基于定位技术的信息管理系统的研发

黄向东，权重民

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

在工程建设项目施工过程中，为了保证施工区域内外不会互相干扰，传统的管理方法是在施工区域的边界建立临时性的围挡，并预留若干个出入口，在这些出入口建立管理措施，如门卫、智能化门禁、智能化匣机等，管理者通过这些管理措施很容易准确获得施工区域的人员/施工机械的数量和类别、进出时间等信息，同时阻止了非施工人员进入施工区域。

随着中国基础设施建设的不断深入开展，近年来许多城市开始重视并实施城市及周边区域的水环境治理工程、海绵城市工程、综合管廊工程的建设。这些工程建设项目有一个特点是施工区域较为分散，可能深入到城市的大街小巷，渗透到居民的日常生活区域，基本上属于开放式、半开放式。因此，通常无法完全采用建立临时性围挡等传统的管理措施，来实现对施工人员/施工机械的有效管理。能否利用当前快速发展的卫星定位技术、物联网技术、智能识别技术、数据通信技术、互联网技术、地理信息系统等信息技术手段，探索出一整套对这类工程建设项目的施工人员/机械进行有效管理的解决方案，以提高工程建设项目的精细化管理水平和效率，已然成为信息技术应用工作者面临的一项挑战。

1 系统建设方案

1.1 系统原理

1.1.1 定位技术简介

目前基于位置的常用定位方法主要有：① 卫星定位；② 基站定位；③ Wi-Fi定位；④ 蓝牙定位等。

(1) 卫星定位是采用覆盖全球的多颗卫星组成的卫星系统。在地球上终端设备获取4颗或者以上卫星的信号，通过这些卫星的方位、高度、与终端设备的距离等数据计算出终端设备所处的经纬度、高程等信息，实现对终端设备的定位[1-2]。

(2) 基站定位一般应用于手机用户，手机基站定位服务又叫做移动位置服务(LBS——Location Based Service)。它是通过电信移动等运营商的网络(如GSM网)及其信号强度计算出移动终端用户的位置信息(经纬度坐标)[2-3]。

(3) Wi-Fi定位是采用在Android、iOS和Windows Phone等智能手机操作系统中内置位置服务。由于每一个Wi-Fi热点都有一个独一无二的Mac地址，智能手机开启Wi-Fi后就会自动扫描附近热点并上传其位置信息[2,4]。

(4) 蓝牙定位是采用蓝牙技术，通过在室内部署适当的蓝牙局域网接入点，配置多用户的基础网络连接模式，之后汇总建筑物的位置数据的室内定位数据通过计算来实现定位[2]。

上述定位方法各有其优缺点，可以根据其优缺点和实际应用情况择优采用一种或多种。

1.1.2 人员或者机械定位获取

通过卫星定位、基站定位、Wi-Fi定位获得的位置信息，通常分手动和自动2种方式向服务器端发送，其间的通讯链路可选择电信等运营商的无线网络、Zigbee/Lora网络接入到互联网[5]。在系统建设过程中，根据不同使用人员、使用的不同设备，系统考虑采用手动/自动的不同方式。对于工程施工作业人员，由于通常信息化水平参差不齐，而且他们在作业过程中不可能再对设备进行操作，因此通常采用自动方式；施工机械通常也是采用自动方式；其他人员则可以根据智能手机的使用频度、经济性、整个工程对其管理要求等方面在自动和手动2种方式中选择。

1.1.3 信息展示方式

由于需要展示位置信息这类核心数据，根据实际应用的特点，采用传统的信息展示方式已经无法满足要求。例如对某一时间段的数据进行查询、过滤、分析、统计，最后生成图、表等，向包括工程建设项目管理者在内的用户进行展示。为此我们借助地理信息系统GIS的原理和方法来综合展示信息：① 将数据通过直观的方式展示在二维/三维地图上，如施工人员/机械的位置显示、运动轨迹显示等；② 还为用户提供必要的交互查询，如框选地图上某一区域获取在该区域的施工人员/机械的数量，输入某一行政区划以获取在该区域的施工人员/机械的数量等。因此，本系统既采用了常规的查询、过滤、分析、统计的方式来展示信息，也利用了地理信息系统特有的位置查询分析方法来展示信息[6]。

1.2 系统设备连接拓扑图

系统建设过程中，涉及的硬件和设备的连接拓朴(见图1)，其中涉及的定位方式综合利用了卫星定位、LBS定位、Wi-Fi定位技术。

图1 系统设备连接拓朴图

1.3 位置信息获取方案

从图1的拓朴图可见，系统建设过程中，采用了至少4种方案通过获取终端的位置信息，以达到施工人员和机械管理的目标。

1.3.1 定制可安装在安全帽的设备定位

安全帽是工程建设项目施工者的必须佩带装备，所以利用安全帽加装定制的定位设备，采用卫星/基站/Wi-Fi定位功能，获取设备当前位置信息。通过网络传输至数据中心，实现对施工者的定位管理。该方案易于安装、携带，既支持施工人员的使用，也支持施工机械的使用；并且该方案具有信息自动获取、发送的功能，几乎不影响施工人员/施工机械的正常作业，因此是一种最为稳定、可靠的位置信息获取方案。主要缺点是设备费用投入较大，运行期间还需要产生一定的无线通讯流量费。图2为专门安装于安全帽上的定制设备。

图2 定制可安装在安全帽上的定位设备图

1.3.2 智能手机APP定位

施工人员通过下载并安装定制开发的手机APP，开启卫星/基站/Wi-Fi定位功能，利用手机APP，获取当前位置的详细信息。通过网络传输至数据中心，以实现当前所在位置信息的自动获取。该APP可以设定间隔一定时间后自动发送定位信息，也可以关闭自动发送功能，改为手工发送定位信息。该方案主要缺点是定位信息自动发送受手机操作系统干扰较大，手工发送为使用带来一些不便，通常仅支持施工人员的使用。

1.3.3 电子手表定位

利用定制或者成熟的具有定位功能的手表，施工人员佩带该手表，通过电子手表获取卫星/基站/Wi-Fi定位信息，而位置信息通过网络传输至数据中心，以实现当前所在位置信息的自动获取。这种方式若使用商品化的手表则无需再定制开发专用设备，同时也具有稳定可靠的特点。该方案主要缺点是让施工人员佩带手表通常会影响其正常作业，有时也容易遗失或者损坏；该方案也需要投入一定的设备费用，但费用较第(1)方案略低，运行期间也需要产生一定的无线通讯流量费。

1.3.4 读卡器和门禁卡结合定位

对于施工范围相对固定的场地，可以利用门禁卡系统，通过施工人员刷门禁卡后获取人员刷卡信息，同时将读卡器所在的位置信息一并通过网络传输至数据中心，以实现当前所在位置信息的获取。该方案的特点是终端设备无需充电，成熟可靠，造价低廉，易于实施。但是若施工人员到其他作业区，则必须在新作业区再次刷卡，因此这种方案属于半自动的位置信息获取方案。

1.3.5 基站和RFID标签结合定位

该方案类似于“读卡器和门禁卡结合定位”方案，区别在于无需施工人员进行刷卡。但由于RFID标签被基站(或者读卡器)识别的距离有限，即使是有源RFID标签通常在120～150 m[7]，若大面积推广需要建立很多基站(基站之间可采用Zigbee/Lora方式进行组网)，最终将导致初始造价特别昂贵，此外解决基站的供电也是一大难题，故难以大范围实施。

1.3.6 其他方案

此外，中国电信股份有限公司的《中国电信外勤助手系统》、中国联通公司的《位置通-外勤管家系统》等均具备位置信息自动获取的功能。但由于这类系统属这些运营商专用系统，一般不对公众开放；而且使用这类系统的前提是必须使用支持运营商通讯网络的智能手机，并且所有持智能手机的用户必须与其签署位置隐私可被提供给第三方的协议，因此一般企业实施起来难度很大。

1.4 系统主要功能

1.4.1 施工项目管理

实现工程建设项目基本信息的管理功能。工程项目基本信息包括工程项目的属性信息(如项目编号、项目名称、所属标段、项目负责人、项目所在区域、项目工程量等等)、与工程建设项目相关的文档等。

本模块实现了添加、删除、修改、查询、EXCEL导出、打印等基本管理功能。在实现这些管理功能期间，系统还需解决与工程项目相关联的标段、施工人员、施工机械等信息匹配、关联问题。

1.4.2 施工人员管理

实现施工人员属性信息(如身份证号、姓名、性别、年龄、联系电话、工种、所属项目、所属标段等等)的管理和施工人员的角色管理功能。

在施工人员属性信息管理中，本模块实现了施工人员的添加、删除、修改、查询、EXCEL导出、打印等基本管理功能。在施工人员的角色管理中，系统根据需要对施工管理人员、工段管理人员、安全管理人员等角色进行添加、删除、修改、查询、EXCEL导出等基本管理功能，并将这些角色与施工人员进行关联。

1.4.3 施工机械管理

与施工人员管理的功能类似，区别在于施工机械不再具有角色的属性或者功能。

1.4.4 定位设备管理

提供定位设备验收入库管理，定位设备属性的添加、删除、修改、查询管理，定位设备的状态管理(新购、启用、停用、失效/丢失/报废等)、挂失管理、归还管理。

1.4.5 设备绑定管理

实现定位设备与使用人员绑定和解绑定、手机APP与使用人员绑定和解绑定、电子手表与使用人员绑定和解绑定、基站与电子标签的绑定和解绑定、电子标签与使用人员绑定和解绑定等功能。

1.4.6 定位结果展示

将人员/机械的位置信息、运动轨迹形象化地展示在电子地图上，单击电子地图上的基站或者人员/机械图标，可立即以“气泡”方式显示出基站或者人员/机械的详细信息；输入基站或者人员/机械的编号、名称，在电子地图上可以醒目的方式显示出其所在的位置；输入某一时间段，在电子地图上可显示出这一时间段施工人员/施工机械的历史运动轨迹，从而帮助管理者实现设备、人员的监控管理和调度。

1.4.7 查询和统计

提供详细的查询和统计方式：按对象的属性信息进行查询和统计；单击项目的树状结构(省/项目/标段/班组)进行查询和统计；在电子地图上单击对象图标或者框选某一区域进行查询和统计；按时间段进行查询和统计；按时间段、人员属性、项目、标段、设备使用情况等组合进行数量统计；统计各类设备的使用情况；各类在用设备的电量情况统计；各类设备在各个项目、各给定时间段的分布情况统计；各类在用设备在各个项目、各给定时间段的分布情况统计；按项目属性进行设备数量统计；等等。

1.4.8 系统运维管理

系统管理员可通过后台管理模块获取硬件设备运行状态信息，以此向相关人员就硬件设备及时充电、更换、维修等进行提醒。

2 应用效果

(1) 为实现系统功能定制开发了系统前端定位设备，定位信息实现自动化采集。由于定位设备专门设计定制，与目前市面上类似设备相比，具有外型小巧美观、工作时间长、安装方式紧贴工程建设项目需要、仅需充电即可使用、防水防尘防震防泥满足施工工地要求、参数配置方便、维护简捷、产品稳定可靠、应用范围较广、使用门槛低、经济实用。

(2) 系统所需的位置信息自动采集到私有云平台。通过定制开发的软件，解决了定位数据定时读取问题，并自动通过广域网传输到通用数据库管理系统中保存，整个过程实现的自动化完成，在软硬件的成熟度方面满足大规模推广应用的条件。由于信息存储在企业私有云平台上，而非存储在公有云平台上，可较好地满足企业的网络与信息安全要求。

(3) 通过系统实现了位置信息在GIS中可视化展示。通过将各类信息特别是施工人员和机械的位置信息在地理信息系统中实时展示，可视化程度高，有效提升企业的管理工作效率，降低管理成本，增强工程建设企业的核心竞争优势，受到业主和工程管理人员的欢迎。

(4) 系统方案已经完成了2个工程建设项目的试点实施(如图3)。这两个工程建设项目分别是茅洲河流域(宝安片区)水环境综合整治项目和汉中市兴元新区水系工程项目。其中前者综合试点实施了可安装在安全帽的设备定位、智能手机APP定位、电子手表定位、读卡器和门禁卡结合定位、基站和RFID标签结合定位等众多方案；后者主要试点实施了可安装在安全帽的定位设备。2个工程建设项目均根据业主的不同要求开发了基于GIS的信息管理系统，目前系统运行稳定正常。

图3 系统在某工程建设项目应用结果图

3 推广前景

通过本系统所述方案的成功实施，不仅实现了在开放式、半开放式工程建设项目的施工人员/施工机械等目标的实时定位管理功能，而且为探索开展目标越界监测预警、远程签到管理、电子围栏应用、目标活动行为分析、远程工作简报等延展性应用的众多中小企业提供了一套完整的解决方案，为致力于提高工程建设项目管控水平和效率，降低管理成本的企业提供了借鉴。例如，当需要开展目标越界监测预警时：① 将前端定位设备的定位信息发送间隔缩短；② 在后端软件系统中增加设置界线的功能，当有目标越过该界线时，系统自动向后端管理员发出告警，管理员再通过广播蜂鸣等方式向目标发出警报。当然也可以为前端定位设备增加一项蜂鸣功能，当目标越过界线时，由后端管理员触发前端定位设备的蜂鸣功能来发出警报。

4 结 语

利用当前快速发展的卫星定位技术等信息技术手段，辅助解决开放、半开放工程建设项目施工区域中施工人员/施工机械的定位等方面的管理，是一种可行的方案，值得进一步深入探讨和完善，同时还可据此开展更为延展性的应用。

本文所列的各种位置信息获取方案，各有优缺点，实际实施过程中应根据业主方的需求，在易用性、稳定可靠性、信息自动或者手动发送、经济性等方面进行综合评估比选，以期达到预期目标。

要较好地通过卫星定位等技术来实现工程建设项目的施工人员/施工机械的定位管理，开发一套信息管理系统是必不可少的，而地理信息系统被认为是形象化展示各类目标对象的优选工具。