浅谈基于泛在物联网的智慧工地建设

石凌峰

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北武汉,430071）

1 概念解读

1.1 泛在物联网

物联网以互联网作为传递信息的媒介，它将RFID射频识别设备、红外传感器、激光扫描仪全球定位系统、和其它信息检测设备与互联网结合在一起，从而实现事物相互连接、通信和信息交换。它可以通过各种有线和无线网络实时、准确地传输联网的目标信息，对检测对象进行智能识别和精确定位。

物联网的整体架构如图1所示，主要可以分为：感知层、网络层和应用层。

图1 物联网架构图

感知层的主要功能是收集信息和对象识别，由温度传感器、摄像头、RFID和二维码标签等传感器和网关所构成。

网络层主要用于将采集到的物体信息从感知层传输到终端，进行实时、准确的处理。它包括了互联网、通信网络、云计算技术以及安全管控平台等。

应用层对所采集的信息和数据进行分类和整合，通过智能控制技术和程序开发实现如物流监控、智能家居、无感知支付等应用和产品，为用户提供了能满足其需求的软件和服务。

泛在物联网是一个随着网络技术的迅速发展而相应产生的概念，相对于传统物联网，它的主要特点是能够实现无处不在的万物互联。5G技术和IPv6技术的发展为泛在物联网提供了关键的技术支撑。它们的出现大幅提高了物联网数据传输的速率和范围，打破时间与空间上的限制从而实现真正意义上无处不在的物联网网络。

1.2 智慧工地

智慧工地作为智慧城市在施工建设行业的具体实施，为管理者提供了更加精细有效的施工管理方案。由于施工现场的复杂性，传统的施工管理存在诸多缺陷，如施工进度不明导致工期延误；安全隐患排查困难；建筑材料管理困难等。伴随物联网等新一代信息化技术的成熟和广泛应用，智慧工地作为解决这些痛点的全新方案应时而生。它运用这些技术将整个施工过程可视化,通过将工地现场人员和工程资料信息进行全面收集和实时调控，真正实现了工地现场精细化管理。

智慧工地整体的解决方案主要围绕人、机、料、法、环五大生产要素，采用物联网、互联网、大数据、云计算和人工智能等相关技术确保项目施工能够按照工作目标按时、安全且高质量的完成。整个方案主要包括 成本管理、安全管理、进度管理、质量管理、人员管理、施工管理、培训管理等几大模块。

2 泛在物联网中的核心技术

泛在物联网中的核心技术主要包括：RFID射频识别技术、传感器技术、网络通信技术、云计算技术。

2.1 RFID射频识别技术

RFID射频识别技术射频识别技术是无线通信技术的一种，它以射频方式进行双向的数据传输，通常用于物联网感知层。系统主要由RFID标签、读写器、记录仪和软件管理系统组成。

RFID电子标签在磁场中接收读写器和记录仪发送的射频信号，用线圈中感应电流获得的能量发送标签上存储的信息，或者通过标签发送特定频率的信号。RFID阅读器获取并解码信息后，将数据发送给软件管理系统存储和整理。

2.2 传感器技术

传感器是通过感应被测量物体的各种量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置。它可以收集大量信息，是获取通信和信息系统所需信息的一种手段。传感器技术作为信息技术的三大支柱之一，主要用于物联网架构的感知层来获取信息。

传感器技术是测试和自动控制的重要组成部分。它的主要特点是准确地传输和检测某种形式的信息，并将其转换为另一种形式。物联网中使用的传感器主要包括：温度传感器、湿度传感器、压力传感传感器等。物联网的传感器需要具有很好的抗干扰能力和灵敏度，从而能够准确可靠地捕捉和转换原始测量信息。

2.3 网络通信技术

网络通信技术是物联网整体架构中，作为中间桥梁连通了传感器等产品和终端的行业应用。

根据覆盖范围和通信距离的不同,通常可以将物联网中所需要运用的网络通信技术分成了以下四类：移动广域网(Mobile/WAN),采用移动互联网技术且覆盖范围大；广域网(WAN),采用非移动互联网技术且覆盖范围大；局域网（LAN），覆盖能力小且通常用于公司或公共设施；个域网（PAN）,覆盖能力小且通常用于短距离通信设备。选择物联网采用的网络通信技术时，除了网络的覆盖能力，带宽、功耗、传输速率以及信息安全也是很重要的考虑因素。

在传统物联网架构中,M2M（Machine to Machine）技术是物联网通信的支撑技术。它是一种用于双向通信的无线通信和信息技术系统，具有很好的兼容性。能与蓝牙、WiFi等近距离连接技术以及GSM/GPRS/UMTS等远程连接技术集成，也能用于基于网络和GPS的位置定位服务中。

随着互联网通信技术的发展， 5G技术已经逐渐取代4G成为物联网中的重要核心。与传统通信网络相比，5G网络的数据传输速度比当下4G互联网有了大幅提高，能够达到10GBit/s。它所具有的低时延低功耗、全频段通讯、海量连接、密集组网等特点也使物联网的发展迈入了泛在物联网阶段。5G 技术在保证网络承载能力的同时，提高了物联网通信网络系统的总容量和网络传输效率,为实现随时随地的万物互联提供了有力的技术支撑。

2.4 云计算技术

云计算技术是通过互联网在大型服务器集群上进行分布式计算的技术,其运算能力能达到每秒10万亿次。在商业的角度来看,云计算技术将计算能力当成商品提供给用户,是通过网络提供计算资源服务的模式。它将这些计算资源服务按客户需动态供给,由软件实现自动管理,取用方便,费用低廉。云计算所衍生出的产品通常可以分为三类那就是:云设施,云平台和云软件。它们分别对应三种主要的云计算服务形式:基础设施及服务(IAAS),平台及服务(PAAS)以及软件及服务(SAAS)。

云计算中的云存储技术通过分布式技术和运用各种设备集，给泛在物联网提供充足的存储空间和对海量数据进行采集和分析等功能。有了云存储技术的支撑，物联网的性能得到了提高，不仅提高了资源的利用率，让对物联网内各种兆字节数据量的大型项目实时动态管理和智能分析成为了可能。物联网也因此被更多的行业所运用，未来有更广阔的发展空间。

3 物联网技术在智慧工地中的运用

物联网技术在智慧工地中的运用,主要存在于智慧工地解决方案中的几大管理系统。主要包括:工地人员实名制管理系统、人员定位系统、塔机安全监控管理系统、环境监测系统。本文将以中南电力设计院智慧工地方案为例，详细阐述这些系统的功能以及实际运用情况。

3.1 工地人员实名制管理系统

工地人员实名制管理系统主要采用物联网体系中的RFID射频识别技术和网络通信技术，是一个集成了考勤管理、薪酬管理、教育培训等功能的工地个人信息管理平台。采用身份证读卡器获取工地员工的身份资料，再通过工地设备以RFID、人脸识别等技术对员工进行身份核对。员工通过刷IC卡或者刷脸记录每天出勤和参加教育培训的情况，系统能通过员工考勤记录自动生成出工表和薪酬表，为每月给工地人员发放薪酬提供依据。

图2 智慧工地人员管理系统

3.2 人员定位系统

人员定位系统通过施工人员使用集成智能芯片的头盔，与智能定位终端交互，记录厂区员工的运动轨迹并在地图上标注其相应的实时位置。系统通过分布式算法进行定位，降低了作业管控的复杂度，维持了施工秩序。管理者在系统中预先设定了施工现场每个区域的安全等级，当有人进入重点监控区域时，区域会自动报警且对其进行位置提醒和警告，系统后台也会收到预警信息，形成相应的记录和报告。非规定人员或在下班时间进入厂区，系统也将发送相应的语音提示，并将信息推送给管理者，从而加强施工现场的管理，为工地人员提供更好的安全保障。

图3 智慧工地人员定位系统

3.3 塔机安全监控管理系统

塔台安全监控管理系统主要采用物联网中的传感器技术和远程网络通信技术。塔吊的运行数据和实时的预警信号被传感器采集并传递给后端监控系统，进行数据的展现和分析，帮助操作员更加安全合理的驾驶塔吊。可实时监测扭矩、高度、振幅、旋转、等极限参数，并达到预警极限。通过黑匣子对塔台的整个运动过程全程监控,自检行动细节，以协助处理意外。

3.4 施工升降机安全监控管理系统

施工升降机安全管理系统集安全监控、自动报警、远程控制和事故分析等功能于一体,通过IC卡、指纹,人脸识别等技术强化人员管理,将监测的设备数据及运行数据实时上传,远程监测现场情况。人机信息在云端同步更新,同时将人员、载重等实时状态留存至黑匣子,数据互通可追溯,辅助事故处理追责。具有自动预警提醒功能,支持远程参数设置、程序升级、锁机等操作,为驾驶员提高了很好的安全保障。

图4 智慧工地塔台安全监控管理系统

3.5 环境监测系统

环境监测系统主要应用了物联网体系结构，能通过传感器实时采集扬尘、噪声、风速、风向、温度、湿度、大气压等各项数据,传输给远程的云平台进行大数据的呈现和分析。智能联动外接雾炮机、喷淋等降尘装置。数据超阈值后智能启动,实现设备自动远程联动控制,支持移动端控制,提升了施工现场环境整改的效率以及项目文明施工的水平。

图5 智慧工地环境监测系统

4 结论与展望

泛在物联网应用环境下的智慧工地建设,既是对传统施工管理方案的整体升级,也是对工程进度的全面掌握,资源和风险的全面控制。智慧工地中的各子系统通过对泛在物联网技术的部署,结合人工智能、云计算等新一代信息化技术,将整个施工过程可视化，完善了施工过程中工地人员工作和沟通的模式。通过对人员信息和施工现场信息的实时监控和分析,实现了工地精细化管理。