智慧城市背景下基于北斗定位的建筑管控平台研究

丁超，魏晓莉，唐雅勤，张家精，万文芳，李佳佳，刘雯韵，陆赛赛

（1.安徽建筑大学；2.上海海积信息科技股份有限公司）

1 引言

智慧工地是通过先进的信息技术与施工现场深度融合，通过传感器植入到建筑、机械、施工人员穿戴设备等各类载体中来收集信息。以此为背景设计基于北斗定位的装配式钢结构建筑全生命周期信息化智慧建造管控平台构建方案，立足于BIM 平台的二次开发，可促进信息交换，实时信息访问，以及项目成员之间的信息收集[1]，解决现阶段装配式钢结构建筑尚存在的问题，创新装配式钢结构建筑从建造到安全监测的全生命周期管理模式。

2 智慧工地

“十三五”时期，全球信息技术革命持续迅猛发展，“互联网+”、大数据、物联网成为智慧工地的重要基础设施。信息化技术是实现智慧工地的重要载体和手段，对行业治理体系和服务模式将产生广泛而深刻的影响，对智慧工地建设尤为重要。智慧工地是智慧地球、智慧城市、智能建筑的延伸。即“智慧”、“智能”延伸到工程项目的建造过程中，就产生了智慧工地的概念。智慧工地意味着在建造过程中充分利用智能技术及其相关技术，通过建立和应用智能化系统，提高建造过程智能化水平，减少对人的依赖，实现安全建造，并实现性价比更好、质量更优的建筑[2]。以富煌钢构施工信息化管理系统等为代表的智慧工地建设的研究成果具有较强的实用价值，在建设过程中所积累的经验、积淀的技术必将在未来的大型建筑工程项目中推广应用，能够大大促进国内信息化领域人才的发展，对于今后打造“智慧城市”“智慧未来”等具有借鉴和指导意义。智慧工地建设内容如图1 所示。

3 基于北斗定位的装配式钢结构建筑全生命周期信息化智慧建造

为响应国家和省、市对装配式建筑工业化产业政策的号召，平台搭建方案的开展符合装配式建筑产业信息化发展需求。完善装配式建筑建造信息化管理、可靠安全地运行，从而展现装配式建筑带来的经济、社会和环境效益，促进建筑业转型升级和推动装配式建筑高质量发展。

基于北斗定位的装配式钢结构建筑全生命周期信息化智慧建造管控平台的构建主要是与智慧工地需求相对应，利用物联网、互联网+、传感器技术、智能处理等最新技术，配合全球定位系统、通信技术和计算机智能平台等，从而实现城市施工的智能化[3]。国内外专家学者前期进行了深入的研究，陈勇强等指出由于大型项目中参与方都有自己的组织架构，其信息沟通受到阻碍，只有通过对大型项目进行信息标准化和集成化管理，使信息能够在各参与方之间进行有效共享，才能保证大型项目的顺利实施，Becerik 等指出装配式建筑采用信息化管理模式的动力之一是他们可获得信息价值，并通过详细的案例研究和行业调查来了解信息化管理在美国装配式建筑行业的信息利用价值，以此进一步研究信息化管理所带来的价值[4]。

我国历来注重“人防、技防、物防”的有机结合，随着科技进步，技防越来越受重视。为应对越来越复杂的施工场景，近年来信息物理系统、大数据、移动互联网等先进技术不断应用于建筑事业。如图2 所示，在智慧工地的大背景下，基于北斗定位的装配式钢结构建筑全生命周期信息化智慧建造体系搭建而出，达到提升城市建筑建设和建筑安全能力，实现快速响应和决策的目的。

图1 智慧工地建设内容

图2 智慧建造管控平台建设内容

4 智慧建造管控平台概述

4.1 平台方案搭建

装配式建筑项目信息化管理是指装配式建筑项目建造与管理的过程中将现代信息技术与传统管理理念相融合，以促进建设项目建造和管理水平不断提高的过程。这个过程包括信息收集、信息传输、信息处理和信息使用等环节。装配式建筑项目的建造是一种将建筑业全产业链整合，并环环相扣的链状生产过程，与传统建筑项目相比，装配式建筑项目产业化标准化的特点决定了其项目管理过程中信息收集传递加工使用的必要性。因此推动装配式建筑高质量发展以及加快建筑业工业化与信息化深度融合，实现信息化管理尤为重要[4]。

装配式建筑全生命周期管理和建后安全监测平台，是针对于装配式建筑利用高科技解决建造精度不高，人为失误严重造成的经济、时间、人力问题的平台。本方案通过中国北斗定位平台与RTK(Real time kinematic，实时动态)平台与BIM 形成组合来监测装配式建筑建造。通过实时动态监控来缩小装配式建筑的误差，控制定位安装精度。平台安全便利，易于操作，可以搭载任意手机app上进行实时反馈。工人们可以通过手机了解并上传相应数据。同时该平台通过区块链进行加密。可以使整个工程的信息不外漏，保证了建筑工程的隐私性和安全性。

平台第一阶段先通过设计多种传感器模块来实现环境参数感知和采集，接着利用数据通信平台和数据处理平台，将采集到的数据传输和处理，存入数据处理服务中心数据库，并将已采集的和已处理的数据显示在自搭建监控平台和手机移动端软件上，部分数据经处理后以图表形式显示，同时由北斗接收器采集到的装配式建筑三维坐标等信息可在平台中构成建筑三维可视化模型。在装配式建筑建造过程中，将采集到的数据与程序设计的正常范围作比较，当数据超出正常范围时在平台和手机上报警，或者可以通过发送消息或现场报警给到现场施工人员，现场施工人员按照移动端上提供的施工信息进行细节调节；在装配式建筑建成的维护中，通过不断的监测建筑的多种相关信息，便于分析装配式建筑物的各项指标，并对建筑物的健康状况进行诊断，主要路线如图3 和图4 所示，平台具体框架如图5 所示。

4.2 主要研究内容

4.2.1 结构件和人员定位坐标计算

1）结构件坐标采集

在施工现场空旷的位置布设两台北斗高精度接收机，实时接收卫星数据和基站差分数据（提供已知点坐标起算数据）进行实时RTK 定位解算。在被测结构与北斗高精度接收机之间的空旷区域，布设360 度电控旋转光电测距装置，光电测距装置用于监测其自身与北斗定位设备以及被测结构关键节点的相对距离、相对仰角和方向角；根据北斗接收机已知点坐标起算数据，根据光电测距测出与北斗接收机之间的距离和角度，推算出光电测距仪自身的点位坐标。同样原理利用光电测距仪测出结构件的实时点位坐标，通过坐标转换同步到BIM 平台中，实时查看结构件模型的移动位置，当与设计坐标在一定合理范围内，即可安装结构件[4]。

图3 平台流程图

图4 系统架构图

2）人员定位

施工人员通过携带含北斗小型化高精度定位芯片的终端，定位芯片将大地坐标和人员信息实时发送给数据中心，通过坐标转换后，同步到施工BIM 模型中。BIM 平台显示当前施工人员的实际位置，将实际施工环境与虚拟三维模型相对应，实现现场与虚拟环境的数据交流。数据中心将人员信息、自身定位信息和结构件信息存储到数据库中，便于后续查询规范施工和施工质量。

4.2.2 坐标转换

1）建立北斗控制点

在施工场地外网稳固的地点建设三台高精度北斗GNSS 接收机，同步观测24h。利用GNSS 平差软件算出三个控制点位的高精度坐标。由控制点坐标和对应点位在BIM 中的坐标计算出七参数。通过七参数可将采集到大地坐标转换成BIM 的独立坐标系中，从而实现结构件坐标和人员定位坐标实时同步到BIM 平台中，如图6 为七参数计算：

2）监测数据采集子平台设计

数据采集平台主要由传感器和采集单元组成，以GNSS 接收机为主的传感器，结合多种辅助传感器单元，共同感知装配式建筑关键部位的应力、位移和加速度等监测指标。

图5 智慧工地背景下基于北斗定位的装配式钢结构建筑全生命周期信息化智慧建造管控平台

图6 七参数计算

3）数据传输通信子平台设计

数据传输子平台的主要功能是对各个传感器的信号进行采集传输，供数据保存、处理和评估使用。本监测平台需要采用不同的传感器，各种传感器又有不同的接口、多种信号和通信协议。目前，在组网中采用较多的是TCP/IP 技术，TCP/IP 技术是受用户认可、完全公开的网络通信技术，主干网采用高速4G/5G网，是非常理想的组网方式。

4）数据处理服务中心设计

数据处理分析子平台是整个平台的核心单元，由机房、中心网络和软件平台组成，具有数据处理、平台控制和网络管理的功能。对于传输过来的数据将记录和数据分散并部署在区块链中，使得任何一方都不可能篡改数据或记录；通过区块去中心化大大增加了恶意攻击的难度，保障数据的安全性和隐私性；使用分布式的节点网络来维护账本使得公司可以消除或减轻托管、安全和维护成本。

5）高精度GNSS 定位解算软件

高精度GNSS 定位解算软件是实时形变监测平台的核心，可长时间通过网络实时接收形变监测项目中所有参考站和监测站的 GNSS 原始观测数据，进行数据处理，解算得到高精度三维坐标和形变信息，并将这些信息实时导入数据库，或供第三方软件接口调用。

高精度GNSS 定位解算软件支持BDS、GPS、GLONASS 等 四 大 卫 星 导航定位平台，同时具备动态、静态、后处理三种基线解算模式。采用先进的静态处理算法，结合误差修正、平差处理和卡尔曼滤波等方法，软件解算精度达到毫米级。

6）平台功能设计

本监控预警管理平台是基于BIM一体化平台的工程展示、查询、数据管理与报警平台软件，具有项目管理、平台配置、报警管理、日志管理以及各项工程监测信息的显示等功能。用户可以直观的通过查看建筑3D 模型来了解工程施工情况，并通过图表形式查看各项监测信息的变化情况，针对异常情况还可以以多种方式进行报警，通知相关人员，方便用户对监测工程进行监控、管理和灾害预防。平台功能架构图如图7所示。

图7 平台功能架构图

5 结语

发展装配式建筑是牢固树立和贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享五大发展理念，按照适用、经济、安全、绿色、美观要求坚持市场主导、坚持顶层设计 、协调发展，推动建造方式创新，推进新型城镇化的改革。使用钢结构、混凝土等装配式建筑，可以发展节能环保新产业、提高建筑安全水平并推动化解过剩产能等功能，有利于改善城市环境、提高建筑综合质量和性能、推进生态文明建设，保证城乡建设的高效、安全且经济。将物联网、互联网、区块链技术与北斗卫星导航平台相联系，可以建立一个覆盖整个城市的、方便利民的巨大网络。利用北斗定位平台在建筑建造时、建造后、灾后进行测量监督，减少人工监测误差，提高监测效率并保证建筑安全。