基于IOT应用的智慧交通建设现场质量安全巡检系统设计与实现.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.032 基于 IOT 应用的智慧交通建设现场质量安全巡检系统设计与实现 田 勇 1，何远义2，艾巧玲3，张 辰4，周喜刚4（1.贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州 贵阳 550000；2.贵州省交通建设工程质量监督执法支队，贵州 贵阳 550000；3.浙江恒则熙交通科技有限公司，浙江 杭州 310003；4.重庆交大交通安全科技研究院有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310000）摘要：本文依托于贵州省纳雍至赫章高速公路监理项目，结合智能传感、无线传输、北斗定位、移动互联、Web 等新型物联网技术，设计了一款基于 IOT 智能穿戴设备的交通建设现场质量安全主动巡检系统平台，对智慧交通建设现场质量安全巡检系统背景、设计、实现以及应用分别进行了介绍。研究成果对提升公路建设质量安全智能监管水平、减少质量安全监督人员支出具有参考作用，同时也为公路建设质量安全大数据分析奠定了基础。关键词：IOT；质量安全；巡检系统 中图分类号：U495 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0146-05 Design and Implementation of Intelligent Transportation Construction Site Quality and Safety Inspection System Based on IOT Application TIAN Yong1,HE Yuanyi2,AI Qiaoling3,ZHANG Chen4,ZHOU Xigang4(1.Guizhou Bridge Construction Group Co.,Ltd.,Guiyang Guizhou 550000,China;2.Guizhou Provincial Traffic Construction Engineering Quality Supervision and Law Enforcement Detachment,Guiyang Guizhou 550000,China;3.Zhejiang Hengzexi Transportation Technology Co.,Ltd.,Hangzhou Zhejiang 310003,China;4.Chongqing Jiaotong University Traffic Safety Technology Research Institute Co.,Ltd.,Hangzhou Branch,Hangzhou Zhejiang 310000,China)Abstract:Based on the supervision project of Nayong to Hezhang Expressway in Guizhou Province,this paper designs a platform of active inspection system for quality and safety of traffic construction site based on IOT intelligent wearable equipment.The background,design,implementation and application of quality and safety inspection system for intelligent traffic construction site are introduced respectively.The research results have reference value for the improvement of quality and safety supervision level of highway construction,and may lay a foundation for big data analysis of quality and safety of highway construction.Key words:IOT;safety;inspection system 0 引言 建设工程质量监督工作是工程质量的有力保障，如果忽视其重要性，没有将具体工作落实到位，将会 收稿日期：2023-03-09 作者简介：田勇（1987-），男，贵州大方人，工程师，从事工程项目管理工作.（）造成不可挽回的后果，轻则可能导致建筑使用功能降低，重则将使其丧失使用性能，而现阶段建设工程质量监督工作仍存在以下问题1-2：依赖人工检查，传统模式的质量安全监督检查主要依赖专业人员的观察第 4 期 田勇等，基于 IOT 应用的智慧交通建设现场质量安全巡检系统设计与实现 147 和判断，存在人为因素和主观性，难以保证检查的客观性和精准性；巡检范围受限，传统模式的质量安全监督检查通常只能对少数关键环节进行检查，很难全面覆盖，难以排查潜在风险；检查效率低下，传统模式的质量安全监督检查需要现场检查、数据采集、整理和分析等烦琐流程，需要耗费大量人力物力，检查周期也较长；人员配备欠佳，受制于施工现场的作业面及复杂的施工环境，难以按最理想状态配置质量安全管理人员，通过巡查进行现场安全管理，无法达到全程无死角巡查，市面上出现了一些巡检信息化软件，但仍以人工到达现场的数据录入为主，无法解决效率提升和数据真实性问题；复杂环境漏检，传统模式的质量安全监督检查在复杂环境下往往无法派出专业人员进行实地检查，难以应对复杂的风险环境。基于上述工程质量监督问题，实现智慧交通建设现场质量安全监督具有重要意义，一些学者对此进行了研究。黄健辉2利用视频监控识别、GIS 等信息化手段建设公路质量安全监督平台，有效提升了监管力度、效率；刘士宽等3利用北斗定位与通信、微基站、GIS、大数据等先进技术，搭建了公路建设施工信息化监管云平台，可实现项目基础信息的可视化管理；郭家4研究了物联网技术在智慧公路系统建设中的应用，发现物联网技术不仅可以提升公路交通运行环境的安全性，而且对加快高速公路行业信息化、智能化发展有着积极的意义；李宇璠5对交通工程建设质量安全监督机制进行了创新探索，提倡加大对先进科技的运用力度；在海绵城市建设、电力巡检、轨道交通、水运工程项目上也在大力推广质量安全巡检系统的应用6-10。质量安全巡检系统的优势，主要是将复杂的巡检过程简单化，将隐蔽的工程阳光化，将文字信息数字化，提高数据追溯能力，缩短事故反应时间，提高施工效率，降低作业成本。综上所述，近年来高速公路发展迅速，安全质量督察工作面临着前所未有的挑战，尤其是日益增长的交通建设规模与质量安全监督人员数量和质量不匹配的矛盾越发突出。对此，本文依托贵州省纳雍至赫章高速公路监理项目，拟设计一款基于 IOT 智能穿戴设备的交通建设现场质量安全主动巡检系统平台，从系统背景、设计、实现以及应用分别进行详细介绍，有利于提升交通建设工程现场安全质量监督管理功效，减少质量安全监督人员支出，促进降本增效工作，可为公路建设质量安全数字化改革提供参考。1 系统架构 系统架构共有六个界面，分别是业务层、传输层、数据存储层、应用层、展现层、访问层，同时应建立安全保障体系及数据标准规范体系。（1）业务层 平台的业务层是平台获取信息的重要途径。通过物联网、北斗导航等新一代感知技术，结合压力传感器、光学传感器、位移传感器、视频监控等终端设备，平台能够动态、实时、智能化地识别、感知、定位、跟踪、采集、监控、管理公路建设指挥、施工、第三方检测等现场信息，为平台提供及时、准确的数据信息。同时，平台采用人工加自动的方式处理信息，以提高信息的质量和精度。这种综合应用的方式，能够有效降低信息重复率，提高信息处理效率，为公路建设提供可靠的技术支持和数据支持。（2）传输层 该平台的传输层采用多种数据传输技术，包括无线传输、移动互联、卫星通信等，以确保采集到的数据安全快速地传输到数据中心。这些技术提供了实时通道，使各级管理者能够通过固定和移动终端随时随地获取数据、声音、视频和报警信息。此外，通过卫星通信等技术，还能够在交通不便和通信基础薄弱的区域实现应急信息的上下行数据传输。（3）数据存储层 将现场采集的数据传输到云存储中心。数据会通过不同的通道传输，并存储在光纤通道存储设备中。云存储中心设备会通过集群应用、网格技术和分布式文件系统等技术进行管理，包括逻辑虚拟化管理、多链路冗余管理和硬件设备的状态监控和故障维护。（4）应用层 业务应用层封闭平台提供各种业务功能模块，并可根据业务需求进行组件式安装，为访问层的应用调用提供便利。数据处理层封装的业务组件包括 Web 服务、数据访问、数据处理、综合分析和报表统计等，实现了时空一体化大数据的统计、访问、处理、分析等功能。此外，系统接口问题也需要考虑，系统需要提供统一的对外接口和通信机制，包括与省级交通管理部门、地市交通管理部门以及其他部门相关系统的接口。（5）展现层 将多个业务子系统功能统一在平台中展示，通过统一入口进行系统访问。实现一个地址、一个系统、多个业务板块功能。（6）访问层 平台的访问层通过移动互联、Web 等技术，实现移动客户端、浏览器等不同方式的平台访问。（7）感知层 主要由巡检人员携带智能穿戴设备，同时进行实148 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 时信息的采集，并采用 GPS、RFID、GPRS、Wi-Fi 等技术实现各智能设备与云端的互通互联。（8）安全保障体系 信息安全保障体系为系统提供安全支撑，应包括对运营专用设备层、数据资源层、发布层、综合应用层、基础支撑层、接口层等各个层面的安全保护。（9）标准规范保障体系 项目应建立数据标准规范体系，遵守相应的技术标准，为系统今后的应用和扩展奠定基础。系统逻辑架构如图 1 所示：图 1 系统架构图 Fig.1 System architecture diagram 2 系统功能及特征 2.1 系统构成与功能 智慧交通质量安全巡检系统主要由巡检平台、移动 APP、智能穿戴设备三大模块组成，如图 2 所示。其中系统平台主要为巡检系统的 PC 端；智能穿戴设备主要为一体化安全头盔等电子元器件；移动应用终端主要为巡检 APP 移动端。图 2 系统组成与功能图 Fig.2 System composition and functional diagram （1）系统平台 巡检系统主要功能包括首页展示、项目电子地图、履约督察、智慧监理、系统设置、远程会诊、工程影像、SOS 信息关联等。（2）智能穿戴设备 智能一体化安全头盔的电子元器件主要由以下八个部分组成：主控制器模块、定位模块、视频采集器模块、电源模块、无线通信模块、辅助模块、光敏/压力传感器模块，以及报警模块。这些部分相互协作，为头盔提供全面的安全保护。使用微机电技术和无线网络传输技术，将多种信息采集模块添加到传统的巡检头盔上。这样可以实时采集现场状况和一线人员的位置信息，并将这些信息传输至巡检主平台。通过这些信息，巡检主平台能够更加准确地制定巡检策略，从而提高现场巡检的效率。图 3 安全帽主要功能图 Fig.3 Main function diagram of safety helmet （3）移动应用终端 巡检 APP 以在线远程会诊以及质量安全巡检报监为业务主线，主要功能包含工程报检、监理指令、整改指令、远程会诊、现场拍摄、发布广播、发布公文、报警功能、个人信息等。2.2 系统特征（1）通过在系统内设定巡检规则和频率实现巡检主动触发，从新增/发起巡检计划（选择巡检人、巡检部位、巡检条目等）巡检计划广播智能穿戴设备（安全帽）或 APP 巡检后生成巡检记录根据巡检记录生成整改记录整改之后再进行复检产生复检记录闭合处置形成全过程自动化管理，确保巡检过程省时省力；（2）系统同时还是一套远程决策辅助系统，若施工现场有突发事件，可实现远程邀请专家参与协助、远程多人实时会诊，会诊决策时可随时调取智慧工地信息化系统相关数据辅助决策，会诊记录有效留痕。基于多功能智能穿戴设备（安全帽）的巡检系统，可集成对讲、定位、照明、紧急呼救（主动呼救及被第 4 期 田勇等，基于 IOT 应用的智慧交通建设现场质量安全巡检系统设计与实现 149 动碰撞报警）、摄像、录音等多种数据的采集（图 4），实现采集过程便捷，采集速度快，实时在线巡查，远程主动采集，采集过程安全覆盖范围广等。图 4 移动终端页面 Fig.4 Mobile terminal page 3 系统功能实现 3.1 系统平台 质量安全巡检系统的核心管理功能包括：巡查和检查。“巡”主要实现的是通过智能安全帽结合里程桩号对现场进行移动指挥、影像抓拍和记录。“检”主要实现结合智慧监理管理需求，通过移动端+平台端实现指令、现场处理单、抽检及旁站流程管理并生成成果。系统主要实现了：（1）项目地图。通过电子图实现人员在线、项目信息、指令管理，一览项目全过程概况。（2）远程指挥。实现平台到终端、移动端到终端的视频连线和远程指挥，包含视频和语音。（3）智慧监理。实现指令、抽检、旁站等检查内容的全过程追溯和成果管理。（4）履约督察。实现对人的轨迹、工时统计管理。（5）工程影像。实现对现场工程影像资料的抓拍和留痕，从而实现远程巡查，保存巡查成果。（6）应急管理。实现对现场应急呼叫记录管理。（7）资源管理。里程桩号、设备、工种等资源统一配置及管理。3.2 智能穿戴设备 智能穿戴设备（智能安全帽），主要用于巡检人员巡检轨迹、考勤打卡、视频传输、语音传输等功能，主要实现了：（1）智能通信 安全帽通过平台实现施工人员与管理部门的通信，施工人员内部进行通话，管理人员下发广播通知，寻找附近的人。（2）脱帽预警 内置光敏/压力传感器自动检测脱帽并预警。（3）紧急呼救 遇到紧急情况时，长按紧急求救按钮，即进入SOS 紧急呼救模式，安全帽将自动拨打紧急联系人，直至有人接听，并播放求助语音。紧急联系人可通过后台或手机终端查看安全帽的实时位置。（4）视频图像采集 通过高清摄像头获取图片和视频，让计算机具备类似于人类视觉系统的能力，能够提出、处理、理解和分析图像序列，从而模仿人类的视觉系统。可用于获取现场施工安全质量以及进度情况。（5）定位系统 GPS 定位与 RFID、UWB 定位结合，实现工人的智能考勤、智能巡查、危险智能预警以及智能救援。3.3 移动应用端 APP 系统以在线远程会诊以及质量安全巡检报监为业务主线，主要实现了：（1）工程报检。施工单位通过使用 APP 便捷完成旁站和报检的申请和执行，监理单位通过使用 APP 审核申请的报检内容和资料是否合格，对其进行驳回和通过操作。（2）监理指令。监理单位在进行巡查时发现问题可通过 APP 创建监理指令描述问题内容和整改要求并下发到相关施工单位，施工单位接收到监理指令后进行整改然后反馈给监理单位。（3）整改指令。监理单位在进行巡查时发现问题可通过 APP 创建整改指令描述问题内容和整改要求并下发到相关施工单位，施工单位接收到整改指令后进行整改然后反馈给监理单位。（4）远程会诊。包含智能安全帽视频调取、通过安全帽进行实时对讲、通过地图查看轨迹以及用户历史巡检路线查询。（5）现场拍摄。监理单位在现场发现隐蔽工程和分部分项工程的问题后，使用 APP 拍摄上传资料到系统，进而监督施工情况和安全隐患；（6）发布广播。用户通过 APP 发布语音广播和文字广播指定接收人员进行广播流程操作。（7）发布公文。用户通过 APP 发布通告、通知、通报、决定等公文，选择指定接收单位/接收人和抄送单位/接收人进行公文发布操作，接收人员查看签收的流程操作。（8）报警功能。通过 SOS 一键报警功能进行报警，指挥中心通过地图可以看到报警位置、报警人员，150 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 调取报警人的智能安全帽实时视频信息并进行通话。（9）个人信息。展示个人信息、消息通知和修改密码等功能。4 系统应用 贵州省纳雍至赫章高速公路监理项目部在项目管理方面借鉴了智慧交通建设现场质量安全巡检系统的研究成果，即质量安全专项智能穿戴设备、基于电子地图+物联网技术的信息平台以及移动应用终端。该成果为本工程的人员管理、质量监督、安全管理提供了更高效的实施方法，将以往层级式的组织体系改变为扁平化组织管理体系，有效缩短了管理层与一线工人的距离，将程序化的管理模式变革为非程序化的动态管理结构，提高了工作效率、降低了成本，得到了参建各方的一致好评。智慧交通建设现场质量安全巡检系统的应用进一步打破了工程项目在地域上的限制，各参与单位以及现场各工点的信息传递变得更加便捷和灵活。同时本着以技术换人员的研究思路，通过技术手段和新型设备的应用可极大地降低现场对于人员数量和人才素质的需要，使得项目管理过程中的人力投入变得更加灵活、管理手段变得更加多样化。同时作为智能一体化安全头盔的配套移动终端，与智能头盔功能互动增加了穿戴设备的实用性和易用性，提高了监理人员工作效率，降低了管理成本和安全事故风险；经济效益上主要节省了巡检人工成本，项目原先巡检需要 5名专业监理工程师搭配 5 名监理员，现在巡检只需要5 名监理人员即可，后台只需要两名资深专业监理工程师对监理员采集的现场数据进行分析即可。粗略计算，监理工程师每年人力成本 20 万，监理员每年人力成本 12 万，原先每年巡查需要 5 20+5 12=160万，现在只需要 2 20+5 12=100 万，每年节省人工费用大约 60 万。5 结语 交通建设过程复杂，传统的现场管控方式难以满足实际需求。基于物联网和智慧施工相关理论应用的发展，本文构建了智慧交通建设现场质量安全巡检系统以及配套的一种 IOT 巡检设备，利用 GIS 技术、无线通信和数据处理等技术，实现对施工现场作业人员、设备和物料的实时管控，及时识别安全风险，并实现危险自动预警。该系统通过实例验证，为信息化交通建设管理提供了一种新的模式，能够降低施工现场管理的安全风险，避免传统施工过程数据信息的人工处理，同时更加直观地反映施工各项指标的状态。未来，智能安全帽系统的发展应优化其各项技术应用，并将其推广应用到交通建设中，以提高其应用价值。此外，未来智慧交通建设现场质量安全巡检系统还应该加强信息化建设，通过数据分析和处理，提高建设现场管理水平，减少人为错误和不必要的浪费，为智慧交通系统的建设提供更好的保障。参考文献：1 李琳.建筑工程质量监督工作中存在的问题及解决措施J.山西建筑,2017,43(34):206-207.2 黄健辉.公路工程质量安全信息化监管技术研究J.广州建筑,2021,49(4):43-46.3 刘士宽,罗志刚,王盟,等.公路建设施工信息化监管平台研究与应用J.地理空间信息,2021,19(8):86-90.4 郭家.物联网技术在智慧高速公路建设中的应用研究J.企业科技与发展,2022(5):82-84.5 李宇璠.交通工程建设质量安全监督机制的创新探索J.工程技术研究,2023,8(3):191-193.6 李阳,李朝朝.全面推广质量安全巡检系统 打造“数字陕建”J.中国建设信息化,2020(2):21-25.7 邓林峰,邓剑,朱磊森,等.聂耳公园海绵城市建设中质量安全巡检系统的应用J.中国给水排水,2019,35(12):96-99.8 王晓明.探究遥感的电力线路安全巡检技术现状及展望J.中国金属通报,2018(8):269-270.9 万里,田永宝,王晓文,等.城市轨道交通土建工程安全质量巡检系统的设计与实现J.中国公共安全(学术版),2016(2):74-79.10 张建东,朱秋硕,徐鸿喆.基于多源数据的公路、水运工程质量安全监管信息化系统研究J.天津建设科技,2020,30(5):10-28.