基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧工地

崔志誠，馬 勝

(河北華北石油工程建設(shè)有限公司 電氣儀表工程分公司，河北 任丘062552)

0 引言

隨著石油管道工程的規(guī)模逐漸加大，功能、構(gòu)造的復(fù)雜程度不斷提高，工程項(xiàng)目的管理難度也不斷加大。 在石油管道建設(shè)過程中，由于傳統(tǒng)建造模式協(xié)作方眾多、作業(yè)分散獨(dú)立、施工環(huán)境復(fù)雜，工地存在管理模式落后、工作效率較低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等諸多問題。 在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的時(shí)代背景下，工地管理模式迫切需要由傳統(tǒng)的粗放式管理向可視化、信息化、智能化的高效管理轉(zhuǎn)變。 與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)日趨成熟，并已經(jīng)逐步融入施工現(xiàn)場(chǎng)管理[1-2]。通過對(duì)新技術(shù)的綜合應(yīng)用，使施工現(xiàn)場(chǎng)具備感知能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)監(jiān)控施工過程各要素，在必要時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行智能決策，最終實(shí)現(xiàn)工地管理智能化[3-4]。在此背景下，智慧工地應(yīng)運(yùn)而生。目前，物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)在石油管道工程中正在不斷得到應(yīng)用，并取得了一些可觀的成果。在某些石油管道工程上已經(jīng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展了施工現(xiàn)場(chǎng)可視化、施工現(xiàn)場(chǎng)電子標(biāo)簽掃碼互聯(lián)、施工過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)傳輸?shù)葢?yīng)用[5]，但應(yīng)用廣度和深度還不夠，僅停留在某些單項(xiàng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域。因此，構(gòu)建智慧工地架構(gòu)的需求越來越迫切。

1 工地管理問題分析及需求分析

1.1 工地管理問題分析

本文根據(jù)石油管道工程工地特點(diǎn)，對(duì)工地管理中存在的問題進(jìn)行梳理、歸納、分析、總結(jié)，并繪制石油管道工程工地管理問題分析圖，如圖1 所示。 在目前的管理模式下，工地存在整體管控難度大、信息化無有效數(shù)據(jù)支撐、安全環(huán)保監(jiān)管難度大、人員管理難度大、材料管理混亂、設(shè)備監(jiān)管難度大等幾方面重點(diǎn)問題。

1.2 工地管理需求分析

圖1 石油管道工程工地管理問題分析

針對(duì)以上突出問題對(duì)工地管理需求進(jìn)行梳理，然后針對(duì)不同問題的共性需求進(jìn)行整理，最終確定石油管道工程工地有集成分散化應(yīng)用系統(tǒng)、 提升信息化管理水平、強(qiáng)化施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管、加強(qiáng)人員管理、改進(jìn)材料管理方式、加強(qiáng)設(shè)備管理的需求，需求分析過程如圖2 所示。

1.3 智慧工地的必要性

智慧工地是指利用先進(jìn)的信息技術(shù)，使施工現(xiàn)場(chǎng)具備感知功能， 并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，逐漸形成企業(yè)數(shù)據(jù)資源庫，提供過程趨勢(shì)預(yù)測(cè)，輔助管理者進(jìn)行決策，從而改變傳統(tǒng)工作方式，為項(xiàng)目各參與方提供全新的信息交互方式， 進(jìn)而徹底轉(zhuǎn)變工地管理模式，推進(jìn)工地管理的標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化和智慧化。智慧工地的建成可以提高工地信息化管理水平，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)可視化智能管理，為工程的各參與方提供完整的工地管理方案，實(shí)現(xiàn)綠色建造和生態(tài)建造，保證工程目標(biāo)的達(dá)成。

2 智慧工地架構(gòu)

以石油管道工程工地管理需求為主導(dǎo)，構(gòu)建智慧工地架構(gòu)如圖3 所示。 該架構(gòu)發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化工程信息感知的廣度與深度，綜合應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、建筑信息模型(BIM)等前沿技術(shù)，搭建智慧管理平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)庫、管理界面、業(yè)務(wù)流程、工程目標(biāo)實(shí)行集成管理，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高各項(xiàng)業(yè)務(wù)的處理速度和處理能力[6-7]。感知層全面采集人員、設(shè)備、材料等工程信息及施工活動(dòng)信息；網(wǎng)絡(luò)層通過各種通信技術(shù)和傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的傳輸；應(yīng)用層利用數(shù)據(jù)開展業(yè)務(wù)分析與應(yīng)用，提供工程問題解決方案，為管理者提供決策依據(jù)[8-9]。

2.1 感知層

感知層主要由傳感器及傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID 標(biāo)簽及識(shí)讀器、身份識(shí)別裝置、定位裝置、視頻圖像采集裝置組成，該層級(jí)是智慧工地的基礎(chǔ)，是數(shù)據(jù)采集全面性、準(zhǔn)確性、及時(shí)性的保障。

感知層具有感知信號(hào)的功能。 由于石油管道工程空間跨度大且作業(yè)地分散，因此需要在各個(gè)工地設(shè)立數(shù)據(jù)采集分站。 工地內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)將傳感器信號(hào)(如壓力、溫度、位移、應(yīng)力等）、射頻識(shí)別信號(hào)(如人員信息、設(shè)備信息、材料信息)、生物識(shí)別信號(hào)(如人臉識(shí)別、指紋識(shí)別)及視頻信息、位置信息等通過工地內(nèi)網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)采集分站，再由數(shù)據(jù)采集分站統(tǒng)一上傳，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映工地狀況。 通過嵌入在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工具及環(huán)境敏感點(diǎn)中的感應(yīng)元件和可識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)人員、設(shè)備、材料的電子標(biāo)簽可以得到大量、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。利用云計(jì)算技術(shù)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和存儲(chǔ)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)從多角度、多層面對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，結(jié)合具體業(yè)務(wù)挖掘數(shù)據(jù)潛在價(jià)值， 實(shí)現(xiàn)施工工藝的優(yōu)化和施工風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防預(yù)控，確保工地安全、高效地開展施工活動(dòng)。

圖2 石油管道工程工地管理需求分析

圖3 智慧工地架構(gòu)

感知層具有標(biāo)識(shí)物體的功能。 射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸式數(shù)據(jù)通信，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)的目的。 隨著對(duì)智慧工地的不斷探索與實(shí)踐，RFID 技術(shù)已經(jīng)在多種智慧工地解決方案中得到應(yīng)用。例如，通過貼有RFID 芯片的安全帽、手環(huán)、工作證等對(duì)工人位置信息和身體健康信息實(shí)時(shí)采集，分析安全隱患，并及時(shí)預(yù)警；利用RFID 技術(shù)讀取和錄入工程材料的采購信息、物流信息、檢測(cè)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的全過程追蹤，提高材料驗(yàn)收效率；通過RFID 標(biāo)簽進(jìn)行施工設(shè)備的操作權(quán)限管理、定位、調(diào)度等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要完成感知層數(shù)據(jù)在不同終端、子系統(tǒng)、應(yīng)用主體間的可靠傳輸。 該智慧工地架構(gòu)主要利用藍(lán)牙、ZigBee、RFID、Wi-Fi、4G/5G 等 通 信 技 術(shù) 和 電 纜、光纖等通信裝置，通過接口、協(xié)議進(jìn)行感知層數(shù)據(jù)的傳輸與交換。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層的作用是通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、BIM 等前沿技術(shù)對(duì)感知層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算、處理和挖掘分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工地各要素實(shí)時(shí)監(jiān)控、工程目標(biāo)集成管理、各參與方協(xié)同作業(yè)和科學(xué)決策。

3 智慧工地的應(yīng)用價(jià)值

智慧工地并不是全盤否定傳統(tǒng)工地管理模式，而是與物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理模式優(yōu)化改進(jìn)等，主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

(1)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和多樣性。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各類數(shù)據(jù)自動(dòng)、及時(shí)、準(zhǔn)確地采集和傳輸，并且擴(kuò)展了數(shù)據(jù)的多樣性，滿足了工地多維度、可視化管理的需求。

(2)數(shù)據(jù)有效存儲(chǔ)及處理。由于石油管道工程的空間跨度較大，該架構(gòu)建立了多區(qū)域數(shù)據(jù)中心，形成分布式存儲(chǔ)云。 基于云計(jì)算的智慧工地管理系統(tǒng)采用分級(jí)結(jié)構(gòu)，在各個(gè)工地分別設(shè)立數(shù)據(jù)中心，針對(duì)本工地的數(shù)據(jù)和任務(wù)，執(zhí)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。此外，還設(shè)立了數(shù)據(jù)總中心，負(fù)責(zé)宏觀調(diào)控各數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理結(jié)果及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 各工地配備一臺(tái)服務(wù)器，用于存儲(chǔ)該工地的數(shù)據(jù)備份，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障無法連接到云數(shù)據(jù)中心時(shí)，在該工地可直接進(jìn)行就地操作。

(3)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督管理的靈活性。管理人員可以不受時(shí)間、空間的限制，利用計(jì)算機(jī)、手機(jī)等終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)施工過程中關(guān)鍵工序、關(guān)鍵工藝的遠(yuǎn)程監(jiān)控，施工人員、設(shè)備、材料信息的透徹感知，以及安全防護(hù)和環(huán)境監(jiān)督等。

(4)業(yè)務(wù)分析和決策更加及時(shí)準(zhǔn)確，提升了集成管理和智慧決策水平。

①在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能的支持下，管理人員可獲取大量、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，及時(shí)得到工地對(duì)自身狀況的全面反饋。 針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)和隱患信息，通過綜合分析得出準(zhǔn)確可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果，提前預(yù)知施工現(xiàn)場(chǎng)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，有針對(duì)性地制定應(yīng)急預(yù)案，提高業(yè)務(wù)處理能力。

②云計(jì)算平臺(tái)可完成數(shù)據(jù)的歸集、整合、存儲(chǔ)及融合，借助該平臺(tái)可省去數(shù)據(jù)的前端預(yù)處理，降低后續(xù)的數(shù)據(jù)處理強(qiáng)度，在提高數(shù)據(jù)處理速度和系統(tǒng)可靠性的同時(shí)降低投資成本和維護(hù)成本。

③針對(duì)不同的業(yè)務(wù)需求，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)從多角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、指導(dǎo)施工、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、決策優(yōu)化等，加強(qiáng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的把控能力，預(yù)測(cè)施工過程潛在風(fēng)險(xiǎn)，提前采取預(yù)知性的應(yīng)對(duì)措施，提升智慧決策水平。

④在BIM 模型中整合施工過程中的數(shù)據(jù)信息，工程各參與方可以基于BIM 模型進(jìn)行協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)(進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全)的統(tǒng)一管理和控制，實(shí)現(xiàn)更高效、更節(jié)能、更經(jīng)濟(jì)的智慧工地管理模式。

4 結(jié)論

本文基于現(xiàn)有石油管道工程工地管理需求，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧工地架構(gòu)，該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的智能采集和處理、施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、施工過程可視化展示和各參與方高效協(xié)同作業(yè)。 通過云計(jì)算技術(shù)歸集、整合、存儲(chǔ)多類數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)多角度分析、挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，BIM 技術(shù)集成各類信息，協(xié)同多方人員工作，從而達(dá)到信息互通、數(shù)據(jù)共享、任務(wù)協(xié)同的目的，在多種新技術(shù)的加持下，智慧工地轉(zhuǎn)變了現(xiàn)有工地的管理模式，提高了經(jīng)濟(jì)效益，推進(jìn)現(xiàn)有工地逐步向科學(xué)化、智慧化邁進(jìn)。