shù)據(jù)包并將其傳輸?shù)皆坪蠖?，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從云平臺傳遞到智能節(jié)點(diǎn)，作為對請求的響應(yīng)或?qū)蠖朔?wù)發(fā)送的觸發(fā)信號。

1.2 可配置的智能節(jié)點(diǎn)

該平臺實(shí)現(xiàn)了可確認(rèn)智能節(jié)點(diǎn)分布于整個(gè)施工現(xiàn)場，它們連接在不同的車輛上，如挖掘機(jī)和運(yùn)輸材料的卡車。智能節(jié)點(diǎn)的功能概述見圖2，不同的傳感器可通過各種硬件協(xié)議連接；可選的輸出模式及電源實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)自定義設(shè)置，通過精準(zhǔn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)可以讓平臺適應(yīng)不同的復(fù)雜應(yīng)用場景。

電源可以選擇使用外部電源，如車載電源、電池，也可以使用太陽能電池板等其他能量收集方式。上述電源組合廣泛應(yīng)用于電路板設(shè)計(jì)過程，在未使用車輛時(shí)，可使用內(nèi)置電池處理斷電間隙。智能節(jié)點(diǎn)可承載多數(shù)已有的傳感器，支持各種協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化連接。輸出模式可以采用用于顯示簡單值和小型指令的LCD顯示器、用于發(fā)出通知信號的蜂鳴器，以及通過藍(lán)牙低能耗連接到智能節(jié)點(diǎn)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)訪問可用信息的平板電腦。智能節(jié)點(diǎn)的核心任務(wù)是傳感器數(shù)據(jù)采集，它定期讀取可用傳感器的值，包括位置、加速度、空轉(zhuǎn)、預(yù)處理和過濾數(shù)據(jù)，并且通過無線網(wǎng)絡(luò)將上述值發(fā)送到相應(yīng)網(wǎng)關(guān)，當(dāng)無線連接不可用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在本地緩存數(shù)據(jù)［4］。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，增大資源占用，因此本文選擇星形拓?fù)洹Ｈ绻?jié)點(diǎn)移動到網(wǎng)關(guān)無法訪問的地址，無線電連接不可用時(shí)，則可在本地緩存數(shù)據(jù)，所有智能節(jié)點(diǎn)能夠加入或離開本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)并與平臺組件通信。以上功能使得施工現(xiàn)場成為一個(gè)開放和動態(tài)的環(huán)境，但是設(shè)備及其功能的可用性或不可用性是未知的，例如電池電量低的智能節(jié)點(diǎn)可能會斷網(wǎng)一段時(shí)間，因此定制和自適應(yīng)是該平臺的關(guān)鍵特性。

1.3 云平臺

為了應(yīng)對建筑工地的開放性和動態(tài)性，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理者遠(yuǎn)程管理不同地點(diǎn)的多個(gè)施工項(xiàng)目，本文探索了一種自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法，即在云平臺上設(shè)計(jì)和執(zhí)行動態(tài)用戶應(yīng)用程序。自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法具有兩個(gè)優(yōu)勢：一是允許通過的領(lǐng)域?qū)ο竽Ｐ鸵越y(tǒng)一的方式定義獨(dú)立和異構(gòu)的事物，包括傳感器、制動器；二是允許事物、功能和服務(wù)進(jìn)行動態(tài)組合，以達(dá)到應(yīng)用程序和用戶需求的目標(biāo)，如監(jiān)控卡車的周期并做出相應(yīng)的反應(yīng)。由于物聯(lián)網(wǎng)具有高度異構(gòu)性，目標(biāo)可由不同的設(shè)備提供，所以在不同的執(zhí)行場景中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方式會有所不同［5］。

圖3描述了物聯(lián)網(wǎng)施工云平臺的主要組件及其連接方式。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)管理器代表平臺的接入點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)管理分布在不同施工現(xiàn)場的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)已在平臺網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中注冊為一個(gè)由密鑰和簽名組成的元組。在實(shí)際執(zhí)行過程中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)管理器在執(zhí)行階段僅接受有效密鑰簽名條目的節(jié)點(diǎn)的信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)身份驗(yàn)證。該平臺在兩個(gè)數(shù)據(jù)庫中保存其內(nèi)部數(shù)據(jù)，設(shè)備數(shù)據(jù)庫存儲不同站點(diǎn)可用的設(shè)備，如智能節(jié)點(diǎn)的信息、站點(diǎn)地址、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備位置及測量數(shù)據(jù)。領(lǐng)域?qū)ο竽Ｐ蛿?shù)據(jù)庫存儲所有設(shè)計(jì)的領(lǐng)域?qū)ο螅y(tǒng)一定義了現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其可用功能的信息。

2 現(xiàn)場測試

2.1 智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與功能

云平臺每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)都有由兩個(gè)子模塊組成的自定義設(shè)計(jì)板，節(jié)點(diǎn)核心包括一個(gè)定制的無線電模塊，該模塊基于雙帶IC（集成電路），支持2.4 GHz和低于1 GHz頻帶的操作。該模塊包括芯片及支持組件，位于主板的頂部，主板上裝有各種類型的傳感器、電源管理裝置和太陽能收集電路板。本設(shè)計(jì)使用一個(gè)頂部透明的防水外殼，為延長電池壽命，集成一個(gè)5 V、0.6 W的太陽能電池板安裝在透明頂部。

智能節(jié)點(diǎn)通常被放置在機(jī)器上，每日太陽能電池板可產(chǎn)生高達(dá)0.4 W的功率，延長了電池使用壽命。通過在箱子底部使用強(qiáng)磁體，可快速將其連接到施工車輛或挖掘機(jī)機(jī)臂上。圖4為智能節(jié)點(diǎn)圖，圖5顯示了連接在挖掘機(jī)機(jī)臂和卡車上的智能節(jié)點(diǎn)位置。

2.2 現(xiàn)場測試方案與實(shí)施

本文在2個(gè)建筑工地進(jìn)行現(xiàn)場測試。第一組測試配備了2輛卡車和1臺挖掘機(jī)，設(shè)定了1條特定的運(yùn)輸路線，并在大約2 h內(nèi)收集數(shù)據(jù)，該測試的主要目標(biāo)是驗(yàn)證系統(tǒng)的屬性，如傳輸范圍、安裝原理和數(shù)據(jù)質(zhì)量。第二組測試配備4輛卡車和2臺挖掘機(jī)在2條不同的運(yùn)輸路線上工作，自早上7：00到下午2：00的整個(gè)輪班中收集了4輛卡車和1臺挖掘機(jī)的傳感器數(shù)據(jù)，1號和4號卡車在A號公路上，2號和3號卡車在B號公路上。

2.3 數(shù)據(jù)收集與分析結(jié)果

在數(shù)據(jù)檢查方面，主要使用第二組施工現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)。在早班期間每輛卡車的循環(huán)持續(xù)時(shí)間段內(nèi)，如果由于某種原因在路線上出現(xiàn)延遲，例如挖掘機(jī)必須調(diào)整其位置，則出現(xiàn)的延遲會在一定周期內(nèi)傳播，直到周期持續(xù)時(shí)間再次穩(wěn)定至正常值，此類情況在現(xiàn)場部署設(shè)備時(shí)需避免。

每條路線的持續(xù)時(shí)間分布見圖6，持續(xù)時(shí)間的細(xì)分見圖7。由圖6可知，路線之間的差異很小，大約一半的周期用于等待加載或加載過程。根據(jù)車輛的位置和速度等數(shù)據(jù)，使用簡單的決策樹分類器自動提取車輛的不同活動狀態(tài)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可見，項(xiàng)目管理者可獲得準(zhǔn)確的運(yùn)行數(shù)據(jù)。如果偏離標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)運(yùn)輸周期開始在同一條路線上花費(fèi)更多的時(shí)間，項(xiàng)目管理者可直觀地識別并分析，推測車輛是否途中振動幅度變大、道路環(huán)境是否質(zhì)量惡化等。根據(jù)易于獲得和理解的信息，項(xiàng)目管理者可以隨時(shí)調(diào)整布置。

3 結(jié)論

本文探索了物聯(lián)網(wǎng)施工云平臺，旨在運(yùn)用數(shù)字化手段優(yōu)化大型道路建設(shè)項(xiàng)目的運(yùn)作流程。該平臺已在2個(gè)真實(shí)的公路施工現(xiàn)場接受測試并得到驗(yàn)證。使用該平臺，用戶能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控不同的施工現(xiàn)場，實(shí)時(shí)獲取最新信息，進(jìn)而動態(tài)調(diào)整正在進(jìn)行的項(xiàng)目流程。未來的研究中，可對該平臺進(jìn)行升級，例如探索并評估不同的網(wǎng)格方法，以實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接；利用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，準(zhǔn)確量化價(jià)值增益。

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