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        基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的公路施工適應(yīng)性及遠(yuǎn)程管理研究

        2024-08-05 00:00:00潘忠柱
        企業(yè)科技與發(fā)展 2024年4期
        關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)

        摘要:在大型公路工程項(xiàng)目的施工現(xiàn)場(chǎng),復(fù)雜的工作流程和多變的項(xiàng)目規(guī)模與類(lèi)型使得現(xiàn)場(chǎng)管理面臨極大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)施工方法受限于數(shù)字資源和數(shù)據(jù)的不足,項(xiàng)目管理常依賴(lài)于臨時(shí)的報(bào)告信息收集,增加了管理難度。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),文章深入研究了基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的公路施工現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性及管理經(jīng)驗(yàn)。該平臺(tái)專(zhuān)為大型土木工程項(xiàng)目設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目方對(duì)多個(gè)建筑工地的遠(yuǎn)程管理,并通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析,迅速響應(yīng)并調(diào)整管理策略和工程進(jìn)度。文章對(duì)真實(shí)建筑工地進(jìn)行了2次實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)在施工現(xiàn)場(chǎng)管理中展現(xiàn)出顯著的高效性,證明了其在大型公路工程項(xiàng)目管理中的適用性和價(jià)值。

        關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);可靠數(shù)據(jù);經(jīng)營(yíng)調(diào)整; 遠(yuǎn)程管理

        中圖分類(lèi)號(hào):U411" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A" " " 文章編號(hào):1674-0688(2024)04-0078-03

        0 引言

        大型土木工程項(xiàng)目規(guī)模的擴(kuò)大及所需預(yù)算的增加,容易導(dǎo)致項(xiàng)目延期或成本增加,管理項(xiàng)目任務(wù)艱巨。傳統(tǒng)項(xiàng)目管理過(guò)程中,只有少量數(shù)據(jù)可用,項(xiàng)目管理者勞動(dòng)強(qiáng)度大。施工現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告和臨時(shí)信息手動(dòng)收集過(guò)程緩慢,信息可用性低。目前,多數(shù)工程施工企業(yè)處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的早期階段,許多流程無(wú)法跟蹤,只能使用紙質(zhì)文件進(jìn)行報(bào)告。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化應(yīng)用逐漸取代了傳統(tǒng)方式,它不僅可提高施工效率,而且在施工項(xiàng)目的整個(gè)生命周期可為管理者提供有價(jià)值的工具與服務(wù)。截至目前,大部分?jǐn)?shù)字化工作停留在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和規(guī)劃層面[1-2]。

        為改善傳統(tǒng)施工存在的弊端,使大型公路施工項(xiàng)目更加高效和可預(yù)測(cè),本文探索一種物聯(lián)網(wǎng)智能化管理模式,即基于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)施工云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)和管理適用于建筑工地的動(dòng)態(tài)與適應(yīng)性應(yīng)用程序。該平臺(tái)可用于大多數(shù)項(xiàng)目的不同階段,包括從早期準(zhǔn)備到后期任務(wù),再到項(xiàng)目生命周期最后階段的結(jié)構(gòu)維護(hù)。該平臺(tái)由部署在施工現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備組成,連接到車(chē)輛和材料上,或由工人佩戴。此類(lèi)設(shè)備通過(guò)分布在站點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)進(jìn)行存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化。

        1 物聯(lián)網(wǎng)施工云平臺(tái)

        該平臺(tái)主要包括兩個(gè)部分,一是部署在施工現(xiàn)場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng),由適當(dāng)?shù)?、可配置的智能?jié)點(diǎn)構(gòu)建;另一部分是帶有用戶(hù)界面的后端云平臺(tái)。分布在施工現(xiàn)場(chǎng)的智能硬件節(jié)點(diǎn),通過(guò)本地?zé)o線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)收集和分發(fā)信息,根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的分配,系統(tǒng)通過(guò)移動(dòng)或有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接到云平臺(tái)(見(jiàn)圖1)。項(xiàng)目管理者可便捷地遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)平臺(tái)。

        1.1 現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

        在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng),部署一個(gè)或多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),創(chuàng)建本地?zé)o線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,類(lèi)似于LoRa網(wǎng)關(guān)的概念,根據(jù)頻譜管理和硬件限制的規(guī)定,該網(wǎng)絡(luò)在868 MHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻帶周?chē)\(yùn)行,并采用其專(zhuān)有協(xié)議,限制短程設(shè)備使用ISM頻段。通過(guò)使用占空比的最大值,即通過(guò)限制1 h內(nèi)的最大總傳輸時(shí)間、單次傳輸?shù)淖畲髸r(shí)間和兩次連續(xù)傳輸之間的最小斷開(kāi)時(shí)間,或通過(guò)使用載波偵聽(tīng)(LBT)和自適應(yīng)頻率靈活性(AFA)技術(shù)限制頻譜接入。LoRa協(xié)議受占空比的限制,嚴(yán)重限制了發(fā)送分組的最大數(shù)量及其傳輸量。

        軟件平臺(tái)(TI堆棧)僅與少數(shù)選定的微控制器兼容,但選項(xiàng)范圍更廣,例如允許使用更強(qiáng)大的CPU(中央處理器),包括雙頻無(wú)線(xiàn)芯片。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝節(jié)點(diǎn)的測(cè)試表明,預(yù)期的原始數(shù)據(jù)速率約為50 kb/s,根據(jù)環(huán)境、特定的天線(xiàn)設(shè)置和傳輸功率,傳輸距離可達(dá)4 km,可滿(mǎn)足各種施工場(chǎng)景。系統(tǒng)不依賴(lài)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)關(guān)通過(guò)LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))模塊連接到互聯(lián)網(wǎng),根據(jù)需要亦可通過(guò)電話(huà)電纜或衛(wèi)星鏈路實(shí)現(xiàn)連接[3]。

        現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是施工現(xiàn)場(chǎng)和云平臺(tái)之間的橋梁,智能節(jié)點(diǎn)分布于施工現(xiàn)場(chǎng),各智能節(jié)點(diǎn)連接到最近或唯一可用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)將接收數(shù)據(jù)包并將其傳輸?shù)皆坪蠖?,網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從云平臺(tái)傳遞到智能節(jié)點(diǎn),作為對(duì)請(qǐng)求的響應(yīng)或?qū)蠖朔?wù)發(fā)送的觸發(fā)信號(hào)。

        1.2 可配置的智能節(jié)點(diǎn)

        該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了可確認(rèn)智能節(jié)點(diǎn)分布于整個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng),它們連接在不同的車(chē)輛上,如挖掘機(jī)和運(yùn)輸材料的卡車(chē)。智能節(jié)點(diǎn)的功能概述見(jiàn)圖2,不同的傳感器可通過(guò)各種硬件協(xié)議連接;可選的輸出模式及電源實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)自定義設(shè)置,通過(guò)精準(zhǔn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)可以讓平臺(tái)適應(yīng)不同的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景。

        電源可以選擇使用外部電源,如車(chē)載電源、電池,也可以使用太陽(yáng)能電池板等其他能量收集方式。上述電源組合廣泛應(yīng)用于電路板設(shè)計(jì)過(guò)程,在未使用車(chē)輛時(shí),可使用內(nèi)置電池處理斷電間隙。智能節(jié)點(diǎn)可承載多數(shù)已有的傳感器,支持各種協(xié)議,并實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化連接。輸出模式可以采用用于顯示簡(jiǎn)單值和小型指令的LCD顯示器、用于發(fā)出通知信號(hào)的蜂鳴器,以及通過(guò)藍(lán)牙低能耗連接到智能節(jié)點(diǎn),并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)可用信息的平板電腦。智能節(jié)點(diǎn)的核心任務(wù)是傳感器數(shù)據(jù)采集,它定期讀取可用傳感器的值,包括位置、加速度、空轉(zhuǎn)、預(yù)處理和過(guò)濾數(shù)據(jù),并且通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將上述值發(fā)送到相應(yīng)網(wǎng)關(guān),當(dāng)無(wú)線(xiàn)連接不可用時(shí),可實(shí)現(xiàn)在本地緩存數(shù)據(jù)[4]。

        網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,增大資源占用,因此本文選擇星形拓?fù)?。如果?jié)點(diǎn)移動(dòng)到網(wǎng)關(guān)無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)的地址,無(wú)線(xiàn)電連接不可用時(shí),則可在本地緩存數(shù)據(jù),所有智能節(jié)點(diǎn)能夠加入或離開(kāi)本地?zé)o線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并與平臺(tái)組件通信。以上功能使得施工現(xiàn)場(chǎng)成為一個(gè)開(kāi)放和動(dòng)態(tài)的環(huán)境,但是設(shè)備及其功能的可用性或不可用性是未知的,例如電池電量低的智能節(jié)點(diǎn)可能會(huì)斷網(wǎng)一段時(shí)間,因此定制和自適應(yīng)是該平臺(tái)的關(guān)鍵特性。

        1.3 云平臺(tái)

        為了應(yīng)對(duì)建筑工地的開(kāi)放性和動(dòng)態(tài)性,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理者遠(yuǎn)程管理不同地點(diǎn)的多個(gè)施工項(xiàng)目,本文探索了一種自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法,即在云平臺(tái)上設(shè)計(jì)和執(zhí)行動(dòng)態(tài)用戶(hù)應(yīng)用程序。自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì):一是允許通過(guò)的領(lǐng)域?qū)ο竽P鸵越y(tǒng)一的方式定義獨(dú)立和異構(gòu)的事物,包括傳感器、制動(dòng)器;二是允許事物、功能和服務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)組合,以達(dá)到應(yīng)用程序和用戶(hù)需求的目標(biāo),如監(jiān)控卡車(chē)的周期并做出相應(yīng)的反應(yīng)。由于物聯(lián)網(wǎng)具有高度異構(gòu)性,目標(biāo)可由不同的設(shè)備提供,所以在不同的執(zhí)行場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方式會(huì)有所不同[5]。

        圖3描述了物聯(lián)網(wǎng)施工云平臺(tái)的主要組件及其連接方式。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)管理器代表平臺(tái)的接入點(diǎn),主要負(fù)責(zé)管理分布在不同施工現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)已在平臺(tái)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)中注冊(cè)為一個(gè)由密鑰和簽名組成的元組。在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中,網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)管理器在執(zhí)行階段僅接受有效密鑰簽名條目的節(jié)點(diǎn)的信息,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)身份驗(yàn)證。該平臺(tái)在兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中保存其內(nèi)部數(shù)據(jù),設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)不同站點(diǎn)可用的設(shè)備,如智能節(jié)點(diǎn)的信息、站點(diǎn)地址、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備位置及測(cè)量數(shù)據(jù)。領(lǐng)域?qū)ο竽P蛿?shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)所有設(shè)計(jì)的領(lǐng)域?qū)ο螅y(tǒng)一定義了現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其可用功能的信息。

        2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

        2.1 智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與功能

        云平臺(tái)每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)都有由兩個(gè)子模塊組成的自定義設(shè)計(jì)板,節(jié)點(diǎn)核心包括一個(gè)定制的無(wú)線(xiàn)電模塊,該模塊基于雙帶IC(集成電路),支持2.4 GHz和低于1 GHz頻帶的操作。該模塊包括芯片及支持組件,位于主板的頂部,主板上裝有各種類(lèi)型的傳感器、電源管理裝置和太陽(yáng)能收集電路板。本設(shè)計(jì)使用一個(gè)頂部透明的防水外殼,為延長(zhǎng)電池壽命,集成一個(gè)5 V、0.6 W的太陽(yáng)能電池板安裝在透明頂部。

        智能節(jié)點(diǎn)通常被放置在機(jī)器上,每日太陽(yáng)能電池板可產(chǎn)生高達(dá)0.4 W的功率,延長(zhǎng)了電池使用壽命。通過(guò)在箱子底部使用強(qiáng)磁體,可快速將其連接到施工車(chē)輛或挖掘機(jī)機(jī)臂上。圖4為智能節(jié)點(diǎn)圖,圖5顯示了連接在挖掘機(jī)機(jī)臂和卡車(chē)上的智能節(jié)點(diǎn)位置。

        2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案與實(shí)施

        本文在2個(gè)建筑工地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。第一組測(cè)試配備了2輛卡車(chē)和1臺(tái)挖掘機(jī),設(shè)定了1條特定的運(yùn)輸路線(xiàn),并在大約2 h內(nèi)收集數(shù)據(jù),該測(cè)試的主要目標(biāo)是驗(yàn)證系統(tǒng)的屬性,如傳輸范圍、安裝原理和數(shù)據(jù)質(zhì)量。第二組測(cè)試配備4輛卡車(chē)和2臺(tái)挖掘機(jī)在2條不同的運(yùn)輸路線(xiàn)上工作,自早上7:00到下午2:00的整個(gè)輪班中收集了4輛卡車(chē)和1臺(tái)挖掘機(jī)的傳感器數(shù)據(jù),1號(hào)和4號(hào)卡車(chē)在A號(hào)公路上,2號(hào)和3號(hào)卡車(chē)在B號(hào)公路上。

        2.3 數(shù)據(jù)收集與分析結(jié)果

        在數(shù)據(jù)檢查方面,主要使用第二組施工現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù)。在早班期間每輛卡車(chē)的循環(huán)持續(xù)時(shí)間段內(nèi),如果由于某種原因在路線(xiàn)上出現(xiàn)延遲,例如挖掘機(jī)必須調(diào)整其位置,則出現(xiàn)的延遲會(huì)在一定周期內(nèi)傳播,直到周期持續(xù)時(shí)間再次穩(wěn)定至正常值,此類(lèi)情況在現(xiàn)場(chǎng)部署設(shè)備時(shí)需避免。

        每條路線(xiàn)的持續(xù)時(shí)間分布見(jiàn)圖6,持續(xù)時(shí)間的細(xì)分見(jiàn)圖7。由圖6可知,路線(xiàn)之間的差異很小,大約一半的周期用于等待加載或加載過(guò)程。根據(jù)車(chē)輛的位置和速度等數(shù)據(jù),使用簡(jiǎn)單的決策樹(shù)分類(lèi)器自動(dòng)提取車(chē)輛的不同活動(dòng)狀態(tài),數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可見(jiàn),項(xiàng)目管理者可獲得準(zhǔn)確的運(yùn)行數(shù)據(jù)。如果偏離標(biāo)準(zhǔn),即當(dāng)運(yùn)輸周期開(kāi)始在同一條路線(xiàn)上花費(fèi)更多的時(shí)間,項(xiàng)目管理者可直觀地識(shí)別并分析,推測(cè)車(chē)輛是否途中振動(dòng)幅度變大、道路環(huán)境是否質(zhì)量惡化等。根據(jù)易于獲得和理解的信息,項(xiàng)目管理者可以隨時(shí)調(diào)整布置。

        3 結(jié)論

        本文探索了物聯(lián)網(wǎng)施工云平臺(tái),旨在運(yùn)用數(shù)字化手段優(yōu)化大型道路建設(shè)項(xiàng)目的運(yùn)作流程。該平臺(tái)已在2個(gè)真實(shí)的公路施工現(xiàn)場(chǎng)接受測(cè)試并得到驗(yàn)證。使用該平臺(tái),用戶(hù)能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控不同的施工現(xiàn)場(chǎng),實(shí)時(shí)獲取最新信息,進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)整正在進(jìn)行的項(xiàng)目流程。未來(lái)的研究中,可對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行升級(jí),例如探索并評(píng)估不同的網(wǎng)格方法,以實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接;利用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,準(zhǔn)確量化價(jià)值增益。

        4 參考文獻(xiàn)

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