基于現(xiàn)代信息技術(shù)的智慧工地系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用

單衛(wèi)明

【摘要】??? 為解決建筑工地安全隱患眾多、各項(xiàng)管理松散薄弱等問(wèn)題，本文根據(jù)建筑業(yè)發(fā)展實(shí)踐以及相關(guān)政策規(guī)定，利用互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，構(gòu)建了以基于IFC的BIM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型、融各種監(jiān)測(cè)與管理功能于一體的智慧工地系統(tǒng)，剖析了其構(gòu)建邏輯與基本架構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能及其應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期對(duì)建筑業(yè)智能化發(fā)展提供指導(dǎo)思路，對(duì)建筑工地的信息化實(shí)踐與升級(jí)提供一定的參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】??? 智慧工地??? 移動(dòng)通信??? 信息化??? 工地管理

一、引言

建筑業(yè)的不安全因素眾多，工程施工區(qū)域分散，工地危險(xiǎn)區(qū)域繁多且現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多變，工程施工操作規(guī)范性差，各類(lèi)污染嚴(yán)重，工地管理較為松散薄弱，對(duì)安全隱患的警惕性不高，各類(lèi)安全事故時(shí)有發(fā)生，是相關(guān)部門(mén)緊抓安全生產(chǎn)重點(diǎn)關(guān)注的五大行業(yè)之一[1][2]。2016年8月23日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，提出了企業(yè)信息化、行業(yè)監(jiān)管與服務(wù)信息化、專(zhuān)項(xiàng)信息技術(shù)應(yīng)用及信息化標(biāo)準(zhǔn)四大主要任務(wù)，同時(shí)要求在“十三五”期間全面提升建筑業(yè)信息化水平，使其數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化水平取得突破性進(jìn)展[3]。利用現(xiàn)代信息技術(shù)加強(qiáng)工地管理、防范危險(xiǎn)事故的發(fā)生既是建筑業(yè)安全規(guī)范發(fā)展的迫切需求，也是適應(yīng)信息化時(shí)代發(fā)展和國(guó)家政策要求的必然趨勢(shì)，因此，本文將建筑工地工程實(shí)踐與各類(lèi)信息技術(shù)充分融合，試圖構(gòu)建基于現(xiàn)代信息技術(shù)的智慧工地系統(tǒng)并分析了其在建筑工地上的應(yīng)用。

二、 智慧工地系統(tǒng)概述

智慧工地是指以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的信息化管理平臺(tái)，它利用各類(lèi)信息技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)工地各項(xiàng)工程事項(xiàng)、工地管理等方面的智能決策、信息共享、智能生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)與設(shè)備的安全監(jiān)控、多方互聯(lián)協(xié)同等功能[4][5]。智慧工地系統(tǒng)廣泛利用BIM、大數(shù)據(jù)、智能化、移動(dòng)通信、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，將人員管理、工程進(jìn)度管理、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與巡查、施工設(shè)備監(jiān)管、環(huán)境監(jiān)控、應(yīng)急管理、后勤保障管理等一系列管理活動(dòng)融于一體，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)管理活動(dòng)的集成，以最大限度提升建筑工地各類(lèi)管理工作的有序性和條理性、監(jiān)測(cè)各項(xiàng)危險(xiǎn)指標(biāo)并及時(shí)預(yù)警、降低安全事故發(fā)生的可能性。

三、模型與方法

本文利用基于IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型），構(gòu)建智慧工地信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。

3.1 基于IFC的BIM

IFC（industry foundation classes，工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是IAI（國(guó)際協(xié)作聯(lián)盟）專(zhuān)門(mén)針對(duì)建筑業(yè)制定的面向?qū)ο蟮摹㈤_(kāi)放的BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。IFC是ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）制定的STEP（產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范）在建筑業(yè)領(lǐng)域的延伸，定義了各類(lèi)與建筑工程相關(guān)的數(shù)據(jù)元素的標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了建筑業(yè)全生命周期的信息管理模式，提升各類(lèi)建筑數(shù)據(jù)交換和共享的可操作性、便利性和高效性，使建筑業(yè)數(shù)據(jù)交換模式由傳統(tǒng)的建筑業(yè)各參與方雜亂的交換模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛贗FC建筑模型共享的交換模式。

BIM是基于三維數(shù)字技術(shù)，對(duì)建筑施工過(guò)程中的各類(lèi)相關(guān)信息進(jìn)行集成而生成的建筑信息模型?；贗FC的BIM將IFC的建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達(dá)與交換共享標(biāo)準(zhǔn)融入傳統(tǒng)的建筑信息模型中，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)、建造、施工、管理等全流程的數(shù)字化，提升建筑業(yè)各參與方的協(xié)調(diào)性、統(tǒng)一性與協(xié)同化水平。

3.2 數(shù)據(jù)交換方式

基于IFC的數(shù)據(jù)交換方式一般包括兩種。

（1）基于數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口的數(shù)據(jù)交換

當(dāng)數(shù)據(jù)以EXPRESS語(yǔ)言來(lái)建模和描述時(shí)，基于SDAI（標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口，在STEP標(biāo)準(zhǔn)中定義）的應(yīng)用系統(tǒng)就能夠訪(fǎng)問(wèn)和共享不同物理存儲(chǔ)下的數(shù)據(jù)，同時(shí)獨(dú)立于具體的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[6]。

圖1???? 基于數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口的數(shù)據(jù)交換模型[6]

（2）基于數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)交換

圖2??? 基于數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)交換模型[6]

圖3??? 基于IFC的BIM構(gòu)建與調(diào)整流程圖[7]

用于能夠識(shí)別IFC模型數(shù)據(jù)文件的系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。IFC模型數(shù)據(jù)文件包括在“IFC實(shí)現(xiàn)”方式中符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的STEP中性物理文件（ISO 10303.21文件）和“ifCXML實(shí)現(xiàn)”方式中XML格式的模型文件兩種[6]。

3.3 基于IFC的BIM構(gòu)建原理

BIM數(shù)據(jù)庫(kù)在應(yīng)用過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化，其各類(lèi)元素和屬性不斷更新和豐富，結(jié)合智慧工地系統(tǒng)各類(lèi)數(shù)據(jù)特征及系統(tǒng)的功能與應(yīng)用需求，需在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工、運(yùn)營(yíng)等階段不斷調(diào)整BIM，使其適應(yīng)不同生命周期的信息需求，智慧工地系統(tǒng)BIM構(gòu)建與調(diào)整的原理和過(guò)程如圖3所示。

四、系統(tǒng)構(gòu)建邏輯與基本架構(gòu)

從系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，構(gòu)建基于現(xiàn)代信息技術(shù)的智慧工地系統(tǒng)需考慮兩個(gè)維度的內(nèi)容：一是系統(tǒng)的功能模塊，二是系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。

從系統(tǒng)功能模塊的角度來(lái)看，基于現(xiàn)代信息技術(shù)的智慧工地系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)人員管理、危險(xiǎn)因素監(jiān)測(cè)、工程進(jìn)度與質(zhì)量管理、現(xiàn)場(chǎng)巡檢、重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)出管理、應(yīng)急管理以及人員培訓(xùn)等相應(yīng)的輔助功能。根據(jù)各部分功能瞄準(zhǔn)解決的重點(diǎn)任務(wù)不同，本文將這一智慧工地系統(tǒng)劃分為三個(gè)子系統(tǒng)：現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)、專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、綜合支撐系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建相應(yīng)的細(xì)分功能模塊，其功能架構(gòu)如圖4所示。

圖4??? 基于現(xiàn)代信息技術(shù)的智慧工地系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

圖5??? 基于現(xiàn)代信息技術(shù)的智慧工地系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式的角度來(lái)看，構(gòu)建智慧工地系統(tǒng)必須具備前端采集系統(tǒng)、中層傳輸系統(tǒng)和終端呈現(xiàn)系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，前端采集系統(tǒng)需包括球機(jī)攝像頭、槍機(jī)攝像頭、手機(jī)APP、溫度傳感器、濕度傳感器、顆粒物傳感器、氣壓傳感器、噪聲傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、重力傳感器、人臉識(shí)別裝置、車(chē)牌識(shí)別裝置等;中層傳輸可通過(guò)有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種方式實(shí)現(xiàn);終端呈現(xiàn)方式包括系統(tǒng)PC端和移動(dòng)端兩種。

根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)建邏輯以及功能需求，可將基于現(xiàn)代信息技術(shù)的智慧工地系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)抽象成四個(gè)層次的結(jié)構(gòu)，即采集層、傳輸層、應(yīng)用層和呈現(xiàn)層，如圖5所示。

五、系統(tǒng)功能及其應(yīng)用

5.1 現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)

智慧工地系統(tǒng)最主要的是對(duì)建筑工地現(xiàn)場(chǎng)的管理，其功能和應(yīng)用場(chǎng)景主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控

通過(guò)在各工地重要部位安裝攝像頭，可將施工現(xiàn)場(chǎng)的情況實(shí)時(shí)傳送到系統(tǒng)中，并在手機(jī)APP和系統(tǒng)PC端查看現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況，對(duì)于球機(jī)攝像頭，還可利用方向控制器調(diào)整方向，查看施工現(xiàn)場(chǎng)不同方向的監(jiān)控視頻。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)情況，從而能夠控制重大危險(xiǎn)源、及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行整改，還可回訪(fǎng)歷史錄像，追溯還原施工情況以分析問(wèn)題緣由。

（2）環(huán)境監(jiān)測(cè)

通過(guò)在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝各類(lèi)傳感器和檢測(cè)設(shè)備，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工地的噪聲、揚(yáng)塵、溫度、濕度、PM2.5、PM10等數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可判斷分析現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，實(shí)時(shí)調(diào)整施工工序，減少污染，降低投訴次數(shù)，優(yōu)化施工環(huán)境。

（3）現(xiàn)場(chǎng)巡檢

當(dāng)需要檢查某一項(xiàng)目工地時(shí)，直接通過(guò)系統(tǒng)手機(jī)端或PC端委派任務(wù)，寫(xiě)明要求、事由、委派人等;巡檢人員在檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)手機(jī)端提交現(xiàn)場(chǎng)巡查情況，知會(huì)相關(guān)責(zé)任人來(lái)整改。同時(shí)，還可跟蹤巡檢記錄并對(duì)一定時(shí)期內(nèi)的巡檢情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巡檢，把安全巡檢工作信息化，避免出現(xiàn)紙質(zhì)化操作中存在的時(shí)效性差、遺漏、文檔丟失等問(wèn)題。

（4）智能門(mén)禁

在工地作業(yè)區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域等重點(diǎn)區(qū)域設(shè)置人臉識(shí)別設(shè)備、車(chē)輛識(shí)別一體機(jī)等，對(duì)進(jìn)場(chǎng)人員、項(xiàng)目部工程車(chē)輛、員工車(chē)輛及外來(lái)車(chē)輛等進(jìn)行監(jiān)控和分類(lèi)管理。

（5）質(zhì)量監(jiān)管

根據(jù)施工項(xiàng)目的不同項(xiàng)目部位進(jìn)行質(zhì)量檢查，并生成質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告，依據(jù)合格情況及檢測(cè)詳情，對(duì)施工不合格之處進(jìn)行整改，保障工程質(zhì)量。同時(shí)，對(duì)工程項(xiàng)目每個(gè)月的錯(cuò)誤、返工等情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，為質(zhì)量管理提供參考依據(jù)。

（6）工程進(jìn)度管理

通過(guò)項(xiàng)目計(jì)劃列表查看工程項(xiàng)目計(jì)劃詳細(xì)情況，通過(guò)調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控錄像，定期查看工程重要節(jié)點(diǎn)的實(shí)際完成進(jìn)度。

5.2 專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)重要部位進(jìn)行監(jiān)控和管理，其功能和應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）塔吊安全監(jiān)測(cè)

在大臂前端安裝高清夜用攝像頭實(shí)現(xiàn)吊鉤可視化，自動(dòng)追蹤吊鉤的運(yùn)行軌跡、球機(jī)可自動(dòng)變焦保障畫(huà)面的清晰度。工作人員根據(jù)司機(jī)室中吊鉤運(yùn)行畫(huà)面進(jìn)行操作，避免盲區(qū)作業(yè)。同時(shí)，工地管理人員可遠(yuǎn)程查看視頻圖像進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、指揮和管理。

（2）升降機(jī)安全監(jiān)控

本模塊由升降機(jī)主控、編碼器、質(zhì)量與傾角傳感器、攝像頭組成，通過(guò)前端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)司機(jī)身份識(shí)別、超載和超員報(bào)警、樓層和速度等重要參數(shù)檢測(cè)、遠(yuǎn)程鎖車(chē)等功能。

（3）高支模監(jiān)測(cè)

本模塊由前端采集器、智能采集儀和監(jiān)控軟件組成，通過(guò)前端傳感器對(duì)模板沉降、支架變形和立桿軸力等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)超限預(yù)警、危險(xiǎn)報(bào)警等功能。

（4）深基坑監(jiān)測(cè)

深基坑監(jiān)測(cè)選取液位、沉降等指標(biāo)，監(jiān)測(cè)深基坑的水位狀態(tài);選取監(jiān)測(cè)基坑頂部的水平位移、豎向位移及基坑深層的水平位移，監(jiān)測(cè)基坑狀態(tài)。

5.3 綜合支撐系統(tǒng)

綜合支撐系統(tǒng)是為工人以及工地管理人員提供輔助服務(wù)的系統(tǒng)，包括人員考勤、人員信息管理、培訓(xùn)教育、應(yīng)急管理、工程重要節(jié)點(diǎn)施工審批、安全專(zhuān)項(xiàng)資料共享、視頻會(huì)議等功能模塊。

六、結(jié)語(yǔ)

本文基于建筑工地現(xiàn)狀與信息化發(fā)展需求，構(gòu)建了基于現(xiàn)代信息技術(shù)的智慧工地系統(tǒng)，并詳細(xì)分析了其具體功能和應(yīng)用，目前該系統(tǒng)部分功能已推廣應(yīng)用，未來(lái)將在專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行深入細(xì)化，并開(kāi)發(fā)更多能夠切實(shí)幫助工人、工地管理員以及其他相關(guān)人員的輔助應(yīng)用功能，完善智慧工地系統(tǒng)，推動(dòng)建筑業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，為我國(guó)建筑業(yè)信息化發(fā)展和建筑工地管理實(shí)踐提供參考借鑒。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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