东庄水利枢纽工程智慧工地建设探析

王 普

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710000)

1 概 述

陕西省东庄水利枢纽工程坝址位于泾河干流最后一个峡谷段出口(张家山水文站)以上29km，距西安市约90km，工程任务以防洪减淤为主，兼顾供水、发电及改善生态等综合利用。枢纽由混凝土双曲拱坝、坝下消能防冲水垫塘和二道坝、左岸发电引水系统、供水洞、排沙洞、库区防渗工程及码头等组成,规模为大(1)型。

利用物联感知、人工智能、通信网络、无人机等技术，实现东庄水利枢纽施工现场的安全监控、智慧化管理。智慧工地监控建设内容主要包括无线自组通信网、智能视频监控、施工车辆人员监控及施工工地安全管控等。

2 无线自组通信网

建设智慧工地，就需要实时感知施工现场的各种数据，因此需要解决好通信问题。东庄水利枢纽沟壑较多，地形复杂，无线公网信号覆盖不足，且施工隧洞较多，隧洞内基本没有信号覆盖，东庄水利枢纽2021年已建成施工区域光纤通信链路。根据以上情况，并考虑建设成本等因素，东庄水利枢纽智慧工地通信网络建设采用基于无线公网延伸覆盖和已建设的光纤通信传输网，采用无线自组网覆盖基站、无线自组网定位基站建设覆盖东庄水利枢纽施工区域的无线通信自组网络，实现物联感知数据实时传输、车辆人员精准定位、监控中心与施工车辆人员可视化信息交互等功能。

以工程建设管理中心、110kV施工变电站、右坝肩缆机平台交换机、电站及混凝土拌和系统2为主干通信节点，利用已建主干通信节点三层千兆工业以太网交换机组成的光纤环网，在枢纽施工各区域配置两层工业以太网交换机，通过光纤串接至就近主干通信节点，满足无线自组网覆盖基站、无线自组网定位基站的网络接入，见图1。

图1 无线自组通信网结构

3 智能视频监控系统

为满足对施工场地的安全和管理需求，建立东庄水利枢纽工程施工智能视频监控系统。在大坝主体施工区域、电站厂房施工区域、水垫塘施工区域、混凝土拌和系统、砂石料加工系统、施工区域道路、大坝左右肩等区域，按照永临结合的方案，选择智能高清摄像机，构建集约化视频监控、智能分析、预警发布软硬件系统平台，实现施工人员、施工车辆、施工机械、危险源等安全管控功能。

视频监视系统基于无线自组通信网组网，采用IP网络架构，共布设智能枪机31台，黑光智能分析球机59台，智能警戒摄像球机8台，全景球机6台，实现人员可疑行为自动识别、工地安全隐患自动识别、重要或危险区域入侵报警等智能监控功能。

4 施工车辆人员监控

4.1 施工车辆人员跟踪定位管理系统

4.1.1 功能及结构

通过对施工人员及车辆轨迹的实时获知、违章时段和具体人员的实时分析、施工考勤的自动统计和信息智能发布的精准管控，做到对施工人员和施工车辆的实时信息及安全作业情况进行跟踪。

施工区车辆跟踪及人员定位系统功能包括施工区导航图展示、车辆及人员定位、施工考勤自动统计、施工人员及车辆轨迹追查、违章时段和具体人员实时分析、统计报表分析等。

施工区车辆跟踪及人员定位系统采用北斗与UWB定位结合技术，在大坝主体施工区域、水垫塘施工区域、场区道路等室外区域采用北斗定位技术，在交通隧洞、施工支洞等室内区域采用UWB定位技术，当车辆或人员由室外区域进入室内区域时实现北斗定位与UWB定位自动切换。具体结构见图2。

图2 车辆人员定位系统结构

4.1.2 室外定位

大坝主体施工区域、水垫塘施工区域、场区道路等室外区域采用北斗定位技术，在大坝右岸附近安装RTK移动基准站，覆盖半径为30km，可覆盖整个东庄水利枢纽施工区域，为施工车辆配置北斗定位终端，为施工人员配置含北斗定位功能的智能安全帽，定位精度小于5m。

4.1.3 洞室内定位

在交通隧洞、施工支洞等室内区域采用UWB定位技术，沿隧洞每400m布置一套UWB定位基站。施工车辆配置的北斗定位终端及施工人员配置的智能安全帽同时支持UWB定位功能，当车辆由室外区域进入室内区域或由室内区域进入室外区域时实现北斗定位与UWB定位自动切换。

4.2 施工交通车辆测速监控

在2号道路、长岭隧道口、1号道路及6号道路等处布置道路监控系统4处，用于监视施工区域车辆超速，实现施工区域的交通安全管理。系统由窄带测速雷达、高清智能摄像机、测速终端服务器等设备组成。

主要实现功能包括车辆捕获、车辆测速、车辆及驾驶人员面部特征高清拍照、车辆牌照自动识别、车身颜色自动识别、车辆型号判别、全景数字录像、记录及图像存储、前段设备管理维护、远程自动更新等功能。数据自动上传至车辆人员安全监管平台，同时利用施工车辆配置的行驶轨迹定位、预警信息接收、语音交互等车载智能终端，测速点位LED显示屏，自动向驾驶员发出预警信息，提醒司乘人员安全行驶。

4.3 车辆人员安全监管平台

基于GIS地信基础平台，具备接收、存储、处理、展示车辆人员定位轨迹信息功能；具备按施工车辆类型、施工企业人员、施工人员工种、施工区域等分类及条件组合查询、展示、统计、分析功能；具备车辆超速、超载、偏离道路，施工人员进入危险区、主要监控对象异常等报警功能，并自动向相应的司乘人员或施工人员发出警示信号或提醒指令功能；具备驾驶员或施工人员应急呼叫应答、上传图片或录像存储与查询、某车或某人实时/历史行进轨迹查询回放展示、多维度(油耗，物料运输次数、里程、吨位等)统计功能；具备与视频智能监控摄像机关联、异常联动与同步展示功能；具备大屏展示、桌面服务、智能手机等移动终端查询服务功能和高性能处理能力。系统部署在东庄监控中心，服务器等设施由东庄监控中心云平台提供。

实现施工车辆、施工人员、施工区域门禁闸机实时数据与BIM+GIS平台接口的对接；提供车辆、人员登记、注册数据库及管理功能，提供车牌识别、人脸识别、电磁感应识别功能，配合施工现场智能门禁前端视频监视、电磁感应等实时信息，实现智能化管控。系统部署在东庄监控中心云平台。

5 施工工地安全管控

5.1 施工工地智能门禁

在东庄水利枢纽施工区主出入口、次出入口、3号路及1号路等处设置人员通道和车牌识别系统，共计4处。对进出施工区域以及往返施工区域与施工生活区之间的人员及车辆进行视频抓拍，通过监控平台管理软件记录、统计施工区域人员及车辆的相关信息。

系统由出入口线圈、出入口控制机、车牌识别模块及出入口雷达组成(见图3)。

图3 智能门禁系统结构

5.2 施工安全预警设施

在施工区域重点位置共布设14处预警广播站、5处室外LED预警大屏，用于安全文明宣传、安全预警及通知通报。采用基于IP网络架构的数字广播预警系统，利用无线自组网通信网络与监控中心通信。

施工安全预警设施布置见表1。

6 施工工地智能巡检

东庄水利枢纽工程采用无人机实现施工工地的智能巡检，共配置2套无人机巡视系统,1套无人机机舱。无人机能在指定场景稳定拍摄图像和录像，并将前端图像经由地面站传输至后端平台中心，接入视频监视系统。无人机巡视系统主要由飞行器、挂载、地面站三大部件组成，飞行器可以通过遥控器手动操控，也可以通过地面站设置航迹路径和其他飞行任务，支持前后、左右、升降和旋转等飞行动作。飞行器可将位置信息、飞行数据及云台采集到的视频发送至地面站，地面站通过有线或无线WiFi通信方式将位置信息、飞行数据及云台采集到的视频发送至后端平台。

6.1 系统功能

a.无人机智能巡检系统具备基于二、三维GIS地图选择目标地点、巡逻区域和工作区域的功能，具备自动规划无人机飞行航线、目标航点自动飞行巡检任务功能；可一键起飞，实现零基础人员安全操作，并完成高质量数据采集。

b.无人机巡检系统具备全自动高频次常态化施工人员监视、工程进度查看、施工安全巡查、工程进度形象航拍、作业工区人员数量检测、施工车辆行进路线、施工设施摆放等工地巡检基本功能。

c.无人机智能巡检系统能够定时定点自动巡检，利用AI技术自动识别危险作业等异常情况；对危险区域实行重点监控拍摄，并实时传回至东庄监控中心。

d.具备无人机视角和地面监控视角融合共享、地空联动、对比分析、异常发现、自动预警功能，为应急事件决策会商、调度指挥提供全方位技术支撑。

e.具备7×24h待命、3min快速响应能力，实现日常巡检常态化作业。

6.2 数据采集与处理

无人机飞行平台具备用高倍变焦热红外相机采集照片、视频等影像资料的能力。

无人机搭载的倾斜摄影传感器、机载雷达传感器应具备影像、点云数据的采集功能；基于三维建模软件，实现无人机航拍影像DRG、DLG、DEM、DOM等4D成果和三维模型数据导出及展示功能；为工程测量、地形测绘、施工进度管理、施工质量检测、土方量计算、多期数据对比分析提供数据资源。

6.3 视频监视与报警

具有无人机航拍视频、照片数据自动分析、违规作业人员及危险行为自动识别，通过智慧工地安管平台实现声光报警、语音提醒功能。

无人机具备搭载数字语音广播、高亮探照灯、声光报警器、物品抛投器四合一功能组件的能力，实现空中巡查和施工违规行为预警功能。

6.4 数据通信

无人机具备搭载4G/5G/微波通信终端和无人机图传的能力，实现视频信息压缩、编码和实时高速回传功能。

6.5 与其他系统集成

基于智慧工地安管平台，集成无人机库管理、无人机运行状态、图传网络通信状态、视频图像数据回传展示功能，实现一张图管理。

7 结 语

智慧工地建设应以工程建设实际需求为导向，以提高工地管理水平为核心，以施工现场安全管理为重点，建设平安工地、高效工地、文明工地、规范工地。陕西省东庄水利枢纽工程智慧工地监控建设实现了施工管理、安全管理、质量管理的规范化和智能化，提高了管理水平和工作效率。为水利水电工程智慧工地监控建设积累了经验，提供了借鉴的技术方法。