北斗智能设备在EPC 总承包中的应用

上海勘测设计研究院有限公司 侯中华

大到国家战略小到民用便利，北斗导航正变得越来越重要。北斗芯片进军智能穿戴市场的势头也日益显现。建筑工地是一个安全事故多发的场所，工程建设规模不断扩大，工艺流程纷繁复杂，如何完善现场施工现场管理，控制事故发生频率，保障文明施工，一直是施工企业、政府管理部门关注的焦点。本文以EPC 总承包项目为依托，拥抱数字化转型升级的时代趋势，全面推动智慧化发展战略落地，结合北斗系统等新型科技，积极探索北斗智能设备在工地应用，提升工程总承包管控能力。

在发达国家，卫星技术的发展一直处于领先地位，卫星技术应用日趋成熟，其中，遥感卫星已经广泛应用于气象、农业、灾害监测、国土、环境保护、林业、海洋、测绘等多个方面[1]。

北斗系统是国家的重大科技工程，相继提出了“创新驱动”和“军民融合”国家战略，倡导用科技创新手段推动生产模式的变革和经营能力的提升，鼓励“军民融合”深度发展，使得卫星技术在非军用行业得到更快的推广应用。北斗系统其核心技术完全自主可控，是科技创新工作的重要载体。北斗系统作为科技创新工作的重要载体，卫星技术已经在国内不同行业展开应用，在巡视、灾害监测预警、应急支持、安全管控、通信保障、系统建设等方面均进行了积极的应用并取得了良好成效。

北斗智能设备在工程总承包管控中的创新应用主要包括：（1）结合北斗系统等新兴科技，填补传统工程总承包管理工作中北斗系统应用的空白。（2）融合北斗高精度定位系统，研发基于“北斗+GIS+三维可视化模型”的工程总承包现场数字化安全管控数据平台。（3）融合人员、车辆、设备的高精度位置、高精度电子围栏、轨迹、高度、状态、安措到人、告警等功能，实现工程总承包一体化在线监测与远程管控。（4）北斗卫星导航系统兼具导航、定位、授时、短报文等多功能于一体，外加全天候、准实时、大尺度、多载荷、高效率等特点，适用巡视、灾害监测预警、应急支持、安全管控、通信保障、系统建设等。通过分步建立平台，专业化板块分步实施，远期可扩展规划：“空天地（时）一体化”工程总承包管控平台。

1 系统方案设计

通过现有北斗智能穿戴设备（智能安全帽、电子围栏、机械监测仪），结合GIS、北斗、三维可视化等信息技术手段研发三维互动实景工程管理平台，实现工程总承包一体化在线监测与远程管控，为人员安全管控、设备作业安全、电子围栏动态布设与告警等提供技术支撑。三维互动实景管理平台以云计算、物联网、5G 等多种先进技术为支撑，以多维、空间化信息集成为理念，多元专题信息、卫星遥感信息和基础地理信息，形成对工程施工过程的动态管理模型。通过建立工程动态感知体系、三维数字孪生支撑体系和施工管理体系，实现对工程现场的全面感知和动态管理[2]。总体框架设计如图1 所示。

图1 总体框架设计Fig.1 Overall framework design

1.1 感知层

感知层是以已建成的高精定位网、无线通信网、物联网为依托，集成围栏监测仪、移动监测终端、智能监测头盔、机械状态监测仪等智能硬件，同时结合高清相机、无人机等辅助设备实现对工程现场的全面感知。智能安全帽具有：（1）高精度定位，内置北斗三代高精度RTK 定位模块，厘米级定位；（2）4G 通讯，支持移动、联通、电信通讯网络（单呼、群呼、语音播报）；（3）人员状态监测及自动报警（静默报警、跌落报警、围栏报警、脱帽报警、登高报警）；（4）救援定位等功能。手持高精度移动作业终端，具有高精度定位、4G 全网通、公网对讲、星光夜视和平台作业等功能，适用于农业林业测量测绘、铁路、消防应急、户外作业等多种应用场景。高精度亚米级智能预警灯，4G 产品，基于高精度定位的物联网道路作业安全预警设备，可精准采集位置数据，可以实现道路施工、事故和封闭管制等信息的实时采集和发布，提升用户出行效率和道路施工人员的安全水平[3]。车载卫星定位平台可实现对车船等移动目标的定位跟踪、监控调度、轨迹分析、报警处理、防盗防劫、信息发布、运营管理、统计分析于一体的应用服务系统，能满足对于移动目标的监控定位管理需求。可实现车辆超速报警、停车超时报警、定位天线开路报警、围栏报警、求助报警。

1.2 中台层

中台层实现了多源数据的接入、数据的管理。同时，建立了满足业务深度应用的数据展示、数据分析、工作流、统计报表等业务支撑引擎。形成统一共享服务资源池，通过云服务系统，为各种业务应用提供支撑服务。

1.3 应用层

应用层以中台服务为支撑，以解决用户的直接需求为目标，实现对工程信息、施工动态、施工过程进行可视化的全面展示和管理。

（1）设备人员管理。该功能界面列出已创建所有设备，针对某一具体设备，提供编辑、删除、查看详情、管理数据流、添加触发器以及发送命令功能。（2）施工进度管理。施工进度管理分为全景施工进度和三维施工进度，实现施工生命周期展现、对比，可作为施工安排依据把控施工时间。三维施工进度是由三维基础数据、三维场景信息和电子围栏上报信息通过系统算法实现三维可视化应用服务。三维施工可视化，可看到基于三维地形的三维施工场景：完工区域展示完整施工3D 模型；施工区域展示灰度3D 模型；未施工区域展示透明3D 模型。（3）电子围栏管理。列表显示围栏名称，地图中线框形状显示围栏区域。设置围栏ID、围栏类型、围栏名称、报警规则、创建人、创建时间。根据终端上报位置信息，绘制电子围栏，自由设置围栏控制范围。（4）动态报警管理。设备告警：通过规则引擎设置告警规则，并启用相应动作转发告警消息，支持可视化规则设计器快速配置。实现效果：自定义告警规则：禁入、禁出、边界告警，支持告警信息后台提醒、记录；支持短信、邮件、即时通讯、手持设备等告警提醒方式。系统规则报警如图2 所示。（5）统计报表管理。用户名、IP、所属组织、操作时间、操作内容，支持按操作时间、所属组织、用户名进行筛选，及日志列表下载。系统中对所有对象进行的操作均有日志记录，并按该对象属性分类记录。例如，新增任务，需要记录任务的操作内容、操作时间、任务信息（包含任务绑定的设备和围栏路线）、记录人等。任务、围栏、路线、设备的状态变化均有后台记录。

图2 系统规则报警Fig.2 System rule alarm

1.4 用户层

现场项目经理可对施工现场资源分配、施工情况、施工动态进行全面管理；项目管理人员可全面了解施工进展，实现施工的统一协调和管理[4]；施工人员，在全面监管下严格按要求施工，发生异常行为报警提示，有效保障施工人员安全及项目进度。

1.4.1 三维工地场景

综合多种数据模型，将工地情况进行三维建模，直观显示工地场景与各车辆、人员等位置关系。依据需求将地面、围栏、道路、光伏子阵、箱变、临时住房等设施（以光伏电站建设项目为例），按规划图要求建模、摆放。三维场景制作流程经历以下阶段：二维数据准备、地形数据导入或创建、矢量数据导入、矢量数据编辑、三维模型导入、场景要素编辑、动画和输出编辑。

数字工地三维数据制作，主要需控制以下几点流程：（1）资料采集流程：根据不同制作精度，收集和整理特定比例尺的测绘资料，现状立面拍摄和外业调研均有流程控制。（2）数据制作标准和技术流程：包括制作精度划分、制作单位、坐标系和制作技术流程等。（3）命名标准：包括地物分类编码标准、模型贴图命名规范、图层和基础资料规范等。（4）数据制作流程管理：主要包括制作任务管理、数据安全控制、备份、质量控制等。数据生产项目实行三级质量控制，以保证准确和精美的三维工地数据。

1.4.2 360°全景展示

360°全景技术是一种基于静态图像在管理平台上能够实现虚拟现实的技术。可在电脑端进行360°全景观察，通过交互操作，实现自由浏览，从而体验三维视觉世界。360°全景是由两大部分组成：全景摄影与虚拟全景系统。把相机环360°的一组照片通过无缝处理，拼接成一张全景图像，该摄影工作由全景管理员在施工现场进行实景拍摄，通过全景防抖高清相机拍摄，也可用手机自带相机全景功能拍摄生成包含全方向视角像素点的全景照片。打开工程管理平台（PC 或移动端）进入虚拟全景系统照片上传模块，将拍摄生成的全景照片上传至平台，虚拟全景系统自动将展开全景图片和视频映射到虚拟的球体表面，在球心放置透视相机，通过透视相机输出画面，结合基于经纬、欧拉角的转换控制算法实现视角自由控制。最终将真实场景还原在互联网显示，并具有较强的互动性，通过控制环视的方向，可左右、上下、近远、大小调整视角，实现设备工程漫游。

2 数据库体系建设

2.1 地理信息数据

地理信息数据包括遥感影像和矢量地图数据及相关地理信息。参照数据处理标准，根据项目实际情况，采集并处理平台地理信息。平台地理信息主要包括：多分辨率卫星遥感影像、数字高程模型（DEM）、工程环境信息，例如，道路、地名、重点建筑名称等。对遥感影像数据、矢量地图数据进行分层分级处理，以便于数据的高效高清晰度调用。

（1）遥感影像数据：整个区域采用0.6m 高分辨率航空遥感图像和大比例尺矢量地图及DEM 高程数据为基础，利用三维生成技术，建立工程形象直观、真实的地形地貌。（2）矢量地图修测：对工程整个区域矢量地图进行全面修侧，矢量地图数据主要要素包括道路、园区、建筑名称及所属单位等，使其具有高度还原性。

2.2 三维模型数据

三维数据建库与二维数据的建库具有很大区别，一般经过数据转换、数据生产和数据上载等几个主要的过程。三维模型数据库如图3 所示。

图3 三维模型数据库Fig.3 3D model database

2.3 资料信息数据

协同管理功能在运行过程中通过用户上报的状态和文件等信息，系统将通过设计开发的数据结构和外部协议接口实时获取并即时存储这些信息，在三维空间实时展示监控信息。

2.4 应急救援、人员疏散、逃生路径规划预制数据

基于三维可视化模型，针对突发的安全事件（如火灾、地震、洪水等），用户可以通过智能头盔通讯功能播报现场情况，后台AI 智能算法结合现场模型，计算密集人员疏散逃生路线，后通过智能头盔进行播报指挥。通过智能头盔的生命状态监测、碰撞跌落报警系统，实现伤员定位、呼救应答[5]。

应急救援、疏散逃生路径规划初阶实现：综合工地现场应急演练预案，将人员疏散逃生路径预先上传于指挥平台。出现险情后，终端设备向指挥平台险情报警，指挥平台向逃生组智能穿戴设备下发疏散路径，以最大速度进行逃生路径规划并指导人员疏散；指挥平台向抢险组下发抢险任务，抢险组进行事故抢险；指挥平台向医疗救护组下发抢救任务，播报伤员位置，救护组与伤员进行即时通讯，确定伤情及周围环境情况，及时救助。

3 结语

在三维互动实景工程管理平台项目的开发实施中，结合现场EPC 总承包项目管理实际需求，不断深化三维互动实景工程管理平台的应用场景及功能开发，实现现场调度指挥、违章作业报警、人员车辆状态监测、应急救援指挥等功能。不仅可以让使用者看到工程实景模型，还可以深入其中、身临其境，真实感受身处工程现场之中，浏览设备结构和内部构造，查看各个构件的信息属性。基于可视化技术、具象化效果的技术交流运用，摒弃传统方式中单一依靠技术人员对照图纸、方案进行讲解的模式，能够解决各级参观考察领导无法快速游览项目信息和进度信息问题，使得各种技术交流和项目展示信息更全面、感受更直观、效果更好。