物联网技术在EPC工程管理中的应用研究

李旭海，肖扬名，赵雪瑞，赵耀丽

(1.华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450046；2.河南省工业规划设计院，郑州 450000)

1 研究背景

作为继计算机、互联网与移动通信网之后的第3次信息产业浪潮，物联网综合了前两次信息革命产生的“信息处理”与“信息传输”的巨大成果，同时整合了大规模的、全新的“信息获取”手段，以感知自然和社会为基础，通过呈现大量有效信息和智能化的模拟与分析，激发新的商业模式与管理模式，实现各行业的效益提升、环境保护与能源节约[1]。作为多领域最先进技术的集成应用，物联网强大的数据获取、传输和处理能力，能够为工程项目管理工作开辟一条新的道路。

目前，物联网技术的应用已遍及交通、安全、环保监控等诸多领域。但在国内工程项目实施过程中，普遍采用传统人员监控管理模式，施工中产生大量互相割裂的信息碎片，尽管有些项目在安全、进度、质量三大管理中采用计算机辅助软件，但各类型信息存在于项目部层面，现有与项目公司层面的沟通管理形式不能全面覆盖现场施工的各个方面，而且单纯采用人员监控巡查会形成安全管理死角，各个维度的管理工具产生的割裂信息不利于在工程项目管理公司形成有效的综合管理。将物联网技术应用于工程项目管理，能够实现施工现场“物与物互联、智能感知，物与物互动、智慧处理”，切实提高工程监管水平[2]。本文通过增加各类型终端设备，结合现代信息处理和通信技术，将整个包含设计-采购-施工(EPC)工程项目各管理维度信息进行统一，实现工程项目现场的有机整合，形成有效可记录的工程各维度信息，加强现场安全、质量、进度等各方面的综合管理水平，提高项目公司整体管理水平。

2 工程项目信息化分析

目前，工程项目管理较多依靠工程项目管理信息系统来实现，其中包括各类P3(Primavera Project Planner)，project等系列项目管理软件。国外开发的工程项目管理软件主要是以系统工程理论和项目管理基本方法为主要依据，软件功能主要包括项目进度、费用与控制、进度图形化、工程量计算、竣工资料编写等方面，基本上是在单机上运行，而且只能满足单一工程项目参与方的使用要求，且国外的软件一旦计划确定后，任何人都不能擅自改变，都必须围绕着既定的目标来工作，所以优秀的国外工程项目管理软件一般很难直接拿到中国的企业来实施，都必须做一定量的二次开发，有些甚至由于二次开发成本过大而只能放弃。

目前，网络信息技术中的网格技术可通过集成项目参与方的各综合信息，在系统内实现信息资源共享，因此，本文探索的EPC工程项目管理系统便试图通过利用网格技术与工程项目各维度信息进行协同管理，实现有机统一，实现EPC项目管理的综合项目需求。

3 研究内容和实施方案

3.1 研究内容

针对当前多数工程项目各层级管理存在的管理覆盖不全面、沟通不及时和安全保障系数低等问题，以EPC工程总承包管理全过程为主线，建立工程项目管理物联网平台，通过视频监控、视频会议、门禁考勤、智能穿戴、全球定位系统(GPS)等物联网技术，实现对工程项目管理全过程的实时跟踪和交互。

(1)通过对工程项目现场进行实地考察分析，确定工程施工特点及项目管理流程，然后选取合适的监控监测方法，根据EPC项目工程各管理需求，采用物联网节点技术进行系统架构。

(2)现场感知及数据采集终端如视频监控、视频会议、门禁考勤、智能穿戴、GPS定位等设备的选型及设计。

(3)通过适用于工程现场的数据通信方式，构建现场及远程网络通路。

(4)通过数据压缩感知技术，对大量冗余数据进行预处理，节省系统带宽及存储资源。

(5)研究视频智能处理技术，对现场异常情况如火灾、违章等情况智能识别。

(6)远程监控中心硬件终端选型及配备，并建立数据库，开发界面美观、功能完善的工程项目管理平台软件，实现远程数据存储和处理，以及远程考勤和应急指挥等功能。

3.2 技术关键和难点

(1)将视频监控和视频会议结合起来，实现公司层级及项目部层级对项目现场的实时监控和交互，实现远程视频会议讨论现场情况的目的。

(2)采用门禁考勤、智能穿戴(如智能手环)和GPS定位模块等设备，采集现场人员信息，并通过网络将采集数据传输到远程管理中心，获取现场人员身体健康及考勤情况。

(3)采用有线和无线相结合的方式构建现场通信网络，通过无线网桥联网和传输视频信号，并通过4G和宽带连接互联网。

(4)基于C/S模式和B/S模式架构开发工程项目综合管理平台软件，并利用数据库管理系统进行数据存储、管理和信息检索，实现工程项目参与方管理信息共享与智能分析。

(5)采用压缩感知技术对现场冗余信息如视频数据进行处理，在现有通信技术对带宽的要求下减少传输数据量。

(6)采用视频智能处理技术与方法，实现现场异常情况如火灾、违章等情况智能识别。

3.3 系统设计原则

EPC项目管理应从项目可行性研究阶段进行介入，囊括工程预算、概算、物资、进度、档案、人资、安全、质量、财务等系统的工程管理软件和相应功能，而且应该通过权限的不同设置让业主、承包商和监理方都能从这个管理系统里根据不同权限进行信息接入，实现有效的协调与控制，提高现场决策效率。所以，在设计工程项目综合管理系统时，首先要做到广，即全流程化管理，基本能保证工程项目管理中各个阶段产生的数据都能在系统中储存；其次要做到博，尽可能地整合现有零星系统，利用好这部分数据，做到信息交互，从而消除信息孤岛，将一系列的小系统串联起来，形成一套体系；再次要充分考虑我国国情，在许多细节上要做到灵活配置，有一定的调节余地。只有这种平台才可以真正地为现阶段我国项目管理信息化服务，推动我国建设工程项目管理信息化的发展。

图1 系统总体架构Fig.1 System overall structure

3.4 系统总体架构

基于物联网技术的项目管理架构主要应包含3个层次，即信息感知层、网络传输层和基础应用层[3]，依此3层架构模型构建了如图1所示的系统总体架构。

3.4.1 数据采集层

数据采集层主要由现场的视频监控、视频会议、手机移动终端、门禁考勤、智能手环、监测传感器等传感设备组成。通过在施工现场安装高清红外网络摄像机，在项目施工现场各主责管理人员可在项目部实时监控施工过程，并通过网络将监控视频实时上传到公司本部监控中心；同时，在项目部安装高清摄像头和全向麦克风，随时和公司总部开展互动交流，公司总部相关职能部门参与项目统筹管理，可随时接入监控图像，实现以现场实时图像为基础的视频会议讨论模型；此外，现场管理人员还可以通过手机移动终端同步采集、实时传输现场情况，辅助巡检监控。

门禁考勤部分由安装在施工现场的入口闸机和考勤机组成，实时记录出入现场的人员情况和人员到岗情况；为了实时了解现场人员的身体状况，现场所有工作人员需佩戴智能手环，实时采集人员心率变化等状况，同时还可起到辅助定位作用。针对受限空间和高空等特殊施工作业，还可重点布设压力、重力、温湿度、烟雾等传感器，实时采集现场环境状况，为管理人员提供风险评估依据。

3.4.2 数据传输层

数据传输层包括现场数据传输和远程网络接入两部分，都包含有线和无线两种传输方式。由于多数施工现场环境复杂，组网布线的条件较差，近距离且容易布线的情况下通过网线和同轴电缆等有线方式传输信号，远距离不易布线的情况下通过无线AP、无线网桥等无线方式组网传输。远程网络接入也根据现场条件选择，有宽带接入的尽量选择有线宽带，否则通过4G移动通信网络将数据实时传输到远程监控中心。

3.4.3 应用展现层

应用展现层由远程监控中心的软硬件组成，是整个系统的核心部分。硬件部分包括服务器、液晶拼接大屏、高清摄像头和会议全向麦克等，软件部分包括远程视频监控会议系统、数据库系统和工程项目综合管理信息平台。一方面，通过远程视频监控会议系统，实时展现项目现场施工情况，并根据现场情况随时开展远程指挥调度和远程培训交流等。另一方面，服务器端实时接收处理现场采集终端传回来的数据信息并存储在数据库中，通过综合管理信息平台展现各项目部施工质量、安全、进度等执行情况，为项目各参与方提供决策支持。

3.5 应用案例分析

3.5.1 视频监控会议系统

某公司以烟囱防腐EPC总承包业务为主，安全管控风险尤为突出，为此开始探索物联网技术在工程项目管理中的应用。目前已形成初具规模的现代化网络信息管理系统，实现了由视频会议监控系统及公司远程监控会议中心和烟囱防腐施工现场实时交互的管理模式。其中，施工现场安装红外摄像机，并将视频信号连接到项目部硬盘录像机，同时在项目部配置高清摄像头和全向麦克扬声器等设备，组成现场监控会议分会场；公司远程监控会议中心配置液晶拼接屏、会议麦克风扬声器、会议摄像机等设备，并自建服务器，集中管理各项目现场监控和视频会议，共同组成公司远程监控会议主会场[4]。

烟囱防腐工程视频监控分系统包括前端采集部分、信号传输部分、终端存储及显示部分。其中，前端采集部分安装在施工现场，为施工质量控制和安全隐患排查提供基础数据支持，信号传输部分采用有线和无线两种传输方式，有线方式通过超五类网线传输，无线方式通过无线网桥传输，网络硬盘录像机作为终端部分存储设备接入互联网，工程项目方均可进行远程客户端访问，并通过液晶显示器实时显示和记录整个施工过程。

视频会议分系统主要由客户端软件和多媒体硬件两部分组成，其中软件部分是视频会议系统的核心。本系统共配置10个点，1个主会场和9个分会场，主会场设在公司本部，分会场分布在各个项目部。适用于公司会议、培训、互动交流，如技术支持、产品演示、顾问咨询、图纸交流等；还可进行音视频互动、文档共享、屏幕共享、媒体共享、会议录制等；另外，可通过手机移动端接入。实现资源共享、方案分析、远程会商、应急指挥等应用，达到第一时间响应、第一时间处理的目的，大大提高工作效率[4]。

3.5.2 环境现场监测系统

烟囱防腐工程是一种高空特种作业工程，工作环境非常复杂，且存在很多危险源，通过传感器对工作环境进行监测是一种可靠的安全管理手段。通过该公司建立的网络信息管理系统实时采集现场环境参数，并将数据传输到项目部监控主机进行存储和处理。例如，在施工吊篮上安装重力传感器和温湿度传感器，分别获取吊篮高度和内筒温湿度；筒首横梁上安装应力应变传感器，监测横梁受力变形情况；同时，在施工作业区域安装烟感和温感报警装置，按照监控中心设置的参数自动报警；项目部监控主机在显示各传感器参数的同时，将数据传输到远程监控中心服务器。

3.5.3 移动终端系统

利用先进的移动互联网技术及手机网络等移动终端系统，结合GPS及地理信息系统(GIS)等定位工具，建立基于前端各类智能手机操作系统的信息实时采集、传输处理、GPS定位和后台数据接收处理、资料查询、指挥调度、巡查监管为一体的移动办公信息平台。通过该平台，可以随时查询项目信息，关注项目进度，进行安全技术咨询和远程审批等，提高项目管理的时效性，强化项目监管力度。

3.5.4 信息接收处理系统

3.5.4.1 数据库设计

项目管理系统需要大量的数据以辅助决策和分析，在项目现场布设的监测传感器、智能感知设备、视频监控设备和移动终端等各种物理信号组成大规模传感器网络，传感器网络存在大量的冗余信息，同时网络资源又有一定的局限性，因此需要利用压缩感知技术对这些冗余信息进行处理。

3.5.4.2 数据压缩感知技术研究

现场采集的数据信息存在大量冗余，将会对系统功耗、传输资源、存储资源等带来很大的浪费。可采用压缩感知技术，在保证服务质量(QoS)要求的基础上，减少前端采集数据，大大减少冗余数据的产生，节省系统功耗和各类资源。

3.5.4.3 智能视频处理技术应用

智能视频处理技术是利用计算机视觉技术对视频信号进行处理、分析和理解，在不需要人为干预的情况下，通过对序列图像自动分析对监控场景中的变化进行定位、识别和跟踪，并在此基础上分析和判断目标的行为，能在异常情况发生时及时发出警报或提供有用信息，有效协助安全人员处理危机，并最大限度地降低误报和漏报现象[5]。

针对工程项目施工现场情况，结合采用高清视频监视、普通二维智能视频监视以及三维智能视频监视方案，针对普通区域监视采用高清视频或者二维智能视频监视技术，而针对重点区域监视采用三维智能视频监视。基于三维视频的智能分析技术，是传统二维智能视频分析技术和三维定位与关联技术相结合的综合性技术，可大幅提升重要部位应用场景中智能视频分析的可靠性。

3.5.5 信息应用平台系统

3.5.5.1 WebGIS

网络地理信息系统(WebGIS)的逻辑结构分为空间数据层、服务层、显示平台层和业务应用层4个层次，部署在服务端和客户端，WebGIS 服务承担为客户端的GIS表现平台提供各种二、三维地理信息数据及相关分析计算任务。GIS服务对空间数据库内的地理信息数据进行综合管理，提供地理信息空间分析计算，管理、处理并响应GIS平台发来的各类请求[6]。

GIS表现平台依托底层的数据支撑和GIS服务，是为上层的各类应用提供二、三维地图显示、数据可视化、模型结果输出的显示平台。利用GIS表现平台功能可使前台应用的构建复杂度大大降低，实现难度大幅降低。

3.5.5.2 信息应用平台系统结构

息应用平台主要分为信息表现平台、前台应用、后台应用3部分，将系统所需的具体功能进行逐一实现、有机组合，使之成为一个有机整体[7]。信息平台系统架构采用总体逻辑架构进行设计，在此基础上针对系统的具体应用进行设计。

信息表现平台子系统包括GIS表现平台及数据图表表现平台两部分。数据图表表现平台为前台应用提供基于二、三维渲染引擎的数据表现支撑，可提供如二维GIS、三维GIS、等值线、等值面、柱状图、饼状图、线状图、过程线等各类数据信息表现形式。

前台应用子系统是指直接和用户产生交互的应用模块，包括二、三维地图浏览、项目基本信息查询、项目进度查询分析、安全告警信息提示、项目质量查询管理、项目预测分析、项目综合评价、系统数据维护管理、用户登录及权限管理、多媒体文档查询等管理功能[7]。

后台应用子系统是运行在服务器端进行后台信息处理分析的应用模块，包括项目现场数据接收、视频监控告警、数据转换计算、预测值计算、系统更新、系统运行状态监控[8]。除预测值计算之外，后台应用一直处于运行状态。

4 研究创新点

(1)将物联网技术应用到工程项目现场管理中，将工程施工项目中包括安全、质量、进度等各维度进行有效融合，实现公司层级与项目部层级管理的无缝链接，使多个同时施工项目能够实现综合把控调拨相关资源，极大地提升项目管理水平，降低项目成本，确保各目标可控在控。

(2)充分利用物联网技术，将计算机网络、通信、多媒体应用、安全监测、视频监控、视频会议、智能感知等综合运用，解决了工程项目管理中的关键环节技术问题，实现了工程项目集成化管理创新。

(3)传输过程利用数据压缩感知技术，大大减少冗余数据的产生，节省系统功耗和网络资源。

(4)利用智能视频处理技术对视频信号进行处理，综合管理系统能在异常情况发生时及时向各主责管理人员发出预警信息及警报，有效地为管理人员处理危机提供协助[7]。

(5)基于GIS进行原始数据采集、信息网络传输、远程决策支持和风险预测分析于一体的工程项目综合管理系统平台，完善了工程项目管理信息系统体系，提高了项目管理的信息化水平。

5 结束语

通过上述项目管理系统的设置及优化，系统包括了施工现场的视频监控、视频会议、门禁考勤、智能穿戴、GPS定位、二维码扫描等感知终端实时采集现场施工材料及施工状态信息，采用4G无线网络或有线宽带网络传输到远程监控中心，远程监控中心对采集到的现场信息进行集中分析处理，实现公司总部与施工现场实时交互的目的。根据现场情况，增设人员状态监视系统，将施工人员安全采用可量化的维度进行本质安全的管理，同时在工程项目质量管理中形成一套视频巡视记录，现场信息传输回公司各职能部门进行分析比对，对项目后续施工提供具体指导，实现工程项目公司层面与项目层面的管理融合，项目安全、质量、进度管理三维度融合的综合目标。