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跟踪施工作业分布式数据收集和管理框架

摘要

建筑工作通常意味着生产转移位置，移动材料，设备和工人高效地从一个地方到另一个地方，在项目和项目之间的效率，取决于良好的协调和要求专业化信息系统。这些信息系统的关键是收集适当的方法非集中式传感器读数和过程，并把它们分发到不同位置的多个终端用户，无论是在施工过程中，还是项目完成后。本文介绍了一个框架支持这种分布式数据采集和管理，促进实时数据采集和处理，随着提供机会后面处理分析，以保留高精确的数据。尤其是，该框架提出了一项计划，以受益于利用从相同的传感器在不同的水平详细的通知不同级别的决策：操作，战术和战略的读数。该传感器以这种方式收集的读数不仅可能有用的跟踪，评估和分析施工操作，也可以作为在维护阶段参考。到这个程度，该框架有助于建设信息学知识的现有机构。框架的操作性是通过发展和应用两个现场的信息系统来追踪沥青摊铺作业证明。

1引言

建设项目往往涉及一些专门的设备，不仅在现场，而且在有可能在较远的位置。由于设备的工作程序和生产率的高度依赖于位置和活动。另外，通知施工人员有关项目的进展是一项重要任务。在这一背景下，设备运营商可以决定如何进行他们的任务和项目经理可以决定是否一些变化需要引入到过程中，例如，增加的卡车数量运输建筑材料或调整运输路线。之后，可以使用记录的数据确定项目参数之间的关系，并对如何规划未来的建设项目提出建议。

因此，在施工范围内信息化的问题，如何最好地连接现场传感器，处理所获得的数据，并提供信息以空间分布的设备操作员和现场。管理者实时随着建筑公司内告知战略决策者是必要的。虽然多种方式收集从位于建筑工地有意义的传感器读数已经在前面介绍（见，例如，[Leung et al., 2008] and [Chen amp; Kamara, 2011]），以前的方法没有考虑目的收集和不同层次的细节处理传感器读数支持运营，战术和战略决策。

为了解决这个差距，本文提出了一个框架，允许分布式数据收集和管理层承认这三个层次的决策。该框架建议存储传感器，在不同的位置，对应于传感器的读数更新率。在数据采集的时刻，获得了高更新率的读数。然后，这些传感器读数更新率减少到支持接近实时可视化，及时通知设备运营商和管理者关于正在进行的过程。基于这样的可视化，运营商可以决定如何执行他们以符合项目进度的下一步活动，管理者可以决定是否附加设备应介绍给项目。这些好的决定最终会导致改善工作效率。除了提供实时信息传递的需要，高度精确的读数（显着更高的更新率）可以稍后进行分析，以找到相关的元素之间的推论。这样的分析可以提供建议如何规划未来的建设项目。

为了说明该框架的应用程序开发系统，以跟踪沥青铺路，本文阐述了该框架的可操作性。基于框架的信息系统，根据数据流，并应用工程实例。这些实例证明了预期的功能，并被设备运营商和管理者现场积极接受。

本文的结构如下：下一节简要回顾了现有的技术和方法，利用传感器收集施工相关信息。之后，第三节揭示了建议分布式数据采集与管理框架。第四部分描述研究采用框架追踪建设活动的方法。然后，两个说明信息系统为导向，遵循沥青铺路操作。第六节提供讨论在拟议的框架。最后，得出结论，提出了建议的框架。

2收集施工过程中的相关信息---传感器概述

最近几年已经看到了关于如何最好地使用自动数据传感器跟踪正在进行的研究的增加施工作业。同时，利用传感器的意义总是需要开发相应的信息系统，研究力度也集中于开发支持施工人员在工作中的框架。

2.1在建设项目中使用传感器读数的简要回顾

其中一个最广泛探讨的应用是使用电子标签跟踪建筑材料现场（见，例如，[Razavi amp; Haas, 2011; Lu et al., 2011; Costin et al., 2012; Lee et al., 2013]或[Trappey amp;Wognum, 2011]）。最近公布的案例研究在这方面的一个例子显示了如何识别标签可以帮助跟踪和管理供水项目的材料[Ren et al., 2011]。对最新的深入看法发展，趋势和研究解决方案感兴趣的读者可以参考特别问题的进展情况RFID技术，如[Cheng et al., 2010]和[Trappey amp; Wognum, 2011]。基本特征在相应的特定技术的优点和局限性的特点，基于无线射频识别技术的技术效果解决方案。因此，自然可以克服以往记录的RFID技术，如条形码，通过提供机会在某些类型的射频识别标签存储额外的数据，并拒绝了需要的标签和标签阅读器之间的视线。然而，作为标签阅读器的有效范围是限制，可能在恶劣的环境中使用的电子标签（或按照远程设备和材料）是有限的。

如何最佳选择特定的传感器遵循一个建筑工程通常取决于手头的项目特征，具体的信息系统的目的，特别是技术的局限性。例如，在选择RFID、计算机视觉、和GNSS技术可以合理的户外调整。全球导航卫星系统可以有效地在现场，在距离轨道户外装备。同时，要运动跟踪设备在建筑工地上周围物体阻碍GNSS信号，一可以利用射频识别标签或计算机视觉技术的非侵入式跟踪。然而，后者技术是在一个相对较短的范围内，可以要求一个模糊的线的运作在对象和跟踪设备之间。

作为一个结果，这需要选择特定操作的特定传感器需要有意义的从不同的传感器融合各种数据流 [Shahandashti et al., 2011; Pradhan et al., 2011;Voisard amp; Ziekow, 2012]。例如，常见的融合机制，包括全球定位系统与惯性导航传感器的测量[Akula et al., 2011] or tracking materials during construction operations by fusing RFID and GPS sensor readings [Razavi amp; Haas, 2010]。

2.2传感器读数的集成框架

如何有效地将不同的传感器在一个更通用的平台是值得被强调的，研究人员最近提出若干框架。这些框架的目的是组织移动计算的信息建筑工地[Chen amp; Kamara, 2011;Orsquo;Brien et al., 2009] 和如何促进决策在正在进行的项目中采取纠正项目经理的决策的措施[Azimi et al., 2011]。其他例子包括框架来描述业务流程和它们的功能方面[Hai et al., 2011]，并考虑本体支持信息系统的发展，以辅助在做决定的时候不同的决策[Scherer amp; Schapke, 2011]。

总之，我们最好的知识目前没有框架支持分布式数据收集和处理传感器读数的实时速率与减少的详细程度，并利用高度精确的读数，形成一个单一的数据库。为了解决这个问题，我们开发了这样一个在下一节中概述的框架。

3分布式数据采集与管理框架

拟议的分布式数据收集和管理框架旨在支持收集，处理和可视化传感器读数从正在进行的施工过程。该框架支持实时和后处理的数据分析，提供了机会，转移传感器从多个位置的读数，以多个用户可以跟踪施工过程，并建议为后期在传感器设备的数据存储的本地存储的传感器读数进行分析。

即使一些传感器已经积累了内部记忆的传感器读数，其他如射频识别或相机不总是存储在他们的收藏的时刻，原始传感器读数。在这种情况下，读数可以收集并存储在一台连接到特定传感器的计算机上。这样的一个系统数据存储的方法可以避免不可逆的数据损失。

该框架是组织作为一个广义的数据流。首先，从不同的传感器的读数收集。在个别建筑设备，并存储在一个高更新率。然后，详细的水平降低和传感器读数一致的时间。之后，读数是以一种有意义的方式可视化，记录在存放处的施工设备，并发送到远程服务器。从服务器更新（如果需要的话），然后接收和可视化的操作员的屏幕上。水平细节降低允许减少网络吞吐量的要求，从而保证了当代的存在在服务器上的信息，即使网络带宽很低。因此，服务器可以提供接近实时的多个不同用户的信息。总之，这些阶段允许收集高度精确的传感器为文件的目的，可视化的本地读数通知设备的操作员，和与远程服务器进行通信，该远程服务器可以在当前设备状态的基础上更新外部用户用户查询。以这种方式获得的信息可以支持在施工过程中所涉及的人员作战和战术决策，如设备运营商和项目经理。

该项目（或它的一部分）完成后，高度精确的数据可以被转移到一个集中的数据库。这样的数据库积累精确的信息，从不同的传感器在一个单一的存储进一步的处理。例如，数据挖掘可以应用于识别影响的主要因素施工过程。在这些设置中，数据库（如质量保证的目的之一）可支持规划未来建设项目。因此，额外的信息可以直接受益的战略计划未来的活动。

由于该框架所提出的方法依赖于几个数据库，基于传感器的基础设施设计使用该框架将受益于事实，传感器读数存储在不同的位置有不同程度的细节。这样的方法，确保不发生不可逆的数据损失发生在信息系统：收集到的数据在他们的高水平的详细信息中仍然可以使用。此外，这样的存储元件的配置提供了补充数据备份。此外，作为框架，涉及到实时和后处理的数据管理方案，框架建议利用分布式数据处理单元。

为了测试潜在的拟议的框架，我们开发和实施的信息系统，特别是对应于该框架的计划，以管理实时数据。下一节介绍采用的方法。

4所采用的程序开发和测试框架为基础的信息系统

为了演示拟议的框架的潜在的收集，处理，并提供可视化的传感器在一个分布式的方式，我们采用以下步骤：（1）说明不同层次的读数该框架的可操作性，我们开发了一个分布式的数据采集和数据流，沥青摊铺作为一种特定类型的建筑活动。（2）我们开发了信息子系统跟踪特定的设备在铺路活动；（3）我们确保了功能系统部署在建设项目，并与运营商和管理人员现场讨论。

通过实例化的框架，我们的目的是确保框架可以帮助开发信息系统以支持用户在日常工作中提供有效的可视化，以多个用户接近实时速率，而收集的数据应保存为未来的处理和分析。

我们选择了铺路作业，因为这样的施工活动，具体的和说明性的例子操作需要不同专业设备的协调工作，即移动和异地。这特征不仅是相关的沥青铺路，但也为其他建设活动。因此，我们考虑到典型的运作可以对其他施工活动，他们大多数涉及以协调方式移动的专业设备。

确定有意义的信息流，寻找一种合适的传感器安排，跟踪铺路活动在铺路网站，我们进行了文献综述和实地研究。初始信息流通过分析控制变量重构[Miller, 2010], [Huerne, 2004] 影响沥青摊铺工艺。在文献研究后，本文的第一作者参加了在该领域四个铺路项目跟踪设备运营商。这项活动，以及后来的系统开发和测试，是结合民族意志和行动研究原则

一旦确定了传感器的配置，我们开发了可视化系统，根据工作流程[Vasenev et al., 2011]所描述，发展活动的工作流程是由它所指导的。因此合并后的步骤：设备选择，基础设施，数据处理，和可视化。此外，我们利用的步骤，作为一个系统开发结构，讨论我们和铺路专家的进展。

下一节说明的框架来作为建设项目的具体实例定义一个数据流跟踪沥青摊铺中的应用活动。然后，详细的实现和测试数据流描述。

5沥青摊铺作业的情况下运作的框架说明

沥青摊铺作业需求利用一些专门的设备，如沥青车、摊铺机，和滚筒，以运输的沥青混合料，铺设沥青垫，并压实沥青层所需的密度。协调设备的动作是获得高质量路面的关键。卡车不断碾压沥青和道路施工现场，摊铺机和滚筒之间来回移动。关于当前设备位置的信息和他们以前的行动可以支持建筑专家对如何执行任务做出决策。例如，摊铺机操作员可以知道下一辆车何时到达，一个操作员可能想知道摊铺后沥青的温度是什么，和项目经理可以跟踪设备以保证从沥青厂到施工现场的材料连续输送。

有关这项研究尤其值得注意的是国际大型项目OSYRIS（开放系统公路信息支持）[Ligier et al., 2001] ，旨在提供一个通用的基础设施，开放接口和连接此前零散和不兼容不同的系统。该项目的基于组件的框架连接的中心元素 - 产品型号 - 将多个组件：办公室（道路设计，工作文档，工地网络和现场设计浏览器），车载计算机（板载计算机和放样），测量和控制元件（压实机测量系统和摊铺机测量系统）。根据模块化的就近原则，组件可以是互换和附加元件，例如能加入冷却摊铺机和滚筒之间模型的合作。

由于框架的广泛性质，我们在两个部分，从不同的视点的框架突出特征分裂描述。在第一部分中，我们描述了痕迹的位置的子系统，沥青卡车花费他们的异地业务一个显著的一部分。第二部分描述了实施数据流，致力于对传感器读数的巨量的中央处理。虽然子系统跟踪不同的设备和执行不同的计算，二者都使用实施原则在框架描绘。

5.1利用分布式数据采集和跟踪远程施工设备处理

为了说明数据收集从远距离设备重点对沥青混合料的例子交付施工现场。保证摊铺沥青路面的连续性施工现场对沥青层的质量至关重要。如果摊铺机停止，温度均匀性沥青层将被破坏，导致路面质量较低。摊铺机的连续性工作最终取决于卡车的数量，从沥青工厂运送的混合料施工现场[Miller amp; Doreacute;e, 2008]。道路交通可以影响及时的沥青输送，从而介绍了预计到达时间（ETA）不在施工现场的车。所以摊铺机操作员可以从接近实时信息的车辆位置的利益。通过在这样的信息，运营商可以根据卡车的ETA避免调整施工过程摊铺机的速度中断。同时，收集的位置信息在沥青卡车可用于分析和进一步的规划建设活动。在给定的设置，建议框架可以支持接近实时的数据采集和可视化，随着存储位置数据进一步使用。

对我们制定和实施信息系统的组织结构远程定位施工设备。在信息系统交付卡车的实施例中配有智能手机收集，存储和发送传感器读数到远程数据库。通信与远程服务器通过3G连接建立。

5.2集中的服务器进行密集的计算跟踪建设过程

所部署的沥青垫的温度信息可以影响

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