面向物聯(lián)網(wǎng)的通用智慧工地云平臺接入服務(wù)研究

0 引言

建筑行業(yè)在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著重要地位，只有保證建筑行業(yè)健康發(fā)展，才能有效推動社會經(jīng)濟(jì)的增長。對于建筑行業(yè)而言，建筑工程施工管理是所有建筑企業(yè)面臨的重要課題，如何有效提高施工管理水平是促進(jìn)建筑行業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。智慧工地是一種新興的建筑工程管理理念，可以應(yīng)用在建筑工程的整個生命周期中。在智慧工地云平臺中，運用先進(jìn)技術(shù)手段對施工現(xiàn)場進(jìn)行實時監(jiān)控與管理，有利于提高施工過程中的安全性，加強(qiáng)相關(guān)方之間的協(xié)作，提升管理水平。

1 智慧工地云平臺在工程項目中的作用

智慧工地云平臺的建設(shè)與應(yīng)用，是充分發(fā)揮遠(yuǎn)距離監(jiān)控、地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)以及云計算等先進(jìn)信息技術(shù)的巨大潛力，依托于互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建出集感知、匯聚、分析、應(yīng)用于一體的平臺，如圖1所示。

在工程項目建設(shè)中，智慧工地云平臺的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）實現(xiàn)資源整合。智慧工地云平臺可以集成當(dāng)前的各類子系統(tǒng)，實現(xiàn)對資源的有效整合，為工程項目建設(shè)管理過程提供基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)支持，也可以構(gòu)建長效的共享交換機(jī)制，有利于實現(xiàn)各部門間的數(shù)據(jù)分享交流管理，有效解決數(shù)據(jù)處于孤立狀態(tài)的問題[1]。

2）為各類應(yīng)用提供支持。通過推進(jìn)智慧工地云平臺的建設(shè)，建立數(shù)據(jù)中心以及服務(wù)中心兩大核心組件，提高施工現(xiàn)場決策能力和管理效率，節(jié)約人力物力，降低施工成本，實現(xiàn)數(shù)字化、智慧化管理。同時，可以為平臺中運行的個性應(yīng)用提供底層數(shù)據(jù)支持，確保這些應(yīng)用能夠正常運行，充分發(fā)揮其在平臺中的作用。

3）建立信息服務(wù)體系。構(gòu)建高效的智慧工地云平臺，能夠?qū)θ藛T管理、安全管理、機(jī)械設(shè)備管理、材料管理、環(huán)境監(jiān)測以及視頻監(jiān)控等服務(wù)信息進(jìn)行科學(xué)分類與有效整合，滿足施工現(xiàn)場各個環(huán)節(jié)多樣化的服務(wù)需求。通過多元化的途徑發(fā)布相關(guān)的信息資源，可以提供更為全面且優(yōu)質(zhì)的信息檢索服務(wù)[2]。

4）為決策制定提供依據(jù)。智慧工地云平臺的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對各類信息資源的有效整合，借助先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，以報告、圖表等多種形式為決策者提供全面的參考依據(jù)，在一定程度上協(xié)助決策者做出更加準(zhǔn)確的決策。

2 智慧工地云平臺的構(gòu)架

智慧工地云平臺是一項借助科技創(chuàng)新手段，整合有關(guān)部門、各類相關(guān)企業(yè)及市民各方資源，提供全方位服務(wù)的綜合性信息平臺。該平臺主要涵蓋環(huán)境及設(shè)備監(jiān)控，視頻數(shù)據(jù)采集，智能在線管理，網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同辦公系統(tǒng)等核心業(yè)務(wù)模塊。

2.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用視頻監(jiān)控技術(shù)，將工地現(xiàn)場的實時狀況清晰地呈現(xiàn)出來。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對遠(yuǎn)端球形攝像機(jī)及其運動軌跡的精準(zhǔn)控制，同時接收并處理施工現(xiàn)場可能出現(xiàn)的各類警報信息。該系統(tǒng)還能通過語音指令對施工過程進(jìn)行遠(yuǎn)程操控與指揮，為管理者提供一種全新的方式對工地進(jìn)行全面控制、監(jiān)督及管理，從而極大地增強(qiáng)了對工地的支持力度。施工項目管理團(tuán)隊可以充分運用視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對整個施工過程的全天候監(jiān)測。視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠捕捉到現(xiàn)場每一個細(xì)微的變化，在視線難以觸及的偏僻角落里出現(xiàn)的施工問題都能被清晰地記錄下來，以便管理人員快速準(zhǔn)確地找到問題根源并解決問題。在意外事故等緊急事件發(fā)生時，視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠幫助管理人員迅速查明事故的詳細(xì)原因，為事故處理提供有力支持和保障[3]。此外，視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對施工現(xiàn)場核心區(qū)域的實時全程監(jiān)測，監(jiān)測工程建設(shè)的每一個環(huán)節(jié)，迅速識別并處理各類問題，消除可能存在的安全風(fēng)險，確保施工品質(zhì)的卓越性。

2.2 設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要由塔吊監(jiān)控、升降機(jī)監(jiān)控以及特殊車輛監(jiān)控三個模塊構(gòu)成。在塔吊監(jiān)控模塊中，每個獨立的塔機(jī)均可自行運行并實時監(jiān)控，能夠?qū)Χ嗯_塔機(jī)之間的防碰撞作業(yè)及聲光預(yù)警功能進(jìn)行全面保障。在警報鳴笛響起時，整個系統(tǒng)將自動控制塔機(jī)停止執(zhí)行任何可能存在風(fēng)險的操作，確保設(shè)備安全性。而升降機(jī)監(jiān)控模塊可以實現(xiàn)對升降機(jī)設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測。一旦出現(xiàn)緊急情況，監(jiān)控中心即可通過指令立即暫停升降機(jī)運行，防止事態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大。系統(tǒng)能夠完成對現(xiàn)場工作人員面部特征的精準(zhǔn)辨識，不僅能夠有效防范非授權(quán)人員未經(jīng)許可擅自進(jìn)入現(xiàn)場，同時也能確保只有經(jīng)過身份認(rèn)證的工作人員才能操作設(shè)備。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中還會記錄包括升降機(jī)設(shè)備的使用次數(shù)、故障檢修時間等重要信息，形成詳盡的設(shè)備維護(hù)檔案，以便日后進(jìn)行查閱與參考。在特殊車輛監(jiān)控模塊中，主要針對特殊車輛的監(jiān)控工作，全面監(jiān)測進(jìn)入工地上的所有特殊車輛，如水泥運輸車、混凝土攪拌車等，確保施工現(xiàn)場內(nèi)人員及車輛的安全性得到充分保障。

2.3 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可實時監(jiān)控現(xiàn)場施工所產(chǎn)生的噪聲及粉塵狀況，確保工程建設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)文明環(huán)保的施工方式。在噪聲監(jiān)測中，需要將噪聲監(jiān)測裝置安裝在施工現(xiàn)場，能夠?qū)さ刂苓叺脑肼曀竭M(jìn)行實時監(jiān)測和量化。采集到的數(shù)據(jù)會被安全地傳輸至云端服務(wù)器，并借助云計算技術(shù)深入分析與處理。一旦監(jiān)測過程中出現(xiàn)高于法定標(biāo)準(zhǔn)的噪聲情況，系統(tǒng)將會立即發(fā)出警報，同時向當(dāng)?shù)貦C(jī)構(gòu)及相關(guān)職能部門反饋準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，以便及時采取應(yīng)對措施。在粉塵監(jiān)測中，需要將粉塵監(jiān)測裝置安裝在施工現(xiàn)場，對施工現(xiàn)場周邊環(huán)境的粉塵狀況進(jìn)行實時監(jiān)控，并將獲取到的各項數(shù)據(jù)傳送至云端服務(wù)器進(jìn)行分析處理。一旦檢測到與氣象部門提供的相關(guān)數(shù)據(jù)存在明顯差異，系統(tǒng)將會立即觸發(fā)警報機(jī)制以確保環(huán)境安全[4]。

2.4 在線管理系統(tǒng)

在線管理系統(tǒng)主要由人員管理模塊、材料管控模塊、制度管理模塊以及安全管理模塊構(gòu)成。在人員管理模塊中，施工開始前嚴(yán)格執(zhí)行人員身份核實及分類，并以此為基礎(chǔ)，實施完善的安全管理體系。對于在高危環(huán)境下作業(yè)的員工，系統(tǒng)將自動標(biāo)注其相關(guān)信息，并對該類員工實行更高級別的安全管控措施。在材料管控模塊中，每次材料的使用以及采購，系統(tǒng)都會進(jìn)行詳細(xì)記錄和注明。根據(jù)施工前擬定的材料預(yù)算和實際使用情況，系統(tǒng)可以生成直觀易懂的圖表，為材料管理人員提供參考依據(jù)[5]。這樣不僅有利于對材料的精準(zhǔn)控制，更能夠有效提升材料的利用率，實現(xiàn)資源利用的優(yōu)化。在進(jìn)度管理模塊中，系統(tǒng)將建立詳細(xì)的總體工程進(jìn)度圖表，并依據(jù)具體施工狀況不斷更新這份進(jìn)度圖表，同時注明項目目前所處的工期階段。在此過程中，管理人員將借助于系統(tǒng)自動生成的彩色進(jìn)度條，方便對每個階段的進(jìn)展情況進(jìn)行全方位的監(jiān)控，靈活調(diào)整工時安排以及進(jìn)度計劃，確保工程能夠按照預(yù)定的工期順利完成，避免因不利因素導(dǎo)致的延誤現(xiàn)象發(fā)生。在安全管理模塊中，包括安全組織管理、施工現(xiàn)場的安全管理、工程施工過程中的安全管理以及設(shè)備使用過程中的安全管理等內(nèi)容。通過建立高效穩(wěn)定的安全管理系統(tǒng)，能夠?qū)ぷ魅藛T或設(shè)備的狀態(tài)及行為進(jìn)行實時監(jiān)控，所有參與者的人身安全得到充分保障，有效防止設(shè)備在運行過程中發(fā)生任何故障。

3 面向物聯(lián)網(wǎng)的通用智慧工地云平臺接入服務(wù)的實現(xiàn)

與現(xiàn)有的接入技術(shù)相比，面向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通用智慧工地云平臺接入具有明顯的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢集中體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸效率更高、運行過程中的能源消耗減少，并且具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力。這里以基于智能物聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建的智慧工地數(shù)據(jù)云平臺為例，探討物接入服務(wù)的實現(xiàn)。

3.1 物接入服務(wù)概述

物接入（IOT Hub）通過在云服務(wù)器與終端設(shè)備之間構(gòu)建高效穩(wěn)定的雙向信息通道，支持大規(guī)模的前端設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、分析以及狀態(tài)監(jiān)測等關(guān)鍵操作。物接入作為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，能夠處理高達(dá)億萬級別的并發(fā)連接與信息流量，為用戶提供打通雙向數(shù)據(jù)傳輸渠道的有效途徑，實現(xiàn)與智能物聯(lián)網(wǎng)平臺各類產(chǎn)品及服務(wù)的順利對接。依托于物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的設(shè)備接入服務(wù)，能夠順應(yīng)市場需求，支持標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議。為了滿足海量設(shè)備間進(jìn)行大規(guī)模且高效的雙向信息交流，采用發(fā)布與訂閱的典型模式。MQTT協(xié)議以其簡潔明了、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、操作簡便、開放性強(qiáng)以及易于開發(fā)等顯著優(yōu)勢，成為在網(wǎng)絡(luò)通信帶寬受限的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中最為適宜的選擇[6]。

3.2 物接入的創(chuàng)建

物接入平臺采用B/S架構(gòu)，其體系結(jié)構(gòu)包括感知設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、規(guī)則引擎和數(shù)據(jù)存儲。感知設(shè)備主要是通過各類傳感器接收周圍環(huán)境的變量并轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信息。通信網(wǎng)絡(luò)的主要作用是接收感知設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)。規(guī)則引擎是系統(tǒng)剝離出來的一個獨立負(fù)責(zé)邏輯處理的對象，觸發(fā)業(yè)務(wù)規(guī)則。數(shù)據(jù)存儲的作用是接收規(guī)則引擎流轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化。物聯(lián)網(wǎng)平臺提供海量設(shè)備的接入與管理能力，可以將IoT設(shè)備連接到云平臺，支撐設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云和云端下發(fā)命令給設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，根據(jù)不同的應(yīng)用場景，快速構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測解決方案。

搭配自有或第三方邊端物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，可支持多種北向設(shè)備協(xié)議接口如Modbus、OPC、Http、MQTT等。操作簡單，靈活對接阿里云、MES、云平臺、組態(tài)軟件等信息化與數(shù)字化系統(tǒng)。同時支持多種網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備連接，如4G、5G、Wi-Fi、有線連接等。

在運用MQTT協(xié)議來創(chuàng)建物接入功能時，開源多種平臺設(shè)備端代碼，提供設(shè)備端SDK、驅(qū)動等，幫助不同設(shè)備、網(wǎng)關(guān)輕松接入。同時，可以提供通信的產(chǎn)品和設(shè)備Topic，方便管理設(shè)備與服務(wù)端的通信，簡化授權(quán)操作，并且提供多種協(xié)議的設(shè)備端SDK，既滿足長連接的實時性需求，也滿足短連接的低功耗需求，還提供云對接SDK，快速構(gòu)建橋接服務(wù)，搭建設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺的雙向數(shù)據(jù)通道。

3.3 物接入的消息通信

物聯(lián)網(wǎng)平臺根據(jù)配置的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)規(guī)則，將指定Topic消息的指定字段流轉(zhuǎn)到目的地，進(jìn)行存儲和計算處理。并且提供RRPC和PUB/SUB兩種通信模式，滿足在不同場景下的需求。其中，PUB/SUB是基于Topic進(jìn)行的消息路由，并且可以對設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行壓縮處理，達(dá)到節(jié)約設(shè)備流量和提高傳輸速度的效果。

3.4 物接入的數(shù)據(jù)服務(wù)

接入設(shè)備數(shù)據(jù)源、云產(chǎn)品數(shù)據(jù)源、API數(shù)據(jù)源、本地上傳數(shù)據(jù)源、IOT孿生引擎數(shù)據(jù)源，并且預(yù)處理IOT實例Topic數(shù)據(jù)和API數(shù)據(jù)源，可以實現(xiàn)SQL分析功能，支持分析設(shè)備冷數(shù)據(jù)，或?qū)⑼獠繉?dǎo)入的行業(yè)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。通過編寫SQL語句，配置執(zhí)行查詢的策略，調(diào)度產(chǎn)出所需的數(shù)據(jù)至自定義存儲表，為進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)的價值，提供分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

3.5 物接入的監(jiān)控運維

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備完成智慧工地云平臺接入后，平臺可以對接入的設(shè)備、消息、物模型和規(guī)則引擎相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實時監(jiān)控和云監(jiān)控報警。針對設(shè)備運行數(shù)據(jù)提供的一系列運維場景智能服務(wù)，分析判斷設(shè)備故障、探測設(shè)備潛在風(fēng)險并及時預(yù)知業(yè)務(wù)異常。通過SSH協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)遠(yuǎn)程登錄設(shè)備進(jìn)行設(shè)備控制和管理，建立訪問端與設(shè)備端間的Web Socket通道，實現(xiàn)遠(yuǎn)程連接企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)備的功能[7]。

4 結(jié)語

將信息化技術(shù)融入工地建設(shè)過程中能夠有效地提高施工過程中的安全性與質(zhì)量水平。智慧工地云平臺中所涵蓋的各類系統(tǒng)，都能展現(xiàn)出各自獨特的功能優(yōu)勢，實現(xiàn)工程相關(guān)工作的安全與質(zhì)量的實時監(jiān)控，確保工程能夠按照預(yù)定時間節(jié)點順利完成。因此，建筑產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域迫切需要推廣、應(yīng)用這一新型管理模式。

參考文獻(xiàn)

[1] 吉杰，張為超，方杰杰.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智慧工地的協(xié)同管理[J].儀器儀表用戶，2023，30（12）：109-112.

[2] 李云濤，楊海成，梁四幺.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧工地構(gòu)建分析[J].中國設(shè)備工程，2022（6）：37-38.

[3] 李家華，黃黎明，陳良志.基于BIM和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧工地平臺在LNG碼頭施工中的應(yīng)用[J].水運工程，2024（2）：169-174.

[4] 甘超，楊玉芝，吳其林，等.基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地系統(tǒng)研究[J].綠色建筑，2023，15（5）：47-50.

[5] 李佳茜.基于北斗定位和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧工地研究[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2023，22（2）：44-47.

[6] 宋宇寧.基于“物聯(lián)網(wǎng)+”的智慧工地應(yīng)用探究[J].科學(xué)與信息化，2023（6）：84-86.

[7] 邵駿鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧工地系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].建筑與裝飾，2023（5）：142-144.