上?？睖y設(shè)計研究院有限公司 侯中華

大到國家戰(zhàn)略小到民用便利，北斗導(dǎo)航正變得越來越重要。北斗芯片進軍智能穿戴市場的勢頭也日益顯現(xiàn)。建筑工地是一個安全事故多發(fā)的場所，工程建設(shè)規(guī)模不斷擴大，工藝流程紛繁復(fù)雜，如何完善現(xiàn)場施工現(xiàn)場管理，控制事故發(fā)生頻率，保障文明施工，一直是施工企業(yè)、政府管理部門關(guān)注的焦點。本文以EPC 總承包項目為依托，擁抱數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的時代趨勢，全面推動智慧化發(fā)展戰(zhàn)略落地，結(jié)合北斗系統(tǒng)等新型科技，積極探索北斗智能設(shè)備在工地應(yīng)用，提升工程總承包管控能力。

在發(fā)達國家，衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展一直處于領(lǐng)先地位，衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用日趨成熟，其中，遙感衛(wèi)星已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣象、農(nóng)業(yè)、災(zāi)害監(jiān)測、國土、環(huán)境保護、林業(yè)、海洋、測繪等多個方面[1]。

北斗系統(tǒng)是國家的重大科技工程，相繼提出了“創(chuàng)新驅(qū)動”和“軍民融合”國家戰(zhàn)略，倡導(dǎo)用科技創(chuàng)新手段推動生產(chǎn)模式的變革和經(jīng)營能力的提升，鼓勵“軍民融合”深度發(fā)展，使得衛(wèi)星技術(shù)在非軍用行業(yè)得到更快的推廣應(yīng)用。北斗系統(tǒng)其核心技術(shù)完全自主可控，是科技創(chuàng)新工作的重要載體。北斗系統(tǒng)作為科技創(chuàng)新工作的重要載體，衛(wèi)星技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)不同行業(yè)展開應(yīng)用，在巡視、災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急支持、安全管控、通信保障、系統(tǒng)建設(shè)等方面均進行了積極的應(yīng)用并取得了良好成效。

北斗智能設(shè)備在工程總承包管控中的創(chuàng)新應(yīng)用主要包括：（1）結(jié)合北斗系統(tǒng)等新興科技，填補傳統(tǒng)工程總承包管理工作中北斗系統(tǒng)應(yīng)用的空白。（2）融合北斗高精度定位系統(tǒng)，研發(fā)基于“北斗+GIS+三維可視化模型”的工程總承包現(xiàn)場數(shù)字化安全管控數(shù)據(jù)平臺。（3）融合人員、車輛、設(shè)備的高精度位置、高精度電子圍欄、軌跡、高度、狀態(tài)、安措到人、告警等功能，實現(xiàn)工程總承包一體化在線監(jiān)測與遠(yuǎn)程管控。（4）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼具導(dǎo)航、定位、授時、短報文等多功能于一體，外加全天候、準(zhǔn)實時、大尺度、多載荷、高效率等特點，適用巡視、災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急支持、安全管控、通信保障、系統(tǒng)建設(shè)等。通過分步建立平臺，專業(yè)化板塊分步實施，遠(yuǎn)期可擴展規(guī)劃：“空天地（時）一體化”工程總承包管控平臺。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

通過現(xiàn)有北斗智能穿戴設(shè)備（智能安全帽、電子圍欄、機械監(jiān)測儀），結(jié)合GIS、北斗、三維可視化等信息技術(shù)手段研發(fā)三維互動實景工程管理平臺，實現(xiàn)工程總承包一體化在線監(jiān)測與遠(yuǎn)程管控，為人員安全管控、設(shè)備作業(yè)安全、電子圍欄動態(tài)布設(shè)與告警等提供技術(shù)支撐。三維互動實景管理平臺以云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G 等多種先進技術(shù)為支撐，以多維、空間化信息集成為理念，多元專題信息、衛(wèi)星遙感信息和基礎(chǔ)地理信息，形成對工程施工過程的動態(tài)管理模型。通過建立工程動態(tài)感知體系、三維數(shù)字孿生支撐體系和施工管理體系，實現(xiàn)對工程現(xiàn)場的全面感知和動態(tài)管理[2]?？傮w框架設(shè)計如圖1 所示。

圖1 總體框架設(shè)計Fig.1 Overall framework design

1.1 感知層

感知層是以已建成的高精定位網(wǎng)、無線通信網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)為依托，集成圍欄監(jiān)測儀、移動監(jiān)測終端、智能監(jiān)測頭盔、機械狀態(tài)監(jiān)測儀等智能硬件，同時結(jié)合高清相機、無人機等輔助設(shè)備實現(xiàn)對工程現(xiàn)場的全面感知。智能安全帽具有：（1）高精度定位，內(nèi)置北斗三代高精度RTK 定位模塊，厘米級定位；（2）4G 通訊，支持移動、聯(lián)通、電信通訊網(wǎng)絡(luò)（單呼、群呼、語音播報）；（3）人員狀態(tài)監(jiān)測及自動報警（靜默報警、跌落報警、圍欄報警、脫帽報警、登高報警）；（4）救援定位等功能。手持高精度移動作業(yè)終端，具有高精度定位、4G 全網(wǎng)通、公網(wǎng)對講、星光夜視和平臺作業(yè)等功能，適用于農(nóng)業(yè)林業(yè)測量測繪、鐵路、消防應(yīng)急、戶外作業(yè)等多種應(yīng)用場景。高精度亞米級智能預(yù)警燈，4G 產(chǎn)品，基于高精度定位的物聯(lián)網(wǎng)道路作業(yè)安全預(yù)警設(shè)備，可精準(zhǔn)采集位置數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)道路施工、事故和封閉管制等信息的實時采集和發(fā)布，提升用戶出行效率和道路施工人員的安全水平[3]。車載衛(wèi)星定位平臺可實現(xiàn)對車船等移動目標(biāo)的定位跟蹤、監(jiān)控調(diào)度、軌跡分析、報警處理、防盜防劫、信息發(fā)布、運營管理、統(tǒng)計分析于一體的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，能滿足對于移動目標(biāo)的監(jiān)控定位管理需求?？蓪崿F(xiàn)車輛超速報警、停車超時報警、定位天線開路報警、圍欄報警、求助報警。

1.2 中臺層

中臺層實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的接入、數(shù)據(jù)的管理。同時，建立了滿足業(yè)務(wù)深度應(yīng)用的數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析、工作流、統(tǒng)計報表等業(yè)務(wù)支撐引擎。形成統(tǒng)一共享服務(wù)資源池，通過云服務(wù)系統(tǒng)，為各種業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐服務(wù)。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層以中臺服務(wù)為支撐，以解決用戶的直接需求為目標(biāo)，實現(xiàn)對工程信息、施工動態(tài)、施工過程進行可視化的全面展示和管理。

（1）設(shè)備人員管理。該功能界面列出已創(chuàng)建所有設(shè)備，針對某一具體設(shè)備，提供編輯、刪除、查看詳情、管理數(shù)據(jù)流、添加觸發(fā)器以及發(fā)送命令功能。（2）施工進度管理。施工進度管理分為全景施工進度和三維施工進度，實現(xiàn)施工生命周期展現(xiàn)、對比，可作為施工安排依據(jù)把控施工時間。三維施工進度是由三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、三維場景信息和電子圍欄上報信息通過系統(tǒng)算法實現(xiàn)三維可視化應(yīng)用服務(wù)。三維施工可視化，可看到基于三維地形的三維施工場景：完工區(qū)域展示完整施工3D 模型；施工區(qū)域展示灰度3D 模型；未施工區(qū)域展示透明3D 模型。（3）電子圍欄管理。列表顯示圍欄名稱，地圖中線框形狀顯示圍欄區(qū)域。設(shè)置圍欄ID、圍欄類型、圍欄名稱、報警規(guī)則、創(chuàng)建人、創(chuàng)建時間。根據(jù)終端上報位置信息，繪制電子圍欄，自由設(shè)置圍欄控制范圍。（4）動態(tài)報警管理。設(shè)備告警：通過規(guī)則引擎設(shè)置告警規(guī)則，并啟用相應(yīng)動作轉(zhuǎn)發(fā)告警消息，支持可視化規(guī)則設(shè)計器快速配置。實現(xiàn)效果：自定義告警規(guī)則：禁入、禁出、邊界告警，支持告警信息后臺提醒、記錄；支持短信、郵件、即時通訊、手持設(shè)備等告警提醒方式。系統(tǒng)規(guī)則報警如圖2 所示。（5）統(tǒng)計報表管理。用戶名、IP、所屬組織、操作時間、操作內(nèi)容，支持按操作時間、所屬組織、用戶名進行篩選，及日志列表下載。系統(tǒng)中對所有對象進行的操作均有日志記錄，并按該對象屬性分類記錄。例如，新增任務(wù)，需要記錄任務(wù)的操作內(nèi)容、操作時間、任務(wù)信息（包含任務(wù)綁定的設(shè)備和圍欄路線）、記錄人等。任務(wù)、圍欄、路線、設(shè)備的狀態(tài)變化均有后臺記錄。

圖2 系統(tǒng)規(guī)則報警Fig.2 System rule alarm

1.4 用戶層

現(xiàn)場項目經(jīng)理可對施工現(xiàn)場資源分配、施工情況、施工動態(tài)進行全面管理；項目管理人員可全面了解施工進展，實現(xiàn)施工的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和管理[4]；施工人員，在全面監(jiān)管下嚴(yán)格按要求施工，發(fā)生異常行為報警提示，有效保障施工人員安全及項目進度。

1.4.1 三維工地場景

綜合多種數(shù)據(jù)模型，將工地情況進行三維建模，直觀顯示工地場景與各車輛、人員等位置關(guān)系。依據(jù)需求將地面、圍欄、道路、光伏子陣、箱變、臨時住房等設(shè)施（以光伏電站建設(shè)項目為例），按規(guī)劃圖要求建模、擺放。三維場景制作流程經(jīng)歷以下階段：二維數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入或創(chuàng)建、矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入、矢量數(shù)據(jù)編輯、三維模型導(dǎo)入、場景要素編輯、動畫和輸出編輯。

數(shù)字工地三維數(shù)據(jù)制作，主要需控制以下幾點流程：（1）資料采集流程：根據(jù)不同制作精度，收集和整理特定比例尺的測繪資料，現(xiàn)狀立面拍攝和外業(yè)調(diào)研均有流程控制。（2）數(shù)據(jù)制作標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)流程：包括制作精度劃分、制作單位、坐標(biāo)系和制作技術(shù)流程等。（3）命名標(biāo)準(zhǔn)：包括地物分類編碼標(biāo)準(zhǔn)、模型貼圖命名規(guī)范、圖層和基礎(chǔ)資料規(guī)范等。（4）數(shù)據(jù)制作流程管理：主要包括制作任務(wù)管理、數(shù)據(jù)安全控制、備份、質(zhì)量控制等。數(shù)據(jù)生產(chǎn)項目實行三級質(zhì)量控制，以保證準(zhǔn)確和精美的三維工地數(shù)據(jù)。

1.4.2 360°全景展示

360°全景技術(shù)是一種基于靜態(tài)圖像在管理平臺上能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬現(xiàn)實的技術(shù)?？稍陔娔X端進行360°全景觀察，通過交互操作，實現(xiàn)自由瀏覽，從而體驗三維視覺世界。360°全景是由兩大部分組成：全景攝影與虛擬全景系統(tǒng)。把相機環(huán)360°的一組照片通過無縫處理，拼接成一張全景圖像，該攝影工作由全景管理員在施工現(xiàn)場進行實景拍攝，通過全景防抖高清相機拍攝，也可用手機自帶相機全景功能拍攝生成包含全方向視角像素點的全景照片。打開工程管理平臺（PC 或移動端）進入虛擬全景系統(tǒng)照片上傳模塊，將拍攝生成的全景照片上傳至平臺，虛擬全景系統(tǒng)自動將展開全景圖片和視頻映射到虛擬的球體表面，在球心放置透視相機，通過透視相機輸出畫面，結(jié)合基于經(jīng)緯、歐拉角的轉(zhuǎn)換控制算法實現(xiàn)視角自由控制。最終將真實場景還原在互聯(lián)網(wǎng)顯示，并具有較強的互動性，通過控制環(huán)視的方向，可左右、上下、近遠(yuǎn)、大小調(diào)整視角，實現(xiàn)設(shè)備工程漫游。

2 數(shù)據(jù)庫體系建設(shè)

2.1 地理信息數(shù)據(jù)

地理信息數(shù)據(jù)包括遙感影像和矢量地圖數(shù)據(jù)及相關(guān)地理信息。參照數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)項目實際情況，采集并處理平臺地理信息。平臺地理信息主要包括：多分辨率衛(wèi)星遙感影像、數(shù)字高程模型（DEM）、工程環(huán)境信息，例如，道路、地名、重點建筑名稱等。對遙感影像數(shù)據(jù)、矢量地圖數(shù)據(jù)進行分層分級處理，以便于數(shù)據(jù)的高效高清晰度調(diào)用。

（1）遙感影像數(shù)據(jù)：整個區(qū)域采用0.6m 高分辨率航空遙感圖像和大比例尺矢量地圖及DEM 高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用三維生成技術(shù)，建立工程形象直觀、真實的地形地貌。（2）矢量地圖修測：對工程整個區(qū)域矢量地圖進行全面修側(cè)，矢量地圖數(shù)據(jù)主要要素包括道路、園區(qū)、建筑名稱及所屬單位等，使其具有高度還原性。

2.2 三維模型數(shù)據(jù)

三維數(shù)據(jù)建庫與二維數(shù)據(jù)的建庫具有很大區(qū)別，一般經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)生產(chǎn)和數(shù)據(jù)上載等幾個主要的過程。三維模型數(shù)據(jù)庫如圖3 所示。

圖3 三維模型數(shù)據(jù)庫Fig.3 3D model database

2.3 資料信息數(shù)據(jù)

協(xié)同管理功能在運行過程中通過用戶上報的狀態(tài)和文件等信息，系統(tǒng)將通過設(shè)計開發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和外部協(xié)議接口實時獲取并即時存儲這些信息，在三維空間實時展示監(jiān)控信息。

2.4 應(yīng)急救援、人員疏散、逃生路徑規(guī)劃預(yù)制數(shù)據(jù)

基于三維可視化模型，針對突發(fā)的安全事件（如火災(zāi)、地震、洪水等），用戶可以通過智能頭盔通訊功能播報現(xiàn)場情況，后臺AI 智能算法結(jié)合現(xiàn)場模型，計算密集人員疏散逃生路線，后通過智能頭盔進行播報指揮。通過智能頭盔的生命狀態(tài)監(jiān)測、碰撞跌落報警系統(tǒng)，實現(xiàn)傷員定位、呼救應(yīng)答[5]。

應(yīng)急救援、疏散逃生路徑規(guī)劃初階實現(xiàn)：綜合工地現(xiàn)場應(yīng)急演練預(yù)案，將人員疏散逃生路徑預(yù)先上傳于指揮平臺。出現(xiàn)險情后，終端設(shè)備向指揮平臺險情報警，指揮平臺向逃生組智能穿戴設(shè)備下發(fā)疏散路徑，以最大速度進行逃生路徑規(guī)劃并指導(dǎo)人員疏散；指揮平臺向搶險組下發(fā)搶險任務(wù)，搶險組進行事故搶險；指揮平臺向醫(yī)療救護組下發(fā)搶救任務(wù)，播報傷員位置，救護組與傷員進行即時通訊，確定傷情及周圍環(huán)境情況，及時救助。

3 結(jié)語

在三維互動實景工程管理平臺項目的開發(fā)實施中，結(jié)合現(xiàn)場EPC 總承包項目管理實際需求，不斷深化三維互動實景工程管理平臺的應(yīng)用場景及功能開發(fā)，實現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)度指揮、違章作業(yè)報警、人員車輛狀態(tài)監(jiān)測、應(yīng)急救援指揮等功能。不僅可以讓使用者看到工程實景模型，還可以深入其中、身臨其境，真實感受身處工程現(xiàn)場之中，瀏覽設(shè)備結(jié)構(gòu)和內(nèi)部構(gòu)造，查看各個構(gòu)件的信息屬性?；诳梢暬夹g(shù)、具象化效果的技術(shù)交流運用，摒棄傳統(tǒng)方式中單一依靠技術(shù)人員對照圖紙、方案進行講解的模式，能夠解決各級參觀考察領(lǐng)導(dǎo)無法快速游覽項目信息和進度信息問題，使得各種技術(shù)交流和項目展示信息更全面、感受更直觀、效果更好。