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解决方案概述

随着物联网技术不断发展,基于物联网技术的智慧化管理解决方案为各行各业的智能化管理水平的提升带来很大的提升。在建筑,桥梁,隧道及基建行业的施工现场,信息化系统的应用已经逐渐普及。

现有的信息化管理系统大部分以视频监控,环境监测,设备监控为主。而智慧工地需要解决的核心问题还是人员安全的问题,避免人员安全事故的发生,其次需要解决的是提高生产效率,降低生产成本。随着物联技术的深入发展,传感技术的成熟,传输技术,5G的快速发展,让更高智能化的物联技术具备了发展的基础。

《十四五国家科技发展规划》中的精确定位技术应用,可实时地获取实际的现场信息,对进出工地的人员,车辆的信息以及工地内各个区域的人员分布有一个全面、及时、准确的掌握。管理者不在需要花费大量的精力、时间对各个区域进行巡逻。就能及时、准确的掌握现场情况,提前发现安全隐患,杜绝事故的发生。

而基于室内精确定位以及室外精确定位人员安全的管理,高精度的位置数据作为智慧工地数据流的重要组成,是智慧工程业务流中时间、空间、状态三大数据指标之一,空间位置数据的准确性、实习性以及覆盖完整性,是智能工地前端感知质量的重要评价维度。构建基于室内、室外定位技术的高精度定位管理系统,借助室内定位技术,BDS定位技术,实现对工厂人、车、物等的精确定位、无缝追踪、智能调配与高效协同,大幅提升工地的精益生产及精细化管理水平。

其次大部分工地建设环境复杂,高危区域众多, 常见有高空作业,深坑作业,地下作业,隧道作业,危险如高温作业,高原缺氧作业等。在这些区域的对于环境的实时监测,以及施工人员生理,及心理的状态的监测和有效管理都可有效防止安全事故发生,保障工人职业健康。

基于此定位网络,不仅能够实现精确定位,还能通过定位标签与穿戴设备的集成,实现对工地人员健康数据监测,如心率,血氧,血压,汗液等监测,避免出现如疲劳上岗,过度劳动,防止出现中暑,缺氧,昏厥,乃至猝死引起未知的重大安全事故,以及实时调度系统,加之与视频系统的的联动,可显著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综合分析应用能力,能够推动和保证法规范,有效提升工地安全,有效减轻管理负担,提升工地现场整体管理水平

系统设计与建设目标

建立集约化高效的物联感知网络

物联网技术包含了传感器技术和传输技术两个方面。传感器设备需要多功能融合减少设备数量,传输的技术需要有前瞻性,稳定性及强拓展性。

系统独立建网,网络可重复部署

系统网络布设简单,维护难度低;

系统网络可移动,满足多次部署。

系统分散式部署,可集中管理

Ø  系统具有可拓展性,可升级

Ø  系统数据安全,可存储保留

为此本系统将结合吾控健康科技多年的物联网技术积累为工地构建一套容量大、通信可靠,可以多系统融合多应用的统一物联感知网络。设计原则系统具备以下特点:

(1)安全性;系统通信安全保密性高,不易截获,很难入侵,

(2)先进性和成熟性;系统采用符合国际国内标准的成熟的技术和设备

(3)可靠性与稳定性;系统数据传输与存储稳定,确保长期可靠运行。

(4)可融合和可扩展性;系统与已有系统可集成,软件采用开放式结构。

(5)补充性和发展性;系统有效弥补原有系统不足,提升整体系统的性能。(6)智能化和易维护;系统自动运行,自动判断异常,维护简单。

建立新型补充融合系统

新型物联感知网络可以接入智慧工地内网或者4G或5G公网,提供有线和无线两种接入方案。其中内网由工地统一规划建设,该网络通过内网与其他常用系统完成融合,为视频监控,门禁管理,应急系统提供精确的人员位置信息及生理性息,以及语音对讲功能,显著提升以上系统的运行效率及智能化程度。

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本方案主要针对无线物联网络的建设进行设计。无线物联网络主要由无线基站设备构成。组网结构如上图:

通过无线基站在信号覆盖范围内接入多种前端设备,实现同一网络下的跨系统数据汇集。采用这种方案一则可以统一规划实现主要区域的信号覆盖即可实现上述系统的数据上传,极大的简化了网络结构也使得网络维护难度大大降低。

建设实用的物联感知技术应用系统

应用系统模块包括:人员信息管理,人员位置管理、人员生命体征管理。工程车辆位置管理,潜在危险源管理,系统联动融合管理。

人员信息管理

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Ø  通过身份证进行实名绑定,将人员身份信息、劳动合同书编号、岗位技能证书号登记入册,

Ø  并确保人、证、册、合同、证书相符统一,使监管部门对工地劳务分包人数、情况明细、

Ø  人员对号、调配有序。

Ø  人员区域流动标准化,点名自动化,实现对流动信息的精确、实时、主动采集;

Ø  危险区异常行为自动预警,实现如越界,滞留,出界,聚集自动告警

Ø  通过生命体征实时常态化监测及时发现突发体征异常人员;完善工人健康信息资源库;

Ø  通过行为状态常态化监测,及时发现异常行为,如疲劳,中暑,缺氧,昏厥等,预防异常事件发生

Ø  对人员的睡眠,精神状态进行智能化分析,防止危险岗位疲劳上岗,防止事故发生。

工程车辆管理

Ø  在施工车辆上安装定位基站,当人员靠近施工车辆时,司机即可收到声光报警,防止人车相撞。

Ø  车辆位置异常移动,非授权移动时后台报警

Ø  车辆位置管理,车辆调度管理

潜在危险源管理

Ø  工地中零时建筑,安装检测标签,提前预警倒塌

Ø  斜坡,边坡,植入滑坡预警传感器,提前预警滑坡

Ø  异常移动告警,对于不能产生位移相关设备,通过布设物联网标签

实时监测管理

集群对讲及智能调度系统:

Ø  智能安全帽内置POC数字对讲系统,可实现集群对讲 ,

Ø  紧急通知,紧急调度可1对1,危险告警可实现全员广播

Ø  支持系统自动文字转语音,系统自动广播

Ø  实现与视频系统,闸机门禁系统联动实现高效管理,自动录像,利用平台集成传统安防系统,实现监控、门禁、报警、周界系统信息的集约化管理;

方案详情

系统构成及技术原理

系统由广域物联网和局域的物联网构成,局域基于UWB与蓝牙的融合技术。系统兼具UWB定位精确,传输安全性高以及蓝牙的低功耗及低成本及兼容性;系统通过部署一套物联网关,实现UWB与蓝牙混合定位功能,并同时兼容UWB及蓝牙两种无线标签;移动型采用UWB标签,可获取精确位置,固定型标签采用蓝牙,成本低,免维护。系统标签容量大幅提升,成本大幅下降;系统基于边缘计算网关的部署方案,即支持传统的网线接入,无线网桥部署,部署成本低,组网简单,有效本地部署方案。也支持5G无线部署,接入无线5G专网及实现5G云部署。

广域物联网基于NB-iot,LTE网络组件

该系统核心功能就是基于物联网的,实时高精度定位与生命行为监测管理以及基于广域网络的语音对讲。融入智能穿戴产品中。通过一个融合的物联网系统即可实现对全域的人员位置,生命体征,车辆管理,危险源监测,环境监测等进行集约管理。

系统组成

系统主要由智能标签、物联设备,辅助设备,后端系统4大部分组成

智能标签:

²  多功能智能安全帽

²  智能健康监测手表

²  物资精确定位标签

²  蓝牙多功能标签

物联设备:

²  防爆型UWB蓝牙物联定位网关

²  5G边缘计算设备

其他辅助设备

²  读卡控制器:

²  LED展示大屏

后端系统:

²  数据管理模块

²  定位引擎模块

²  地图引擎模块

²  大屏展示系统

²  客户管理端APP

²  系统API接口

局域网系统结构


技术路线

本统系统核心功能主要是对人行为和健康的管理,以及移动物品及固定物品的轨迹以及位移状态监测。正确的技术方案是确保系统功能可靠的重要保证。为实现系统功能,本方案通过几步对各种技术方案进行优选:

基于统一物联网络实现跨系统的融合网络应用

本方案前端基于UWB(超宽带定位技术)+蓝牙来构建智慧工地的无线物联网络,并结合工地局域网络或快速接入广域网络形成完整的物联网络架构。符《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中的要求。

物联网传输技术的选择

广域物联网络:

主要依托运营商网络,性能稳定,可靠,我国主推的物联网络,以NB-IOT窄带物联网,CAT1的中速网络,4G高速网络,以及5G骨干网络

 局域物联网络:

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主要为用户自建,常见如LORA网络,RFID网络,蓝牙网络,UWB网络等。每个网络都有自身特点适合不同场景。

LORA网络:适合电信网络不能覆盖地区,部署成本低,单站覆盖范围广,但是不具备定位功能,标签容量低,适合低频,低速的数据传输,农业领域使用较多。

RFID网络:适合物流等相关行业,标签成本极低,具备一定定位功能,但是数据传输仅限身份ID,传输量有限。

蓝牙网络:适合面较广,标签成本较低,支持上下行,带宽较大,支持模糊定位及小区域AOA精确定位,单站覆盖面积较小。

UWB网络:适合面较广,标签功耗低,成本高,标签容量大,带宽大,定位精度高,整体成本偏高。

我们解决方案,结合广域物联网和局域物联结合, 融合蓝牙和UWB两种网络优势,以可穿戴设备为融合标签,构建了一个多模协同的高效物联网络。

 

       定位技术的选择

室外定位网络:

主要为GNSS定位技术,如北斗GPS,普通定位可以实现车道级的定位;

基于RTK定位技术,通过地面的COSR基站差分,实现户外亚米或厘米级的定位,但需要依靠广域网络或私网建立通讯,实现位置管理

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室内定位网络:

主要以目前常见用于定位的技术大致分为两大类:

一类是实现连续坐标测算定位技术,如:RSSI(通过信号强度测算目标坐标)、AOA(通过信号到达角度测算目标坐标)、TDOA(通过信号到达时差测算目标坐标);

第二类是区域感知定位技术,如:超声波区域感知定位技术、低频信号激发区域感知定位技术。

连续坐标测算定位技术以获取人员的实时位置坐标为基础,因此可以不仅可以识别人员跨区域活动也可以识别出人员在某个区域内的具体位置。

区域感知定位技术的优势是可以较为准确的区分出人员的跨区域活动但缺点是在人员进入某区域后无法感知到具体的位置。

综合上述两大类定位技术的优缺点,本系统将融合多种定位技术根据不同的功能和区域使用不同的定位技术。

1.红外蓝牙锚点定位,主要用于狭小空间的室内定个位,有效减少基站部署数据,降低成本

2.蓝牙AOA,主要适合在30平米以下空间,需要精确定位的空间,综合成本低

3.UWB一维,适合狭长空间定位,节省成本,优势明显

4.UWB二维,优势适合空旷大空间定位,综合成本极低,是室内定位的最佳选择

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典型部署方案

1)建筑地基,路基建设,货物堆场等区域

采用二维部署方案,每8台UWB基站,加边缘计算中心,组成一个网络,矩阵式分布,覆盖一片区域。边缘计算中心通过POE为UWB基站供电,快速处理数据后将坐标或其他数据传回系统统一管理, 边缘计算中心可通过网线,网桥接回中心机房,或通过5G无线网络接入云端。 无遮挡情况下一组最大可覆盖4万平米。

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图 8 TDOA定位示意图

2)隧道工程

Ø  掌子面:部署二维精确定位系统,实时掌控掘进区域人员分布

Ø  完工段:部署一维定位系统,施工人员进入工作面后,全线监控无盲区

二维部署方案

一维部署方案 


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图 17 基站部署拓扑图

掌子面是隧道施工区域中最重要的区域,加固未完善的工作环境,复杂的工序流程,以及开挖面高风险作业等,导致安全事故风险急剧增加。在该工区的人员实时位置给安全救援与事故防范提供了关键信息。为了保证定位系统的稳定运行与高精度性能,掌子面的部署放如下:工作台车、防水台车、二衬台车分别部署两个基站。

1、二维实时定位

实时定位工作人员的精确位置,定位精度在30cm。统计区域实时人数。

2、网络接入方式

工作台车,二衬台车和防水台车均使用POE的接入方式,安全、稳定。在接近施工区域,安装部署边缘计算中心并接入网线或无线网桥,

主干网络部署方案:

主干网络推荐使用无线网桥进行部署,可由甲方自行采购设备,推荐型号例如Tplink的CPE510,或者拓达的DIP326H等。每个基站需要一个无线网桥,通过LAN口连接到基站的LAN口。同时,服务器网络接口处也需要接一个无线网桥,用于连接每个基站的无线网桥到服务器。


 

可根据隧道施工具体环境,选择接入UWB基站,最大支持8台,二维采用平行部署,1维采用直线部署,安装完在施工图纸标准基站位置,便于绘制地图

此方案一次部署,解决撑子面和完工段,不需分开部署。

基础组网方案优势分析

1)数据准确

系统采用了独特设计的通信策略,可以使系统中的所有设备都在可管理的状态下进行工作。不仅可以避免因大量设备无序工作而导致的数据错误,可以确保人员进出数量等重要数据100%准确。

2)系统容量大

本系统可以满足人数众多的大型监管单位使用,目前本系统已在国内5千人以上的大型工地得到了应用。

3)可维护性强

系统自身采取分层管理模式,可以实现系统设备状态的自行检测,从而可以提高系统的可维护性。实时性系统通过级联的方式,可实现基站无限扩容,无数量限制。

4)高精确性

根据不同场所的定位精度要求不同,在特别敏感区域,系统最高可达到 10厘米的定位精度。扫描时间(即数据刷新时间)不超过 1 秒。

5)全覆盖性

根据应用需求,实现了室内室外,局域与广域的全覆盖。局域的实时性,低成本,广域的覆盖全,稳定性。



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