解決方案概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧化管理解決方案為各行各業(yè)的智能化管理水平的提升帶來很大的提升。在建筑，橋梁，隧道及基建行業(yè)的施工現(xiàn)場，信息化系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)逐漸普及。

現(xiàn)有的信息化管理系統(tǒng)大部分以視頻監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)測，設(shè)備監(jiān)控為主。而智慧工地需要解決的核心問題還是人員安全的問題，避免人員安全事故的發(fā)生，其次需要解決的是提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。隨著物聯(lián)技術(shù)的深入發(fā)展，傳感技術(shù)的成熟，傳輸技術(shù)，5G的快速發(fā)展，讓更高智能化的物聯(lián)技術(shù)具備了發(fā)展的基礎(chǔ)。

《十四五國家科技發(fā)展規(guī)劃》中的精確定位技術(shù)應(yīng)用，可實時地獲取實際的現(xiàn)場信息，對進出工地的人員，車輛的信息以及工地內(nèi)各個區(qū)域的人員分布有一個全面、及時、準(zhǔn)確的掌握。管理者不在需要花費大量的精力、時間對各個區(qū)域進行巡邏。就能及時、準(zhǔn)確的掌握現(xiàn)場情況，提前發(fā)現(xiàn)安全隱患，杜絕事故的發(fā)生。

而基于室內(nèi)精確定位以及室外精確定位人員安全的管理，高精度的位置數(shù)據(jù)作為智慧工地數(shù)據(jù)流的重要組成，是智慧工程業(yè)務(wù)流中時間、空間、狀態(tài)三大數(shù)據(jù)指標(biāo)之一，空間位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實習(xí)性以及覆蓋完整性，是智能工地前端感知質(zhì)量的重要評價維度。構(gòu)建基于室內(nèi)、室外定位技術(shù)的高精度定位管理系統(tǒng)，借助室內(nèi)定位技術(shù)，BDS定位技術(shù)，實現(xiàn)對工廠人、車、物等的精確定位、無縫追蹤、智能調(diào)配與高效協(xié)同，大幅提升工地的精益生產(chǎn)及精細(xì)化管理水平。

其次大部分工地建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，高危區(qū)域眾多， 常見有高空作業(yè)，深坑作業(yè)，地下作業(yè)，隧道作業(yè)，危險如高溫作業(yè)，高原缺氧作業(yè)等。在這些區(qū)域的對于環(huán)境的實時監(jiān)測，以及施工人員生理，及心理的狀態(tài)的監(jiān)測和有效管理都可有效防止安全事故發(fā)生，保障工人職業(yè)健康。

基于此定位網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位，還能通過定位標(biāo)簽與穿戴設(shè)備的集成，實現(xiàn)對工地人員健康數(shù)據(jù)監(jiān)測，如心率，血氧，血壓，汗液等監(jiān)測，避免出現(xiàn)如疲勞上崗，過度勞動，防止出現(xiàn)中暑，缺氧，昏厥，乃至猝死引起未知的重大安全事故，以及實時調(diào)度系統(tǒng)，加之與視頻系統(tǒng)的的聯(lián)動，可顯著提升工地的智慧化管理需求，

智慧工地利用信息化手段提高信息綜合分析應(yīng)用能力，能夠推動和保證法規(guī)范，有效提升工地安全，有效減輕管理負(fù)擔(dān)，提升工地現(xiàn)場整體管理水平

系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)目標(biāo)

建立集約化高效的物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包含了傳感器技術(shù)和傳輸技術(shù)兩個方面。傳感器設(shè)備需要多功能融合減少設(shè)備數(shù)量，傳輸?shù)募夹g(shù)需要有前瞻性，穩(wěn)定性及強拓展性。

系統(tǒng)獨立建網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)可重復(fù)部署

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)簡單，維護難度低；

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可移動，滿足多次部署。

系統(tǒng)分散式部署，可集中管理

?  系統(tǒng)具有可拓展性，可升級

?  系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全，可存儲保留

為此本系統(tǒng)將結(jié)合吾控健康科技多年的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)積累為工地構(gòu)建一套容量大、通信可靠，可以多系統(tǒng)融合多應(yīng)用的統(tǒng)一物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計原則系統(tǒng)具備以下特點：

（1）安全性；系統(tǒng)通信安全保密性高，不易截獲，很難入侵，

（2）先進性和成熟性；系統(tǒng)采用符合國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的成熟的技術(shù)和設(shè)備

（3）可靠性與穩(wěn)定性；系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與存儲穩(wěn)定，確保長期可靠運行。

（4）可融合和可擴展性；系統(tǒng)與已有系統(tǒng)可集成，軟件采用開放式結(jié)構(gòu)。

（5）補充性和發(fā)展性；系統(tǒng)有效彌補原有系統(tǒng)不足，提升整體系統(tǒng)的性能。（6）智能化和易維護；系統(tǒng)自動運行，自動判斷異常，維護簡單。

建立新型補充融合系統(tǒng)

新型物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)可以接入智慧工地內(nèi)網(wǎng)或者4G或5G公網(wǎng)，提供有線和無線兩種接入方案。其中內(nèi)網(wǎng)由工地統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)，該網(wǎng)絡(luò)通過內(nèi)網(wǎng)與其他常用系統(tǒng)完成融合，為視頻監(jiān)控，門禁管理，應(yīng)急系統(tǒng)提供精確的人員位置信息及生理性息，以及語音對講功能，顯著提升以上系統(tǒng)的運行效率及智能化程度。

本方案主要針對無線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)進行設(shè)計。無線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)主要由無線基站設(shè)備構(gòu)成。組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如上圖：

通過無線基站在信號覆蓋范圍內(nèi)接入多種前端設(shè)備，實現(xiàn)同一網(wǎng)絡(luò)下的跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯集。采用這種方案一則可以統(tǒng)一規(guī)劃實現(xiàn)主要區(qū)域的信號覆蓋即可實現(xiàn)上述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳，極大的簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也使得網(wǎng)絡(luò)維護難度大大降低。

建設(shè)實用的物聯(lián)感知技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)模塊包括：人員信息管理，人員位置管理、人員生命體征管理。工程車輛位置管理，潛在危險源管理，系統(tǒng)聯(lián)動融合管理。

人員信息管理

?  通過身份證進行實名綁定，將人員身份信息、勞動合同書編號、崗位技能證書號登記入冊，

?  并確保人、證、冊、合同、證書相符統(tǒng)一，使監(jiān)管部門對工地勞務(wù)分包人數(shù)、情況明細(xì)、

?  人員對號、調(diào)配有序。

?  人員區(qū)域流動標(biāo)準(zhǔn)化，點名自動化，實現(xiàn)對流動信息的精確、實時、主動采集；

?  危險區(qū)異常行為自動預(yù)警，實現(xiàn)如越界，滯留，出界，聚集自動告警

?  通過生命體征實時常態(tài)化監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)突發(fā)體征異常人員；完善工人健康信息資源庫；

?  通過行為狀態(tài)常態(tài)化監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)異常行為，如疲勞，中暑，缺氧，昏厥等，預(yù)防異常事件發(fā)生

?  對人員的睡眠，精神狀態(tài)進行智能化分析，防止危險崗位疲勞上崗，防止事故發(fā)生。

工程車輛管理

?  在施工車輛上安裝定位基站，當(dāng)人員靠近施工車輛時，司機即可收到聲光報警，防止人車相撞。

?  車輛位置異常移動，非授權(quán)移動時后臺報警

?  車輛位置管理，車輛調(diào)度管理

潛在危險源管理

?  工地中零時建筑，安裝檢測標(biāo)簽，提前預(yù)警倒塌

?  斜坡，邊坡，植入滑坡預(yù)警傳感器，提前預(yù)警滑坡

?  異常移動告警，對于不能產(chǎn)生位移相關(guān)設(shè)備，通過布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽

實時監(jiān)測管理

集群對講及智能調(diào)度系統(tǒng)：

?  智能安全帽內(nèi)置POC數(shù)字對講系統(tǒng)，可實現(xiàn)集群對講 ，

?  緊急通知，緊急調(diào)度可1對1，危險告警可實現(xiàn)全員廣播

?  支持系統(tǒng)自動文字轉(zhuǎn)語音，系統(tǒng)自動廣播

?  實現(xiàn)與視頻系統(tǒng)，閘機門禁系統(tǒng)聯(lián)動實現(xiàn)高效管理，自動錄像，利用平臺集成傳統(tǒng)安防系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)控、門禁、報警、周界系統(tǒng)信息的集約化管理；

方案詳情

系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)原理

系統(tǒng)由廣域物聯(lián)網(wǎng)和局域的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成，局域基于UWB與藍(lán)牙的融合技術(shù)。系統(tǒng)兼具UWB定位精確，傳輸安全性高以及藍(lán)牙的低功耗及低成本及兼容性；系統(tǒng)通過部署一套物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)UWB與藍(lán)牙混合定位功能，并同時兼容UWB及藍(lán)牙兩種無線標(biāo)簽；移動型采用UWB標(biāo)簽，可獲取精確位置，固定型標(biāo)簽采用藍(lán)牙，成本低，免維護。系統(tǒng)標(biāo)簽容量大幅提升，成本大幅下降；系統(tǒng)基于邊緣計算網(wǎng)關(guān)的部署方案，即支持傳統(tǒng)的網(wǎng)線接入，無線網(wǎng)橋部署，部署成本低，組網(wǎng)簡單，有效本地部署方案。也支持5G無線部署，接入無線5G專網(wǎng)及實現(xiàn)5G云部署。

廣域物聯(lián)網(wǎng)基于NB-iot，LTE網(wǎng)絡(luò)組件

該系統(tǒng)核心功能就是基于物聯(lián)網(wǎng)的，實時高精度定位與生命行為監(jiān)測管理以及基于廣域網(wǎng)絡(luò)的語音對講。融入智能穿戴產(chǎn)品中。通過一個融合的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)即可實現(xiàn)對全域的人員位置，生命體征，車輛管理，危險源監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測等進行集約管理。

系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由智能標(biāo)簽、物聯(lián)設(shè)備，輔助設(shè)備，后端系統(tǒng)4大部分組成

智能標(biāo)簽：

2  多功能智能安全帽

2  智能健康監(jiān)測手表

2  物資精確定位標(biāo)簽

2  藍(lán)牙多功能標(biāo)簽

物聯(lián)設(shè)備：

2  防爆型UWB藍(lán)牙物聯(lián)定位網(wǎng)關(guān)

2  5G邊緣計算設(shè)備

其他輔助設(shè)備

2  讀卡控制器：

2  LED展示大屏

后端系統(tǒng)：

2  數(shù)據(jù)管理模塊

2  定位引擎模塊

2  地圖引擎模塊

2  大屏展示系統(tǒng)

2  客戶管理端APP

2  系統(tǒng)API接口

局域網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

技術(shù)路線

本統(tǒng)系統(tǒng)核心功能主要是對人行為和健康的管理，以及移動物品及固定物品的軌跡以及位移狀態(tài)監(jiān)測。正確的技術(shù)方案是確保系統(tǒng)功能可靠的重要保證。為實現(xiàn)系統(tǒng)功能，本方案通過幾步對各種技術(shù)方案進行優(yōu)選：

基于統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)跨系統(tǒng)的融合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

本方案前端基于UWB（超寬帶定位技術(shù)）+藍(lán)牙來構(gòu)建智慧工地的無線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合工地局域網(wǎng)絡(luò)或快速接入廣域網(wǎng)絡(luò)形成完整的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。符《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中的要求。

物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)的選擇

廣域物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：

主要依托運營商網(wǎng)絡(luò)，性能穩(wěn)定，可靠，我國主推的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以NB-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)，CAT1的中速網(wǎng)絡(luò)，4G高速網(wǎng)絡(luò)，以及5G骨干網(wǎng)絡(luò)

 局域物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：

主要為用戶自建，常見如LORA網(wǎng)絡(luò)，RFID網(wǎng)絡(luò)，藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，UWB網(wǎng)絡(luò)等。每個網(wǎng)絡(luò)都有自身特點適合不同場景。

LORA網(wǎng)絡(luò):適合電信網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋地區(qū)，部署成本低，單站覆蓋范圍廣，但是不具備定位功能，標(biāo)簽容量低，適合低頻，低速的數(shù)據(jù)傳輸，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域使用較多。

RFID網(wǎng)絡(luò):適合物流等相關(guān)行業(yè)，標(biāo)簽成本極低，具備一定定位功能，但是數(shù)據(jù)傳輸僅限身份ID，傳輸量有限。

藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)：適合面較廣，標(biāo)簽成本較低，支持上下行，帶寬較大，支持模糊定位及小區(qū)域AOA精確定位，單站覆蓋面積較小。

UWB網(wǎng)絡(luò)：適合面較廣，標(biāo)簽功耗低，成本高，標(biāo)簽容量大，帶寬大，定位精度高，整體成本偏高。

我們解決方案，結(jié)合廣域物聯(lián)網(wǎng)和局域物聯(lián)結(jié)合， 融合藍(lán)牙和UWB兩種網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，以可穿戴設(shè)備為融合標(biāo)簽，構(gòu)建了一個多模協(xié)同的高效物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

       定位技術(shù)的選擇

室外定位網(wǎng)絡(luò)：

主要為GNSS定位技術(shù)，如北斗GPS，普通定位可以實現(xiàn)車道級的定位；

基于RTK定位技術(shù)，通過地面的COSR基站差分，實現(xiàn)戶外亞米或厘米級的定位，但需要依靠廣域網(wǎng)絡(luò)或私網(wǎng)建立通訊，實現(xiàn)位置管理

室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)：

主要以目前常見用于定位的技術(shù)大致分為兩大類：

一類是實現(xiàn)連續(xù)坐標(biāo)測算定位技術(shù)，如：RSSI（通過信號強度測算目標(biāo)坐標(biāo)）、AOA（通過信號到達角度測算目標(biāo)坐標(biāo)）、TDOA（通過信號到達時差測算目標(biāo)坐標(biāo)）；

第二類是區(qū)域感知定位技術(shù)，如：超聲波區(qū)域感知定位技術(shù)、低頻信號激發(fā)區(qū)域感知定位技術(shù)。

連續(xù)坐標(biāo)測算定位技術(shù)以獲取人員的實時位置坐標(biāo)為基礎(chǔ)，因此可以不僅可以識別人員跨區(qū)域活動也可以識別出人員在某個區(qū)域內(nèi)的具體位置。

區(qū)域感知定位技術(shù)的優(yōu)勢是可以較為準(zhǔn)確的區(qū)分出人員的跨區(qū)域活動但缺點是在人員進入某區(qū)域后無法感知到具體的位置。

綜合上述兩大類定位技術(shù)的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)將融合多種定位技術(shù)根據(jù)不同的功能和區(qū)域使用不同的定位技術(shù)。

1.紅外藍(lán)牙錨點定位，主要用于狹小空間的室內(nèi)定個位，有效減少基站部署數(shù)據(jù)，降低成本

2.藍(lán)牙AOA，主要適合在30平米以下空間，需要精確定位的空間，綜合成本低

3.UWB一維，適合狹長空間定位，節(jié)省成本，優(yōu)勢明顯

4.UWB二維，優(yōu)勢適合空曠大空間定位，綜合成本極低，是室內(nèi)定位的最佳選擇

典型部署方案

1）建筑地基，路基建設(shè)，貨物堆場等區(qū)域

采用二維部署方案，每8臺UWB基站，加邊緣計算中心，組成一個網(wǎng)絡(luò)，矩陣式分布，覆蓋一片區(qū)域。邊緣計算中心通過POE為UWB基站供電，快速處理數(shù)據(jù)后將坐標(biāo)或其他數(shù)據(jù)傳回系統(tǒng)統(tǒng)一管理， 邊緣計算中心可通過網(wǎng)線，網(wǎng)橋接回中心機房，或通過5G無線網(wǎng)絡(luò)接入云端。 無遮擋情況下一組最大可覆蓋4萬平米。

圖 8 TDOA定位示意圖

2）隧道工程

?  掌子面：部署二維精確定位系統(tǒng)，實時掌控掘進區(qū)域人員分布

?  完工段：部署一維定位系統(tǒng)，施工人員進入工作面后，全線監(jiān)控?zé)o盲區(qū)

二維部署方案

一維部署方案 

圖 17 基站部署拓?fù)鋱D

掌子面是隧道施工區(qū)域中最重要的區(qū)域，加固未完善的工作環(huán)境，復(fù)雜的工序流程，以及開挖面高風(fēng)險作業(yè)等，導(dǎo)致安全事故風(fēng)險急劇增加。在該工區(qū)的人員實時位置給安全救援與事故防范提供了關(guān)鍵信息。為了保證定位系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與高精度性能，掌子面的部署放如下：工作臺車、防水臺車、二襯臺車分別部署兩個基站。

1、二維實時定位

實時定位工作人員的精確位置，定位精度在30cm。統(tǒng)計區(qū)域?qū)崟r人數(shù)。

2、網(wǎng)絡(luò)接入方式

工作臺車，二襯臺車和防水臺車均使用POE的接入方式，安全、穩(wěn)定。在接近施工區(qū)域，安裝部署邊緣計算中心并接入網(wǎng)線或無線網(wǎng)橋，

主干網(wǎng)絡(luò)部署方案：

主干網(wǎng)絡(luò)推薦使用無線網(wǎng)橋進行部署，可由甲方自行采購設(shè)備，推薦型號例如Tplink的CPE510，或者拓達的DIP326H等。每個基站需要一個無線網(wǎng)橋，通過LAN口連接到基站的LAN口。同時，服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)接口處也需要接一個無線網(wǎng)橋，用于連接每個基站的無線網(wǎng)橋到服務(wù)器。

可根據(jù)隧道施工具體環(huán)境，選擇接入UWB基站，最大支持8臺，二維采用平行部署，1維采用直線部署，安裝完在施工圖紙標(biāo)準(zhǔn)基站位置，便于繪制地圖

此方案一次部署，解決撐子面和完工段，不需分開部署。

基礎(chǔ)組網(wǎng)方案優(yōu)勢分析

1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確

系統(tǒng)采用了獨特設(shè)計的通信策略，可以使系統(tǒng)中的所有設(shè)備都在可管理的狀態(tài)下進行工作。不僅可以避免因大量設(shè)備無序工作而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯誤，可以確保人員進出數(shù)量等重要數(shù)據(jù)100%準(zhǔn)確。

2）系統(tǒng)容量大

本系統(tǒng)可以滿足人數(shù)眾多的大型監(jiān)管單位使用，目前本系統(tǒng)已在國內(nèi)5千人以上的大型工地得到了應(yīng)用。

3）可維護性強

系統(tǒng)自身采取分層管理模式，可以實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的自行檢測，從而可以提高系統(tǒng)的可維護性。實時性系統(tǒng)通過級聯(lián)的方式，可實現(xiàn)基站無限擴容，無數(shù)量限制。

4）高精確性

根據(jù)不同場所的定位精度要求不同，在特別敏感區(qū)域，系統(tǒng)最高可達到 10厘米的定位精度。掃描時間（即數(shù)據(jù)刷新時間）不超過 1 秒。

5）全覆蓋性

根據(jù)應(yīng)用需求，實現(xiàn)了室內(nèi)室外，局域與廣域的全覆蓋。局域的實時性，低成本，廣域的覆蓋全，穩(wěn)定性。