基于物联网技术的基建信息共享APP系统设计与研究

刘海龙1,周 斌,曹宝夷,李文博,闫伟

(1.国网天津市电力公司, 天津 300090; 2.国网天津市电力公司东丽供电分公司,天津 300300)

0 引言

基建项目工程现场管理不仅涉及的工程项目复杂而且涉及的单位、人员、参考等非常的多，传统基建现场管理采用区块化人工管理，不仅耗费大量的人力和财力，而且由于信息交互的不流畅容易发生信息孤岛问题影响项目的完工[1]。所以开展基建信息共享方面的研究对于提升基建现场管理水平具有非常重要的作用。目前基建现场的信息化仅是采用人对人的信息共享，虽然能够消除一定的信息堵塞影响，但是仍然没有彻底摆脱人为因素的影响[2]。为此，本文研究一种利用GPS设备、监控设备、安防设备等构建起的基于物联网技术的基建信息共享系统，利用移动APP进行便捷式管理，做到物与物、人与物的信息共享，提升基建现场的自动化管理水平。

1 基建信息管理现状及信息共享需求

1.1 基建信息管理现状

随着我国经济建设的不断发展，基建项目呈现出蓬勃发展的态势，如：公路、铁路、桥梁、矿井、电网等都在积极的建设中。基建建设涉及专项项目多，参与方数量大，人员流动性强，作业点分散，设备材料复杂，这给基建现场管理造成了极大的压力。为此在基建现场管理方面信息化管理的需求非常的紧迫[3]。目前，我国大部分基建项目现场管理采用人员管控，每一位管理人员控制一个环节，通过基建建设信息系统[4]、基建档案管理系统[5]、工程材料管理系统[6]、ERP系统[7]等多系统操作实现基建管理工作流向信息流的转化。但是由于基建项目工程量大，需要庞大的管理人员队伍，而由于人员配置不足，管理人员个体差异等问题导致基建现场管控精细度不足，现场管控存在短板的问题普遍存在。

1.2 信息共享需求

在现有的基建信息管理中，采用多套系统人工添加数据的方式实现基建现场信息的管理，管理人员工作量非常大，并且系统之间信息共享能力较差，往往需要传统的人工信息传递，这就导致出现信息延迟和信息孤岛的问题。信息共享对于基建信息管理非常的重要，建设基建信息共享系统不仅可以实现基建现场动态监督管理，而且能够为快速、准确做出判断提高基建现场管理水平[8]。但是，由于人工信息交流难免出现疏漏，给基建现场管理埋下隐患。为此，能够通过监控管理设备自动化信息管理，智能化的完成基建建设信息共享，通过共享信息实现监控设备之间、监控设备与管理人员之间的交互，一方面减少人工管理存在的疏漏，达到基建现场管理的无盲区目的，另一方面减少基建现场管理人力、物力、财力的支出，对于提升基建现场管理水平具有非常重要的意义。

2 基于物联网技术的基建信息共享APP系统设计

2.1 系统结构设计

2.1.1 硬件结构设计

要实现基建现场管理信息共享设备之间的信息交互和人与设备之间的交互需要搭建无死角的物理环境。分析基建现场作业点分散、人工活动范围广和施工区域划分困难等特点采用卫星定位技术、无线通信技术等设计系统物理结构，物理结构涵盖基建现场整体范围，利用卫星定位技术对现场人员进行定位管理，通过4G技术在作业区域建立热点辅助开展现场安全质量检查与巡视，采用Zigbee网络完成数据通信为管理人员提供更准确的数据支撑。基建现场环境如图1所示：

图1 基建现场环境

根据基建现场环境，布置基建现场基于物联网技术的基建信息共享硬件环境所需要的硬件设备主要有定位设备、摄像监控设备、消防报警设备、无线通信设备等。定位设备包括卫星定位器和RFID芯片卡两部分，定位器负责获取GPS坐标，RFID芯片卡记录现场工作人员信息，二者可以结合发送信息给系统确定工作人员位置信息、行动轨迹、到岗到位等信息。摄像监控设备对现场施工进行安全质量检查与巡视，管理人员可以通过视频画面实时了解现场作业情况，同时可以回放视频录像辅助管理人员进行现场分析。消防报警设备对现场施工过程中存在火灾隐患的施工区域进行警戒，采用烟感器远程预警。搭建Zigee网络组织设备间的通信，将各设备采集到的信息汇集到一个节点再通过无线通信设备可将人员、材料及工程设备材料等位置信息在无GPS网络环境下发送给系统，同时可以作为现场施工设备之间、人与设备之间信息的共享与交互环境支撑。基于物联网技术的基建信息共享APP系统硬件结构如图2所示。

图2 硬件结构

2.1.2 软件结构

基于物联网技术的基建信息共享APP系统采用三层体系结构，包括Funtion层、Module层和APP层[9]。Funtion层用于获取类或者函数的参数信息。Module是模型层，根据系统业务分类将相同业务封装进行客户端与数据库的连接，提供数据持久化操作。APP层是客户端操作界面层，按照基建现场管理需求和现场监控设备采集数据设计功能模块包括：现场巡检、视频监控、消防管理和通信管理四个部分，现场巡检功能通过设置在施工点的GPS设备精准采集施工点经纬度、海拔高度等信息，通过绑定在工作人员身上的定位设备即时获取GPS信息，实时监测工作人员位置、查看人员行动轨迹、记录进出场信息等。视频监控功能通过摄像监控设备获取现场实时拍摄画面，尤其是施工点、材料存放点、现场进出口等位置24小时全天候监控。消防管理功能通过消防报警设备即时获取现场消防信息，如电气火灾监控系统、火灾报警系统、实时消防水监控系统、消防设施检测系统等共享信息。通信管理功能对信息采集节点进行管理，按照采集节点对应的检测对象类型对节点进行分类管理，可进行信息的获取和节点的控制。基于物联网技术的基建信息共享APP系统软件结构如图3所示。

图3 软件结构

2.2 系统功能设计

2.2.1 现场巡检功能模块设计

现场巡检功能是辅助现场管理人员日常管理的重要功能，通过GPS定位设备对基建工程现场的施工点作业区管理，确定施工点的经纬度和海拔高度，辅助施工人员了解作业区的位置信息；对施工人员进行管理，可以实时定位查询施工人员位置、行动轨迹，记录施工人员进出场情况、到岗到位情况。现场巡检功能模块设计流程如图4所示。

采用real-ti me PCR法检测小鼠肺组织中重要的促炎细胞因子TNF-αmRNA的表达,结果表明LPS诱导的ALI小鼠肺内TNF-αmRNA含量显著增加(P<0.05),TPPU预处理可降低其含量,差异具有统计学意义(图2,P<0.05)。结果提示TPPU可减轻LPS诱导的ALI小鼠肺内炎症反应。

图4 现场巡检功能模块设计流程

2.2.2 视频监控功能模块设计

视频监控功能通过视频监控器对施工现场进行全面的监控，可调取每一个摄像头监控到的画面，每一路视频图像都会存储在服务器中，便于回放查看。视频监控包含有网络摄像机、网络存储设备、解码器、控制器，实时监控时可以通过远程控制摄像机的转动、镜头的拉伸便于用户更加准确的捕捉画面。视频监控功能模块设计流程如图5所示。

图5 视频监控功能模块设计流程

2.2.3 消防管理功能模块设计

消防管理功能对施工现场内存在火灾隐患的区域进行监测，结合电气火灾监控系统、火灾报警系统、实时消防水监控系统、消防设施检测系统等共享的信息进行消防安全管理，当检测系统感应到火情及时将火灾预警信息共享到APP系统中，及时准确的告知火灾位置。通过消防设施检测功能可以对消防管理的硬件设施，如：烟感器、火焰探测器、爆炸传感器、报警控制器等进行通信检测，保证消防设施通信的流畅性和完成性。消防管理功能模块设计流程如图6所示。

图6 消防管理功能模块设计流程

2.2.4 通信管理功能模块设计

通信管理功能可以进行GPS设备、摄像机设备、消防设备的绑定，设定通信接口，对已经添加的设备节点进行管理，检测设备之间的通信情况和设备与系统之间的通信情况。通信管理功能模块设计流程如图7所示。

图7 通信管理功能模块设计流程

3 基于物联网技术的基建信息共享APP系统开发

3.1 关键技术

3.1.1 GPS定位技术

GPS是全球卫星定位系统，可以应用于定位、测距和导航等，具有实时性、精度高、速度快、成本低等特点[10]。此次研究利用GPS定位技术构建GPS电子围栏，绑定GPS设备在工作人员身上，根据GPS定位信息确定施工点位置进行道路导航。

3.1.2 Zigbee组网技术

3.1.3 4G技术

4G技术是基于IP协议的移动网络技术，可以实现不同网络间的无缝互联[12]。此次研究将基建现场各施工点Zigbee网络节点所采集到的数据集中到一起通过核心网络发送到主控站，实现基建现场的远程管理。

3.1.4 软件开发技术

移动APP是进行基建现场的客户端操作程序，它可以根据基建现场管理的实际需求设计功能模块用于与基建现场设备之间的通信，实现远程监视与控制。

3.2 硬件开发

此次搭建的基于物联网技术的基建信息共享APP系统硬件环境主要采用ZigBee物联网和4G通信，ZigBee物联网采集现场管理设备数据如：通过GPS设备接收卫星数据、监控设备接收视频数据、各类感应设备接收消防数据，将所有数据集中到主控站；4G网络可实现多个施工点数据的远程发送，ZigBee网络中的数据汇集到一个节点后通过4G网络上传到服务器。

针对基建现场施工点区域内信息和设备进行组网通信，采用树状Mesh拓扑结构，围绕施工点布置节点，保持节点间距离在50 m左右，若工作点间的距离较远则采用4G传输数据。ZigBee无线通信模块使用TI公司制造的CC2530主控芯片[13]，网络设备包括协调器节点、路由节点和终端节点。终端节点采集区域范围内GPS数据、视频监控数据和消防监控数据，通过射频电路传输到协调器节点，并且路由节点使用多跳路由可以提高数据传输的距离。ZigBee网络硬件结构如图8所示。

图8 ZigBee网络硬件结构

3.3 软件开发

基于物联网技术的基建信息共享APP系统用户可通过APP查看基建项目各个施工点的共享信息，远程进行现场巡检、视频监控和消防管理，软件功能主要包括：系统登录功能、现场巡检功能、视频监控功能、消防管理功能和通信管理功能。

采用基于Android平台进行开发，使用Android Studio工具建立项目文件，在程序文件mainactivity.java编写系统功能逻辑程序，使用.xml文件Activity_main.xml进行控件的布局[14]。基于物联网技术的基建信息共享APP系统主要功能界面如图9所示。

图9 功能界面

4 基于物联网技术的基建信息共享APP系统应用

将本文所设计的基于物联网技术的基建信息共享APP系统应用于某国家电网工程项目基建现场管理中，分别对施工现场的人员定位、视频监控、消防管理和通信管理进行测试，测试过程如下。

4.1 实验环境

应用现场包含4个工程项目，8个施工点，现场人员30人。安装Zigbee网络节点48个，每个项目有12个网络节点，其中每个网络都有一个主控站用来汇集网络节点采集到的数据，主控站安装有4G无线数据终端，用于将数据发送到服务器。移动设备中安装APP系统调用服务器数据。

4.2 系统应用测试

分别对系统登录功能、现场巡检功能、视频监控功能、消防管理功能和通信管理功能进行应用测试，测试结果如表1所示。

表1 系统功能测试结果

通过对APP系统功能的测试，系统的各项操作结果与预期结果基本一致，在GPS定位中缺少两个GPS信号，其他功能都实现了测试目标，系统功能具有一定的完整性。

对系统性能进行测试，使用华为P30 512GB内存手机持续使用APP 6小时、12小时、18小时和24小时，CPU占用率、图片处理器每秒刷新的帧数和内存使用结果如表2所示。

表2 系统性能测试结果

通过系统性能的测试可以看出系统性能压力较大，在12小时范围内系统还可以正常操作，到18小时、24小时系统会出现卡顿、机器发热的问题，在满足24小时远程管理上所设计的APP与实际需求还存在一定差距。

5 结束语

此次设计研究的系统实现了物对物、物对人的信息共享，结合项目基建现场施工全过程布置网络节点，并安装各类设备，实现对工程项目的标准化、扁平化和集约化管理，通过及时全面的掌控现场施工人员的活动信息，将现场施工的进度、质量与安全等置于受控状态 ，对于基建工程精准化程度和现场安全管控水平的全面提升具有非常积极的现实意义和理论价值。此外，要是实现基建现场智能化、自动化管理还需要进行大量的数据分析，为施工决策提供指导，在接下来的研究中还需着重对基建现场采集到的数据进行深度挖掘，降低基建现场管理风险，并且在系统使用性能方面还需要进一步的优化。