解決方案概述

隨著物聯網技術不斷發展，基于物聯網技術的智慧化管理解決方案為各行各業的智能化管理水平的提升帶來很大的提升。在建筑，橋梁，隧道及基建行業的施工現場，信息化系統的應用已經逐漸普及。

現有的信息化管理系統大部分以視頻監控，環境監測，設備監控為主。而智慧工地需要解決的核心問題還是人員安全的問題，避免人員安全事故的發生，其次需要解決的是提高生產效率，降低生產成本。隨著物聯技術的深入發展，傳感技術的成熟，傳輸技術，5G的快速發展，讓更高智能化的物聯技術具備了發展的基礎。

《十四五國家科技發展規劃》中的精確定位技術應用，可實時地獲取實際的現場信息，對進出工地的人員，車輛的信息以及工地內各個區域的人員分布有一個全面、及時、準確的掌握。管理者不在需要花費大量的精力、時間對各個區域進行巡邏。就能及時、準確的掌握現場情況，提前發現安全隱患，杜絕事故的發生。

而基于室內精確定位以及室外精確定位人員安全的管理，高精度的位置數據作為智慧工地數據流的重要組成，是智慧工程業務流中時間、空間、狀態三大數據指標之一，空間位置數據的準確性、實習性以及覆蓋完整性，是智能工地前端感知質量的重要評價維度。構建基于室內、室外定位技術的高精度定位管理系統，借助室內定位技術，BDS定位技術，實現對工廠人、車、物等的精確定位、無縫追蹤、智能調配與高效協同，大幅提升工地的精益生產及精細化管理水平。

其次大部分工地建設環境復雜，高危區域眾多， 常見有高空作業，深坑作業，地下作業，隧道作業，危險如高溫作業，高原缺氧作業等。在這些區域的對于環境的實時監測，以及施工人員生理，及心理的狀態的監測和有效管理都可有效防止安全事故發生，保障工人職業健康。

基于此定位網絡，不僅能夠實現精確定位，還能通過定位標簽與穿戴設備的集成，實現對工地人員健康數據監測，如心率，血氧，血壓，汗液等監測，避免出現如疲勞上崗，過度勞動，防止出現中暑，缺氧，昏厥，乃至猝死引起未知的重大安全事故，以及實時調度系統，加之與視頻系統的的聯動，可顯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綜合分析應用能力，能夠推動和保證法規范，有效提升工地安全，有效減輕管理負擔，提升工地現場整體管理水平

系統設計與建設目標

建立集約化高效的物聯感知網絡

物聯網技術包含了傳感器技術和傳輸技術兩個方面。傳感器設備需要多功能融合減少設備數量，傳輸的技術需要有前瞻性，穩定性及強拓展性。

系統獨立建網，網絡可重復部署

系統網絡布設簡單，維護難度低；

系統網絡可移動，滿足多次部署。

系統分散式部署，可集中管理

?  系統具有可拓展性，可升級

?  系統數據安全，可存儲保留

為此本系統將結合吾控健康科技多年的物聯網技術積累為工地構建一套容量大、通信可靠，可以多系統融合多應用的統一物聯感知網絡。設計原則系統具備以下特點：

（1）安全性；系統通信安全保密性高，不易截獲，很難入侵，

（2）先進性和成熟性；系統采用符合國際國內標準的成熟的技術和設備

（3）可靠性與穩定性；系統數據傳輸與存儲穩定，確保長期可靠運行。

（4）可融合和可擴展性；系統與已有系統可集成，軟件采用開放式結構。

（5）補充性和發展性；系統有效彌補原有系統不足，提升整體系統的性能。（6）智能化和易維護；系統自動運行，自動判斷異常，維護簡單。

建立新型補充融合系統

新型物聯感知網絡可以接入智慧工地內網或者4G或5G公網，提供有線和無線兩種接入方案。其中內網由工地統一規劃建設，該網絡通過內網與其他常用系統完成融合，為視頻監控，門禁管理，應急系統提供精確的人員位置信息及生理性息，以及語音對講功能，顯著提升以上系統的運行效率及智能化程度。

本方案主要針對無線物聯網絡的建設進行設計。無線物聯網絡主要由無線基站設備構成。組網結構如上圖：

通過無線基站在信號覆蓋范圍內接入多種前端設備，實現同一網絡下的跨系統數據匯集。采用這種方案一則可以統一規劃實現主要區域的信號覆蓋即可實現上述系統的數據上傳，極大的簡化了網絡結構也使得網絡維護難度大大降低。

建設實用的物聯感知技術應用系統

應用系統模塊包括：人員信息管理，人員位置管理、人員生命體征管理。工程車輛位置管理，潛在危險源管理，系統聯動融合管理。

人員信息管理

?  通過身份證進行實名綁定，將人員身份信息、勞動合同書編號、崗位技能證書號登記入冊，

?  并確保人、證、冊、合同、證書相符統一，使監管部門對工地勞務分包人數、情況明細、

?  人員對號、調配有序。

?  人員區域流動標準化，點名自動化，實現對流動信息的精確、實時、主動采集；

?  危險區異常行為自動預警，實現如越界，滯留，出界，聚集自動告警

?  通過生命體征實時常態化監測及時發現突發體征異常人員；完善工人健康信息資源庫；

?  通過行為狀態常態化監測，及時發現異常行為，如疲勞，中暑，缺氧，昏厥等，預防異常事件發生

?  對人員的睡眠，精神狀態進行智能化分析，防止危險崗位疲勞上崗，防止事故發生。

工程車輛管理

?  在施工車輛上安裝定位基站，當人員靠近施工車輛時，司機即可收到聲光報警，防止人車相撞。

?  車輛位置異常移動，非授權移動時后臺報警

?  車輛位置管理，車輛調度管理

潛在危險源管理

?  工地中零時建筑，安裝檢測標簽，提前預警倒塌

?  斜坡，邊坡，植入滑坡預警傳感器，提前預警滑坡

?  異常移動告警，對于不能產生位移相關設備，通過布設物聯網標簽

實時監測管理

集群對講及智能調度系統：

?  智能安全帽內置POC數字對講系統，可實現集群對講 ，

?  緊急通知，緊急調度可1對1，危險告警可實現全員廣播

?  支持系統自動文字轉語音，系統自動廣播

?  實現與視頻系統，閘機門禁系統聯動實現高效管理，自動錄像，利用平臺集成傳統安防系統，實現監控、門禁、報警、周界系統信息的集約化管理；

方案詳情

系統構成及技術原理

系統由廣域物聯網和局域的物聯網構成，局域基于UWB與藍牙的融合技術。系統兼具UWB定位精確，傳輸安全性高以及藍牙的低功耗及低成本及兼容性；系統通過部署一套物聯網關，實現UWB與藍牙混合定位功能，并同時兼容UWB及藍牙兩種無線標簽；移動型采用UWB標簽，可獲取精確位置，固定型標簽采用藍牙，成本低，免維護。系統標簽容量大幅提升，成本大幅下降；系統基于邊緣計算網關的部署方案，即支持傳統的網線接入，無線網橋部署，部署成本低，組網簡單，有效本地部署方案。也支持5G無線部署，接入無線5G專網及實現5G云部署。

廣域物聯網基于NB-iot，LTE網絡組件

該系統核心功能就是基于物聯網的，實時高精度定位與生命行為監測管理以及基于廣域網絡的語音對講。融入智能穿戴產品中。通過一個融合的物聯網系統即可實現對全域的人員位置，生命體征，車輛管理，危險源監測，環境監測等進行集約管理。

系統組成

系統主要由智能標簽、物聯設備，輔助設備，后端系統4大部分組成

智能標簽：

2  多功能智能安全帽

2  智能健康監測手表

2  物資精確定位標簽

2  藍牙多功能標簽

物聯設備：

2  防爆型UWB藍牙物聯定位網關

2  5G邊緣計算設備

其他輔助設備

2  讀卡控制器：

2  LED展示大屏

后端系統：

2  數據管理模塊

2  定位引擎模塊

2  地圖引擎模塊

2  大屏展示系統

2  客戶管理端APP

2  系統API接口

局域網系統結構

技術路線

本統系統核心功能主要是對人行為和健康的管理，以及移動物品及固定物品的軌跡以及位移狀態監測。正確的技術方案是確保系統功能可靠的重要保證。為實現系統功能，本方案通過幾步對各種技術方案進行優選：

基于統一物聯網絡實現跨系統的融合網絡應用

本方案前端基于UWB（超寬帶定位技術）+藍牙來構建智慧工地的無線物聯網絡，并結合工地局域網絡或快速接入廣域網絡形成完整的物聯網絡架構。符《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》中的要求。

物聯網傳輸技術的選擇

廣域物聯網絡：

主要依托運營商網絡，性能穩定，可靠，我國主推的物聯網絡，以NB-IOT窄帶物聯網，CAT1的中速網絡，4G高速網絡，以及5G骨干網絡

 局域物聯網絡：

主要為用戶自建，常見如LORA網絡，RFID網絡，藍牙網絡，UWB網絡等。每個網絡都有自身特點適合不同場景。

LORA網絡:適合電信網絡不能覆蓋地區，部署成本低，單站覆蓋范圍廣，但是不具備定位功能，標簽容量低，適合低頻，低速的數據傳輸，農業領域使用較多。

RFID網絡:適合物流等相關行業，標簽成本極低，具備一定定位功能，但是數據傳輸僅限身份ID，傳輸量有限。

藍牙網絡：適合面較廣，標簽成本較低，支持上下行，帶寬較大，支持模糊定位及小區域AOA精確定位，單站覆蓋面積較小。

UWB網絡：適合面較廣，標簽功耗低，成本高，標簽容量大，帶寬大，定位精度高，整體成本偏高。

我們解決方案，結合廣域物聯網和局域物聯結合， 融合藍牙和UWB兩種網絡優勢，以可穿戴設備為融合標簽，構建了一個多模協同的高效物聯網絡。

       定位技術的選擇

室外定位網絡：

主要為GNSS定位技術，如北斗GPS，普通定位可以實現車道級的定位；

基于RTK定位技術，通過地面的COSR基站差分，實現戶外亞米或厘米級的定位，但需要依靠廣域網絡或私網建立通訊，實現位置管理

室內定位網絡：

主要以目前常見用于定位的技術大致分為兩大類：

一類是實現連續坐標測算定位技術，如：RSSI（通過信號強度測算目標坐標）、AOA（通過信號到達角度測算目標坐標）、TDOA（通過信號到達時差測算目標坐標）；

第二類是區域感知定位技術，如：超聲波區域感知定位技術、低頻信號激發區域感知定位技術。

連續坐標測算定位技術以獲取人員的實時位置坐標為基礎，因此可以不僅可以識別人員跨區域活動也可以識別出人員在某個區域內的具體位置。

區域感知定位技術的優勢是可以較為準確的區分出人員的跨區域活動但缺點是在人員進入某區域后無法感知到具體的位置。

綜合上述兩大類定位技術的優缺點，本系統將融合多種定位技術根據不同的功能和區域使用不同的定位技術。

1.紅外藍牙錨點定位，主要用于狹小空間的室內定個位，有效減少基站部署數據，降低成本

2.藍牙AOA，主要適合在30平米以下空間，需要精確定位的空間，綜合成本低

3.UWB一維，適合狹長空間定位，節省成本，優勢明顯

4.UWB二維，優勢適合空曠大空間定位，綜合成本極低，是室內定位的最佳選擇

典型部署方案

1）建筑地基，路基建設，貨物堆場等區域

采用二維部署方案，每8臺UWB基站，加邊緣計算中心，組成一個網絡，矩陣式分布，覆蓋一片區域。邊緣計算中心通過POE為UWB基站供電，快速處理數據后將坐標或其他數據傳回系統統一管理， 邊緣計算中心可通過網線，網橋接回中心機房，或通過5G無線網絡接入云端。 無遮擋情況下一組最大可覆蓋4萬平米。

圖 8 TDOA定位示意圖

2）隧道工程

?  掌子面：部署二維精確定位系統，實時掌控掘進區域人員分布

?  完工段：部署一維定位系統，施工人員進入工作面后，全線監控無盲區

二維部署方案

一維部署方案 

圖 17 基站部署拓撲圖

掌子面是隧道施工區域中最重要的區域，加固未完善的工作環境，復雜的工序流程，以及開挖面高風險作業等，導致安全事故風險急劇增加。在該工區的人員實時位置給安全救援與事故防范提供了關鍵信息。為了保證定位系統的穩定運行與高精度性能，掌子面的部署放如下：工作臺車、防水臺車、二襯臺車分別部署兩個基站。

1、二維實時定位

實時定位工作人員的精確位置，定位精度在30cm。統計區域實時人數。

2、網絡接入方式

工作臺車，二襯臺車和防水臺車均使用POE的接入方式，安全、穩定。在接近施工區域，安裝部署邊緣計算中心并接入網線或無線網橋，

主干網絡部署方案：

主干網絡推薦使用無線網橋進行部署，可由甲方自行采購設備，推薦型號例如Tplink的CPE510，或者拓達的DIP326H等。每個基站需要一個無線網橋，通過LAN口連接到基站的LAN口。同時，服務器網絡接口處也需要接一個無線網橋，用于連接每個基站的無線網橋到服務器。

可根據隧道施工具體環境，選擇接入UWB基站，最大支持8臺，二維采用平行部署，1維采用直線部署，安裝完在施工圖紙標準基站位置，便于繪制地圖

此方案一次部署，解決撐子面和完工段，不需分開部署。

基礎組網方案優勢分析

1）數據準確

系統采用了獨特設計的通信策略，可以使系統中的所有設備都在可管理的狀態下進行工作。不僅可以避免因大量設備無序工作而導致的數據錯誤，可以確保人員進出數量等重要數據100%準確。

2）系統容量大

本系統可以滿足人數眾多的大型監管單位使用，目前本系統已在國內5千人以上的大型工地得到了應用。

3）可維護性強

系統自身采取分層管理模式，可以實現系統設備狀態的自行檢測，從而可以提高系統的可維護性。實時性系統通過級聯的方式，可實現基站無限擴容，無數量限制。

4）高精確性

根據不同場所的定位精度要求不同，在特別敏感區域，系統最高可達到 10厘米的定位精度。掃描時間（即數據刷新時間）不超過 1 秒。

5）全覆蓋性

根據應用需求，實現了室內室外，局域與廣域的全覆蓋。局域的實時性，低成本，廣域的覆蓋全，穩定性。