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XX市科技计划项目任务书
技术领域：应用软件及嵌入式软件
指南代码：2103
XX市科技计划项目任务书
项目名称：基于无线传感器网络技术的建筑材料（预制件）位置跟踪与管理
承担单位：镇江雅迅软件有限责任公司单位地址：镇江丁卯开发区高新技术创业园邮编：212009项目负责人：鞠时光电话：[phone]主管部门：镇江高新技术创业服务中心
申报日期：2008年5月28日
XX市科学技术局二○○八年制
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一、立项依据
1、本项目国内外科技创新发展概况和最新发展趋势；
当前，在日趋竞争激烈的建筑市场中，建筑施工企业的利润空间越来越少，而对建筑工程的质量要求却越来越高。如何增收节支、挖潜增效、如何获取最佳利润、如何降低成本提高质量，是当今工程项目管理最值得思考的问题。解决这些问题的最有效途径是做好项目成本的管理与控制，对生产经营所消耗的人力资源、物质资源和费用开支，都需要进行指导、监督、调节和限制。据有关统计和以往施工经验，在整个工程成本中，材料费用占整个项目成本的60%～70%，而材料管理成本又占很大比例，而且随着工程规模的增大，这一比例会增加。加强与材料相关的成本的管理与控制对整个施工项目成本管理具有重要的作用，材料管理成本控制的好坏对于企业项目成本的控制具有举足轻重的影响。因此，必须把材料成本管理作为工程项目管理的必要组成部分给予高度的重视。由于建筑材料的种类很多，我们选用建筑工程中常用的预制件作为跟踪管理试点对象。
对建筑材料（预制件）（本材料后面统一简称建筑材料）的自动跟踪不仅可以改进项目的整体性能，更重要的是可以使得材料的管理规范花，减少浪费，极大地节约人力成本，使得对于建筑材料的管理不再受时间和空间的限制，实现随时随地的监控。近年来，随着数据自动采集技术（automateddatacollection）的发展，在工地现场进行材料收发和位置的自动管理成为可能。目前，已经有关于rfid技术、gps技术、传感器无线网络技术和数据库技术的报道，在国外从2002年开始有这方面的研究报道。在美国，akincietal.和ergenetal.分别在2002年和2003年提出在建筑材料供应链中用rfid技术进行材料跟踪的设想；jaselskisandel-misalami在2003年则对建材中的管材上配置了被动式rfid，进行跟踪，并进行了现场实验；jongchulsong在2005在多个大型建筑工地利用rfid技术成功地利用运动的运输车辆，对预制材料进行了跟踪和定位。这些大都处于实验阶段。将rfid技术和相关技术有机地集成在一起，并应用到建筑材料的识别和位置的实时跟踪方面，并成功实用化，国内外尚未见报道。
2、本项目研究的目的、意义（突出说明对科技、经济和社会发展的作用）；
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工程建设项目的实施与管理是一个动态过程，在我国加入wto以后，工程建设项目的管理逐步与世界接轨。工程建设项目的管理包括很多方面，主要有：建设项目管理组织，建设项目招标投标管理，建设监理，建设项目合同管理，建设项目的计划、控制与协调管理，施工阶段的投资控制，施工阶段的进度控制，施工阶段的质量控制，工程变更与工程索赔，信息管理与计算机的应用等。在各项管理指标中，要实现管理真正现代化和自动化，信息化是基础。
根据建设设计规范的要求，建筑材料由工人进行装卸和运输，在所有的建筑材料中，构件（预制件）占到50~60%，对这些构件的管理效果直接关系到整个项目的管理效果质量。在工业和民用建设项目中，数以千计的构件材料都要经过设计、制造、中间处理、运送、贮存、安装和检查等过程。每个环节都需要对这些构件材料进行管理。
大型工程建筑项目计算机管理信息系统（简称工程mls）是近年为了适应工程项目日趋扩大、技术日趋复杂、对工程质量、工期、费用的控制日益严格的形势下发展起来的新兴学科。其研究对象，可以是项目决策阶段的宏观管理，也可以是项目实施阶段的微观管理。在工程建设项目管理中引入现代信息技术是促进工程建设项目管理现代化、科学化的基本保证。
appc（automatedprojectperformancecontrol）项目整体质量自动控制是由以色列特拉维夫工学院的研究人员提出的，当时提出这一理论主要是出于以下目的：1）通过对建筑构件的自动识别和跟踪，实时掌握和了解整个项目中的各个子项目的实施情况，2）科学评估子项目的进度（按照准备阶段、进行阶段、完成阶段进行评估）3）综合采集到的数据，对项目的整体指标（如劳动效率等）进行判定。利用rfid技术进行材料识别、定位与跟踪是项目整体质量自动控制的一个基础建设。工程项目管理信息化建设和项目整体质量自动控制的基础与核心是信息资源规划。信息资源规划是指对整个工程周期所需要的信息，从采集、处理、传输到使用的全面规划。通过信息资源规划，可以梳理业务流程，搞清信息需求，建立企业信息标准和信息系统标准和模型。用这些标准和模型来衡量现有的信息系统及各种应用，符合的就继承并加以整合，不符合的进行改造优化或重新开发，从而能积极稳步地推进工程管理的信息化建设。其最终目的是在统一的信息平台上建成集成化、网络化的信息系统，从而形成大型工程项目管理的“神经网络”。
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3、本项目研究现有起点科技水平及已存在的知识产权情况（必须附科技查新报告）；
目前已经有很多关于rfid技术、gps技术、gprs技术、gis技术、无线传感器网络技术和数据库技术的报道，但将这些技术有机地集成在一起并应用到建筑工程中建筑材料的识别和位置的实时跟踪方面，本项目的目的用尽量少的人力成本，利用附着在建筑材料上的rfid电子标签、gps技术以及传感器网络技术，进行材料识别、定位与跟踪，并对其收发和现场利用情况进行管理，在国内目前这方面的研究和应用尚未见报道。
查新报告结论。对于利用嵌入式技术，rfid技术，gps技术和无线传感器网络技术，在三维环境下进行目标定位，国内未见相关文献报道。
4、本项目研究国内外竞争情况及产业化前景。
该项目的完成，将有机地把rfid技术、gps技术、无线传感器网络、数据库技术和网络传输技术集成到建筑工程中建筑材料位置跟踪与管理技术中，研究成果如果直接应用到建筑材料的生产、运输和工程现场实际使用中，必将极大地改善建筑工程中建筑材料位置跟踪与管理的识别手段、跟踪手段、运输和库存管理手段，实现对建筑材料的入库、出库、运输、消耗全过程的自动监控管理、信息的实时追踪与追溯，提高管理和监控水平，提高建筑项目的管理质量，加快建筑工程管理信息化步伐，对于增加我国建筑产业的水平，减少浪费，节约人力成本，增强我国建筑行业在全世界建筑市场的竞争力具有极为长远和重要的意义。
此外，本课题的研究成果，必将对现有的建材管理模式产生重大的影响，全面促进工程项目现场管理水平的提高。中国作为一个重要的大国，人口众多，经济规模不断扩大，正成为全球建筑大国，在未来的信息社会里扮演着举足轻重的角色。面对西方发达国家积极构建各个行业信息化的趋势，我国有必要紧跟发达国家，积极研究建材电子编码技术、自动识别技术和网络技术，提高信息化程度，从建筑大国向建筑强国迈进。努力研制关键核心产品，从战略的高度认识构建建材识别网络体系，建立一套既融入全球一体化又保持自己话语权的体系，有准备地迎接未来智能化信息化社会的到来。建筑材料识别自动化是建筑工程管理信息化的必然要求，对建筑材料信息准确及时地跟踪、监控和管理，将加快物流速度、提高准确率、减
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少库存、缩短生产周期等，构建现代化建筑材料信息管理系统有助于推动整个建筑行业的发展。
二、研究内容
1、项目的总体目标；
（1）研究建立建筑材料（预制件）的身份识别技术
由于我国目前建筑材料（预制件）的生产虽然具有了一定的社会化程度，但是信息化程度较低，个别产品虽然也有条形码等识别编号，但是产品本身一般没有能够自动的身份识别标志。要实现对产品进行自动识别，首先必须在出厂后或流通中建立一个相应的建筑材料电子编码系统，用本项目组所开发的身份自动识别技术和自动定位两项技术对建筑材料的编号和位置进行识别和管理，并将此过程纳入建筑工程的整个周期中，使得工程管理人员实时掌握建筑材料当前的状况。使用射频识别技术（rfid）、无线网络传输技术、多通道信息采集技术等对材料进行编码标识、运输、入库。在建筑工地，对于材料的入库、分发、消耗过程中，将建筑材料的动态使用过程的位置等信息实时传输到监控中心，存入中心数据库，实现建筑材料的标识、位置的实时监控与跟踪。
（2）研究并实现建筑材料（预制件）的定位与跟踪技术
无线传感器网络（wirelesssensornetwork，简称wsn）经常要求大量的分布式计算。无线传感器网的节点一般比较简单，依靠自带电池供电，所以要求最大限度节约使用能量，延长电池使用时间。对大多数wsn应用，采用一定机制或算法实现节点定位很重要。定位算法要求：１、算法简单，以便最大限度地减少运算量，从而尽可能节约有限的能量。
2、模型与实际网络尽量接近，具有实用性。
3、节约硬件成本。
目前的定位模型模型与技术多是在建立在二维的基础上的，而真实的无传感器网络的信号是分布在三维空间上的，例如对于红外、雷达、rfid等有源信号，它们的信号辐射范围显然呈现三维状态，即通讯有效范围分布在三维空间中，所以建立三维模型更有接近实际。本项目利用项目组提出的3d-pmwsn（3d-basedpositioningmodelinwirelesssensornetworks）模型把二维空间下的定位模型扩展到三维空间，实现目标的空间定位。
（3）建立建筑材料（预制件）的数据库
监控中心系统具有数据采集、实时监控、数据分析与系统维护等功能。数据采
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集完成整个数据链上各个节点的数据接口建立和数据采集；实时监控以产品为单位进行全程动态数据监控；数据分析与系统维护负责对历史数据进行分析和系统相关信息维护。
在监控中心数据库的设计上，考虑到该系统所涉及相关单位的特征：生产企业、加工企业、储存企业、销售企业以及最终用户分布区域广、规模千差万别、条件各有不同，所以该系统在构建时须保证以下特征：
（a）通用性。能够适应不同类型、不同规模、不同生产条件的需要，在一个系统中，完成各种不同数据源、数据类型的采集、跟踪与分析。
（b）灵活性：在通用性的前提下，作到灵活性。例如：建筑材料在其生存周期的各个环节中，每个环节都有数据采集，为了能够作到采集的顺利、完整，同时不过分增加各个环节相关部门的额外开销，系统就应该作到：
从数据通讯角度看，既要支持有线通讯，又要支持无线通讯，还要提供人工接口；
从数据获取方式看，既要适应现代、大型企业特点，充分利用他们的已有资源，特别是信息化资源，直接通过接口获得相关数据，同时，对于那些小型的、尚不具备信息化条件的企业，系统提供人工接口，用灵活性保障数据链的完整性。
（c）扩展性。很显然，伴随我国经济的迅速发展，建筑材料的生产、加工、运输等的条件也在不断变化和发展，系统应该能够适应这一趋势，能够做到开放性、可扩展性。
监控中心数据库的构成：
（a）数据采集系统：完成建筑材料原始数据在各个环节的收集、加工、传输及储存功能，包括：。监控中心同各个节点的接口：报文格式、数据校验、数据加密、节点分类等;。数据提取：对各个节点过来的数据进行统计取样，使数据具有代表性;。数据入库：对经过采样后的数据按照企业类型、产品类型、产品编码等特征存入中心数据库，在整个物流链上保证数据的完整性、最终产品的唯一性及数据的随时新是关键，也是整个系统的基础。
2.具体研究开发内容和要重点解决的关键技术问题；
（一）本研究的总体思路是：
利用独创的无线传感器三维定位模型和算法，综合rfid技术、编码技术、gps技术、传感器网络技术、数据库技术等，在安全、环保的前提下，对建筑工程中的
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建筑材料进行实时识别、跟踪和管理，提高工程管理水平，减少劳动强度，最终为工程管理信息化创造条件。
针对以上的思路，具体研究内容如下
1.rfid技术以及利用rfid技术进行建筑材料的识别
rfid近年来已经成为了市场的热点，随着微型集成电路的进步，微型智能rfid标签得到了很大发展，在低功耗ic技术方面的突破，为发展小型、低功耗主动式标签创造了条件。被动式标签无需电池，由读写器产生的磁场中获得工作所需的能量，但读取距离较近，且单向通信，局限性较大，rfid主动式电子标签不但具备被动式电子标签的所有特性，而且还具读取距离更远，双向通讯，寿命更长，性能更可靠等优点。
在中国市场上，rfid在低频及高频的应用已经相对成熟。2006年中国rfid市场已经有超过32亿元人民币的市场规模，其中标签的市场规模就占居了19.33亿元人民币的市场规模。据预测，2010年中国rfid市场规模将达到100亿元人民币。
从应用的行业领域来看，政府rfid应用、物流行业、交通行业rfid应用、制造行业的部分环节rfid应用是近期的重要发展领域。
在仓库中找寻存货、对大型项目（如冶金、石化等）关键性的设备进行跟踪或者对供应链的管理就如大海捞针一般，完整的rfid电子标签技术能帮助您很好地解决这方面的问题，提供完全自动化的数据捕捉和追踪。
跟踪建筑工程中原材料的位置需求具有两方面的意义。首先，确定原材料的位置对工程项目来中确保原材料的使用是必要的。据有关材料报道，进行原料合理的利用方面花费的时间可能占用现场监督者总时间的20-40%。其次，为了控制工程的进度和质量，必须使用科学的指标来进行监控，例如：消耗、计划与进度和劳动生产力等。在传统的手段中，直接利用人眼观察记录数据是耗时的，记录和分析实际性能的数据完整性差、准确性低、实时性不够。利用rfid技术对材料的全程监控，可以为管理人员提供实时、准确的一手数据，提供科学的决策。
尽管rfid技术的发展和应用已经比较成熟，但是在建筑材料和建筑工地中使用还是遇到了较大的挑战：
一般建筑工地的环境比较复杂，条件比较恶劣；建筑材料外观差别很大，而且一
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般不规则；检测识别设备要可靠、可移动；由此增加的额外成本不能很多。
2.建筑材料在建筑工地的精确定位技术
无线传感器网络的节点一般比较简单，依靠自带电池供电，所以要求最大限度节约使用能量，延长电池使用时间。对无线传感器网络应用，采用一定机制或算法实现节点定位很重要。定位算法要求：１、算法简单，以便最大限度地减少运算量，从而尽可能节约有限的能量。
2、模型与实际网络尽量接近，具有实用性。
3、节约硬件成本。
目前，无传感器网络节点定位算法主要有。slobodann.simic和shankarsastry提出的boundingbox算法；niculescu等人提出的dv—hop算法；euclidean算法;robustposition算法等，这四种算法的共同特点是全部基于二维空间基础上。第一种采用平面网格划分方法，简化reader的有效作用域，利用矩形之间的关系，算法仅涉及到较简单的线性运算，具有运算简单，能耗低的优点，但是定位精度对锚节点的数量依赖较强，需要根据被识别对象的尺寸大小，要求具有足够的锚节点数量，否则定位精度较低，在实际应用中，设置较多的锚节点可能造成成本较大的增加。后三种算法则利用未知节点到锚节点之间的网络平均每跳距离和两者之间的跳数之间的关系对未知节点定位，优点是定位精度较高，硬件成本可能相对较低，由于都要用到最小二乘法求解，运算相对第一种算法要复杂，因此，节点的运算量相对较大，能耗较高。另外，张令文等提出的混合优化算法hoa，将泰勒级数展开算法和最速下降法有机结合，具有一定的精确性和顽健性，收敛速率快，计算量小，但是也涉及到较复杂的非线形运算。倪巍等提出了一种利用测量到的用户之间的接收功率实现定位及跟踪的算法，也具有一定的独特性。
我们提出了具有创新性的定位模型。提出了空间网格的概念，利用同一个tag（电子标签）对多个位置已知的reader（读写器）的感应，通过不同reader的有效覆盖范围在空间的交集关系，建立了一种在三维环境下的无线传感器网络节点定位模型（3d-pmwsn）和算法，实现对空间目标tag的定位。仿真分析实验证明定位收敛较快，定位精度较高。
3.建筑材料管理中心数据库
监控中心系统具有数据采集、实时监控、数据分析与系统维护等功能。数据采集完成整个数据链上各个节点的数据接口建立和数据采集；实时监控以产品为单位
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进行全程动态数据监控；数据分析与系统维护负责对历史数据进行分析和系统相关信息维护。
3.项目的特色和创新点；
（1）利用rfid技术、gps技术和无线传感器网络技术，在三维环境下进行目标定位。目前，国内外利用rfid技术在两维空间进行目标的定位的技术有报道，也有用其他技术手段进行三维环境下的目标定位，但是利用rfid技术和无线传感器网络技术进行三维空间下的定位尚没有。无线传感器网络技术被成为“绿色环保”的技术，能耗低，对周围环境影响小。
（2）将研究的rfid技术和无线传感器网络技术成果应用到工程项目的工地现场。一方面，可以提高建筑材料的识别速度，最大限度地减少劳动强度。另一方面还可以在工地现场，实时掌握材料的使用状况，提高工程管理水平。
（3）rfid、gps、和无线传感器网络技术集成技术的研究。
4、要达到的主要技术指标、经济指标及社会效益。
（1）开发具有自主知识产权的建筑材料自动识别系统一套（包括软硬件），能实时识别建筑材料、判别地理位置，并且实现现场与监管中心的网络信息传输；
（2）利用无线传感器网络技术和rfid技术对建筑材料的识别准确率达到90%；（3）获得建筑材料自动识别系统软件著作权1项，发表高水平论文4篇。该项目的完成，将有机地把rfid技术、gps/gis、无线传感器网络和网络传输技术集成到建筑材料识别与跟踪中，其研究成果可直接应用到建筑材料工地现场管理外，还可以扩展到建筑材料的生产、运输和销售实际中，必将极大地改善建筑材料物流过程中对建筑材料的识别手段、实时监控与跟踪手段、运输和贮藏手段，实现对建筑材料的生产、加工、运输、工地现场监控全过程的管理，实现信息的及时追踪，提高管理和监控水平，提高工作效率，减轻管理人员的工作效率和准确率，加快建筑行业信息化步伐，对于增加行业效益，增强我国建筑业在全世界环境中的竞争力。
此外，本课题的研究成果，必将对现有的建筑材料的管理模式产生重大的影响，全面促进建材业和建筑业的的发展。中国作为一个重要的大国，人口众多，经济规模不断扩大，正成为全球基础建设中心，在未来的信息社会里必然扮演着举足轻重的角色。面对世界发展的信息化趋势，我国有必要紧跟发达国家，积极研究建筑材
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料的管理技术、自动识别技术和网络技术，有准备地迎接未来智能化信息社会的到来。建筑材料管理信息化是整个社会信息化的必然要求，对建筑材料信息准确及时地跟踪、监控和管理，将加快建筑材料的物流速度、提高准确率、减少库存、缩短生产周期，减少浪费等，对真个建筑行业的发展具有深远的意义。
三、研究试验方法、技术路线以及工艺流程
本课题将在对现有草莓等农产品物流过程品质监测和跟踪调查的基础上，分别从利用rfid技术在建筑工地环境下对目标的识别技术、利用rfid技术、gps技术和无线传感器网络技术，在三维环境下进行目标定位、实时监测与跟踪技术开展，具体技术路线如下：
（1）针对研究内容[1]，技术路线如下
像条形码一样，rfid是一种模数转换技术，为了是识别，定位，或者是跟踪物体、财产以及人，但是相比条形码的几个优势在于，它的操作不需要物理的接触，不需要基准线，并且对环境没有污染。rfid系统有三个组成部分：
rfid标签：其中的芯片将存储唯一标识以及其他更新信息；从外观上看，标签也可以有各种不同的包装形式。从供电方式上看，标签分为有源和无源两种。rfid读卡器：负责如何实时读取监控范围之内任何rfid标签，并通过适当网络将读到的信息传递到后台的软件系统。
rfid中间件。是整个系统的“心脏”，获取有关前端标签的各种实时信息，并根据客户需求进行实时处理。
由于rfid标签具有可读写能力，对于需要频繁改变数据内容的场合尤为适用，它发挥的作用是数据采集和系统指令的传达，广泛用于供应链上的仓库管理、运输管理、生产管理、物料跟踪、运载工具和货架识别、商店、特别是超市中商品防盗等场合。为了联系到中心主机或是可以被跟踪，rfid标签承载着关于主机的数据，诸如身份证明、特殊信息或者是指令，这些都存在于标签的内部存储器之中。读取器是一种固定的或是移动的设备，当标签在他的读取范围之内，它可以通过无线射频读取或者是写入数据到标签上面，对于特殊的应用需求它可以将数据传输到主机当中（见图一）。
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（图一利用rfid技术进行建筑材料管理示意图）
（2）针对研究内容（1），技术路线如下
（a）定位原理如下：
首先，选取边长为s的正方体q（见图二），下面所有的研究都在q中进行。通过把q的每个边n等分，从而把整个q分为n3个小正方体，每个小正方体称为一个cell，作为将来网络节点定位的最小单位。n3称为q的分辨率。按照图1所示方式对分割后的q进行空间标识，每个cell都有自己的唯一坐标---网格坐标（x，y，z），（1
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