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：在大型公路工程項目的施工現(xiàn)場，復(fù)雜的工作流程和多變的項目規(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，項目管理常依賴于臨時的報告信息收集，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。該平臺專為大型土木工程項目設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)項目方對多個建筑工地的遠(yuǎn)程管理，并通過實時數(shù)據(jù)分析，迅速響應(yīng)并調(diào)整管理策略和工程進(jìn)度。文章對真實建筑工地進(jìn)行了2次實驗，實驗結(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目管理中的適用性和價值。

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

大型土木工程項目規(guī)模的擴(kuò)大及所需預(yù)算的增加，容易導(dǎo)致項目延期或成本增加，管理項目任務(wù)艱巨。傳統(tǒng)項目管理過程中，只有少量數(shù)據(jù)可用，項目管理者勞動強(qiáng)度大。施工現(xiàn)場報告和臨時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，而且在施工項目的整個生命周期可為管理者提供有價值的工具與服務(wù)。截至目前，大部分?jǐn)?shù)字化工作停留在工程項目設(shè)計和規(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)項目的不同階段，包括從早期準(zhǔn)備到后期任務(wù)，再到項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)備通過分布在站點的無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_進(jìn)行存儲，實現(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，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)

在項目現(xiàn)場，部署一個或多個物聯(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)的最大總傳輸時間、單次傳輸?shù)淖畲髸r間和兩次連續(xù)傳輸之間的最小斷開時間，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)點分布于施工現(xiàn)場，各智能節(jié)點連接到最近或唯一可用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點。該節(jié)點將接收數(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，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

該平臺實現(xiàn)了可確認(rèn)智能節(jié)點分布于整個施工現(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現(xiàn)節(jié)點自定義設(shè)置，通過精準(zhǔn)設(shè)置節(jié)點可以讓平臺適應(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)計過程，在未使用車輛時，可使用內(nèi)置電池處理斷電間隙。智能節(jié)點可承載多數(shù)已有的傳感器，支持各種協(xié)議，并實現(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，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，可實現(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)?。如果?jié)點移動到網(wǎng)關(guān)無法訪問的地址，無線電連接不可用時，則可在本地緩存數(shù)據(jù)，所有智能節(jié)點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)點可能會斷網(wǎng)一段時間，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，實現(xiàn)項目管理者遠(yuǎn)程管理不同地點的多個施工項目，本文探索了一種自適應(yīng)設(shè)計方法，即在云平臺上設(shè)計和執(zhí)行動態(tài)用戶應(yīng)用程序。自適應(yīng)設(shè)計方法具有兩個優(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)點管理器代表平臺的接入點，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，每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點已在平臺網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)庫中注冊為一個由密鑰和簽名組成的元組。在實際執(zhí)行過程中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點管理器在執(zhí)行階段僅接受有效密鑰簽名條目的節(jié)點的信息，進(jìn)而實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)身份驗證。該平臺在兩個數(shù)據(jù)庫中保存其內(nèi)部數(shù)據(jù)，設(shè)備數(shù)據(jù)庫存儲不同站點可用的設(shè)備，如智能節(jié)點的信息、站點地址、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)計的領(lǐng)域?qū)ο?，統(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)點設(shè)計與功能

云平臺每個智能節(jié)點都有由兩個子模塊組成的自定義設(shè)計板，節(jié)點核心包括一個定制的無線電模塊，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)計使用一個頂部透明的防水外殼，為延長電池壽命，集成一個5 V、0.6 W的太陽能電池板安裝在透明頂部。

智能節(jié)點通常被放置在機(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)點位置。

2.2 現(xiàn)場測試方案與實施

本文在2個建筑工地進(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)時間再次穩(wěn)定至正常值，此類情況在現(xiàn)場部署設(shè)備時需避免。

每條路線的持續(xù)時間分布見圖6，持續(xù)時間的細(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)實時可見，項目管理者可獲得準(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更多的時間，項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，項目管理者可以隨時調(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)項目的運(yùn)作流程。該平臺已在2個真實的公路施工現(xiàn)場接受測試并得到驗證。使用該平臺，用戶能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控不同的施工現(xiàn)場，實時獲取最新信息，進(jìn)而動態(tài)調(diào)整正在進(jìn)行的項目流程。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)確量化價值增益。

4 參考文獻(xiàn)

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