基于多系統(tǒng)協(xié)同管理的可視化智慧航道工地

曹福 劉華 孫濤 伊青

摘 要：通過對(duì)目前智慧工地現(xiàn)狀的深入研究，結(jié)合航道建設(shè)工地實(shí)際存在的問題，分析信息交互不暢等問題產(chǎn)生的原因，針對(duì)各子系統(tǒng)的信息采集網(wǎng)分布、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及計(jì)算、綜合平臺(tái)管控的問題，基于信息協(xié)同管理理論關(guān)聯(lián)各系統(tǒng)，通過BIM可視化技術(shù)展示工地上各模塊功能。并結(jié)合武安I標(biāo)工程進(jìn)行系統(tǒng)分析和實(shí)踐，將VR安全體驗(yàn)系統(tǒng)、交互式宣傳交底系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、BIM系統(tǒng)等集成于管控中心平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)航道建設(shè)工地進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的決策。

關(guān)鍵詞：智慧工地;BIM技術(shù);信息協(xié)同管理;可視化

中圖分類號(hào)：U61 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）07-0066-04

隨著信息化和工業(yè)化的推動(dòng)，建筑行業(yè)進(jìn)入升級(jí)改革階段。自20世紀(jì)90年代以來，工地信息化的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段。2005年以前，主要是面向單業(yè)務(wù)軟件應(yīng)用的階段，2006年至2012年左右，建筑行業(yè)積極推進(jìn)企業(yè)信息化建設(shè)，此階段的信息化應(yīng)用由企業(yè)管理者自上而下推廣實(shí)施，實(shí)現(xiàn)企業(yè)和項(xiàng)目、部門和部門間的信息集成管理。但是長期以來施工現(xiàn)場(chǎng)仍一直面臨生產(chǎn)效率低下、生產(chǎn)方式落后、機(jī)械化水平低等問題，隨著現(xiàn)代建筑日益增加的復(fù)雜度和體量，工地變得參與方多，專業(yè)交叉、業(yè)務(wù)繁多，其產(chǎn)生的信息量變大，各參與方之間與各部門之間的信息交互越加頻繁。在信息化的推動(dòng)下，工地廣泛采用基于智慧工地建設(shè)的信息化技術(shù)管理現(xiàn)場(chǎng)工作，數(shù)據(jù)采集變得更加多樣化，信息內(nèi)容更為豐富。然而若在工程管理過程中無法將智慧建設(shè)相關(guān)技術(shù)獲取的海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行協(xié)同管理，那么數(shù)據(jù)信息只會(huì)成為管理者的負(fù)擔(dān)，并沒有對(duì)工程實(shí)際產(chǎn)生效益。

國外工程項(xiàng)目與國內(nèi)的管理模式不同，但國外對(duì)工程項(xiàng)目建設(shè)階段的數(shù)字化、信息化建設(shè)比國內(nèi)要早很多。早在1975年，美國的Chunk Eastman[1]教授提出BIM概念，BIM技術(shù)經(jīng)過多國多年的深化發(fā)展，為管理提供了新的方法。同時(shí)PeterE.D.Love和ZahirIrani[2]為了確定建設(shè)項(xiàng)目的質(zhì)量成本，開發(fā)了一個(gè)原型項(xiàng)目管理質(zhì)量本系統(tǒng)，系統(tǒng)在兩個(gè)案例研究建設(shè)項(xiàng)目中進(jìn)行了測(cè)試和實(shí)施，效果顯著。

國內(nèi)綜合建設(shè)過程中信息化工具的應(yīng)用提出了“智慧工地建設(shè)”概念，各企業(yè)、高校、學(xué)者亦加快科研，布局智慧工地研究。陳濟(jì)宇等[3]研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)集成技術(shù)在建筑工地安全監(jiān)督管理中的應(yīng)用，對(duì)溫州市建筑工地安全督察管理進(jìn)行了分析調(diào)查，確定了工程需求，設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，如何更好地構(gòu)建智慧工地。

綜上所述，國外在“智慧工地”的研究中，大部分集中在某方面系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。缺少對(duì)多方參與和多種系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)信息交互、共享的機(jī)制與管理模式的研究。國內(nèi)主要研究集中于基于BIM的信息協(xié)同，但要實(shí)現(xiàn)信息協(xié)同，需要建模精度高的BIM模型，對(duì)智慧工地建設(shè)也大多停留在總承包方的視角，少有站在整體項(xiàng)目管理高度對(duì)需求分析、管理機(jī)制個(gè)性化定制等方面的研究。因此，文章擬運(yùn)用智慧工地系統(tǒng)建設(shè)和完善航道及港口，從而完成新時(shí)代船舶與港口的數(shù)字化、智能化、綠色化的發(fā)展。

1 理論研究與分析

1.1智慧工地相關(guān)理論

“智慧工地”是建設(shè)過程中高度信息化的一種支持人和物全面感知、施工技術(shù)全面智能、工作互通互聯(lián)、信息協(xié)同共享、決策科學(xué)分析、風(fēng)險(xiǎn)智慧可控的新型信息化管理理念，是智慧城市理念在建筑施工行業(yè)的具體體現(xiàn)[4] ?！爸腔酃さ亍本o繞人、機(jī)、料、法、環(huán)等關(guān)鍵要素，綜合運(yùn)用BIM、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)和智能設(shè)備等信息化技術(shù)，提高工程建設(shè)生產(chǎn)效率、管理效率和決策能力等，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理數(shù)字化、精細(xì)化、智慧化。

智慧工地具有以下四個(gè)特征：

（1）聚焦建設(shè)過程生產(chǎn)活動(dòng)，融合信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程信息化。

（2）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取與共享，信息協(xié)同高效。

（3）基于數(shù)據(jù)采集與分析，提高風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)能力，輔助科學(xué)決策。

（4）平臺(tái)、軟件、硬件綜合運(yùn)用，滿足現(xiàn)場(chǎng)管理多端需求與環(huán)境。

基于“智慧工地”的概念和特征，“智慧工地”即綜合利用大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能化技術(shù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的新型信息化技術(shù)[5]。工程項(xiàng)目管理過程常分為事前策劃、過程控制和事后決策分析三方面。在事前策劃方面，以BIM技術(shù)為主導(dǎo)，對(duì)設(shè)計(jì)、建造等方案進(jìn)行模擬、分析，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)與方案、節(jié)約工期、減少浪費(fèi)、降低造價(jià)。在過程控制方面，通過傳感器、射頻識(shí)別（RFID）、二維碼、植入芯片等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)App，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)獲取信息和現(xiàn)場(chǎng)全面感知[6]。同時(shí)通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)或云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息安全傳送、實(shí)時(shí)交互與共享。在決策分析面，通過數(shù)據(jù)集成和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)性分析，實(shí)現(xiàn)智慧預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)警反饋或自動(dòng)控制。

1.2信息協(xié)同管理理論

在20世紀(jì)60年代，德國理論物理學(xué)家赫爾曼·哈肯提出了協(xié)同論，理論主要研究系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)矛盾且協(xié)同但又共同促使系統(tǒng)整體具備有序狀態(tài)所呈現(xiàn)出的特點(diǎn)、規(guī)律的科學(xué)。

協(xié)同管理是以協(xié)同論為理論基礎(chǔ)圍繞管理對(duì)象進(jìn)行的一系列管理行為，本研究根據(jù)航道建設(shè)工地的特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)：

（1）信息網(wǎng)狀：根據(jù)工地系統(tǒng)分類，劃分信息種類的優(yōu)先級(jí)，并過濾出有效信息，然后建立獨(dú)立的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，傳輸?shù)骄C合管理平臺(tái)進(jìn)行決策。

（2）業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)和隨需而應(yīng)：根據(jù)綜合平臺(tái)的決策需求，按功能分配給各系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)，各系統(tǒng)之間根據(jù)采集信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并打包傳送到綜合平臺(tái)，綜合平臺(tái)的工作人員可根據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行工程決策和統(tǒng)計(jì)分析。

綜上理論基礎(chǔ)，文章研究多系統(tǒng)協(xié)同管理的可視化智慧航道工地根據(jù)工地特性需求，并基于安全、環(huán)保和高效的準(zhǔn)則，確定工地中各個(gè)模塊與各個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)，然后通過可視化技術(shù)的方式呈現(xiàn)給相關(guān)人員，達(dá)到確保工程安全、環(huán)境低影響和工程高效率推進(jìn)的目的。

2 BIM技術(shù)在武安I標(biāo)工程中的應(yīng)用案例

2.1武安I標(biāo)工程概況

武安項(xiàng)目部結(jié)合目前國內(nèi)智慧城市、智慧工廠、智慧工地等理念的推廣運(yùn)用，為提高武安Ⅰ標(biāo)段項(xiàng)目管理水平，通過將VR安全體驗(yàn)系統(tǒng)、交互式宣傳交底系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、BIM系統(tǒng)等集成于管控中心平臺(tái)。該平臺(tái)可讓項(xiàng)目管理人員對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)感知更徹底、互通更及時(shí)、預(yù)防更有效，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量、進(jìn)度、安全等更高效精準(zhǔn)的管理，提升項(xiàng)目部對(duì)工地的可視化、遠(yuǎn)程智能化、數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化管理水平，達(dá)到對(duì)各關(guān)鍵要素實(shí)時(shí)、精細(xì)的管控，如圖1所示為該工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃圖。

隨著智慧工地建設(shè)在航道整治工程中運(yùn)用的深入，最終實(shí)現(xiàn)參建各方通過智慧工地平臺(tái)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量、進(jìn)度、安全環(huán)保等方面差異化分層級(jí)管控，提高航道整治施工管控效率及智能化水平。

2.2智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)智慧工地的基礎(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)，本工程在結(jié)合航道建設(shè)的基礎(chǔ)上，融入新興關(guān)鍵技術(shù)和信息協(xié)同管理理論，對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行完整的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

2.3智慧工地管控中心

針對(duì)本工程的系統(tǒng)架構(gòu)，建設(shè)智慧工地管控中心進(jìn)行集中化管控各個(gè)系統(tǒng)模塊的動(dòng)態(tài)信息，如圖3所示。

交互區(qū)采用unity3D游戲開發(fā)軟件技術(shù)，開發(fā)人機(jī)交互可視化形象表達(dá)和交底軟件，在LED屏上實(shí)時(shí)渲染產(chǎn)生需要的工程演示動(dòng)畫，功能集成豐富、交互性強(qiáng)、靈活易改動(dòng)、可定制化程度高。

交互區(qū)主要用于企業(yè)宣傳、武安段項(xiàng)目介紹、工程介紹、施工技術(shù)交底、安全交底及工程展示等，同時(shí)運(yùn)用BIM技術(shù)，融合項(xiàng)目管理理念，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)信息模型的項(xiàng)目施工管控，通過項(xiàng)目看板將平臺(tái)信息數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)可視化的方式展示出來，如圖4所示。

2.4 BIM技術(shù)實(shí)施方案

（1）施工日常數(shù)據(jù)管理。施工數(shù)據(jù)管理主要分為數(shù)據(jù)采集、審核流轉(zhuǎn)、模型關(guān)聯(lián)、進(jìn)度日?qǐng)?bào)四部分。施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員通過手機(jī)端對(duì)當(dāng)日施工活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)填報(bào)，經(jīng)負(fù)責(zé)人審核后數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)同步至管控平臺(tái)中，并與BIM模型對(duì)應(yīng)構(gòu)件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，其施工日常數(shù)據(jù)管理如圖5所示。

（2）人員管理。BIM管控平臺(tái)提供人員管理模塊，通過居民身份證掃描儀設(shè)備對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行身份證信息及圖像的采集，建立相關(guān)人員的數(shù)據(jù)庫，從而對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)勞務(wù)作業(yè)人員實(shí)行身份實(shí)名制管理。此外，平臺(tái)將實(shí)名制系統(tǒng)與安全教育培訓(xùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，入庫人員只需要通過身份證號(hào)碼登錄安全教育培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行安規(guī)知識(shí)學(xué)習(xí)并參加考試，最后將試卷、考試成績(jī)以及電子簽名打印作為三級(jí)安全教育表附件，使員工安規(guī)學(xué)習(xí)考試過程實(shí)現(xiàn)可追溯、可核查。

（3）綜合管理?，F(xiàn)場(chǎng)船舶設(shè)備進(jìn)退場(chǎng)管理采用報(bào)審流程對(duì)船舶使用狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)維護(hù)更新。施工單位負(fù)責(zé)人只需通過手機(jī)端填報(bào)船舶設(shè)備進(jìn)退場(chǎng)報(bào)審流程表單，提交至監(jiān)理負(fù)責(zé)人，當(dāng)整個(gè)報(bào)審過程形成流程閉環(huán)后，BIM管控平臺(tái)則會(huì)根據(jù)船舶進(jìn)退場(chǎng)狀態(tài)更新、統(tǒng)計(jì)施工現(xiàn)場(chǎng)主要船舶設(shè)備投入數(shù)量情況，并關(guān)聯(lián)至項(xiàng)目看板方便項(xiàng)目管理人員實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的使用情況。

（4）三維交底。三維交底以BIM模型為基礎(chǔ)，以可視化方式進(jìn)行施工技術(shù)和安全交底，三維出圖的形式可以形象逼真地展現(xiàn)方案和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)施工過程，顯著提高施工交底的效率。采用三維可視化模型進(jìn)行交底，可以讓施工人員更容易理解施工節(jié)點(diǎn)工藝方法，有利于確保工程質(zhì)量[7]。通過BIM技術(shù)應(yīng)用，讓現(xiàn)場(chǎng)由二維圖紙平面管理升級(jí)成三維多角度可視化模擬管理，同時(shí)對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了可視化多角度交底，讓方案交底具有更強(qiáng)的針對(duì)性、全面性和可操作性。

（5）工程計(jì)量。模塊自動(dòng)將臺(tái)賬與模型關(guān)聯(lián)起來，可以給模型每個(gè)部位添加工程量、施工日期、質(zhì)檢資料照片、實(shí)物完成照片等信息，計(jì)量時(shí)只需將完工部位進(jìn)行標(biāo)記即可導(dǎo)出當(dāng)期工程量，且可以直觀的看出某施工部位的資料是否完善、質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)等，方便根據(jù)業(yè)主允許的計(jì)量條件更改計(jì)量報(bào)表。

（6）質(zhì)量管控。平臺(tái)提供預(yù)制構(gòu)件二維碼功能模塊，借助二維碼信息管理技術(shù)，每個(gè)預(yù)制構(gòu)件在加工排產(chǎn)后在平臺(tái)會(huì)自動(dòng)生成專屬二維碼標(biāo)識(shí)，并建立相關(guān)信息，在預(yù)制構(gòu)件表面粘貼二維碼標(biāo)簽，與模型相應(yīng)構(gòu)件鏈接進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理?，F(xiàn)場(chǎng)人員在移動(dòng)終端設(shè)備上掃描二維碼顯示預(yù)制構(gòu)件出場(chǎng)相關(guān)信息包括尺寸大小、生產(chǎn)時(shí)間、采用工藝等，如圖7所示。

（7）進(jìn)度管控。在施工管控平臺(tái)中搭建BIM模型并導(dǎo)入施工組織進(jìn)度計(jì)劃，將模型和施工組織計(jì)劃相關(guān)聯(lián)，虛擬推演實(shí)際施工過程，利用建筑信息模型和施工工序時(shí)間數(shù)據(jù)源在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)虛擬建造全過程模擬，從而對(duì)整個(gè)施工進(jìn)度目標(biāo)中各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證和分析;平臺(tái)進(jìn)度管控系統(tǒng)為用戶提供實(shí)時(shí)的過程交互功能，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整檢查方案可行性及可能存在的問題，優(yōu)化調(diào)整進(jìn)度計(jì)劃;現(xiàn)場(chǎng)施工人員填報(bào)當(dāng)日生產(chǎn)數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)同步更新至BIM模型中，并與施工進(jìn)度計(jì)劃關(guān)聯(lián)，在每周生產(chǎn)例會(huì)和監(jiān)理例會(huì)上展示周進(jìn)度模型，以體現(xiàn)當(dāng)周完成的工作量和下周的計(jì)劃進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)定期跟蹤進(jìn)度計(jì)劃的執(zhí)行情況，同時(shí)提供進(jìn)度偏差分析功能，使項(xiàng)目管理組織人員能及時(shí)采取糾偏措施以及調(diào)整進(jìn)度計(jì)劃，其施工進(jìn)度管控平臺(tái)如圖8所示。

3 結(jié)論

文章結(jié)合武安智慧工地項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)智慧工地建設(shè)中可視化系統(tǒng)管理進(jìn)行探討，得到以下主要結(jié)論：

（1）運(yùn)用的BIM技術(shù)，技術(shù)人員可以通過鍵盤與鼠標(biāo)在模型場(chǎng)景中自由地控制，并了解該對(duì)象的相關(guān)屬性與信息，便于進(jìn)行工程決策和管理。

（2）通過具體的案例分析，信息網(wǎng)狀分類和業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)是一個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，因此信息協(xié)同管理對(duì)于大型工程系統(tǒng)的建設(shè)是有積極意義的，使工程更加智能化，針對(duì)性地解決更多個(gè)性化的需求。

（3）基于信息協(xié)同管理理論并引入新興技術(shù)，保障了數(shù)據(jù)的廣泛性、高效性和安全性，提高了人機(jī)交互性和工程決策的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

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