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解決方案概述

隨著(zhù)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(lái)很大的提升。在建筑,橋梁,隧道及基建行業(yè)的施工現場(chǎng),信息化系統的應用已經(jīng)逐漸普及。

現有的信息化管理系統大部分以視頻監控,環(huán)境監測,設備監控為主。而智慧工地需要解決的核心問(wèn)題還是人員安全的問(wèn)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(zhù)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。

《十四五國家科技發(fā)展規劃》中的精確定位技術(shù)應用,可實(shí)時(shí)地獲取實(shí)際的現場(chǎng)信息,對進(jìn)出工地的人員,車(chē)輛的信息以及工地內各個(gè)區域的人員分布有一個(gè)全面、及時(shí)、準確的掌握。管理者不在需要花費大量的精力、時(shí)間對各個(gè)區域進(jìn)行巡邏。就能及時(shí)、準確的掌握現場(chǎng)情況,提前發(fā)現安全隱患,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,高精度的位置數據作為智慧工地數據流的重要組成,是智慧工程業(yè)務(wù)流中時(shí)間、空間、狀態(tài)三大數據指標之一,空間位置數據的準確性、實(shí)習性以及覆蓋完整性,是智能工地前端感知質(zhì)量的重要評價(jià)維度。構建基于室內、室外定位技術(shù)的高精度定位管理系統,借助室內定位技術(shù),BDS定位技術(shù),實(shí)現對工廠(chǎng)人、車(chē)、物等的精確定位、無(wú)縫追蹤、智能調配與高效協(xié)同,大幅提升工地的精益生產(chǎn)及精細化管理水平。

其次大部分工地建設環(huán)境復雜,高危區域眾多, 常見(jiàn)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。在這些區域的對于環(huán)境的實(shí)時(shí)監測,以及施工人員生理,及心理的狀態(tài)的監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 ),不僅能夠實(shí)現精確定位,還能通過(guò)定位標簽與穿戴設備的集成,實(shí)現對工地人員健康數據監測,如心率,血氧,血壓,汗液等監測,避免出現如疲勞上崗,過(guò)度勞動(dòng),防止出現中暑,缺氧,昏厥,乃至猝死引起未知的重大安全事故,以及實(shí)時(shí)調度系統,加之與視頻系統的的聯(lián)動(dòng),可顯著(zhù)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(dòng)和保證法規范,有效提升工地安全,有效減輕管理負擔,提升工地現場(chǎng)整體管理水平

系統設計與建設目標

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(gè)方面。傳感器設備需要多功能融合減少設備數量,傳輸的技術(shù)需要有前瞻性,穩定性及強拓展性。

系統獨立建網(wǎng),網(wǎng)絡(luò )可重復部署

系統網(wǎng)絡(luò )布設簡(jiǎn)單,維護難度低;

系統網(wǎng)絡(luò )可移動(dòng),滿(mǎn)足多次部署。

系統分散式部署,可集中管理

?  系統具有可拓展性,可升級

?  系統數據安全,可存儲保留

為此本系統將結合吾控健康科技多年的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)積累為工地構建一套容量大、通信可靠,可以多系統融合多應用的統一物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò )。設計原則系統具備以下特點(diǎn):

(1)安全性;系統通信安全保密性高,不易截獲,很難入侵,

(2)先進(jìn)性和成熟性;系統采用符合國際國內標準的成熟的技術(shù)和設備

(3)可靠性與穩定性;系統數據傳輸與存儲穩定,確保長(cháng)期可靠運行。

(4)可融合和可擴展性;系統與已有系統可集成,軟件采用開(kāi)放式結構。

(5)補充性和發(fā)展性;系統有效彌補原有系統不足,提升整體系統的性能。(6)智能化和易維護;系統自動(dòng)運行,自動(dòng)判斷異常,維護簡(jiǎn)單。

建立新型補充融合系統

新型物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò )可以接入智慧工地內網(wǎng)或者4G或5G公網(wǎng),提供有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種接入方案。其中內網(wǎng)由工地統一規劃建設,該網(wǎng)絡(luò )通過(guò)內網(wǎng)與其他常用系統完成融合,為視頻監控,門(mén)禁管理,應急系統提供精確的人員位置信息及生理性息,以及語(yǔ)音對講功能,顯著(zhù)提升以上系統的運行效率及智能化程度。

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本方案主要針對無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的建設進(jìn)行設計。無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò )主要由無(wú)線(xiàn)基站設備構成。組網(wǎng)結構如上圖:

通過(guò)無(wú)線(xiàn)基站在信號覆蓋范圍內接入多種前端設備,實(shí)現同一網(wǎng)絡(luò )下的跨系統數據匯集。采用這種方案一則可以統一規劃實(shí)現主要區域的信號覆蓋即可實(shí)現上述系統的數據上傳,極大的簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )結構也使得網(wǎng)絡(luò )維護難度大大降低。

建設實(shí)用的物聯(lián)感知技術(shù)應用系統

應用系統模塊包括:人員信息管理,人員位置管理、人員生命體征管理。工程車(chē)輛位置管理,潛在危險源管理,系統聯(lián)動(dòng)融合管理。

人員信息管理

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?  通過(guò)身份證進(jìn)行實(shí)名綁定,將人員身份信息、勞動(dòng)合同書(shū)編號、崗位技能證書(shū)號登記入冊,

?  并確保人、證、冊、合同、證書(shū)相符統一,使監管部門(mén)對工地勞務(wù)分包人數、情況明細、

?  人員對號、調配有序。

?  人員區域流動(dòng)標準化,點(diǎn)名自動(dòng)化,實(shí)現對流動(dòng)信息的精確、實(shí)時(shí)、主動(dòng)采集;

?  危險區異常行為自動(dòng)預警,實(shí)現如越界,滯留,出界,聚集自動(dòng)告警

?  通過(guò)生命體征實(shí)時(shí)常態(tài)化監測及時(shí)發(fā)現突發(fā)體征異常人員;完善工人健康信息資源庫;

?  通過(guò)行為狀態(tài)常態(tài)化監測,及時(shí)發(fā)現異常行為,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(jìn)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(chē)輛管理

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

?  車(chē)輛位置異常移動(dòng),非授權移動(dòng)時(shí)后臺報警

?  車(chē)輛位置管理,車(chē)輛調度管理

潛在危險源管理

?  工地中零時(shí)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(dòng)告警,對于不能產(chǎn)生位移相關(guān)設備,通過(guò)布設物聯(lián)網(wǎng)標簽

實(shí)時(shí)監測管理

集群對講及智能調度系統:

?  智能安全帽內置POC數字對講系統,可實(shí)現集群對講 ,

?  緊急通知,緊急調度可1對1,危險告警可實(shí)現全員廣播

?  支持系統自動(dòng)文字轉語(yǔ)音,系統自動(dòng)廣播

?  實(shí)現與視頻系統,閘機門(mén)禁系統聯(lián)動(dòng)實(shí)現高效管理,自動(dòng)錄像,利用平臺集成傳統安防系統,實(shí)現監控、門(mén)禁、報警、周界系統信息的集約化管理;

方案詳情

系統構成及技術(shù)原理

系統由廣域物聯(lián)網(wǎng)和局域的物聯(lián)網(wǎng)構成,局域基于UWB與藍牙的融合技術(shù)。系統兼具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;系統通過(guò)部署一套物聯(lián)網(wǎng)關(guān),實(shí)現UWB與藍牙混合定位功能,并同時(shí)兼容UWB及藍牙兩種無(wú)線(xiàn)標簽;移動(dòng)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。系統標簽容量大幅提升,成本大幅下降;系統基于邊緣計算網(wǎng)關(guān)的部署方案,即支持傳統的網(wǎng)線(xiàn)接入,無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋部署,部署成本低,組網(wǎng)簡(jiǎn)單,有效本地部署方案。也支持5G無(wú)線(xiàn)部署,接入無(wú)線(xiàn)5G專(zhuān)網(wǎng)及實(shí)現5G云部署。

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

該系統核心功能就是基于物聯(lián)網(wǎng)的,實(shí)時(shí)高精度定位與生命行為監測管理以及基于廣域網(wǎng)絡(luò )的語(yǔ)音對講。融入智能穿戴產(chǎn)品中。通過(guò)一個(gè)融合的物聯(lián)網(wǎng)系統即可實(shí)現對全域的人員位置,生命體征,車(chē)輛管理,危險源監測,環(huán)境監測等進(jìn)行集約管理。

系統組成

系統主要由智能標簽、物聯(lián)設備,輔助設備,后端系統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(wǎng)關(guān)

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:

2  數據管理模塊

2  定位引擎模塊

2  地圖引擎模塊

2  大屏展示系統

2  客戶(hù)管理端APP

2  系統API接口

局域網(wǎng)系統結構


技術(shù)路線(xiàn)

本統系統核心功能主要是對人行為和健康的管理,以及移動(dòng)物品及固定物品的軌跡以及位移狀態(tài)監測。正確的技術(shù)方案是確保系統功能可靠的重要保證。為實(shí)現系統功能,本方案通過(guò)幾步對各種技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)選:

基于統一物聯(lián)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現跨系統的融合網(wǎng)絡(luò )應用

本方案前端基于UWB(超寬帶定位技術(shù))+藍牙來(lái)構建智慧工地的無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò ),并結合工地局域網(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。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(yíng)商網(wǎng)絡(luò ),性能穩定,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 ):

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主要為用戶(hù)自建,常見(jiàn)如LORA網(wǎng)絡(luò ),RFID網(wǎng)絡(luò ),藍牙網(wǎng)絡(luò ),UWB網(wǎng)絡(luò )等。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )都有自身特點(diǎn)適合不同場(chǎng)景。

LORA網(wǎng)絡(luò ):適合電信網(wǎng)絡(luò )不能覆蓋地區,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,低速的數據傳輸,農業(yè)領(lǐng)域使用較多。

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

藍牙網(wǎng)絡(luò ):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(wǎng)和局域物聯(lián)結合, 融合藍牙和UWB兩種網(wǎng)絡(luò )優(yōu)勢,以可穿戴設備為融合標簽,構建了一個(gè)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(shí)現車(chē)道級的定位;

基于RTK定位技術(shù),通過(guò)地面的COSR基站差分,實(shí)現戶(hù)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(shí)現位置管理

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室內定位網(wǎng)絡(luò ):

主要以目前常見(jiàn)用于定位的技術(shù)大致分為兩大類(lèi):

一類(lèi)是實(shí)現連續坐標測算定位技術(shù),如:RSSI(通過(guò)信號強度測算目標坐標)、AOA(通過(guò)信號到達角度測算目標坐標)、TDOA(通過(guò)信號到達時(shí)差測算目標坐標);

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

連續坐標測算定位技術(shù)以獲取人員的實(shí)時(shí)位置坐標為基礎,因此可以不僅可以識別人員跨區域活動(dòng)也可以識別出人員在某個(gè)區域內的具體位置。

區域感知定位技術(shù)的優(yōu)勢是可以較為準確的區分出人員的跨區域活動(dòng)但缺點(diǎn)是在人員進(jìn)入某區域后無(wú)法感知到具體的位置。

綜合上述兩大類(lèi)定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),本系統將融合多種定位技術(shù)根據不同的功能和區域使用不同的定位技術(shù)。

1.紅外藍牙錨點(diǎn)定位,主要用于狹小空間的室內定個(gè)位,有效減少基站部署數據,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(cháng)空間定位,節省成本,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

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典型部署方案

1)建筑地基,路基建設,貨物堆場(chǎng)等區域

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(gè)網(wǎng)絡(luò ),矩陣式分布,覆蓋一片區域。邊緣計算中心通過(guò)POE為UWB基站供電,快速處理數據后將坐標或其他數據傳回系統統一管理, 邊緣計算中心可通過(guò)網(wǎng)線(xiàn),網(wǎng)橋接回中心機房,或通過(guò)5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接入云端。 無(wú)遮擋情況下一組最大可覆蓋4萬(wàn)平米。

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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,實(shí)時(shí)掌控掘進(jìn)區域人員分布

?  完工段:部署一維定位系統,施工人員進(jìn)入工作面后,全線(xiàn)監控無(wú)盲區

二維部署方案

一維部署方案 


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圖 17 基站部署拓撲圖

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

1、二維實(shí)時(shí)定位

實(shí)時(shí)定位工作人員的精確位置,定位精度在30cm。統計區域實(shí)時(shí)人數。

2、網(wǎng)絡(luò )接入方式

工作臺車(chē),二襯臺車(chē)和防水臺車(chē)均使用POE的接入方式,安全、穩定。在接近施工區域,安裝部署邊緣計算中心并接入網(wǎng)線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋,

主干網(wǎng)絡(luò )部署方案:

主干網(wǎng)絡(luò )推薦使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋進(jìn)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(gè)基站需要一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋,通過(guò)LAN口連接到基站的LAN口。同時(shí),服務(wù)器網(wǎng)絡(luò )接口處也需要接一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋,用于連接每個(gè)基站的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋到服務(wù)器。


 

可根據隧道施工具體環(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(xiàn)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(kāi)部署。

基礎組網(wǎng)方案優(yōu)勢分析

1)數據準確

系統采用了獨特設計的通信策略,可以使系統中的所有設備都在可管理的狀態(tài)下進(jìn)行工作。不僅可以避免因大量設備無(wú)序工作而導致的數據錯誤,可以確保人員進(jìn)出數量等重要數據100%準確。

2)系統容量大

本系統可以滿(mǎn)足人數眾多的大型監管單位使用,目前本系統已在國內5千人以上的大型工地得到了應用。

3)可維護性強

系統自身采取分層管理模式,可以實(shí)現系統設備狀態(tài)的自行檢測,從而可以提高系統的可維護性。實(shí)時(shí)性系統通過(guò)級聯(lián)的方式,可實(shí)現基站無(wú)限擴容,無(wú)數量限制。

4)高精確性

根據不同場(chǎng)所的定位精度要求不同,在特別敏感區域,系統最高可達到 10厘米的定位精度。掃描時(shí)間(即數據刷新時(shí)間)不超過(guò) 1 秒。

5)全覆蓋性

根據應用需求,實(shí)現了室內室外,局域與廣域的全覆蓋。局域的實(shí)時(shí)性,低成本,廣域的覆蓋全,穩定性。



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