杜燦陽(yáng),張兆波
(廣東粵海珠三角供水有限公司,廣東 廣州 511458)
2008 年 IBM 公司首次提出智慧地球的理念,認(rèn)為通過(guò)感應(yīng)器將人們?nèi)粘I钪械母鞣N物體連接起來(lái),形成物聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上數(shù)字地球與人類(lèi)社會(huì)、物理系統(tǒng)的整合,使人類(lèi)生活達(dá)到智慧狀態(tài),提高資源利用率和生產(chǎn)水平,改善人與自然之間的關(guān)系。黨的十九大報(bào)告提出要加快建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家,并把智慧社會(huì)作為建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的重要內(nèi)容,從頂層設(shè)計(jì)的角度,對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、公共服務(wù)、社會(huì)治理提出了全新要求和目標(biāo),將加強(qiáng)水利建設(shè)擺在9 個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的首位[1–2]。作為智慧社會(huì)建設(shè)的重要組成部分,水利行業(yè)提出從數(shù)字水利逐步向智慧水利轉(zhuǎn)變的發(fā)展要求[3],同時(shí),國(guó)內(nèi)正在進(jìn)行的多個(gè)節(jié)水供水大型水利工程,如引漢濟(jì)渭、滇中引水、珠三角水資源配置工程(以下簡(jiǎn)稱珠三角工程)等,都在工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)過(guò)程中,開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、BIM、人工智能(AI)等新技術(shù)的應(yīng)用探索[4–5],并逐步形成相應(yīng)的智慧應(yīng)用成果,為建立一個(gè)貫穿工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維全過(guò)程的智慧水利工程提供實(shí)踐參考。
大型水利工程一般都是惠及一方,為興利除弊目標(biāo)而建設(shè)的民生公益項(xiàng)目,很多項(xiàng)目按照百年工程的使用年限設(shè)計(jì),同時(shí),大型水利工程也是一項(xiàng)系統(tǒng)性和綜合性較強(qiáng)的基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目,有以下特點(diǎn)和建設(shè)困難[6]:1)大部分大型水利工程地理位置較偏僻,工程建設(shè)時(shí)空跨度大,點(diǎn)多,線長(zhǎng),建設(shè)周期較長(zhǎng),監(jiān)管難度大;2)大型水利工程一般對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境影響巨大,建設(shè)監(jiān)管責(zé)任重大[7];3)大型水利工程建設(shè)參與主體多,工程的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、質(zhì)量檢測(cè)、安全監(jiān)測(cè)等參建單位往往有數(shù)家甚至數(shù)十家,且各參建單位擅長(zhǎng)的領(lǐng)域、業(yè)務(wù)水平參差不齊,對(duì)水利工程建設(shè)的安全、質(zhì)量等方面的理解不同,工程建設(shè)過(guò)程中的協(xié)調(diào)和管理難度大。
信息化技術(shù)能實(shí)現(xiàn)全時(shí)空、全方位、全感知,是強(qiáng)化監(jiān)管的最有效手段。根據(jù)當(dāng)前在建與投入運(yùn)行的重大水利工程智慧化應(yīng)用管理的調(diào)研,水利工程建設(shè)期智慧應(yīng)用存在如下問(wèn)題:
1)重工程,輕信息。工程開(kāi)工后,建設(shè)、監(jiān)理及施工單位都將關(guān)注的重點(diǎn)聚焦在工程的進(jìn)度與投資上,忽視建設(shè)過(guò)程中要求同步產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、文檔資料。因此,經(jīng)常出現(xiàn)事后補(bǔ)文件、檔案資料缺失等現(xiàn)象,而隨著工程建設(shè)的推進(jìn),專(zhuān)業(yè)施工隊(duì)伍的輪換,數(shù)據(jù)、文件資料的缺失也越來(lái)越嚴(yán)重,導(dǎo)致相關(guān)工程竣工結(jié)算等難以及時(shí)開(kāi)展。
2)重系統(tǒng),輕規(guī)劃。工程建設(shè)過(guò)程中,無(wú)論是建設(shè)單位還是施工單位,會(huì)發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題需要借助信息化手段才易于解決,因此,會(huì)根據(jù)工程建設(shè)需求快速購(gòu)置或搭建相應(yīng)的信息系統(tǒng),如協(xié)同辦公(OA)、進(jìn)度管理、合同管理、門(mén)禁考勤等系統(tǒng)。在欠缺總體規(guī)劃前提下進(jìn)行的系統(tǒng)建設(shè),會(huì)形成信息孤島,導(dǎo)致各業(yè)務(wù)間溝通不暢,錄入數(shù)據(jù)重復(fù),反而嚴(yán)重影響工程建設(shè)管理的效率。
3)重實(shí)施,輕應(yīng)用。在當(dāng)前信息化時(shí)代,新技術(shù)應(yīng)用層出不窮,有效提升了工程形象,但是,欠缺流程規(guī)范、業(yè)務(wù)制度及運(yùn)維配套管理機(jī)制支撐的系統(tǒng)應(yīng)用,難以發(fā)揮效益,久而久之,隨著工程建設(shè)人員的變動(dòng),就會(huì)出現(xiàn)棄之不用的現(xiàn)象。
4)重技術(shù),輕數(shù)據(jù)。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展,施工現(xiàn)場(chǎng)可以部署全方位的感知,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,但缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃的感知系統(tǒng)建設(shè),沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,數(shù)據(jù)共享困難,難以通過(guò)數(shù)據(jù)整合分析輔助現(xiàn)場(chǎng)的施工管理,更無(wú)法積累并傳遞到運(yùn)營(yíng)期。
建設(shè)期按照工程建設(shè)“安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本、廉潔”等五大控制管理要求,利用 BIM 和GIS、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù),可以規(guī)范工作成果,優(yōu)化工作流程,共享數(shù)據(jù)資源,為工程建設(shè)管理提供輔助決策手段,有效提升工程建設(shè)管理水平。
設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用 BIM 技術(shù),可以直觀形象地展示工程設(shè)計(jì)成果,減少設(shè)計(jì)變更,提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。建設(shè)期基于 BIM 正向設(shè)計(jì)成果,匯聚工程建設(shè)過(guò)程數(shù)據(jù),通過(guò) BIM 與 GIS 的可視化展示與模擬,提前預(yù)知工程建設(shè)成果,可有效提升工程總體形象與品質(zhì)。
結(jié)合水利部對(duì)水利工程建設(shè)進(jìn)度、質(zhì)量、安全生產(chǎn)等方面的強(qiáng)監(jiān)管要求[8]10–11,通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)全過(guò)程信息化應(yīng)用,可將監(jiān)管要求有效落實(shí)到日常的工程建設(shè)管理過(guò)程中,輔助工程建設(shè)各級(jí)管理者對(duì)工程建設(shè)過(guò)程的全面把控,強(qiáng)化利用信息化手段對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)管要求。
大型水利工程智慧應(yīng)用建設(shè)應(yīng)從工程全生命周期的角度出發(fā)進(jìn)行總體規(guī)劃?;趯?duì)大型水利工程建設(shè)期的難點(diǎn)問(wèn)題分析,結(jié)合珠三角工程的建設(shè)管控需求及生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)目標(biāo),按照“總體規(guī)劃、分步實(shí)施”的原則,工程建設(shè)期智慧應(yīng)用總體規(guī)劃充分考慮技術(shù)架構(gòu)的可擴(kuò)展性,明晰系統(tǒng)劃分及應(yīng)用邊界,分別從感知層、監(jiān)控層、應(yīng)用層、門(mén)戶層等 4 個(gè)層次進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃,具體架構(gòu)如圖 1 所示。感知層針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)安全與質(zhì)量管控的對(duì)象部署感知測(cè)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)全面感知覆蓋;監(jiān)控層通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)感知對(duì)象的監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)及時(shí)預(yù)警與響應(yīng)的智能化;應(yīng)用層基于業(yè)務(wù)管理功能,通過(guò)應(yīng)用集成與數(shù)據(jù)匯聚,有針對(duì)性地完成業(yè)務(wù)協(xié)同及數(shù)據(jù)分析,輔助工程建設(shè)管理決策;門(mén)戶層針對(duì)不同終端類(lèi)型,建立統(tǒng)一的門(mén)戶窗口,實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用的集中發(fā)布。
圖1 工程建設(shè)期智慧應(yīng)用總體規(guī)劃框架
結(jié)合大型水利工程的建設(shè)管理模式,針對(duì)建設(shè)管控目標(biāo),構(gòu)建建設(shè)期關(guān)鍵智慧應(yīng)用體系,體系架構(gòu)如圖 2 所示。建設(shè)期關(guān)鍵智慧應(yīng)用主要圍繞協(xié)同、監(jiān)管、提效、輔助決策等方面開(kāi)展,通過(guò)相應(yīng)智慧應(yīng)用系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn):工程建設(shè)各方的協(xié)同管理,解決建設(shè)管理溝通難的問(wèn)題;工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,解決工程施工過(guò)程中安全、質(zhì)量監(jiān)管不到位的問(wèn)題;對(duì)工程建設(shè)管理的輔助決策,提升建設(shè)管理水平;最終通過(guò)工程建設(shè)過(guò)程數(shù)據(jù)的累積與共享,融合各專(zhuān)業(yè)智慧應(yīng)用,為工程未來(lái)的智慧運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。
圖2 建設(shè)期關(guān)鍵智慧應(yīng)用體系架構(gòu)
利用云計(jì)算及移動(dòng)互聯(lián)技術(shù),集中計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源,提供協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)共享環(huán)境,圍繞安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本等工程建設(shè)階段核心業(yè)務(wù),建立基于流程的工程項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)云平臺(tái),應(yīng)用架構(gòu)如圖 3 所示。
圖3 工程項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)
建設(shè)單位與各參建單位基于共同的信息系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)工程進(jìn)度、成本進(jìn)行動(dòng)態(tài)管控,對(duì)質(zhì)量、安全進(jìn)行閉環(huán)管理,實(shí)現(xiàn)貫穿工程建設(shè)全過(guò)程的合同和信息的管理,實(shí)時(shí)反映合同執(zhí)行情況,對(duì)工程建設(shè)過(guò)程中的所有文檔進(jìn)行集中管理,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息共享,提高項(xiàng)目協(xié)同管理效率,落實(shí)工程管理標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、信息化和透明化[9]。同時(shí),作為工程項(xiàng)目全生命周期的重要環(huán)節(jié),工程項(xiàng)目竣工后,通過(guò)工程項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)可快速向生產(chǎn)系統(tǒng)過(guò)渡,輔助工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)快速?zèng)Q算、固定資產(chǎn)轉(zhuǎn)移。
圍繞“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵要素,通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用,建立物聯(lián)網(wǎng)與統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),在人員出入、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施和位置部署實(shí)時(shí)感知設(shè)備,對(duì)施工過(guò)程中的重難點(diǎn)進(jìn)行感知覆蓋。搭建智慧監(jiān)管系統(tǒng)平臺(tái),對(duì)與工程現(xiàn)場(chǎng)安全和質(zhì)量管控相關(guān)的信息進(jìn)行采集、傳輸、處理、交換、分析,實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理,及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)存在的安全隱患,落實(shí)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)施工安全、質(zhì)量的實(shí)時(shí)化監(jiān)管[10],解決工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管難、責(zé)任落實(shí)不到位的問(wèn)題,防范工程事故風(fēng)險(xiǎn)。智慧監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖 4 所示。
圖4 智慧監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)
工程安全質(zhì)量監(jiān)管主要應(yīng)用如下:
1)工地現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)管。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)采集所有工區(qū)門(mén)禁出入、人臉識(shí)別、施工用電、環(huán)境監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)安全關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施(龍門(mén)吊、塔吊、施工電梯等)等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合技術(shù)規(guī)范及合同要求,進(jìn)行對(duì)比分析,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人員、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施等狀態(tài)的自動(dòng)預(yù)警與智能監(jiān)管。
2)視頻監(jiān)控畫(huà)面的自動(dòng)安全監(jiān)管?;跇?biāo)準(zhǔn)視頻接入?yún)f(xié)議,根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需要及預(yù)設(shè)的模型/算法,包括人臉識(shí)別、安全行為識(shí)別(如安全帽、反光衣、安全帶等)、禁區(qū)監(jiān)控(智能布防)等 AI 算法,自動(dòng)對(duì)工地內(nèi)視頻監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行快速高效的分析并給出有效提示,指引工作人員按照應(yīng)急預(yù)案有序處理,提升傳統(tǒng)依賴人工檢查視頻畫(huà)面的效率和效果。
3)安全體系的標(biāo)準(zhǔn)化管理。圍繞水利工程安全標(biāo)準(zhǔn)化體系對(duì)安全目標(biāo)職責(zé)、制度化管理、教育培訓(xùn)、現(xiàn)場(chǎng)管理、安全風(fēng)險(xiǎn)管控及隱患排查治理、應(yīng)急管理、事故管理和持續(xù)改進(jìn)等 8 項(xiàng)核心業(yè)務(wù),建立基于流程的安全管理子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管實(shí)時(shí)化、過(guò)程管理痕跡化、安全考核指標(biāo)化,落實(shí)工程建設(shè)過(guò)程安全管理的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化。
4)施工過(guò)程質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)管。建立從原材料(砂石料、混凝土、管片等主要材料)源頭開(kāi)始的過(guò)程監(jiān)管體系,通過(guò)源頭的報(bào)備、運(yùn)輸路徑的實(shí)時(shí)監(jiān)控、攪拌站的生產(chǎn)監(jiān)控及質(zhì)量檢測(cè)等多維度過(guò)程監(jiān)測(cè)與集中數(shù)據(jù)采集,利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行綜合分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題,防范工程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量的全過(guò)程可追溯,落實(shí)工程質(zhì)量責(zé)任。
利用 BIM,GIS 及大數(shù)據(jù)等技術(shù),搭建工程全生命周期 BIM + GIS 系統(tǒng)平臺(tái),規(guī)劃工程數(shù)據(jù)中心,編制統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、技術(shù)及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,建立數(shù)據(jù)資源池,匯聚工程建設(shè)全過(guò)程數(shù)據(jù),輔助工程建設(shè)管理決策,解決工程建設(shè)期過(guò)程數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理缺位的問(wèn)題[11]。工程全生命周期 BIM +GIS 系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖 5 所示。
圖5 工程全生命周期 BIM + GIS 系統(tǒng)應(yīng)用框架
輔助工程建設(shè)管理決策主要應(yīng)用包括:
1)建立“工程大腦”,匯聚工程全生命周期過(guò)程數(shù)據(jù)[8]7。當(dāng)前水利行業(yè)正大力推行建設(shè)基于 BIM的水利工程數(shù)據(jù)中心(數(shù)據(jù)資源池),要求集成匯聚工程全生命周期數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)工程全生命周期的數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、存儲(chǔ)、管理應(yīng)用,全面提升數(shù)據(jù)管理整體水平[12],建設(shè)“水利大腦”。針對(duì)珠三角工程建設(shè)和運(yùn)行管理,從工程各業(yè)務(wù)對(duì)水利數(shù)據(jù)資源的需求出發(fā),依據(jù)數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍和關(guān)聯(lián)關(guān)系,基于面向業(yè)務(wù)視圖建模、語(yǔ)義空間不一致的數(shù)據(jù)資源,建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),利用數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)、ETL 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等數(shù)據(jù)治理技術(shù),完成數(shù)據(jù)歸一化處理,搭建集中的數(shù)據(jù)資源池,建立數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、管理、分析、共享與服務(wù)體系,從而形成為工程決策支持服務(wù)的“工程大腦”。工程數(shù)據(jù)資源池架構(gòu)如圖 6 所示。
圖6 工程數(shù)據(jù)資源池架構(gòu)
2)BIM 輕量化應(yīng)用。BIM 模型是貫徹工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維全生命周期的可視化信息載體。基于 BIM 輕量化引擎技術(shù),通過(guò)提供滿足項(xiàng)目使用的多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具,建立 BIM 輕量化模型庫(kù),將各類(lèi) BIM 軟件創(chuàng)建的 BIM 模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化、輕量化的加密格式,確保信息數(shù)據(jù)的兼容性和安全性,不僅可以保留工程建設(shè)過(guò)程的幾何實(shí)體與屬性信息,消除信息利用阻礙,還可以在建設(shè)過(guò)程中不斷加載業(yè)務(wù)信息,從而實(shí)現(xiàn)“一套模型,全工程協(xié)同共享”的目標(biāo)。
3)工程現(xiàn)場(chǎng)可視化監(jiān)管?;?BIM 和 GIS 及視頻監(jiān)控等可視化技術(shù),在物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,進(jìn)行數(shù)據(jù)集成,實(shí)現(xiàn)對(duì)工地現(xiàn)場(chǎng)的可視化監(jiān)管。
4)工程建設(shè)管理決策支撐。以工程全局視角匯聚工程安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本等業(yè)務(wù)信息,以工程構(gòu)件對(duì)象視角服務(wù)于工程建設(shè)和運(yùn)行管理,為工程的可視化智能決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),輔助工程建設(shè)管理決策。
當(dāng)前,水利部已經(jīng)完成智慧水利頂層設(shè)計(jì)部署,先后發(fā)布了智慧工程建設(shè)相關(guān)指導(dǎo)意見(jiàn)及未來(lái)3 a 的行動(dòng)方案,并出臺(tái)《水利業(yè)務(wù)需求分析報(bào)告》和《智慧水利總體方案》。提出的智慧應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)與相應(yīng)解決方案,是對(duì)水利、交通及建筑等行業(yè)智慧應(yīng)用成果的有針對(duì)性的提煉,是施工單位的現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)項(xiàng)智慧應(yīng)用與建設(shè)單位建設(shè)監(jiān)管職能的有機(jī)融合,其在珠三角工程智慧建設(shè)中的實(shí)際應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了對(duì)珠三角工程 7 000 多名建設(shè)者實(shí)名管理、全線工區(qū)關(guān)鍵點(diǎn)視頻覆蓋、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施在線監(jiān)控、全流程在線審批及可視化數(shù)據(jù)分析等功能,落實(shí)了對(duì)工程建設(shè)管理各環(huán)節(jié)的精細(xì)化管理,保障了工程建設(shè)管理的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化,提升了工程建設(shè)管理效率,相關(guān)實(shí)踐成果已被納入水利部智慧水利優(yōu)秀應(yīng)用案例和典型解決方案推薦目錄,成為水利行業(yè)推廣應(yīng)用的示范解決方案。但是,目前還沒(méi)有一個(gè)水利工程真正實(shí)現(xiàn)貫穿工程全生命周期的智慧應(yīng)用,因此,下一步,應(yīng)在現(xiàn)有建設(shè)期智慧應(yīng)用基礎(chǔ)上,探索工程建設(shè)期與運(yùn)營(yíng)期智慧應(yīng)用貫通,尤其是發(fā)揮建設(shè)期工程過(guò)程數(shù)據(jù)的價(jià)值,真正為工程運(yùn)營(yíng)管理提供支撐,發(fā)揮工程效益。