基于物联网云平台的公路施工适应性及远程管理研究

摘要：在大型公路工程项目的施工现场，复杂的工作流程和多变的项目规模与类型使得现场管理面临极大挑战。传统施工方法受限于数字资源和数据的不足，项目管理常依赖于临时的报告信息收集，增加了管理难度。为了应对这一挑战，文章深入研究了基于物联网云平台的公路施工现场适应性及管理经验。该平台专为大型土木工程项目设计，能够实现项目方对多个建筑工地的远程管理，并通过实时数据分析，迅速响应并调整管理策略和工程进度。文章对真实建筑工地进行了2次实验，实验结果显示，物联网云平台在施工现场管理中展现出显著的高效性，证明了其在大型公路工程项目管理中的适用性和价值。

关键词：物联网；可靠数据；经营调整； 远程管理

中图分类号：U411" " " " 文献标识码：A" " " 文章编号：1674-0688（2024）04-0078-03

0 引言

大型土木工程项目规模的扩大及所需预算的增加，容易导致项目延期或成本增加，管理项目任务艰巨。传统项目管理过程中，只有少量数据可用，项目管理者劳动强度大。施工现场报告和临时信息手动收集过程缓慢，信息可用性低。目前，多数工程施工企业处于数字化转型的早期阶段，许多流程无法跟踪，只能使用纸质文件进行报告。随着数字技术的发展，数字化应用逐渐取代了传统方式，它不仅可提高施工效率，而且在施工项目的整个生命周期可为管理者提供有价值的工具与服务。截至目前，大部分数字化工作停留在工程项目设计和规划层面［1-2］。

为改善传统施工存在的弊端，使大型公路施工项目更加高效和可预测，本文探索一种物联网智能化管理模式，即基于物联网（IoT）施工云平台，实现和管理适用于建筑工地的动态与适应性应用程序。该平台可用于大多数项目的不同阶段，包括从早期准备到后期任务，再到项目生命周期最后阶段的结构维护。该平台由部署在施工现场的智能设备组成，连接到车辆和材料上，或由工人佩戴。此类设备通过分布在站点的无线网络，将数据传输到云平台进行存储，实现施工现场数字化。

1 物联网施工云平台

该平台主要包括两个部分，一是部署在施工现场的物联网，由适当的、可配置的智能节点构建；另一部分是带有用户界面的后端云平台。分布在施工现场的智能硬件节点，通过本地无线电网络收集和分发信息，根据物联网网关的分配，系统通过移动或有线网络连接到云平台（见图1）。项目管理者可便捷地远程访问平台。

1.1 现场物联网络

在项目现场，部署一个或多个物联网网关，创建本地无线电网络基础设施，类似于LoRa网关的概念，根据频谱管理和硬件限制的规定，该网络在868 MHz工业、科学和医疗（ISM）频带周围运行，并采用其专有协议，限制短程设备使用ISM频段。通过使用占空比的最大值，即通过限制1 h内的最大总传输时间、单次传输的最大时间和两次连续传输之间的最小断开时间，或通过使用载波侦听（LBT）和自适应频率灵活性（AFA）技术限制频谱接入。LoRa协议受占空比的限制，严重限制了发送分组的最大数量及其传输量。

软件平台（TI堆栈）仅与少数选定的微控制器兼容，但选项范围更广，例如允许使用更强大的CPU（中央处理器），包括双频无线芯片。对现场安装节点的测试表明，预期的原始数据速率约为50 kb/s，根据环境、特定的天线设置和传输功率，传输距离可达4 km，可满足各种施工场景。系统不依赖于移动网络，网关通过LTE（长期演进）模块连接到互联网，根据需要亦可通过电话电缆或卫星链路实现连接［3］。

现场物联网网关是施工现场和云平台之间的桥梁，智能节点分布于施工现场，各智能节点连接到最近或唯一可用的物联网网关节点。该节点将接收数据包并将其传输到云后端，网关负责将数据从云平台传递到智能节点，作为对请求的响应或对后端服务发送的触发信号。

1.2 可配置的智能节点

该平台实现了可确认智能节点分布于整个施工现场，它们连接在不同的车辆上，如挖掘机和运输材料的卡车。智能节点的功能概述见图2，不同的传感器可通过各种硬件协议连接；可选的输出模式及电源实现节点自定义设置，通过精准设置节点可以让平台适应不同的复杂应用场景。

电源可以选择使用外部电源，如车载电源、电池，也可以使用太阳能电池板等其他能量收集方式。上述电源组合广泛应用于电路板设计过程，在未使用车辆时，可使用内置电池处理断电间隙。智能节点可承载多数已有的传感器，支持各种协议，并实现标准化连接。输出模式可以采用用于显示简单值和小型指令的LCD显示器、用于发出通知信号的蜂鸣器，以及通过蓝牙低能耗连接到智能节点，并通过无线网络访问可用信息的平板电脑。智能节点的核心任务是传感器数据采集，它定期读取可用传感器的值，包括位置、加速度、空转、预处理和过滤数据，并且通过无线网络将上述值发送到相应网关，当无线连接不可用时，可实现在本地缓存数据［4］。

网状网络增加了控制系统的复杂性，增大资源占用，因此本文选择星形拓扑。如果节点移动到网关无法访问的地址，无线电连接不可用时，则可在本地缓存数据，所有智能节点能够加入或离开本地无线网络并与平台组件通信。以上功能使得施工现场成为一个开放和动态的环境，但是设备及其功能的可用性或不可用性是未知的，例如电池电量低的智能节点可能会断网一段时间，因此定制和自适应是该平台的关键特性。

1.3 云平台

为了应对建筑工地的开放性和动态性，实现项目管理者远程管理不同地点的多个施工项目，本文探索了一种自适应设计方法，即在云平台上设计和执行动态用户应用程序。自适应设计方法具有两个优势：一是允许通过的领域对象模型以统一的方式定义独立和异构的事物，包括传感器、制动器；二是允许事物、功能和服务进行动态组合，以达到应用程序和用户需求的目标，如监控卡车的周期并做出相应的反应。由于物联网具有高度异构性，目标可由不同的设备提供，所以在不同的执行场景中实现目标的方式会有所不同［5］。

图3描述了物联网施工云平台的主要组件及其连接方式。网关节点管理器代表平台的接入点，主要负责管理分布在不同施工现场的网关节点，每个网关节点已在平台网关节点数据库中注册为一个由密钥和签名组成的元组。在实际执行过程中，网关节点管理器在执行阶段仅接受有效密钥签名条目的节点的信息，进而实现网关身份验证。该平台在两个数据库中保存其内部数据，设备数据库存储不同站点可用的设备，如智能节点的信息、站点地址、设备状态、设备位置及测量数据。领域对象模型数据库存储所有设计的领域对象，统一定义了现场物联网设备及其可用功能的信息。

2 现场测试

2.1 智能节点设计与功能

云平台每个智能节点都有由两个子模块组成的自定义设计板，节点核心包括一个定制的无线电模块，该模块基于双带IC（集成电路），支持2.4 GHz和低于1 GHz频带的操作。该模块包括芯片及支持组件，位于主板的顶部，主板上装有各种类型的传感器、电源管理装置和太阳能收集电路板。本设计使用一个顶部透明的防水外壳，为延长电池寿命，集成一个5 V、0.6 W的太阳能电池板安装在透明顶部。

智能节点通常被放置在机器上，每日太阳能电池板可产生高达0.4 W的功率，延长了电池使用寿命。通过在箱子底部使用强磁体，可快速将其连接到施工车辆或挖掘机机臂上。图4为智能节点图，图5显示了连接在挖掘机机臂和卡车上的智能节点位置。

2.2 现场测试方案与实施

本文在2个建筑工地进行现场测试。第一组测试配备了2辆卡车和1台挖掘机，设定了1条特定的运输路线，并在大约2 h内收集数据，该测试的主要目标是验证系统的属性，如传输范围、安装原理和数据质量。第二组测试配备4辆卡车和2台挖掘机在2条不同的运输路线上工作，自早上7：00到下午2：00的整个轮班中收集了4辆卡车和1台挖掘机的传感器数据，1号和4号卡车在A号公路上，2号和3号卡车在B号公路上。

2.3 数据收集与分析结果

在数据检查方面，主要使用第二组施工现场收集的数据。在早班期间每辆卡车的循环持续时间段内，如果由于某种原因在路线上出现延迟，例如挖掘机必须调整其位置，则出现的延迟会在一定周期内传播，直到周期持续时间再次稳定至正常值，此类情况在现场部署设备时需避免。

每条路线的持续时间分布见图6，持续时间的细分见图7。由图6可知，路线之间的差异很小，大约一半的周期用于等待加载或加载过程。根据车辆的位置和速度等数据，使用简单的决策树分类器自动提取车辆的不同活动状态，数据实时可见，项目管理者可获得准确的运行数据。如果偏离标准，即当运输周期开始在同一条路线上花费更多的时间，项目管理者可直观地识别并分析，推测车辆是否途中振动幅度变大、道路环境是否质量恶化等。根据易于获得和理解的信息，项目管理者可以随时调整布置。

3 结论

本文探索了物联网施工云平台，旨在运用数字化手段优化大型道路建设项目的运作流程。该平台已在2个真实的公路施工现场接受测试并得到验证。使用该平台，用户能够远程监控不同的施工现场，实时获取最新信息，进而动态调整正在进行的项目流程。未来的研究中，可对该平台进行升级，例如探索并评估不同的网格方法，以实现更高效、更稳定的网络连接；利用先进的机器学习算法，准确量化价值增益。

4 参考文献

［1］李霞，吴跃明.物联网+下的智慧工地项目发展探索［J］.建筑安全，2017（2）：35-39.

［2］曾凝霜，刘琰，徐波.基于BIM的智慧工地管理体系框架研究［J］.施工技术，2015，44（10）：96-100.

［3］傅先进，杨乐.基于无线传感网络的可佩戴式生命体征监测系统设计［J］.导航与控制，2014，13（2）：23-27.

［4］王韬.智慧工地系统在房建施工现场管理中的应用研究［D］.北京：北京化工大学，2020.

［5］朱传清.智慧工地系统在建筑施工过程中的应用［J］.智能城市，2021，7（3）：167-168.