基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地集成系統(tǒng)構建

張昊天

（香港科技大學工學院，香港 999077）

0 引言

智慧工地是指利用信息技術（例如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機器學習等）圍繞工程管理全過程建立相互協(xié)作，智能管控的項目信息系統(tǒng)，以此實現(xiàn)工程建設的可視化和智能化管理，提高參建各方交互的效率、清晰度、靈活性和響應速度。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地集成系統(tǒng)框架

智慧工地集成系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構基于感知層、網(wǎng)絡層和應用層三個層次進行設計搭建，各層采用信息資源共享和協(xié)同運行的架構形式。感知層通過各類型的傳感器、RFID標簽及相應的讀寫設備等獲取建筑的有關信息，例如沉降、傾斜、關鍵鋼筋的形變及應力大小。網(wǎng)絡層通過Zigbee、LoRaWAN、NB-IoT等通信技術把物與物從物理上進行連接通信，通信協(xié)議則負責設備通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換及通信，建立通信的規(guī)則和統(tǒng)一格式，常見的有REST/HTTP、MQTT等。應用層是在各種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的支持下，對物聯(lián)網(wǎng)形成的數(shù)據(jù)在智慧工地管理平臺上進行分析并反饋到感知層執(zhí)行特定控制功能，包括控制物與物之間的協(xié)同，例如建筑機器人搭接鋼筋；物與環(huán)境的自適應，例如根據(jù)環(huán)境調節(jié)混凝土的養(yǎng)護溫度及濕度；人與物的協(xié)作，包括塔吊危險預警、基坑沉降預警等。

建立可推廣的智慧工地集成系統(tǒng)，需對各個構件模塊化進行生產(chǎn)。由各個建設項目按照各自需求進行組合拼裝，采用統(tǒng)一架構，統(tǒng)一信息接入輸出端口，對異構的應用數(shù)據(jù)進行建模，并將其轉化為通用的數(shù)據(jù)格式；在具有通用數(shù)據(jù)格式的不同模型間進行數(shù)據(jù)映射，并建立不同模型間的數(shù)據(jù)映射關系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通；打通與BIM軟件之間的聯(lián)系，將關鍵數(shù)據(jù)進行可視化展示，并分析處理；實現(xiàn)各個智慧工地管理系統(tǒng)間聯(lián)動，全面整合系統(tǒng)信息，共享調度各類施工資源。

2 智慧工地布置

智慧工地有別于傳統(tǒng)建筑工地，在建過程中集成了各類先進技術，包括各類傳感器、自動識別裝置、網(wǎng)關、路由器、服務器等設備及軟件技術平臺相關集成設施，以此實現(xiàn)勞務管理數(shù)字化，安全監(jiān)控常規(guī)化，資料教育信息化，推動建設工程高質量發(fā)展，提高施工現(xiàn)場管理水平。

2.1 勞務管理

在工地增設智能化門禁（見圖1），保障并提高務工人員的積極性、安全性。閘機的設置應當便于安裝，免安裝布線，免終端運維。識別準入采用人臉+超高頻RFID技術保證準確性，能通過重新綁定進行修正；通過“智能網(wǎng)關”，對接各種硬件設備。在基建施工條件下，手工繪制電子考勤區(qū)域，通過GPS、藍牙等技術，實現(xiàn)線性工程的移動考勤，并支持在冊工人數(shù)、在場工人數(shù)、日累計進場數(shù)、現(xiàn)場實時人數(shù)、現(xiàn)場工人工種分布等分析和統(tǒng)計功能。同時，系統(tǒng)對班組長進行權限設置，方便班組長對工人進行退場、考勤等操作。通過差異化的數(shù)據(jù)分析，從靜態(tài)拓展到項目進展、預測、管控等。建設項目實名制登記流程為：供應商資格預審登記→項目部維護→項目部管理人員維護→管理人員入場登記→分包分供單位維護→勞務班組登記→勞務人員入場登記→勞務人員退場登記。

圖1 智能化門禁

2.2 環(huán)境監(jiān)測管理

建筑在施工過程中，會產(chǎn)生大量粉塵，破壞空氣環(huán)境。集成系統(tǒng)可實現(xiàn)對工地的24小時連續(xù)自動監(jiān)測，并上傳到數(shù)據(jù)平臺。監(jiān)測數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、風力、噪音、PM2.5、PM10等，同時加入噴淋控制，當檢測到施工現(xiàn)場環(huán)境實時值超出許可時，噴淋控制系統(tǒng)自動開啟，對現(xiàn)場環(huán)境進行霧化噴淋降塵。本系統(tǒng)可提供對工程建設現(xiàn)場的實時監(jiān)控，方便項目部、公司、政府進行統(tǒng)一管理與數(shù)據(jù)調用。

2.3 智慧監(jiān)控管理

系統(tǒng)的智慧監(jiān)控可覆蓋工地各個方位，項目管理人員在監(jiān)控室即可對整個工地狀況進行管理。監(jiān)控攝像頭宜布置在工地出入口清洗設備處、施工現(xiàn)場、辦公區(qū)、生活區(qū)大門及工人食堂，物料加工棚，高危作業(yè)區(qū)域，重點作業(yè)面及塔吊上，場區(qū)內十字路口等位置，做到場區(qū)內監(jiān)控無盲點，拍攝數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸和統(tǒng)一接口協(xié)議上傳到系統(tǒng)平臺，通過RFID技術對違規(guī)人員身份信息進行識別，并上傳至企業(yè)系統(tǒng)后臺。企業(yè)管理人員根據(jù)后臺信息對相關人員采取相應的懲罰措施，實現(xiàn)企業(yè)對文明施工的智慧管控。

2.4 智慧物資管理

部分施工企業(yè)物資管理流程不規(guī)范，庫存管理與材料計劃落實不到位，材料短缺而停工的現(xiàn)象時有發(fā)生，施工進度計劃無法得到有效的保證，容易造成非常大的建設資源浪費。智慧物資管理利用物聯(lián)網(wǎng)技術，在工地物資進場時，即對物料進行分類編碼，稱重計量，并上傳到系統(tǒng)平臺。管理人員通過移動設備點驗，并自動生成電子物資臺賬。工人可通過手機端APP提出領用申請，后臺自動更新庫存臺賬。現(xiàn)場廢料也可進行統(tǒng)計分析，建立臺賬，對浪費點管理人員、多次浪費人員提供警告標記。

2.5 智慧塔機管理

塔機、升降機由于施工作業(yè)面較高，如果發(fā)生故障，極易造成群死群傷。通過對塔吊司機實行 IC 卡/人臉識別/指紋識別實名制管理，進行有效監(jiān)管。在塔機和升降機的使用中，應用物聯(lián)網(wǎng)技術，在塔機吊鉤處安置高清攝像頭，以便在塔機操作室實時顯示吊鉤圖像，杜絕盲吊和降低隔山吊安全隱患。安裝重量傳感器，進行智能力矩監(jiān)控，自動采集每吊重量，在司機室內實時顯示每吊重量，司機隨時可看。每塔均安裝防碰撞監(jiān)控設備，對塔吊作業(yè)狀態(tài)（轉角、半徑、塔高等）進行實時監(jiān)控，塔吊具備智能識別和判斷碰撞危險區(qū)域的功能。大臂進入碰撞危險區(qū)域時，系統(tǒng)立即開始聲光預警，距離越近，報警越急，及時提醒塔吊司機停止危險方向的操作。

2.6 深基坑支護智能監(jiān)測

深基坑工程施工事故一旦發(fā)生，后果十分嚴重，極易造成大規(guī)模傷亡。究其原因，主要是施工方大多數(shù)開挖時不按設計工況開挖，或者未及時排水進行超挖，各種安全預控措施不到位。應用各類監(jiān)測傳感器，對支護進行24小時連續(xù)變形監(jiān)測，防止這一事故的發(fā)生。

2.7 BIM集成信息化

BIM 技術可以集成工程項目生命全周期數(shù)據(jù)，并直觀展示。它是一種基于三維數(shù)據(jù)建筑模型的建設工程信息集成和管理技術，能夠全方面描述工程特性。運用BIM技術將建設、管理及運維階段的各種建筑參數(shù)、結構參數(shù)、設備參數(shù)等進行一體化整合，并進行可視化3D展示。在初始階段，施工方可利用BIM技術進行虛擬施工演示并優(yōu)化各項工法步驟，將最終方案進行可視化交底，讓業(yè)主方更加直觀地了解；另一方面，利用BIM技術結合物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對勞務、機械、成本、進度、安全、質量等的施工信息集成化管理，并繪制柱狀圖、餅狀圖，3D模型等直觀表達，方便監(jiān)管者實時3D化查看各類數(shù)據(jù)。

3 結束語

現(xiàn)階段，基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑工地智慧化施工仍處于探索與試點應用階段。它的推廣和應用受到很多限制。一是數(shù)據(jù)交互和系統(tǒng)集成的程度，各類傳感器、各個施工企業(yè)采用的數(shù)據(jù)標準，數(shù)據(jù)接口規(guī)范和傳輸協(xié)議各不相同，亟需政府提供標準化的智能建造規(guī)范。其次，智慧工地的技術研發(fā)，系統(tǒng)平臺建設和設備采購將提供工程的建設成本，一定程度上影響了企業(yè)應用物聯(lián)網(wǎng)技術的動力。因此，政府對物聯(lián)網(wǎng)、施工企業(yè)等的補貼模式探索也是十分重要的一項課題。