刘士宽，罗志刚，王 盟，何颖杰，胡 珂

（1.中交宇科（北京）空间信息技术有限公司，北京 100094；2.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011）

北斗卫星导航系统是中国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。2000年，中国建成北斗导航实验系统[1]，2012年“北斗”系统在亚太地区组网完成，北斗导航系统不仅在我国国土范围内广泛使用，同时向周边国家提供服务[2]。它由30颗非静止轨道卫星和5颗静止轨道卫星组成，2018年底，北斗三号卫星在轨数量计划达到19颗，北斗工程全球组网进入关键期[3]，为用户提供免费的导航、定位、授时服务。北斗卫星导航系统的建立和使用，摆脱了我国对GPS的依赖，打破了发达国家垄断卫星导航定位技术的局面，重要的是可以直接体现我国的技术实力和综合 国力[4]。

中国北斗卫星导航系统于2018年形成“一带一路”沿线国家全球初始服务的基本能力，到2020年形成全球服务能力[5]。目前北斗导航系统的覆盖范围为55 E～180 E，以及55 N～55 S之间的 区域。

交通运输行业具有点多、线长、面广、移动的特点，集中了卫星导航主要应用方向[6]，其高精度的定位和短报文通信能力，持续获得用户好评。是无人区公路建设的不二选择。针对本项目，北斗卫星的高精度定位和短报文通信，可以满足公路工程建设中无运营商信号覆盖环境下的施工人员及设备的位置服务，保障其安全。因此，为了满足公路建设及其项目部人员、车辆安全管理需求，急需搭建公路建设施工信息化监管平台（以下简称：监管平台），利用北斗卫星定位和通信，实现对项目部现场人、车、设备的统一管理、安全隐患管理、综合调度和应急处置，为建设单位对施工项目的在线监管和安全施工奠定 基础。

1 平台总体设计

1.1 总体框架

公路建设施工信息化监管平台，是基于自主框架和SuperMap平台进行二次开发的B/S架构的监管平台，后台数据库采用了MySQL开源数据库，采用云端部署的方式为用户提供监管服务。系统总体框架如图1所示。

图1 总体框架图

基础支撑层：包括北斗卫星、服务器存储设施、运营商网络、视频监控设施、无线基站、北斗定位终端和北斗一体机。北斗卫星实现人员、车辆的定位和通信服务；服务器实现采集后数据的存储、处理等；运营商网络是安全网络的辅助网络，整个网络实现基于北斗的无运营商网络和运营商网络的无缝融合；视频监控设施部署在重点区域监控；无线基站搭建局域网，实现局域网内的通信。

数据层：包括基础数据库和业务数据库基础数据库提供电子地图、遥感数据、隧道区域地图等基础空间数据；业务数据库包括人员位置信息、车辆位置信息、视频数据等数据。

平台层：平台层提供运维管理平台和基础地理信息系统。运维管理平台提供权限管理、日志管理和系统管理；基础地理信息系统提供地图制作、Web端地图服务等功能。

应用层：应用层包括施工车辆及人员管理平台、项目部综合管理平台。施工车辆及人员管理平台提供车辆人员的位置服务；项目部综合管理平台实现项目部人员、车辆等基本信息管理，并对项目部的安全信息进行汇总统计。

用户层：包括项目部指挥中心管理人员、项目部管理人员和施工人员。

上述各部分共同构成公路建设施工信息化监管平台，相互依存，缺一不可，在标准和安全保障措施的指导下，稳定运行。

1.2 系统业务流程设计

系统设计时应考虑总体结构框架满足系统的管理和功能要求，并根据系统的逻辑结构提出了系统业务流程图，如图2所示。

图2 业务流程图

1.3 平台功能

公路建设施工信息化监管平台包括以下功能模块：主页统计分析、综合展示、位置监控、综合管理、 系统管理，如图3所示。

图3 功能结构图

2 关键技术研究

2.1 与北斗定位设备的对接

北斗源数据由北斗指挥机读取串口获得，并且按照标准格式解码并解析。如果需要对一带一路国外国家提供北斗定位服务，一般有两种方案，一种是在国外建立北斗指挥中心，另一种方案是和国内北斗分理平台进行数据交互。前一种方案无疑增加了维护成本。本研究主要采用的是第二种方案，北斗终端设备和国内北斗分理平台实现数据交互。本研究建立了中转机制，由北斗分理平台，接收北斗设备数据，并使用网络通信技术WebSocket的方式将设备数据中转推送至本研究的数据接收平台。

数据接收平台根据数据的推送类型和频率决定调取多少线程执行调度任务，并加以解析存储。所接收的北斗数据包括设备定位数据、主动报警数据、短报文数据等。对于可能存在由网络不稳定所带来的连接中断，数据接收平台采用了心跳检测和断线重连[7]机制，由数据接收平台每5 s向北斗分理平台传输一个随机数值，北斗分理平台根据随机数值返回一串加密，若长时间不回应或者超过5次未回应，则判定为网络不稳定或者连接关闭，执行重连机制，从而保证通讯的稳定性。

从性能和安全考虑，数据接收平台只用于数据的解析存储，对于本监管平台的前台展示，则是由监管平台另行建立WebSocket通道获取数据并用于渲染，这样保证前后台分离数据使用，不会互相影响。对于国外北斗数据，传输国内可能由于网络、距离等原因导致数据丢包严重，根据其部署地点，本文采用了国际云服务器进行数据中转，建立转发机制中转至国内，减少了数据丢包率。

2.2 设备与围栏、人员车辆的绑定

北斗设备是专门用于与北斗卫星通信而获得定位坐标的终端装置，为了实现人员/车辆的定位和超出范围预警，需要将设备与围栏、人员/车辆进行绑定。

首先需要保证设备、围栏、人员/车辆同属于一个机构下，在人员/车辆管理功能下对于未绑定的设备可以选择绑定，绑定信息将存储于设备信息绑定表，届时机构下的围栏将匹配设备信息绑定表的数据，若检测有匹配数据不在围栏范围内，则视为跨出围栏并加以报警。

2.3 大数据量存储与可视化

本文平台需要对人员、车辆进行实时的定位监控，则必然导致定位数据每分每秒的传输进入监管平台。后台数据库承载能力受到极大的挑战。本文采用的是MySQL数据库，使用其MRG_MYISAM存储引擎技术存储，再由数据接收平台根据数据的推送月份，将其存储至不同的数据库月表内，每张表存放于不同的物理环境，实现分布式存储，再对于不同的数据库表使用表合并技术，汇总成一张查询总表。对于合并表的ID做了特定自增机制，从而实现了数据的统一查询。

由于日平均数据量巨大，对于监管平台而言不可能一直频繁的读取数据库调用数据，因此采用从WebSocket通信中取出数据并且加以渲染，对于历史轨迹等需要追溯历史数据的时候，才会通过时间排序索引来查询数据库表，从而尽可能减少了网络访问传输带来的损耗。

3 平台实现与应用

本平台将矢量与业务属性表格进行关联联动，并采用北斗、微基站等定位技术为建设施工人员车辆的定位监管提供服务。

3.1 示范工程

本平台已在海外KKH项目中得到示范应用，KKH项目是“一带一路”交通先导工程，对我国及沿线国家经济及各产业发展有着重要意义，公路建设项目全长约120 km，周边施工条件恶劣，基建设施落后，多个地段无运营商网络信号，施工人员、设备安全难以保障。通过本平台导入KKH公路二维矢量路线设计数据，并采集了公路建设施工项目数据、人员、车辆等业务数据，实现了二维、信息联动管理。利用北斗定位和通信、微基站、GIS、大数据等先进技术手段，实现了人员/车辆实时定位监控、隐蔽工程视频监控等，提高了建设施工监管的可视化、精细化程度，提高了海外项目施工的安全性。

3.2 主页统计分析

在首页上显示被监控车辆的数量、被监控人员的数量、被管理的灾害点数量以及监控预警次数等信息。并利用热力图动态统计了隧道内部施工人员的位置分布，如图4所示。

图4 主页统计分析

3.3 综合展示

利用图层管理对所监管的POI信息进行综合展示能够进行矢量点位和属性的双向关联查询与检索。包括建设项目、项目施工部、灾害隐患点、视频监控点、电子围栏以及营地、炸药库、拌合站等POI图层，如图5所示。

图5 综合展示页面

3.4 位置监控

通过接收便携式北斗定位终端发送定位信息，在地图上实时展现人员或车辆的定位位置，每分钟刷新1次位置，点击人员定位图标，可以弹出人员信息框，并可以查看历史轨迹等信息，了解人员或车辆的活动范围，如图6所示。

图6 位置监控页面

当发生人员或车辆进入或离开某一区域，而触发围栏预警的时候，系统会自动给出预警提示框，提醒管理人员及时处理。

3.5 综合管理

对平台所管理的各类数据进行导入、编辑、删除、查询等操作，包括项目基本信息、项目施工部信息、人员、车辆、北斗终端信息、电子围栏信息、灾害隐患点信息、视频监控点信息、短报文等信息的 管理，如图7所示。

图7 综合管理页面

4 结 语

公路建设施工信息化监管平台的应用，为KKH项目的管理人员提供了一个可视化的人员、车辆位置监管平台，有效整合了KKH项目信息，实现了全面、精细的可视化管理和施工大数据的统计分析，并利用北斗、微基站、GIS、大数据等先进技术，保证了人员、车辆的安全，提高了公路建设施工安全监督管理的效率和水平。另一方面，公路建设施工信息化监管平台，以云端部署的方式为公路建设施工管理者提供服务，节省了用户维护成本，也能有效的避免公路建设安全监督管理信息化的重复投资。对我国公路建设施工安全监管水平的提高有着十分积极的作用。在逐步的推广应用的过程中，云端服务也可以为公路建设单位收集整合公路建设施工大数据，形成公路建设施工数据的积累，为大数据分析提供基础。