解決方案概述

隨著物聯(lián)網技術不斷發(fā)展，基于物聯(lián)網技術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)的應用已經逐漸普及。

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效率，降低生產成本。隨著物聯(lián)技術的深入發(fā)展，傳感技術的成熟，傳輸技術，5G的快速發(fā)展，讓更高智能化的物聯(lián)技術具備了發(fā)展的基礎。

《十四五國家科技發(fā)展規(guī)劃》中的精確定位技術應用，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各個區(qū)域的人員分布有一個全面、及時、準確的掌握。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)務流中時間、空間、狀態(tài)三大數(shù)據(jù)指標之一，空間位置數(shù)據(jù)的準確性、實習性以及覆蓋完整性，是智能工地前端感知質量的重要評價維度。構建基于室內、室外定位技術的高精度定位管理系統(tǒng)，借助室內定位技術，BDS定位技術，實現(xiàn)對工廠人、車、物等的精確定位、無縫追蹤、智能調配與高效協(xié)同，大幅提升工地的精益生產及精細化管理水平。

其次大部分工地建設環(huán)境復雜，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。

基于此定位網絡，不僅能夠實現(xiàn)精確定位，還能通過定位標簽與穿戴設備的集成，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，有效減輕管理負擔，提升工地現(xiàn)場整體管理水平

系統(tǒng)設計與建設目標

建立集約化高效的物聯(lián)感知網絡

物聯(lián)網技術包含了傳感器技術和傳輸技術兩個方面。傳感器設備需要多功能融合減少設備數(shù)量，傳輸?shù)募夹g需要有前瞻性，穩(wěn)定性及強拓展性。

系統(tǒng)獨立建網，網絡可重復部署

系統(tǒng)網絡布設簡單，維護難度低；

系統(tǒng)網絡可移動，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)將結合吾控健康科技多年的物聯(lián)網技術積累為工地構建一套容量大、通信可靠，可以多系統(tǒng)融合多應用的統(tǒng)一物聯(lián)感知網絡。設計原則系統(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)采用符合國際國內標準的成熟的技術和設備

（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，軟件采用開放式結構。

（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)感知網絡可以接入智慧工地內網或者4G或5G公網，提供有線和無線兩種接入方案。其中內網由工地統(tǒng)一規(guī)劃建設，該網絡通過內網與其他常用系統(tǒng)完成融合，為視頻監(jiān)控，門禁管理，應急系統(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)網絡的建設進行設計。無線物聯(lián)網絡主要由無線基站設備構成。組網結構如上圖：

通過無線基站在信號覆蓋范圍內接入多種前端設備，實現(xiàn)同一網絡下的跨系統(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，極大的簡化了網絡結構也使得網絡維護難度大大降低。

建設實用的物聯(lián)感知技術應用系統(tǒng)

應用系統(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)管部門對工地勞務分包人數(shù)、情況明細、

?  人員對號、調配有序。

?  人員區(qū)域流動標準化，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，非授權移動時后臺報警

?  車輛位置管理，車輛調度管理

潛在危險源管理

?  工地中零時建筑，安裝檢測標簽，提前預警倒塌

?  斜坡，邊坡，植入滑坡預警傳感器，提前預警滑坡

?  異常移動告警，對于不能產生位移相關設備，通過布設物聯(lián)網標簽

實時監(jiān)測管理

集群對講及智能調度系統(tǒng)：

?  智能安全帽內置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)構成及技術原理

系統(tǒng)由廣域物聯(lián)網和局域的物聯(lián)網構成，局域基于UWB與藍牙的融合技術。系統(tǒng)兼具UWB定位精確，傳輸安全性高以及藍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)網關，實現(xiàn)UWB與藍牙混合定位功能，并同時兼容UWB及藍牙兩種無線標簽；移動型采用UWB標簽，可獲取精確位置，固定型標簽采用藍牙，成本低，免維護。系統(tǒng)標簽容量大幅提升，成本大幅下降；系統(tǒng)基于邊緣計算網關的部署方案，即支持傳統(tǒng)的網線接入，無線網橋部署，部署成本低，組網簡單，有效本地部署方案。也支持5G無線部署，接入無線5G專網及實現(xiàn)5G云部署。

廣域物聯(lián)網基于NB-iot，LTE網絡組件

該系統(tǒng)核心功能就是基于物聯(lián)網的，實時高精度定位與生命行為監(jiān)測管理以及基于廣域網絡的語音對講。融入智能穿戴產品中。通過一個融合的物聯(lián)網系統(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)主要由智能標簽、物聯(lián)設備，輔助設備，后端系統(tǒng)4大部分組成

智能標簽：

2  多功能智能安全帽

2  智能健康監(jiān)測手表

2  物資精確定位標簽

2  藍牙多功能標簽

物聯(lián)設備：

2  防爆型UWB藍牙物聯(lián)定位網關

2  5G邊緣計算設備

其他輔助設備

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

局域網系統(tǒng)結構

技術路線

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方案進行優(yōu)選：

基于統(tǒng)一物聯(lián)網絡實現(xiàn)跨系統(tǒng)的融合網絡應用

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

物聯(lián)網傳輸技術的選擇

廣域物聯(lián)網絡：

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

 局域物聯(lián)網絡：

主要為用戶自建，常見如LORA網絡，RFID網絡，藍牙網絡，UWB網絡等。每個網絡都有自身特點適合不同場景。

LORA網絡:適合電信網絡不能覆蓋地區(qū)，部署成本低，單站覆蓋范圍廣，但是不具備定位功能，標簽容量低，適合低頻，低速的數(shù)據(jù)傳輸，農業(yè)領域使用較多。

RFID網絡:適合物流等相關行業(yè)，標簽成本極低，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。

藍牙網絡：適合面較廣，標簽成本較低，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網絡：適合面較廣，標簽功耗低，成本高，標簽容量大，帶寬大，定位精度高，整體成本偏高。

我們解決方案，結合廣域物聯(lián)網和局域物聯(lián)結合， 融合藍牙和UWB兩種網絡優(yōu)勢，以可穿戴設備為融合標簽，構建了一個多模協(xié)同的高效物聯(lián)網絡。

       定位技術的選擇

室外定位網絡：

主要為GNSS定位技術，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，通過地面的COSR基站差分，實現(xiàn)戶外亞米或厘米級的定位，但需要依靠廣域網絡或私網建立通訊，實現(xiàn)位置管理

室內定位網絡：

主要以目前常見用于定位的技術大致分為兩大類：

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

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

連續(xù)坐標測算定位技術以獲取人員的實時位置坐標為基礎，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)域內的具體位置。

區(qū)域感知定位技術的優(yōu)勢是可以較為準確的區(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的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)將融合多種定位技術根據(jù)不同的功能和區(qū)域使用不同的定位技術。

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

2.藍牙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，是室內定位的最佳選擇

典型部署方案

1）建筑地基，路基建設，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，組成一個網絡，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線，網橋接回中心機房，或通過5G無線網絡接入云端。 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)控無盲區(qū)

二維部署方案

一維部署方案 

圖 17 基站部署拓撲圖

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，復雜的工序流程，以及開挖面高風險作業(yè)等，導致安全事故風險急劇增加。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)域實時人數(shù)。

2、網絡接入方式

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線或無線網橋，

主干網絡部署方案：

主干網絡推薦使用無線網橋進行部署，可由甲方自行采購設備，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橋，通過LAN口連接到基站的LAN口。同時，服務器網絡接口處也需要接一個無線網橋，用于連接每個基站的無線網橋到服務器。

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準基站位置，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。

基礎組網方案優(yōu)勢分析

1）數(shù)據(jù)準確

系統(tǒng)采用了獨特設計的通信策略，可以使系統(tǒng)中的所有設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備無序工作而導致的數(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5千人以上的大型工地得到了應用。

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)應用需求，實現(xiàn)了室內室外，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。