智能建造技術(shù)在水運(yùn)工程軟基施工管控中的應(yīng)用研究

李子龍，劉 磊，馬瑞鑫

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.山東四維卓識信息技術(shù)有限公司，泰安 271000)

我國地域遼闊，軟土分布極為廣泛，在軟土地基區(qū)域進(jìn)行水運(yùn)工程建設(shè)存在地基穩(wěn)定性隱患。而根據(jù)水運(yùn)工程相關(guān)施工規(guī)范[1-4]，一方面要在施工期間加強(qiáng)過程控制，對軟土采用變形與沉降監(jiān)測；另一方面要依據(jù)監(jiān)測資料和地基承載力試驗結(jié)果來調(diào)整施工預(yù)壓期及施工速率，而軟基處理施工過程是保證工后基礎(chǔ)承載力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外，在軟土地基施工管理中，各種工藝的施工信息分布分散、傳遞時效性差、信息共享能力不足、往往會造成施工信息“孤島”效應(yīng)，不利于工程建設(shè)項目管理的協(xié)調(diào)聯(lián)動[5-7]。

當(dāng)前，新一代信息技術(shù)應(yīng)用呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢，新技術(shù)、新工藝催生水運(yùn)工程施工質(zhì)量管理的新模式，工程建設(shè)管理正逐步向智能化方向發(fā)展[7]。依托信息技術(shù)與傳統(tǒng)工程建造深度融合形成的智能建造系統(tǒng)是工程建造創(chuàng)新發(fā)展的模式，具備全壽命周期一體化協(xié)同管理和智能決策能力。近期，住建部、交通運(yùn)輸部等部委已經(jīng)出臺相關(guān)政策性文件[8-9]，明確推動智能建造基礎(chǔ)共性技術(shù)和關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)?；诖耍疚幕谥悄芙ㄔ斓膬?nèi)涵，提出了軟基施工智能建造的總體架構(gòu)，構(gòu)建了從信息智能感知到智能分析再到智能饋控的施工智能管控體系，實現(xiàn)了軟基施工的可視化和智能化管理。

1 智能建造理論及內(nèi)涵

關(guān)于智能建造的內(nèi)涵，目前尚無統(tǒng)一的定論[10-12]。日本學(xué)者認(rèn)為智能建造的概念包括采集施工信息、自動分析數(shù)據(jù)，并有針對性地制定工程施工方案，以輔助甚至無人控制施工；英國基礎(chǔ)設(shè)施和項目管理局認(rèn)為智能建造是一種從傳統(tǒng)建筑業(yè)到智能制造業(yè)的理念轉(zhuǎn)變，支持工廠化生產(chǎn)和裝配化建造；馬智亮認(rèn)為智能建造的終極目的是以智能技術(shù)為手段，提高建造過程的智能化水平、實現(xiàn)安全建造。鐘登華等[13]認(rèn)為智能建造是在數(shù)字化建設(shè)體系基礎(chǔ)上引入新一代信息技術(shù)，通過將先進(jìn)智能技術(shù)與建造跨界融合，形成的智能閉環(huán)體系；劉占省等[14]認(rèn)為智能建造結(jié)合全生命周期和精益建造理念，利用先進(jìn)信息技術(shù)和建造技術(shù)，對建造全過程進(jìn)行的技術(shù)和管理創(chuàng)新。未來，智能建造的概念將隨著新興技術(shù)地不斷涌現(xiàn)，更加豐富和完善。

智能建造源自建筑全生命周期管理，是在建筑工程的決策、實施及運(yùn)營整個過程實現(xiàn)工程項目信息集成管理的一種策略。水運(yùn)工程從施工開始到施工驗收，并延伸到上游的施工設(shè)計和下游的工程運(yùn)行階段，包含了施工設(shè)計、施工組織、施工監(jiān)測、質(zhì)量抽檢及竣工驗收等主要階段。智能建造的管控體系是一個由主體維(業(yè)主方、設(shè)計方、施工方、監(jiān)理方、檢測方等)、空間維(基礎(chǔ)、航道、碼頭、船閘、防波堤等)及時間維(設(shè)計階段、施工階段、運(yùn)行階段等)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)工程[15]，要求施工質(zhì)量的全面控制和施工信息的集成共享。

對于智能建造的內(nèi)涵，可從廣義和狹義兩個層面去理解。廣義的智能建造著眼于建設(shè)項目產(chǎn)生的整個過程，通過新興信息技術(shù)的集成應(yīng)用來完成工程項目立項、設(shè)計、施工、運(yùn)維等階段的工程建設(shè)活動；狹義的智能建造著眼于工程項目的建造階段，旨在以新興信息技術(shù)來實現(xiàn)整個工程建造過程的信息化與智能化。本文所開展的水運(yùn)工程軟基處理施工精細(xì)化智能建造技術(shù)研究主要聚焦狹義層面的智能建造，主要應(yīng)用點(diǎn)如圖1所示。

圖1 智能建造典型應(yīng)用場景Fig.1 Typical application scenarios of intelligent construction

2 軟基施工智能建造的總體架構(gòu)

針對水運(yùn)工程軟基施工提出的智能建造技術(shù)，是以施工智能感知為手段，以服務(wù)施工質(zhì)量管理為目標(biāo)，采用“端+平臺”的架構(gòu)模式，對全過程軟基施工信息進(jìn)行有效匯聚和可視化監(jiān)管，形成軟基施工數(shù)據(jù)中心和智能施工指揮中心，以此來保障工程建設(shè)質(zhì)量、提高管理效率。軟基處理智能建造框架可分為信息感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系等部分，如圖2所示。

圖2 軟基施工智能建造整體框架體系Fig. 2 Overall frame system of intelligent construction of soft foundation construction

(1)感知層。

感知層為整個智能建造體系的“神經(jīng)末端”，負(fù)責(zé)施工相關(guān)基礎(chǔ)信息的采集。根據(jù)采集數(shù)據(jù)的不同，可大致分為兩種模式。對于一些非結(jié)構(gòu)化的、靜態(tài)的或無法提供數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)，可采用信息導(dǎo)入或者信息填報的方式獲取信息，如施工設(shè)計圖紙、土工試驗結(jié)果等；對于一些結(jié)構(gòu)化的動態(tài)施工信息，可基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行智能感知，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時、動態(tài)采集，如實時實時施工參數(shù)、地面沉降等。

(2)網(wǎng)絡(luò)層。

網(wǎng)絡(luò)層是整個智能建造體系的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，通過自建網(wǎng)絡(luò)和公共互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)施工信息的安全、高效入庫。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，逐步擴(kuò)展應(yīng)用4G、5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，有效克服了網(wǎng)絡(luò)傳輸對現(xiàn)場施工信息采集的制約。通過高可靠高冗余的網(wǎng)絡(luò)傳輸實現(xiàn)了軟基施工中的各類實時監(jiān)控數(shù)據(jù)和綜合信息管理數(shù)據(jù)的有效匯聚，形成了工程級的施工數(shù)據(jù)中心，支撐了后續(xù)軟基施工管理各類業(yè)務(wù)應(yīng)用。

(3)應(yīng)用層。

應(yīng)用層是整個智能建造體系的“大腦”，主要指針對軟基智能建造監(jiān)管需求所開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)及提供的功能與服務(wù)。從服務(wù)具體的施工質(zhì)量管理來說，包括施工過程信息化監(jiān)管、試驗檢測信息化監(jiān)管、工程進(jìn)度信息化監(jiān)管及工程安全監(jiān)測信息化監(jiān)管等系統(tǒng)，并利用可視化技術(shù)，實現(xiàn)從施工設(shè)計到施工驗收全過程的質(zhì)量監(jiān)管。其中，施工過程信息化監(jiān)管是軟基施工質(zhì)量管控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可構(gòu)建諸如強(qiáng)夯施工監(jiān)控系統(tǒng)、樁基施工監(jiān)控系統(tǒng)、排水板插板監(jiān)控系統(tǒng)、碾壓施工監(jiān)控系統(tǒng)等施工智能管控系統(tǒng)；從服務(wù)整個工程宏觀決策來說，可建設(shè)一個針對整個工程的施工智能建造管控平臺，包括施工過程監(jiān)控、預(yù)警信息發(fā)布、設(shè)計成果展示、質(zhì)量檢測和安全監(jiān)測信息查詢、施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及輔助決策等，并對各個功能于服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

(4)標(biāo)準(zhǔn)體系。

標(biāo)準(zhǔn)體系主要指構(gòu)建以國家、行業(yè)、工法技術(shù)規(guī)范為鏈條的軟基處理智能建造過程中各類異構(gòu)數(shù)據(jù)資源的標(biāo)準(zhǔn)體系、平臺安全評價體系、施工質(zhì)量評價體系及相關(guān)規(guī)范制度等內(nèi)容[16]，有助于保障施工管控過程中數(shù)據(jù)的規(guī)范采集、高效融合以及質(zhì)量安全的權(quán)威評價。

3 軟基施工智能管控系統(tǒng)

軟基施工過程參數(shù)管控是保證智能建造質(zhì)量的最重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的“人管模式”難以實現(xiàn)對施工過程的精準(zhǔn)控制和有效反饋。智能建造下的施工智能管控系統(tǒng)，主要服務(wù)施工管理人員進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)管，通過建設(shè)各類智能物聯(lián)終端，構(gòu)建從信息智能感知到智能分析再到智能饋控的閉環(huán)管控體系，實現(xiàn)關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)的全天候在線實時監(jiān)管。

3.1 智能感知

通過在軟基施工的打樁機(jī)、插板機(jī)、強(qiáng)夯機(jī)、碾壓機(jī)等軟基施工機(jī)械上，安裝各類傳感器終端，實現(xiàn)全過程施工信息的實時、泛在、自主感知，構(gòu)建形成軟基施工智能感知體系。以軟基處理常見的水泥粉煤灰碎石(CFG)攪拌樁、排水板插板、強(qiáng)夯、碾壓等工藝為例，智能建造的智能感知體系如圖3所示。

圖3 軟基施工智能感知體系Fig.3 Intelligent perception system for soft foundation construction

上述CFG智能監(jiān)管終端通過在施工機(jī)械上安裝高精度全球定位導(dǎo)航裝置(GNSS)、傾角傳感器、電流傳感器、貫入深度傳感器等終端設(shè)備，實現(xiàn)對打樁施工位置、貫入深度、鉆機(jī)電流、垂直度及成樁時間等CFG攪拌樁施工信息的自動采集；排水板智能監(jiān)控終端通過安裝GNSS、電流傳感器、深度傳感器等終端設(shè)備，實現(xiàn)對排水板施工過程中插板施工位置、插板機(jī)航向與車身姿態(tài)、排水板用量(長度)、電機(jī)電流等施工關(guān)鍵數(shù)據(jù)的智能采集；強(qiáng)夯施工智能監(jiān)控終端通過在強(qiáng)夯機(jī)上安裝GNSS、張力傳感器、落距傳感器等終端設(shè)備，實現(xiàn)了對夯點(diǎn)施工位置、承載繩形變、夯錘落距、夯擊次數(shù)等參數(shù)的自動采集[17]；碾壓智能監(jiān)控終端通過在碾壓機(jī)上安裝GNSS、壓實度計、采集控制單元等終端設(shè)備，可以實現(xiàn)對碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)、振動頻率、機(jī)測壓實度等碾壓指標(biāo)的自動采集，并且已經(jīng)在實際工程中取得良好應(yīng)用效果[18-20]。

3.2 智能分析

智能分析是通過解譯實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，將各類施工數(shù)據(jù)集成和知識挖掘，實時、自主地進(jìn)行施工決策，使得施工過程趨向于智能化控制。如在CFG樁施工過程中，智能分析系統(tǒng)根據(jù)各類智能感知信息的位置屬性，自動疊加到CFG施工圖層中，實現(xiàn)以下智能分析：(1)自動任務(wù)獲?。鹤詣荧@取施工任務(wù)，以數(shù)字的方式顯示坐標(biāo)信息；(2)插板深度分析：通過深度傳感器的數(shù)據(jù)分析，計算鉆機(jī)從地面到當(dāng)前最深處的施工深度，將深度計算結(jié)果刷新到車載顯示器，用于深度控制與統(tǒng)計；(3)打樁電流監(jiān)測：讀取施工過程中的電流監(jiān)測值，以數(shù)字的形式實時刷新到車載顯示器，協(xié)助施工人員判斷地基抗剪強(qiáng)度；(4)施工材料統(tǒng)計：通過施工的深度數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場實驗計算得出參數(shù)，計算每次施工過程中的塑料板用量，并實時刷新到車載顯示；(5)自動監(jiān)測打樁施工合格情況，將所有成樁數(shù)據(jù)以是否符合施工標(biāo)準(zhǔn)加以區(qū)分，實現(xiàn)不合格施工情況的全面分析(位置、分布、不合格數(shù)據(jù)等)。CFG車載顯示終端的智能分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 樁基施工的智能分析Fig.4 Intelligent analysis of pile foundation construction

近年來，隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，碾壓作為基礎(chǔ)處理最常用的施工手段，較早開展了無人駕駛研究與應(yīng)用[21-22]。碾壓無人駕駛以施工過程精細(xì)化控制為基礎(chǔ)，利用毫米波雷達(dá)和高清影像的融合分析，進(jìn)行施工面檢測，獲取障礙物的位置和狀態(tài)信息；根據(jù)碾壓作業(yè)要求和碾壓機(jī)實時狀態(tài)，云服務(wù)器進(jìn)行碾壓施工路徑規(guī)劃、路徑跟蹤和障礙物避障等智能分析工作，取得了良好的試驗效果。

3.3 智能饋控

鐘登華等[13]指出，反饋控制是區(qū)別數(shù)字化建設(shè)與智能化建設(shè)的重要特征。智能饋控是指利用智能分析結(jié)果對受控對象進(jìn)行優(yōu)化決策，如實時預(yù)警、智能糾偏和自主導(dǎo)航等。本文作者在強(qiáng)夯施工管控中提出強(qiáng)夯施工導(dǎo)航系統(tǒng)，通過智能分析設(shè)定實際夯點(diǎn)與設(shè)計規(guī)劃夯點(diǎn)的偏移量，引導(dǎo)機(jī)械操作手施工糾偏[17]；此外，結(jié)合某具體工程，筆者開發(fā)的智能拌和管理監(jiān)控系統(tǒng)，在實時監(jiān)控各類拌和指標(biāo)的基礎(chǔ)上，自動與設(shè)計拌和參數(shù)進(jìn)行比對，若監(jiān)測內(nèi)容某一項重量超出允許范圍誤差，則給予報警提示，同時此盤拌和料標(biāo)識為不合格，如圖5所示。

圖5 拌合料智能監(jiān)管系統(tǒng)Fig.5 Intelligent supervision system for mixtures

4 軟基施工智能建造管控平臺

智能建造管控平臺主要服務(wù)領(lǐng)導(dǎo)決策，基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)模型，匯聚施工智能管控系統(tǒng)的各類結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并利用大數(shù)據(jù)融合技術(shù)實現(xiàn)對高價值結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的實時處理、多表關(guān)聯(lián)分析、即席查詢和業(yè)務(wù)互動等功能，同時滿足智能建造管控平臺對海量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲和精確查詢的要求。在底層數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，平臺基于BS架構(gòu)，運(yùn)用三維設(shè)計理念對工程項目進(jìn)行精細(xì)施工管控。圍繞施工過程質(zhì)量管理，構(gòu)建了互聯(lián)協(xié)同、智能生產(chǎn)、科學(xué)高效的軟基施工智能施工指揮中心(如圖6所示)，并對智能感知到的工程信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，提供過程趨勢預(yù)測及專家預(yù)案，實現(xiàn)軟基施工的可視化和智能化管理。

圖6 軟基施工智能建造管控平臺主界面Fig.6 Main interface of intelligent construction control platform for soft foundation construction

根據(jù)施工管理需求，平臺主要功能如下：

(1)用戶管理：針對工程各施工參與方職責(zé)，平臺分為五類用戶：業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、施工和檢測，具體的權(quán)限如表1所示。

表1 智能建造管控平臺用戶職責(zé)Tab.1 User responsibilities of intelligent construction control platform

(2)施工管控：匯聚軟基各工法施工智能管控系統(tǒng)的關(guān)鍵施工信息，結(jié)合工區(qū)GIS地圖和工程三維模型，實現(xiàn)對工程施工人員、材料、機(jī)械設(shè)備、土石方量、工程進(jìn)度、工程質(zhì)量、報警等指標(biāo)的可視化監(jiān)管。同時，為滿足各級監(jiān)管主體對軟基施工更為詳細(xì)的監(jiān)管需求，平臺支持對各個智能管控系統(tǒng)實時監(jiān)控界面的跳轉(zhuǎn)。

(3)視頻監(jiān)控：平臺接入了工程中所有的現(xiàn)場監(jiān)控視頻，包括強(qiáng)夯施工、碾壓施工、攪拌樁、插板施工、土石方料場等，支持視頻監(jiān)控與施工管控系統(tǒng)的協(xié)同監(jiān)管。

(4)統(tǒng)計分析：平臺提供與工程質(zhì)量管控相關(guān)的各類施工要素的統(tǒng)計分析，包括宏觀的工程整體進(jìn)度、土石方工程量、設(shè)備配置情況、施工報警情況等，也包括具體每個工法的施工參數(shù)、試驗檢測、各臺班施工工作量、設(shè)備使用情況等內(nèi)容。為了提高用戶的友好性，平臺提供了統(tǒng)計圖、統(tǒng)計曲線、儀表盤等形式的統(tǒng)計分析形式，給用戶駕駛艙式體驗。

(5)工程鳥瞰圖及電子沙盤：對工程的標(biāo)段劃分、整體布局進(jìn)行查看。結(jié)合工程無人機(jī)定期航拍圖，可以對工程進(jìn)度面貌進(jìn)行整體分析。

5 智能建造管控效果分析

以施工智能管控為核心的智能建造技術(shù)為水運(yùn)工程軟基精細(xì)化施工提供了一種實時、量化、可視的質(zhì)量管控手段，有效解決了地基施工質(zhì)量監(jiān)管難題。以軟基中常見的強(qiáng)夯施工為例，智能建造技術(shù)下的強(qiáng)夯施工智能管控系統(tǒng)對施工質(zhì)量管控手段的有效性體現(xiàn)在以下三個方面：(1)從施工參數(shù)監(jiān)測范圍層面，覆蓋了《強(qiáng)夯地基處理技術(shù)規(guī)程》(CECS279-2010)規(guī)定所有一般檢測項目(包括夯錘落距、夯擊遍數(shù)及順序、錘質(zhì)量、夯點(diǎn)間距、前后兩遍間歇時間等)；(2)從監(jiān)測手段層面，智能管控系統(tǒng)結(jié)合監(jiān)控視頻，實現(xiàn)了施工參數(shù)的自動感知和反饋控制，提升了質(zhì)量管控效率，是對傳統(tǒng)人為旁站手段的有效提升；(3)從管控精度層面，智能管控系統(tǒng)實現(xiàn)夯錘落距監(jiān)測精度為±40 mm，小于規(guī)程允許偏差值±300 mm；夯點(diǎn)對點(diǎn)誤差為±40 mm，小于規(guī)程偏差允許值150 mm；達(dá)到了現(xiàn)場施工控制所要求的最后兩擊夯沉量≤50 mm的質(zhì)量控制要求；(4)從質(zhì)量管控效果層面，系統(tǒng)針對每個施工單元自動生成圖形報告，可對整個施工單元的整體施工情況進(jìn)行統(tǒng)計分析并量化顯示，如圖7所示圖形報告不但統(tǒng)計了整個施工單位的滿夯施工達(dá)標(biāo)率，并用黃色顯示施工薄弱區(qū)域。通過“按圖施工”可引導(dǎo)施工補(bǔ)救，提升施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)率，這在傳統(tǒng)的強(qiáng)夯人為監(jiān)管中是難以實現(xiàn)的。

圖7 強(qiáng)夯智能監(jiān)管系統(tǒng)施工圖形報告Fig.7 Construction graph report of intelligent supervision system for dynamic compaction

6 結(jié)論

(1)針對水運(yùn)工程軟基施工質(zhì)量管理難題，研究分析了智能建造內(nèi)涵，采用了“端+平臺”的架構(gòu)模式，提出了包含信息感知層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用系統(tǒng)層、信息發(fā)布層和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系等部分構(gòu)成的軟基處理智能建造的總體架構(gòu)。

(2)針對軟基施工的不同施工工藝，提出了施工智能管控系統(tǒng)體系，從智能感知、智能分析、智能饋控三個層面對智能管控系統(tǒng)進(jìn)行了探討，構(gòu)建了從信息智能感知到智能分析再到智能饋控的閉環(huán)管控體系，實現(xiàn)關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)的全天候、在線、實時監(jiān)管。

(3)針對施工領(lǐng)導(dǎo)決策，開發(fā)了軟基施工智能建造管控平臺，匯聚了施工智能管控系統(tǒng)的各類結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，構(gòu)建了互聯(lián)協(xié)同、智能生產(chǎn)、科學(xué)高效的軟基施工智能施工指揮中心，實現(xiàn)軟基施工的可視化和智能化管理，大大提升了工程的施工質(zhì)量管控水平和效率，在類似工程中具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

(4)水運(yùn)工程建設(shè)環(huán)境復(fù)雜、施工環(huán)節(jié)繁多、施工工藝差異較大，本文研究的水運(yùn)工程軟基施工智能建造只是智能建造龐大體系的一小部分。未來，水運(yùn)工程全過程智能建造仍需在理論、方法、技術(shù)、管理模式、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面進(jìn)行完善，推動智能建造技術(shù)在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)創(chuàng)新應(yīng)用。