智慧工地时空信息平台架构研究

罗乾鹏 冯 帆

（中铁建电气化局集团南方工程有限公司,湖北 武汉 430000）

近年来，智慧城市在不断地飞速发展，信息化系统在基建工程领域的应用越来越多，比如工地实名制人脸识别闸机、劳务管理系统等的使用。传统基建施工行业属于劳务密集型产业，传统的管理方式使劳动工地的人力、设备、物资材料利用都存在严重的浪费，各类原材料数据、生产过程数据不能互通和及时利用。智慧城市概念在2008年提出，随后大多数国家都开始了智慧城市的建设，随着智慧城市在各行业的深入发展，由智慧城市衍生出的智慧工地系统也在各大工地大规模实施，成为基建施工行业信息化应用的必然趋势。

时空数据是基于统一的时空基准，与位置直接或间接相关联的地理要素的自然、工程、人文和社会信息的数据等，具有时间维（T）、空间维（S）和属性维（D）的多维特征[1]。时空数据平台集成物联网实时感知数据、基础地理位置信息、时间信息、相关专题信息及扩展数据，提供从数据采集到存储、清洗、加工、共享及分析的泛在技术服务。

智慧工地时空信息平台将时空信息技术、智能感知设备、大数据分析、可视化展示等应用到工程施工现场中，以数字化、智能化丰富工程管理模式，提高企业施工信息化管理水平，提升企业核心竞争力，进一步实现工程管理精细化、协作化和高效化[2]。通过时空信息平台实现对现场工作人员、工程物资、机械设备等的实时位置监控，形成轨迹数据，同时获取时间信息，通过数据分析形成对人员、物资、工程等多维度的管理，并监测人员异常、物资库存使用量、工程进度，并对将来的物资使用、工程进度进行预测，同时对工地发生的应急事件进行及时发现和反馈[3]。

1 智慧工地时空信息平台架构设计

1.1 建设目标

与当前智慧工地使用的人脸识别闸机、劳务管理等分散独立部署的软件系统模板不同，时空信息平台应有以下6个转变。

（1）分散部署架构到云部署架构：基于IT基础服务设施，使用虚拟化技术建设云计算存储资源池，按照需要提供弹性的可扩展的IT实施环境，以支撑智慧工地系统的云部署实施。

（2）离散数据到时空数据：在传统的物料及过程数据的基础上，增加施工现场的时间和空间过程数据，比如基于BIM的建筑仿真模型、工地物料设备位置等数据。对数据在位置维度上做处理，同时与时间维度对应，以此完成离散数据到时空数据的过程化处理。

（3）一般性到定制化：除了提供一般性服务，比如物料监控管理、人员管理、进度管理、视频监控、设备管理等，还给用户提供定制化服务，比如基于时空信息平台的基于某一类特征的大数据分析服务。

（4）数据共享交换服务：改变以往的各个独立软件模块各自数据互不相通的局面，通过统一的数据共享交换模块，建立面向业务数据的协同共享交换数据体系，实现业务数据与时空数据的整合应用。

（5）时间数据服务到时空数据服务：服务模式上，改变仅能提供时间数据服务的方式，转为提供基于地理位置的时空数据服务方式，并提供基于时空大数据分析后的数据增值服务。

（6）桌面端到APP端：在展现和操作方式上，从基于B/S架构的桌面端应用向APP端转变，从界面、功能、数据、展现等全方位支持APP端。

1.2 总体架构

智慧工地时空信息平台，利用虚拟化技术进行搭建，结合移动通信、物联网等技术，以服务工地信息化建设为目的，为科学推进工地管理、建设、施工提供全面的信息化服务支撑。如图1所示。

图1 智慧工地时空信息平台总架构

1.2.1 基础设施服务

硬件基础设施服务分为硬件基础、软件基础数据库及资源池。细分来看，硬件基础包括IT服务器、存储磁盘、网络通信、摄像头、传感器等；软件基础数据库包括Windows、Linux操作系统、Oracle或MySQL数据库、中间件等；资源池即虚拟化解决方案，整合现有零散IT基础服务资源为可扩展的动态资源，以虚拟化系统为载体提供硬件基础设施、运行平台、业务功能软件等形式的自动化服务。

1.2.2 平台服务

平台服务建立于基础设施服务，面向使用者提供以下5类应用平台或服务。

（1）数据平台是业务系统的支撑，主要包括基础地理信息数据库、专题空间数据库、物联网数据库、元数据库等。基础地理数据库包括栅格地图数据库、矢量地形要素数据库、数字高程模型数据库、地名数据库、摄影影像数据库等。专题空间数据库包括工地行业应用系统需要对接的专业数据，如天气数据、物料数据、建筑BIM数据、施工人员数据等。

（2）数据资源管理平台以资源目录体系为纽带，以时空信息平台数据为基础，主要整合施工工地的各类数据，为工地的各部门或小组的管理施工提供数据支持，平台也能利用已有的数据，根据业务需要做进一步的大数据分析，满足资源整合及数据共享的复杂需求。

（3）应用开发管理平台提供应用二次开发部署环境及统一的数据接口，使用户能统一完成如插件加载、微信接口对接、电话短信对接等工作，同时提供应用模块的加载、移除、更改等管理功能。

（4）BIM建模平台为用户提供一个内嵌或跳转服务的可视化BIM建模环境，通过可视化模型所见即所得的、协调性避免工地施工问题的发生，平台的模拟性体现在设计阶段，模拟真实世界操作事物，提供各种模拟工具对复杂项目进行优化。

（5）服务管理平台提供云资源的动态管理维护服务，包括基础设施的资源弹性调整服务、数据资源的监控服务、数据资源的统计服务等，从而实现上层业务对数据资源的请求服务，以及结合工地BIM数据，提供专业模型的分析服务等。

1.2.3 软件服务

软件服务建立于平台服务上，通过服务平台提供的数据资源和服务资源，直观地为用户提供各种应用场景的操作功能。比如工程人事管理、工程进度管理、物料进出库管理、闸机管理、塔吊管理、电子围栏管理等诸多方面的场景功能。

2 关键技术路线

2.1 云平台虚拟化技术

虚拟化技术将大量物理设备，比如CPU、内存、磁盘、网络等集中到一起形成集中资源，通过集中管理统一调度的技术手段，把这些集中资源按需做分配，统一调度，如此可以最大程度地利用所有硬件资源，并大幅提高这些物理设备的运行效率。在分配到的资源上部署操作系统，并部署需要的应用系统，就形成了各类云平台。如图2所示。

图2 云平台虚拟化技术

时空信息平台基于云平台虚拟化技术做搭建，具体实施步骤：部署虚拟机，安装操作系统，部署应用形成云平台。比如，在构建地理信息平台时，首先使用虚拟化技术构建计算资源池，再根据地理信息平台的资源需求，利用云计算的弹性分配特点，按需提供易扩展、高效稳定的资源服务。

2.2 基于地理位置信息组织时空数据

现实中80%的信息资源与空间位置有关，工地上的材料放置、工人的人员位置、施工位置、塔吊等设备位置、建筑中的物件安放位置等，都可以确切落在一个具体的空间坐标上。因此，以地理空间信息为基准，结合时间维度，将材料位置、施工位置、人员定位、设备位置、物件安放位置等部件，在空间和时间维度下进行整合，实现“部件、空间、时间、属性”多位一体的时空数据组织形式。如图3所示。

图3 时空数据组织

2.3 地理编码数据库

地理编码是把实际地理位置转变成数据库中的数字地理坐标的过程。地理编码数据库的目标是利用空间定位技术和地址匹配技术，建立智慧工地的地址编码库，实现统一的空间坐标，整合与工地相关的各类部件要素资源，在智慧工地各应用系统之间建立数据关联，为各应用系统之间的数据共享和交换提供数字信息支撑。

地理编码数据库的形成过程：首先根据工地上的部件的位置，自动生成“部件+地理坐标”形式的标准地址，然后根据标准地址，自动生成地图坐标，从而建立地理编码库。

地理编码数据库是“智慧工地时空信息平台”的数字基础，地理编码数据库为智慧工地各应用系统提供关于材料、人员、设备等部件的准确、实时的信息支撑，满足了智慧工地对部件时空位置定位的需求。

2.4 共享交换技术

共享交换平台是依托地理编码数据库，实现各应用系统之间信息资源的实时共享和交换，满足智慧工地各类应用系统对地理信息和空间定位、分析的基本需求。其以SOA（面向服务的架构）设计实现，集成GEO-ESB服务总线（地理信息企业服务总线）的模式实现空间信息的共享、交换、运维、管理和服务。共享交换系统包括中心交换、前置交换、地理编码交换等功能，同时支持二次开发。

通过共享交换平台的建设，将智慧工地应用中的各类时空数据进行打通，从而实现各类数据的共享与关联性分析。

3 结语

随着智慧工地建设的推进，信息化科技手段正在为传统的建筑工地带来一场“智慧变革”，时空信息平台也急需应用到建筑施工现场。本文主要探讨了在智慧工地现状的基础上，时空信息平台给智慧工地带来的转变，同时围绕此目标探讨了时空信息平台的总体架构的搭建，以及提供的基础设施服务、平台服务和软件服务，并基于此提出了构建智慧工地时空信息平台的关键技术路线：基于虚拟化技术构建地理信息平台、基于地理位置信息组织时空数据、地理编码数据库和共享交换技术。

除了以上内容，智慧工地时空信息平台还有其他研究内容，比如基于位置和时间的大数据分析、基于时间和位置的指挥中心大屏信息的构建及展示等，都是下一步需要研究的方向。