基于传感技术和3G无线信息技术的绿色施工数据采集量化的研究.docx

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基于传感技术和3G无线信息技术的绿色施工数据采集量化的研究

基于传感技术和3G无线信息技术的绿色施工数据采集量化的研究

8.1研究背景

绿色施工具有涉及面广、工作量大、制约性强、信息流量大等特点，实行计量信息化管理，能对管理过程进行高效地采集、加工、传递和实时共享，为绿色施工管理服务、项目决策提供可靠的依据；使绿色施工管理流程的组织更加科学化，正确引导绿色施工的开展，提高绿色施工水平；增加绿色施工管理透明度、提高管理效率、降低管理费用，严格控制成本；绿色施工是个不断完善的知识领域，引入数据计量量化信息化管理，加强数据量化管理，使绿色施工过程处在科学管理、合理的监控下，各种资源优势，使人尽其能，物尽其用，使绿色施工水平达到一个新的更高的管理水平。

目前建筑工程项目成本的数据量化管理存在着意识不强，成本核算流程形式、缺乏风险应对机制、缺乏对建筑工程项目成本控制等诸多问题，项目管理处于一种“混沌”状态。

完善建筑工程数据量化管理，可以强化公司经营管理，提高成本管理的效果，降低工程项目成本，增强公司成本核算能力，提高公司的经济效益。

加强建筑工程项目数据量化管理是公司提高竞争力、增加收入的重要方法之一。

在传感器技术和无线射频技术等多种采集方式的基础上，构建无线抄表系统，将绿色施工中各种数据进行采集，实现绿色施工的数据量化的目标，为绿色施工定量奠定基础。

8.2国内外研究现状

无线射频技术（RFID）最早的应用可追溯到第二次世界大战中飞机的敌我目标识别，但是由于技术和成本原因，一直没有得到广泛应用。

近年来，随着大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展，RFID技术进入商业化应用阶段。

由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，RFID技术显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是21世纪的最有发展前途的信息技术之一。

原因是：

RFID技术的设计、生产、使用过程，都涉及到信息、制造、材料等诸多高技术领域，涵盖无线通信、芯片设计与制造、天线设计与制造、标签封装、系统集成、信息安全等技术。

一些国家和国际跨国公司都在加速推动RFID技术的研发和应用进程。

在过去十年间，共产生数千项关于RFID技术的专利，主要集中在美国、欧洲、日本等国家和地区。

无线射频识别技术是一种实时的无线系统，用于控制、检测和跟踪物体。

一套完整的无线射频识别系统由标签（或应答器）、阅读器（或询问器）、天线以及应用软件系统四部分组成。

标签（Tag）：

由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器（Reader）：

用于读取（有时还可以写入）标签的信息。

天线（Antenna）：

在标签和读取器间传递射频信号。

其工作原理如下：

标签进入磁场后，阅读器识读标签发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息；阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

图8.1RFID工作原理

RFID标签的分类除了可以按照能量供给方式区分外，按照工作频率的不同，RFID标签分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波频段（MW）的标签。

目前国际上RFID应用以LF和HF标签产品为主；UHF标签开始规模生产，由于其具有可远距离识别和低成本的优势，有望在未来五年内成为主流；MW标签在部分国家已经得到应用。

中国已掌握HF芯片的设计技术，并且成功地实现了产业化，同时UHF芯片也已经完成开发。

目前RFID标签天线制造以蚀刻/冲压天线为主，其材料一般为铝或者铜，随着新型导电油墨的开发，印刷天线的优势越来越突出。

RFID标签封装以低温倒装键合工艺为主，也出现了流体自装配、振动装配等新的标签封装工艺。

中国低成本、高可靠性的标签制造装备和封装工艺正在研发中。

因此，在实际应用案例中，以使用国外产品为主。

RFID读写器产品类型较多，部分先进产品可以实现多协议兼容。

中国已经推出了系列RFID读写器产品，小功率读写模块已达到国外同类水平，大功率读写模块和读写器片上系统（SoC）尚处于研发阶段。

而在应用系统集成和数据管理平台等方面，某些国际组织提出基于RFID的应用体系架构，各大软件厂商也在其产品中提供了支持RFID的服务及解决方案，相关的测试和应用推广工作正在进行中。

在国外，RFID技术已被广泛应用在：

物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件/快运包裹处理、文档追踪/图书馆管理、动物身份标识（屠宰/肉类加工业）、运动计时、门禁控制/电子门票、道路自动收费等领域。

中国在RFID应用架构、公共服务体系、中间件、系统集成以及信息融合和测试工作等方面取得了初步成果，建立国家RFID测试中心已经被列入科技发展规划。

中国已经将RFID技术应用于铁路车号识别、身份证和票证管理、动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通以及生产过程管理等多个领域。

考虑引入RFID技术在土建领域的运用从历史发展阶段来看已经非常成熟。

无论是国内还是国外，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们。

从80年代起才开始重视和投资传感技术的研究开发或列为重点攻关项目，不少先进的成果仍停留在研究实验阶段，转化率比较低。

1、国外传感技术发展的主要趋势

（1）强调传感技术系统的系统性和传感器、处理与识别的协调发展，突破传感器同信息处理与识别技术与系统的研究、开发、生产、应用和改进分离的体制，按照信息论与系统论，应用工程的方法，同计算机技术和通讯技术协同发展。

（2）突出创新。

国外传感技术的发展强调以下几方面的创新：

利用新的理论、新的效应研究开发工程和科技发展迫切需求的多种新型传感器和传感技术系统。

侧重传感器与传感技术硬件系统与元器件的微小型化。

利用集成电路微小型化的经验，从传感技术硬件系统的微小型化中提高其可靠性、质量、处理速度和生产率，降低成本，节约资源与能源，减少对环境的污染。

这种充分利用已有微细加工技术与装置的做法已经取得巨大的效益、极大地增强了市场竞争力，例如：

80年代进口一套AE传感器及其住处预处理硬件的成本已被降至原来的百分之几到千分之几，使我国经“七五”和“八五”攻关的产品化系统处于无力竞争的地位。

后者采用独创的宽带高精度AE传感器和厚膜集成电路预处理硬件，但其成本仍比国外先进的产品高数倍到数十倍。

在微小型化中，为世界各国注目的是纳米技术。

集成化技术，主要进行硬件与软件两方面的集成，它包括：

传感器阵列的集成和多功能、多传感参数的复合传感器（如：

汽车用的油量、酒精检测和发动机工作性能的复合传感器）；传感系统硬件的集成，如：

信息处理与传感器的集成，传感器－－处理单元－－识别单元的集成等；硬件与软件的集成；数据集成与融合等。

（3）研究与开发特殊环境（指高温、高压、水下、腐蚀和辐射等环境）下的传感器与传感技术系统。

这类传感器及传感技术系统常常是我国缺少的一类高新传感技术和产品。

（4）对一般工业用途、农业和服务业用的量大面广的传感技术系统，侧重解决提高可靠性、可利用性和大幅度降低成本的问题，以适应工农业与服务业的发展，保证这种低技术产品的市场竞争力和市场份额。

（5）彻底改变重研究开发轻应用与改进的局面，实行需求驱动的全过程、全寿命研究开发、生产、使用和改进的系统工程。

（6）智能化。

侧重传感信号的处理和识别技术、方法和装置同自校准、自诊断、自学习、自决策、自适应和自组织等人工智能技术结合，发展支持智能制造、智能机器和智能制造系统发展的智能传感技术系统。

2、工况监视技术的现状与发展趋势

工况监视主要指对机器装备故障、系统运行过程与过程质量缺陷、刀具/砂轮和工件的工况的监测与控制。

国外预测工况监视用传感检测技术系统的主要发展趋势：

①提高系统的可靠性和灵敏度；

②侧重发展智能传感技术；

③强调改进和提高力/力矩、功率/电流、振动、声振（合声发射与超声及语音）、温度、光视及触针传感系统，使它们有尽可能高的可靠性、灵敏度和可应用性，以适应21世纪初工业应用的要求；

④强调发展信号处理战略、程序和识别技术，提高硬/软件的集成度和系统的识别速度、精度和动态特性（鲁棒性等）；

⑤发展多传感器数据集成与融合的研究开发，以提高对缺陷和故障的识别精度、可靠性、降低成本，提高系统可应用性。

3、国外自动化装配对传感技术的研究开发趋势

①对现有自动化装配与机器人装配用的传感技术的改进与革新。

主要针对：

力、触觉、视觉、光学、机械触针、位置传感和顺应装置用应力等传感器与尺寸传感技术系统，提高其可靠性、通用性。

②开发新型传感器，如：

印刷电路板装配用的非接触式温度传感器、超声传感器等。

③研究开发先进领域用的传感技术系统，如：

微机电器件复杂装配等为代表的微型装配（Mic-roassembly）用传感系统，微型控制用的加速度传感器、压电执行器和小型化CCD及其集成等。

④特别要重视声振传感技术的研究开发。

⑤开发数据集成、融合与人工智能传感技术，如：

机器手腕/手指用的多感知传感集成，多个超声与力传感器的组合，高精度零件识别与分类、质量检测与控制用传感技术系统。

⑥研究开发大型易变形件加工、装配用传感技术系统。

⑦改变研究开发战略，把主要在研究中心（院、所）用的过程高技术传感技术与系统转向工业一线过程控制用。

综上所述，我国的优势有：

①已经形成了研究、生产和应用体系、人才队伍和部分传感技术的优势，是进一步发展的基础；②有一批先进的成果，如刀具/砂轮监控仪系列成果，石油油井用高温、高压传感检测系统、高精度热敏检测传感等等；③用户市场量大面广。

8.3课题研究意义

推进绿色施工是施工行业贯彻科学发展观思想，实现国家可持续发展，保护环境，企业面对严峻的经营形势和严酷的环境压力，自我加压，挑战历史和未来工程建设模式的一种施工活动。

目前，由于绿色施工在国内的推广还不够广泛，绿色施工评价的具体实施更是只停留在在理论阶段，许多问题还没有达成统一的意见，其在全国范围内的推广还存在以下问题：

（1）由于建设部编制出台的《绿色施工导则》及《建筑工程绿色施工评价标准》中大多只是对绿色施工的指导性原则进行了规定，缺乏对于定量指标的数据规定；缺乏具体的绿色施工工艺标准，所以导致绿色施工评价标准难以确定。

因此绿色施工的研究还需要深入的定量研究。

（2）绿色施工评价需要严格的数据指标，数据的获得要严谨科学，就要对具体施工过程进行全过程监督，需要较多的有相应资质的技术人员进行监督，因此在目前的情况下，对于具体施工的全过程监督很难到位。

（3）短时间内，对绿色施工评价标准的选取很难在全国范围内取得一致的意见，各方面的专家、学者站在不同角度和立场，提出不同内容的绿色施工评价标准体系，短期内很难得到统一的意见。

（4）建立绿色施工量化的指标体系大部分以精确的数值作为评价标准，而目前绿色施工技术发展尚不充分，各项数值的度量技术、方法还不成熟，难以精确度量各项指标；绿色施工的应用涉及到建筑、市政、交通、铁路等各个行业，不同的行业的施工特点不同，需要与之相对应的评价指标体系，因此，用同一套评价体系难以使用与不同类型的施工。

因此，在目前信息通信技术充分发展和普及、成本越来越低的今天，如果能把实时采集、计量量化到建立汇总平台对一个建设工程或项目的多栋采用绿色施工技术的建筑能耗进行实时采集、汇总、分析和比较，不仅可以使施工方了解自己管理的各项内容的实际情况，还可以提供许多新的服务功能。

计量量化管理工作对建筑企业发展及绿色施工管理的重要性

（1）在抓好工程技术机构内部质量和技术管理的基础上，更应该重视外部的市场管理和顾客管理，通过提升对业主的服务能力，吸引更多的顾客。

加强对目标顾客和市场的分析，力争满足业主的需要和期望，这样势必要利用计量量化控制提高企业的竞争力。

（2）要有一个明确的战略发展目标，这样将有利于计量量化控制企业工作在企业中发挥其作用。

（3）对企业而言要转变观念，树立市场意识、服务意识。

在市场经济条件下，企业的改革也应提出“服务型企业”的理念。

（4）要培育差别化竞争优势，要有计量量化管理的具体措施：

比如通过计量量化降低施工成本，提高管理水平以满足企业可持续发展的需要。

（5）建筑产品的质量保证与生产过程中设备运行工艺、施工工艺等参数控制、建筑材料质量检测参数等诸多因素息息相关，而这所有的一些均离不开计量量化管理。

计量量化工作的重要性关系到企业和社会发展的方方面面，应充分认识到节能和加强能源计量量化工作的重要性，提高能源资源利用率，依靠计量量化管理企业，依靠计量量化指导生产，依靠计量量化降耗挖潜，是绿色施工降低成本、增加效益、提高竞争力的必然选择，是形成有力与节约资源的生产模式和消费模式，建设资源节约型社会的必由之路。

因此，绿色施工精确数值的实时采集量化、汇总分析平台，将使绿色施工管理从粗放的定性管理转为科学细致的定量管理；从彼此隔绝的各座建筑的独立管理，转为一个相关群体中的相互对照，彼此促进；从分散的经验型管理，发展成规范化、可复制的科学管理；全面提升绿色施工管理水平，使其进入一个新的、定量化、科学化的发展阶段。

提高科技实力就是提高生产力，发展绿色施工数字采集量化技术研究同时具有以下意义：

（1）能耗的量化监控管理，便于电力、水资源在大型项目内部的合理分配、利用，最终达到节能的目的；

（2）材料的数据量化化管理，用于达到场地使用规范化、文明化、可以减少对高增长人工的需要，有助于在短时间内迅速组织生产力量，协调生产分配，集约化管理成本；

（3）传感器及无线数传技术用于大型施工设备的能耗监测量化管理，可以对耗电量进行实时监控，实现节能降耗的目标；

（4）传感器技术及无线射频技术用于污染及噪声管理可以实时监控量化粉尘浓度及噪声水平，达到降低环境污染的目的；

（5）数据采集量化设备是基于传感器及无线数传的关键技术研究，技术成熟，可拓展性强，应用方便快捷；

（6）基于传感器技术、无线数据传输技术的数据采集量化技术的绿色施工综合监测量化管理系统研究是项目成果的综合、直观、集中体现，意义重大。

8.4课题研究技术路线

基于研究单位前期的调研成果，综合集体智慧攻坚克难，进行基于无线射频技术和传感技术的绿色施工数字采集量化技术研究，控制本项目的非可控安全因素，把握整体顺序，将本工程的施工技术、安全、进度、质量上全面进行提高，使本项目的整体施工顺利完成。

技术路线如下图：

图8.2课题技术路线

8.5主要研究内容

在传感器技术和无线射频技术等多种采集方式的基础上，对工程项目施工技术进行计量量化研究，指导现场生产，确保工程顺利进行。

并对相关工艺进行优化，形成相关技术研究成果。

形成关键的4个子技术群：

1、基于无线射频技术及3G信息技术的场地规划、材料管理监测量化技术研究

2、基于无线射频技术及3G信息技术的建筑工程施工节水及水资源量化管理

3、基于传感技术及3G信息技术的施工能耗量化研究

4、基于传感器数据采集技术和3G信息技术的粉尘浓度、污染及噪声监测、处理

（1）基于无线射频技术及3G信息技术的场地规划、材料管理监测量化技术研究

利用超宽带实时定位技术对仓货场以及各堆砌平台的料种分类、使用情况、库存情况进行实时监测、管理。

对货场以及堆砌平台的料种分类、使用情况、库存情况进行实时监测及量化管理；分规格、品种、批次、生产厂家分别堆放，防止混用，便于万一需要复试或退场不会搞乱；材质应标注规格、品种、批次、生产厂家等基本数据外，还应标注“合格”、“已送试”、“不合格”等内容，防止误用；钢筋堆放应离地，不发生泥土污染，不浸在水中，钢筋分层上架，实时监控货物按照场地规划堆放、实现文明施工。

（2）基于无线射频技术及3G信息技术的建筑工程施工节水及水资源量化管理

针对目前水资源保护与利用较差，城市用水紧张的情况，研究利用无线传感器数据采集技术，通过施工现场分别对各管路用水进行用水计量装置，实现以下功能：

1、在线实时显示施工过程的实际用水量。

通过无线传感器数据采集技术和3G技术在线实时查看用水量，收集数据做前后比较，得出用水量过大的原因，由控制中心发出警告，及时提醒工作人员查找裂管节点或用水不不合理的节点，及时采取措施，以防因裂管等原因造成不必要的损失。

2、施工降水及雨水回收利用

施工降水是工程在地基施工阶段，将地下水位降低排出。

排水时间持续整个地基施工阶段，水量非常可观，且这部分水收集储存容易。

通过设置现场积水箱，将施工降水集中存放于水箱，利用水箱的管道将水引入到生活区、加工区、施工区用于生活用水的洗衣、洗漱、冲刷厕所及现场洒水控制扬尘，引入施工现场的水可用作结构养护用水、喷射混凝土用水等。

在积水箱内利用无线传感器数据采集技术和3G技术，采集箱内水位变化，计量量化出这部分水的数量，分析得出降水利用率及节约市政用水量。

3、污水回收利用

建立沉淀池及限定维护范围，将生产废水、生活污水分别排入各自指定沉淀池或限定维护范围内，经过二次沉淀后，利用无线传感器数据采集技术和3G技术获取污水各项指标及沉淀池内水位，达到规定排放标准或循环利用标准后，由控制中心发出提示，以便工作人员做进一步的处理，用作洒水降尘、机械冲洗或直接排入市政管道。

通过以上在线实时监测，查看用水量及污水排放量，将绿色施工中的节水量、废水回收利用率量化统计。

（3）基于传感技术及3G信息技术的施工能耗量化研究

研究通过在用能或资源消耗端安装无线数据通信功能的电表或其他计量仪表，采集各项用能和资源使用数据，再通过数据采集网关，依靠无线网络或其他通信媒介把数据传递到数据中心或工作站，在此对数据进行量化处理和存储。

远程实时监控塔吊用电量及塔吊装载量、通过无线传输模块，将现场所采集的数据传输到微机上，记录和显示设备的实时耗电量、耗水量。

对量化后的数据进一步进行各种分析梳理，给管理者提供直观可视的绿色施工实时数据。

本方案基于传感器数据采集技术和3G技术，构建了一种无线抄表系统，将耗电量、耗水量等数据进行采集量化，所采集的数据在控制室里能够清楚的看出实时使用量、累计使用量。

该系统避免了长距离布线和复杂的线路干扰，可以快速抄写并实时上传表上的数据，且数据传输可靠。

通过在电表或水表终端安装智能传感器模块，利用传感器实时监测、检测用电量以及用水量，并通过在传感器末端加装无线ZigBee传输模块，从而将耗电量以及耗水量通过ZigBee无线网络实时传输到后台管理服务器。

无线模块与电表或水表的智能传感器相连接，用于采集实时及累计的用量并存储，其余时间都处于睡眠状态，当传感器有信号进来时，模块被唤醒，并自动计量，而且模块会不间断的自动醒来，检测外界是否有唤醒信号，主要用于抄表器抄取数据，如果检测到唤醒信号，它将被唤醒并等待下一指令，执行相关操作。

如果没有唤醒信号，则又进入睡眠状态。

图8.3系统方案图

此方案具有计量准确、通信可靠、抄表方便、功耗低等远程抄表系统的优点，以及节省人力、远程监控、远程维护的功能。

（4）基于传感器数据采集技术和3G信息技术的粉尘浓度、污染及噪声监测、处理技术；

建筑施工现场机械设备众多，噪声污染往往比较严重，应采取严格的控制措施，以保障和减少作业人员及驻地群众的健康危害。

自动记录仪、声级计或频谱分析仪、3G技术联合使用，可连续测量和实时显示声级与频谱，并能将噪声随时间的变化情况记录。

噪声监测时，可在施工区域划分10×10m的网络，测点选在每个网格的中心，网格数码一般不少于10个，也可以根据实际情况决定，但不宜过少。

测点布置后，进行长期性例行监测。

测量时间分为白天和夜间，白天测量可选在上午8点~12点，或下午14点~18点；夜间测量应选在晚上22点至凌晨5点。

通过传感器技术和3G技术，能够对施工现场的粉尘浓度进行实时在线监测，管理人员可准确地掌握各尘源点的粉尘浓度，具有快速准确可靠性高特点。

根据无线采集的信息，利用自动化技术，自动处理粉尘污染，实现施工过程的智能化，高效化，绿色化。

8.6应用效果

项目结合施工现场的情况，从绿色施工管理、绿色施工能耗监测、绿色施工能耗分析等方面绿色施工数字采集量化技术研究，并将所研究的技术应用于工程中。

通过项目的实施，取得的社会经济效益如下：

1、经济效益：

通过对“基于传感技术和3G无线信息技术的绿色施工数据采集量化的研究”进行研究，将节约巨大的施工成本，无线射频识别和传感技术的绿色施工数字采集量化技术应用成果可提升工程精细化管理水平，通过行为节能降低钢筋损耗量，有效减少人工统计强度，降低劳动力成本，优化储存空间，制定内部控制定额，将项目水电消耗量控制在合理水平，从而降低建筑建造成本，产生较大的经济效益。

无线射频识别和传感技术的绿色施工技术和数字采集量化技术应用成果可提升工程精细化管理水平，通过降低钢筋损耗量，有效减少人工统计强度，降低劳动力成本，优化储存空间，制定内部控制定额，将项目水电消耗量控制在合理水平，从而降低建筑建造成本，产生较大的经济效益。

直接效益为64.1万元。

2、社会效益：

通过运用RFID技术，可以实现土建行业信息化水平的有效提升，帮助相关管理者提高管理水平，RFID通过全程可视管理，保证了货物的安全，通过监控塔吊的垂直度，确保了塔吊工作的安全性，粉尘、噪音的监控预警是项目实现绿色施工的良好保证；为企业树立良好的社会形象。

3、环境效益：

通过对建筑材料、水、电的有效监控降低建筑能耗，减小碳排放量，有效推进绿色施工技术的可持续发展，保证扬尘、噪音振动、光污染、水污染、土壤保护、建筑垃圾、地下设施文物和资源保护等控制措施到位，有效改善建筑施工脏、乱、差、闹的环境，整体提升城市面貌与形象提升城市的整体形象，环境效益明显。

通过开展本项目研究，将为国家制订相关技术规范、规程和指南提供理论源泉，具有较高的社会效益。

同时本项目的实施，不仅会产生一批先进实用的科技成果，而且会产生一批专利、产品和实用技术，使科研攻关与产业化开发两个实质内容有机地结合起来，实质性地促进绿色施工节能降耗事业的发展。

本课题深入贯彻“建设资源节约型、环境友好型社会”政府精神，通过“产学研”相结合的研究方式进行课题研究的同时，也有助于提高企业影响力，提高市场竞争能力。

把耗电量、用水量、粉尘污染、噪声污染、材料管理、塔吊耗电量等参数集成、集中管理，建立数据库系统和综合管理系统，实现远程管理、实时管理。