基于物联网的工程施工管控信息系统

黄向东 权重民

一、前言

对于大多数工程施工项目，如水电工程、风电工程、光伏发电工程、水环境治理工程等，因为项目地点偏僻交通不便，或者距离工程建设管理人员办公地点较远等特点，若想加强对工程建设项目的管控，需要投入大量的人力、财力，并且效果往往还不尽人意。因此，能否借助物联网、卫星定位、视频监控、移动互联、GIS等新兴技术，开发工程施工管控信息系统并投入应用，让工程建设管理人员定期甚至实时掌握工程施工项目的人员机械投入情况、形象进度，实现对工程建设项目的管控，有效地节省人力、财力的投入，已成为工程建设管理人员的迫切需求，同时也是信息技术人员探索和尝试的方向。

近年来，随着物联网技术的兴起和成熟，一些行业开展了基于物联网的化工园区应急管理、仓库设备管理、智慧路灯管理等管理信息系统的研发。由于工程施工项目现场往往既难以保证物联网设备使用城市电网，同时数据传输网络也受到许多限制，加之工程施工现场常遇到雨水、灰尘、噪声等条件对物联网设备产生不利影响，使得将物联网应用在工程施工建设项目中遇到众多挑战。本文分享这些挑战的应对方案。

二、系统的架构和功能

（一）系统目标

工程施工管控信息系统的建设目标是，基于“智慧工地”和“互联网+”理念，将物联网、卫星定位、视频监控、移动互联、GIS等新兴技术应用于对传统工程建设项目的管理，实现企业各类管理人员对各工程建设项目现场的远程监视，有效地提高企业对工程建设项目的施工人员、施工机械、现场形象进度等方面的直观掌控，使企业在行业中的管理优势得到提升，同时为工程建设项目工作量评定及定额结算提供定性的参考。

（二）系统总体架构

工程施工管控信息系统的用户层主要包括：建设单位、管理单位、各类检查人员和相关领导，操作采用浏览器的方式进行。

工程施工管控信息系统的应用层主要包含6个子系统：基础GIS信息应用、基本信息管理子系统、视频监控子系统、人员机械定位子系统、形象进度管理子系统、后台运维管理子系统。

工程施工管控信息系统的支撑层由GIS平台、中间件、数据库管理系统等应用支撑软件组成。GIS平台提供了对地理空间数据的管理、维护、操作、显示、分析和建模等一系列与空间位置相关的服务。中间件支持应用层相关系统快速灵活的构建和部署。数据库管理系统支持对结构化数据和非结构化数据（照片、文档、地图数据和影像数据）的存储管理。

工程施工管控信息系统的数据层是系统数据存储和管理的中心，由基础地图数据、空间数据、专题数据等特定数据组成。

工程施工管控信息系统的基础层包含支撑系统运行的硬件设备、物联网设备、网络基础设施。主要包括服务器、视频监控设备、卫星定位设备、互联用、物联网等。

（三）系统主要功能

1、项目信息管理

将各个工程建设项目通过GIS进行展示，实现对工程项目各分标段信息的采集、浏览及详细信息查看等功能。各个项目的管理人员根据其权限可在地图上查阅各项目方位、项目基本信息、项目的分标段信息、各分标段的进度形象图片和视频信息等。

2、人员机械定位信息

通过将卫星定位设备与施工人员或者施工机械绑定，自动实时记录施工人员、施工机械的位置信息和行进轨迹，并通过GIS在地图上显示，并通过记录当前位置和历史轨迹，使管理人员直观查询各分标段当前或者历史上投入的资源情况，有利于管理人员从另一个角度分析工程各分标段、各阶段的施工资源投入情况。

3、实时视频监控

将安装视频监控设备的位置以图标方式GIS在系统中展示，授权用户可查看视频监控设备在工程项目上的安装部署情况。同时通过二次开发的监控设备ActiveX控件与工程施工管控信息系统集成，授权用户在系统中查找到视频监控设备后，单击相应的图标即可实时查看现场画面，也可远程操控设备进行左右转动和远近推拉，从不同视角查看工程项目现场形象。

4、后台运维管理

为配合工程施工管控信息系统的应用，为系统管理员日常维护系统运行而提供的配套管理功能。主要包括用户管理、部门管理、系统角色管理、数据角色管理、项目管理、定位设备管理、视频监控设备管理、日志管理等。

三、物联网各数据层实现方法

按照有关物联网的分层概念，工程施工管控信息系统在感知层（数据采集层）、传輸层、汇聚层、应用层的实现方面，除了采用与传统的管理信息系统相同的技术和处理方法外，还在人员机械定位信息、实时视频监控信息分别应用了卫星定位技术和视频监控技术进行信息自动采集，利用通讯网络进行信息传输，并在前端利用GIS技术进行信息展示。

（一）感知层（数据采集层）

人员机械定位信息主要采用基于卫星定位技术的设备进行自动采集。这些设备包括智能手机APP、专门设计的电子标签、专门设计并且可安装在安全帽上的定位终端等方式进行。在实际应用过程中，这几种方式均可使用，也均被本系统支持，但这几种方式各有优缺点，感兴趣的读者可参阅相关文献择优选用。

实时视频监控信息主要采用市场占有率较高的监控设备进行图像采集，采集的图像一方面可以供用户实时查阅，另一方面也可以通过FTP等远程方式保存到指定的服务器中。

通常情况下，由于安装在工程施工现场的感知层设备正常城市供电无法得到保障，因此必须在感知层解决设备的用电问题，通常有充电电池供电、太阳能供电、风力发电供电等方案可供选择。经过试验和探索，我们选择用充电电池的方式为安装在安全帽上的定位终端、视频监控设备进行供电。对于安全帽上的定位终端，设计了容量为400mAh可充电电池，并被直接置入终端中，充电4小时能保证定位终端正常工作7天左右。对于视频监控设备，配备了外置式的可充电电池和一套逆变器，两块电池交替为一个视频监控设备供电，每块容量为60Ah，充电10小时能保证视频监控设备正常工作6—8小时。

（二）传输层

由于人员机械定位信息数据量小，因此在实际应用过程中可采用2G通信网络进行传输。在人员机械定位信息的传输过程中，由于工程施工管控信息系统部署在企业局域网内，而通过感知层采集的信息一般无法直接穿过防火墙而保存到局域网的服务器中，只能保存在DMZ区的一个服务器中。因此为了简化网络配置，系统建设过程中进行了一点特殊的处理：选用一台可访问DMZ区（相当于可访问互联网）服务器的局域网计算机，编写一个PHP程序将DMZ区服务器上的卫星定位信息读出，再写入局域网内的服务器中，同时将该程序添加到Windows的任务计划中定时自动执行，实现数据从互联网到局域网的传送。

由于视频监控信息数据量大，并且工程施工现场无法架设有线网络，因此在实际应用中可采用4G通信网络进行传输。在传输过程中，为了保证数据的安全性，实时视频监控信息采用IPsec协议通过“VPN网关—VPN网关”的连接方式，与局域网内的服务器连接，此时只要将视频监控设备的IP地址配置成局域网内的IP地址，用户在工程施工管控信息系统即可直接进行访问。

当视频监控设备在传输过程中无法采用IPsec协议通过“VPN网关—VPN网关”的连接方式时，此时可将历史的视频监控信息通过FTP方式保存在DMZ区的一个服务器中，之后采用与人员机械定位信息相类似的方式，将数据从DMZ区服务器传输到局域网内的服务器中。

（三）汇聚层

不论是通过常规方式采集的项目信息、项目位置信息，还是通过物联网采集的人员机械定位信息、视频监控信息，或者通过其他方式采集的GIS地图信息，最终将都汇聚到局域网的服务器上，经过在数据汇聚层进行数据过滤、数据冗余清除、数据融合等处理后，最终向用户进行展示。

（四）应用层

为了使用户更为直观地理解系统展示的对象（如人员、机械、视频设备等）当前所处的位置，同时便于了解这些对象的相对方位、测量对象之间的距離，有关项目位置信息、人员机械定位信息、视频监控信息等数据，全部实现在GIS地图上进行展示；用户可以通过在地图上直接单击相关对象（如人员、机械、视频监控设备）的图标查阅相关属性，浏览其运动轨迹或者实时视频，也可以通过在GIS地图上框选/圈选方式选择一批对象，以表格方式列出这批对象的属性；还可以采用常规信息系统的查询过滤对象属性（如名称、所属分标段等）方式对相关对象进行筛选，在筛选的结果中进一步查阅特定的人员机械运动轨迹，或者特定视频监控设备的实时图像。

此外，由于采用在GIS地图展示对象，用户还可以方便地利用GIS的固有特性，在地图上查阅各个对象所在的行政区、与特定地理数据（如某个建筑物）的相对方向和距离。

四、结语

如何将日益成熟的物联网、卫星定位、视频监控、GIS等新兴技术应用于工程建设项目的施工管理工作中，l可以有效提高管理效率、节省差旅成本，正在得到越来越多的信息技术人员的关注和探索，笔者结合工程施工管控信息系统建设以及在多个工程建设项目应用的实践经验，介绍了系统的组成、主要功能、物联网各数据层的实现方法，希望为大家拓展这些新兴技术在工程建设项目管理中的应用思路。

作者单位：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司