北斗导航在智慧工地的应用

 北斗导航在智慧工地的应用

作者姓名：段永旭

单位名称：上海勘测设计研究院有限公司 单位省市：上海市 单位邮编：200335

摘要：智慧工地管理模式是现代无线通讯技术与人工智能技术在建筑领域中的一种创新应用。经过这几年的项目推广,该模式逐步促使工程建造管理从传统粗放式向精益集约化发展,可助推建筑产业工业化。近年来，为促进劳务管理和安全管理信息化建设，提出了一种适用于施工建设条件下的智慧工地系统解决方案。本文设计了一种基于北斗定位技术和物联网技术的智慧工地平台系统，对施工人员和车辆进行高精度定位，并将采集的数据实时上传到平台，同时设计电子围栏和环境监测系统，实现施工现场精细化管理，提升工程施工效率。关键词：北斗；物联网；智慧工地；智慧劳务；人员定位

1引言

智慧工地是近年来工程建设的重点发展领域之一。针对传统劳务管理粗放的问题，智慧工地通过高度信息化建设，实现人员全面感知、工作互联互通、信息同步对称、科学决策分析、风险预警防控等智慧化目标，提高施工现场管理的数字化、精细化、可视化、实时化和智慧化水平［１－２］。我国北斗卫星导航系统快速发展并普及，物联网作为国家五大新兴战略性产业之一被广泛应用，两种技术融合可发挥各自优势。

２系统设计

基于北斗定位技术和物联网技术的智慧工地平台系统，借助移动互联网技术、ＲＦＩＤ技术和云计算技术等，部署北斗定位终端，设置电子围栏，接入环境监测传感器，对施工人员、车辆及相关设备进行高精度位置监控、可视化管理，设置智能预警警报，有效加强安全管理水平，提升监管和协作效率，实现智慧工地“人机料法环”的统一时空管理。２．１平台系统架构设计基于北斗定位技术和物联网技术的智慧工地平台系统的总体设计框架分为５层：感知层、传输层、数据层、应用层和智慧层，如图１所示:

图１智慧工地平台系统总体设计框架图

图２基于电子围栏的人员位置监控系统图

３关键技术

３．１北斗高精度定位技术

智慧工地平台系统中，人员、车辆的定位和电子围栏都需要高精度定位技术。如图３所示，智慧工地系统从北斗基准站和观测站获得原始观测值，并对其进行处理。人员或车载定位终端从平台获取差分数据并进行解算，将解算之后获得的高精度位置数据发送回平台。

北斗基准站和观测站全天候、全天时向智慧工地系统发送卫星观测数据，形变监测系统进行解算，并得到观测站的形变数据。利用载波相位信息和载波相位差分技术，北斗定位技术能够将单点３～５ｍ的定位精度提升到实时分米级和厘米级，实现高精度定位，并为工地的建筑物、边坡、路基等基础设施提供毫米级的形变监测服务。目前，该技术已应用在涉铁施工项目中，监测施工临近铁路的路基和涵洞形变，确保铁路运行安全［８］。

３．２电子围栏技术

电子围栏技术通过使用多个经纬度标记，在指定区域内构成１个多边形，区域边界即为电子围栏。电子围栏的边界点保存在智慧工地系统中，北斗终端周期性地向平台发送定位数据，平台在接收到位置信息后，实时判断终端是否跨越电子围栏。（１）设计思路电子围栏的关键是利用北斗高精度定位，精确确定每个“桩点”的位置，即多边形各条边的两端。

（２）核心算法

系统结合射线法和空间索引法，判断坐标点是否在围栏内。对于少量围栏的场景，仅使用射线法。如图４所示，从Ａ点沿ｘ轴绘制１条射线，计算该射线与多边形各边交点的个数。若交点数为奇数，该点在多边形内部；若交点数为偶数，则在多边形外部。射线法适用于各种形状的多边形。

对于多围栏同时判断坐标的场景，需要结合空间索引法和射线法，通过Ｒ树判别坐标点。空间索引Ｒ树的流程如下：①如图５所示，对围栏进行近似，采用最简单的最小外包矩形表示多边形；②如图６所示，对最小外包矩形进行Ｒ树索引；③通过Ｒ树判断终端所在位置（Ｒ点）是否被外包矩形覆盖；如果不被任何外包矩形覆盖则返回结果，终端不在电子围栏区域内；如果被外包矩形覆盖，则要进一步判断是否在此外包矩形的多边形内部。图６中，Ｒ点的判别结果在Ｑ１区域内，需要进一步运用射线法判断Ｒ点和Ｐ１、Ｐ２的位置关系。

３．３物联网技术

基于北斗定位和物联网技术的智慧工地平台系统涉及大量传感器、设备和智能控制系统，能够收集实时的工地信息，包括北斗定位、ＢＩＭ、ＧＩＳ、图片、视频、温度、湿度、扬尘、噪音等多种数据源，并将这些数据传输到云平台中进行处理和分析。物联网技术通过自动、及时和准确的数据采集和传输，实现了各种数据类型（格式）的互通和扩展性。物联网技术还可以实现设备之间的相互通讯和协作，使得工程施工进度和质量控制更加高效和准确。在该系统中，物联网技术不仅能够调用不同业务需求所涉及的数据，而且能够根据用户需求对数据进行集成化处理和展示，满足多元化管理的需求，实现一体化、模块化、智能化的施工监管模式。中建、中铁建等一些大型国企已率先推行“物联网＋”下的智慧工地项目，为智慧工地的实施提供示范应用［９］。

４结论

本文提出的基于北斗定位技术和物联网技术的智慧工地平台系统，融合了移动互联网技术、ＲＦＩＤ技术和云计算技术。系统通过对施工现场各个维度海量数据的采集和运算，支持施工全过程统筹，实时监测各项风险，大幅提升工程建设管理效率，促进工程管理精细化、参建各方协作化、综合决策智慧化、行业监管高效化，可以在实际施工现场推广使用。

参考文献

［１］刘雪妮．基于物联网技术的智慧劳务管理系统研究［Ｊ］．河南科技，２０２２，４１（２）：１４－１８．

［２］段媛媛．智慧工地系统在施工现场安全管理中的应用［Ｊ］．建筑安全，２０１９，３４（７）：４２－４４．

［３］崔楠．智慧工地的发展趋势［Ｊ］．科技创新与应用，２０１９，４（２）：４３－４９．

［４］胡建华．融合定位技术在智慧工地管理中的应用［Ｊ］．现代信息科技，２０２２，６（１５）：１９２－１９４．

［５］桂婞．北斗铁路时空信息云平台建设与应用［Ｊ］．铁道技术标准（中英文），２０２２，４（７）：２８－３３．