新一代建造質(zhì)量安全管理發(fā)展研究

謝先啟，鄧?yán)?，肖銘釗，駱漢賓，房瑞偉

（1.江漢大學(xué)湖北（武漢）爆炸與爆破技術(shù)研究院，武漢 430056；2.武漢生態(tài)環(huán)境投資發(fā)展集團(tuán)有限公司，武漢 430023； 3.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，武漢 430074；4.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，武漢 430023； 5.清華大學(xué)土木工程系，北京 100084）

一、前言

“十三五”時(shí)期，建筑業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的支柱作用不斷增強(qiáng)，發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。工程施工是一個(gè)復(fù)雜的“人-機(jī)-環(huán)”系統(tǒng)工程，具有環(huán)境復(fù)雜、質(zhì)量安全管理難度大等特征，以人工智能（AI）、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等為代表的數(shù)字技術(shù)已逐步在工程建造過(guò)程中獲得應(yīng)用 [1]。2020年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13 個(gè)部門(mén)聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出，要以數(shù)字化、智能化升級(jí)為動(dòng)力，創(chuàng)新突破相關(guān)核心技術(shù)，加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)應(yīng)用，提升工程質(zhì)量安全水平。在工程建造產(chǎn)業(yè)中，以智能建造為主要手段、以技術(shù)創(chuàng)新為基礎(chǔ)支撐的新型建造方式積極推動(dòng)了建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí) [2]，促使全產(chǎn)業(yè)鏈的智能建造體系正在逐步成型；該體系覆蓋從研發(fā)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工裝配和運(yùn)營(yíng)的全過(guò)程，使產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)方式逐漸從粗放型、碎片化、勞動(dòng)密集型向精細(xì)型、集成化和技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變?？傊悄芙ㄔ旖桓兜牟粌H僅是實(shí)體的工程，而是實(shí)現(xiàn)了實(shí)物產(chǎn)品與數(shù)字產(chǎn)品相互融合的復(fù)合產(chǎn)品 [3]。

當(dāng)前，我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展多以粗放式發(fā)展為主，產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平無(wú)法滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的需求。建筑業(yè)工程質(zhì)量安全作為建筑業(yè)發(fā)展的重要方面，面臨諸多挑戰(zhàn)，如社會(huì)公眾對(duì)時(shí)有發(fā)生的特大安全事故反響強(qiáng)烈，工程建設(shè)安全形勢(shì)不容樂(lè)觀。在安全事故發(fā)生率和傷亡人數(shù)方面，建筑業(yè)僅低于交通運(yùn)輸業(yè)；與世界其他主要國(guó)家和地區(qū)相比，我國(guó)在建筑業(yè)事故中的死亡人數(shù)自2005 年以來(lái)始終位于前列，工程建設(shè)安全仍需不斷加強(qiáng) [4]。建設(shè)施工精細(xì)程度不足，房屋質(zhì)量問(wèn)題層出不窮，基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量還有較大提升空間，尤其是無(wú)障礙設(shè)施存在建設(shè)不到位、管理不健全等現(xiàn)象。無(wú)障礙設(shè)施在各種行業(yè)場(chǎng)所中的普及率僅有40%，使用者對(duì)無(wú)障礙設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的整體滿(mǎn)意度不高 [5]。建筑業(yè)勞動(dòng)力呈現(xiàn)老齡化趨勢(shì)且數(shù)量有所下降，建筑行業(yè)勞動(dòng)力短缺問(wèn)題突出。與制造業(yè)、服務(wù)業(yè)相比，建筑業(yè)工作條件差、薪酬吸引力低、從業(yè)穩(wěn)定性和認(rèn)同度低、勞動(dòng)權(quán)益侵害率高、職業(yè)危險(xiǎn)性高，導(dǎo)致建筑業(yè)新增就業(yè)人口占比逐年下降 [6]。因此，有必要開(kāi)展智能建造發(fā)展戰(zhàn)略研究，促進(jìn)建筑業(yè)工業(yè)化和信息化協(xié)同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)工程建造模式向集成化和精細(xì)型轉(zhuǎn)變。

當(dāng)前，基于數(shù)字孿生技術(shù)的建造質(zhì)量安全管理研究仍處于初步階段，相關(guān)研究集中在單一信息技術(shù)在特定質(zhì)量安全管理問(wèn)題中的應(yīng)用；多數(shù)僅停留在建筑信息建模（BIM）應(yīng)用 [7]、可視化視頻監(jiān)控 [8]等方面，尚未形成完善的理論體系，也未實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化、集成化、智慧化工地建設(shè)模式，關(guān)鍵技術(shù)瓶頸仍然存在。為此，本文分析當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)在建造質(zhì)量安全問(wèn)題上的研究現(xiàn)狀，總結(jié)發(fā)展瓶頸與應(yīng)用挑戰(zhàn)并提出發(fā)展建議，以期為工程質(zhì)量安全管理提供理論參考。

二、數(shù)字孿生技術(shù)在建造質(zhì)量安全管理中的應(yīng)用需求分析

（一）建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需要

數(shù)字孿生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)信息化發(fā)展的支撐技術(shù)，通過(guò)虛擬環(huán)境反復(fù)試錯(cuò)和優(yōu)化，完成高質(zhì)量的設(shè)計(jì)和施工成果并以此完成高品質(zhì)的建筑產(chǎn)品；在經(jīng)營(yíng)理念上，工程經(jīng)營(yíng)將逐步從傳統(tǒng)的以產(chǎn)品為主、服務(wù)為輔向偏重服務(wù)型產(chǎn)品過(guò)渡，催生出新的業(yè)態(tài)和服務(wù)內(nèi)容。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)建筑業(yè)科技創(chuàng)新起步較晚，亟需進(jìn)一步增加創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。重點(diǎn)發(fā)展和應(yīng)用以AI、數(shù)字技術(shù)為代表的科技創(chuàng)新成果，使其成為支持我國(guó)從“建造大國(guó)”向“建造強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要保障。

（二）建筑業(yè)智能建造技術(shù)發(fā)展的需要

智能建造在推動(dòng)工程建造技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)變革與創(chuàng)新的同時(shí)，也將在產(chǎn)品形態(tài)、建造方法、經(jīng)驗(yàn)理念、市場(chǎng)業(yè)態(tài)、行業(yè)規(guī)范等方面重構(gòu)建筑業(yè)。智能建造的興起，從根本上將質(zhì)量安全管理“被動(dòng)事后把關(guān)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)過(guò)程控制” [1,2]。智能建造模式下的質(zhì)量安全管理旨在構(gòu)建信息（虛擬）空間與物理（實(shí)體）空間之間的閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的質(zhì)量安全泛在感知、實(shí)時(shí)分析和智能控制。數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字空間內(nèi)綜合各學(xué)科知識(shí)，對(duì)物理實(shí)體建立起多維度的動(dòng)態(tài)虛擬模型，構(gòu)建與物理實(shí)體具有相同屬性、行為和規(guī)則的數(shù)字實(shí)體，被視為支撐智能建造的關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，采用AI、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)行模擬仿真，能夠加強(qiáng)知識(shí)推理、動(dòng)態(tài)傳感與自主決策，進(jìn)一步發(fā)展智能建造。

（三）工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)管理的需求

數(shù)字孿生技術(shù)是更好開(kāi)展建筑工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)管理的重要技術(shù)。建筑工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，需要大量數(shù)據(jù)支持才能診斷工程質(zhì)量安全狀態(tài)。數(shù)字孿生體可以通過(guò)物理反饋獲取外部數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間（近）實(shí)時(shí)地反映物理實(shí)體的真實(shí)狀態(tài) [9,10]。為此，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，數(shù)字化捕捉和復(fù)現(xiàn)工程現(xiàn)場(chǎng)人、機(jī)、料、環(huán)等實(shí)體狀態(tài)及其行動(dòng)軌跡，形成工程數(shù)字副本，便于信息在物理世界和數(shù)字世界之間的高效流動(dòng)；隨后通過(guò)算法分析、評(píng)價(jià)、診斷并預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全發(fā)展態(tài)勢(shì)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整與糾偏。

三、基于數(shù)字孿生技術(shù)的工程質(zhì)量安全管理研究現(xiàn)狀

數(shù)字孿生技術(shù)作為虛實(shí)之間的雙向映射，使二者實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)聯(lián)系，是與物理系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的數(shù)字化表達(dá) [11]。面向建造業(yè)工程質(zhì)量安全管理的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用，旨在實(shí)現(xiàn)整個(gè)建造過(guò)程的可控與可計(jì)算，基于先進(jìn)感知、仿真、計(jì)算等技術(shù)與方法，開(kāi)展實(shí)體工地質(zhì)量安全的數(shù)字化管控。基于數(shù)字孿生技術(shù)的工程質(zhì)量安全管理，關(guān)鍵技術(shù)主要有工程智能感知、計(jì)算與分析方法，工程數(shù)字孿生技術(shù)。

（一）工程智能感知、計(jì)算與分析方法的發(fā)展現(xiàn)狀

智能建造作為一種在新技術(shù)驅(qū)動(dòng)下涌現(xiàn)出來(lái)的建造模式，促使工程建造表現(xiàn)為以全面數(shù)字化為典型特征的新模式。智能建造一方面可實(shí)現(xiàn)從工程設(shè)計(jì)到工程運(yùn)營(yíng)的建造全過(guò)程數(shù)字化，另一方面可實(shí)現(xiàn)建造產(chǎn)品的數(shù)字化，并由此生成視頻、圖片、監(jiān)測(cè)、傳感等類(lèi)別的海量數(shù)據(jù)；對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，獲得有價(jià)值的信息和知識(shí)，從而進(jìn)一步提升建造質(zhì)量安全管理水平。

在工程智能感知方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)、第五代移動(dòng)通信（5G）、機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)的發(fā)展，可用工程數(shù)據(jù)規(guī)模不斷擴(kuò)大，為建造領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用提供了條件；先進(jìn)的傳感手段為工程建造質(zhì)量安全管理提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。構(gòu)建面向建造質(zhì)量安全管理的數(shù)字孿生需要海量數(shù)據(jù)支持，一方面在數(shù)字空間構(gòu)建多維、多尺度的虛擬模型需要清如建模對(duì)象屬性、狀態(tài)、行為、環(huán)境等數(shù)據(jù)，另一方面已構(gòu)建的虛擬模型仍然需要借助工程實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)更新模型。

在結(jié)構(gòu)本體的智能監(jiān)測(cè)方面，目前常用的高精度低功耗傳感技術(shù)主要包括壓電傳感、光纖傳感等，在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中均有應(yīng)用 [12,13]。壓電傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性高、傳感靈敏度高、制作成本低，因而易于鋪設(shè)在結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要用于施工現(xiàn)場(chǎng)等惡劣工程環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)；光纖傳感技術(shù)具有系統(tǒng)集成性高、測(cè)量精度高、損耗率小、性能穩(wěn)定、纖細(xì)輕巧、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，與結(jié)構(gòu)匹配度高，不易受電磁、溫度、腐蝕等條件影響，已在工程建造的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方面獲得廣泛應(yīng)用。

工程施工現(xiàn)場(chǎng)通常有大量工人和機(jī)械參與作業(yè)，傳統(tǒng)管理手段難以有效遏制不安全行為和不安全作業(yè)。AI技術(shù)可對(duì)相關(guān)作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)不安全作業(yè)行為施加干預(yù)；針對(duì)機(jī)械操作安全，分析視頻和圖像等傳感數(shù)據(jù)，對(duì)存在視覺(jué)盲區(qū)的機(jī)械作業(yè)進(jìn)行輔助指導(dǎo)。在研究工人行為和機(jī)械作業(yè)方面，已逐步采用傳感設(shè)備、圖像視頻等方式，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺(jué)等智能方法來(lái)識(shí)別某些類(lèi)別的不安全行為和作業(yè) [14]，但仍缺乏全面獲取各類(lèi)不安全行為和作業(yè)數(shù)據(jù)的技術(shù)體系。

工地施工現(xiàn)場(chǎng)的智能感知技術(shù)的應(yīng)用為建造質(zhì)量安全管理提供了良好基礎(chǔ)，更為重要的是對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的不安全知識(shí)進(jìn)行提煉，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析施工現(xiàn)場(chǎng)中的不安全狀態(tài)，找出潛在的風(fēng)險(xiǎn)孕育機(jī)制與規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全管理提供理論基礎(chǔ)。在施工現(xiàn)場(chǎng)安全狀態(tài)的感知分析方面，主要通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、語(yǔ)義分析等智能手段挖掘提煉相關(guān)安全知識(shí)，集中在針對(duì)單個(gè)目標(biāo)的識(shí)別和干預(yù)方面，而涉及多目標(biāo)的研究較少，致使提煉的知識(shí)處于相對(duì)零散的狀態(tài)，缺乏內(nèi)在的有機(jī)聯(lián)系（即缺乏質(zhì)量安全管理知識(shí)體系）。因此，亟需開(kāi)展針對(duì)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)施工環(huán)境的安全感知研究，從現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、方案中形成質(zhì)量安全管理風(fēng)險(xiǎn)體系和關(guān)聯(lián)規(guī)則；利用圖像、視頻等抽取施工現(xiàn)場(chǎng)的信息要素，對(duì)安全狀態(tài)進(jìn)行判斷、預(yù)警和干預(yù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析施工現(xiàn)場(chǎng)中的不安全行為模式與規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)安全管理提供技術(shù)保障。

（二）工程數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)主要運(yùn)用在工程建造項(xiàng)目的運(yùn)行維護(hù)階段。針對(duì)建筑工程，建立樓宇數(shù)字孿生模型，提供監(jiān)測(cè)樓宇能源和資源消耗的可視化平臺(tái)；針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施工程，如建立橋梁數(shù)字孿生模型，用于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁損傷、安全水平的評(píng)估和實(shí)時(shí)監(jiān)控，并開(kāi)展相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)工作 [15]。也有研究嘗試構(gòu)建面向施工階段的工程數(shù)字孿生模型以支持對(duì)應(yīng)的管理決策，如通過(guò)構(gòu)造數(shù)字孿生模型對(duì)筒倉(cāng)類(lèi)型、填充材料和位置等信息進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，對(duì)材料供應(yīng)流程進(jìn)行優(yōu)化，采取基于閾值的補(bǔ)貨策略從而避免施工現(xiàn)場(chǎng)的筒倉(cāng)耗盡。另有研究提出構(gòu)建面向個(gè)人的數(shù)字孿生模型，設(shè)計(jì)了信息驅(qū)動(dòng)認(rèn)知的個(gè)人數(shù)字孿生模型 [16]。

數(shù)字孿生模型的更新方式與頻率是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的核心問(wèn)題。為保證工程數(shù)字孿生模型能夠反映物理對(duì)象的真實(shí)狀態(tài)，需要對(duì)模型信息進(jìn)行更新。盡管手動(dòng)更新是最為直接的方式，但考慮到手動(dòng)更新費(fèi)時(shí)費(fèi)力，主要采用傳感器來(lái)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行模型更新。當(dāng)數(shù)據(jù)來(lái)源和種類(lèi)較多時(shí)，需要采取混合更新策略，如城市災(zāi)害數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)更新方式包括遙感、社會(huì)感知、眾包數(shù)據(jù)等。實(shí)時(shí)更新的方式不一定適合所有場(chǎng)景，在部分場(chǎng)景反而會(huì)造成資源浪費(fèi)，因此選擇模型數(shù)據(jù)更新方式需要綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素。

數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工程質(zhì)量安全管理決策具有重要價(jià)值。數(shù)字孿生已在建模、信息物理融合等方面取得了一定進(jìn)展，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目全要素物理和功能特性的數(shù)字化表達(dá)，使得傳統(tǒng)文件級(jí)數(shù)據(jù)管理轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮榫?xì)的構(gòu)件級(jí)數(shù)據(jù)管理。

（三）存在的不足

基于數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)的工程質(zhì)量安全管理研究仍存在一些不足之處。首先，現(xiàn)有工作僅在技術(shù)層面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況感知、數(shù)據(jù)建模等進(jìn)行了研究，尚停留在BIM應(yīng)用、可視化視頻監(jiān)控等方面，并未實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化、集成化、智慧化工地建設(shè)模式，也沒(méi)有形成質(zhì)量安全管控的成套體系。其次，面向智能化質(zhì)量管理的產(chǎn)品–組織–過(guò)程（POP）模型也存在數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)、追溯體系不完全，未引入用戶(hù)意見(jiàn)進(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)等一系列問(wèn)題。因此，有必要建立新一代智能質(zhì)量安全管理與控制體系，實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量安全在線(xiàn)感知、實(shí)時(shí)分析和智能控制；同時(shí)，在工程要素的語(yǔ)義化建模與映射，數(shù)字孿生模型動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交互的信息物理融合，物理實(shí)體、虛擬模型和服務(wù)系統(tǒng)一體化等方面，應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)。最后，數(shù)字模型精度與更新間隔之間的經(jīng)濟(jì)性有待深入研究。

四、新一代智能建造質(zhì)量安全管理與控制體系

為了進(jìn)行基于數(shù)字孿生技術(shù)的工程質(zhì)量安全管理研究現(xiàn)狀分析，本文以調(diào)查問(wèn)卷和訪談的形式，邀請(qǐng)了來(lái)自政府管理機(jī)構(gòu)（3.3%）、行業(yè)協(xié)會(huì)/學(xué)會(huì)（2.1%）、建設(shè)單位（20%）、設(shè)計(jì)企業(yè)（11%）、施工企業(yè)（60%）、監(jiān)理企業(yè)（3.6%）等100個(gè)單位參與調(diào)研，共回收問(wèn)卷420份。通過(guò)質(zhì)性研究，對(duì)回收的問(wèn)卷和訪談內(nèi)容進(jìn)行分析；同時(shí)借鑒美國(guó)、日本、新加坡、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑工程質(zhì)量安全管理體系，邀請(qǐng)具有智能建造、質(zhì)量安全、AI等領(lǐng)域研究背景的專(zhuān)家學(xué)者，對(duì)智能工程質(zhì)量安全管理與控制的發(fā)展格局及困境進(jìn)行探討；基于已有的POP模型、精益建造理論，5G、深度學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等技術(shù) [17]，形成了基于數(shù)字孿生技術(shù)的新一代智能建造質(zhì)量安全管理與控制體系。

新一代工程智能建造質(zhì)量安全管理與控制體系（見(jiàn)圖1），利用數(shù)字孿生技術(shù)將“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等工程要素虛擬化和參數(shù)化，利用智能算法實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)及工程質(zhì)量安全狀態(tài)智能感知與分析；據(jù)此進(jìn)行工程質(zhì)量安全治理與動(dòng)態(tài)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與平臺(tái)之間、平臺(tái)與設(shè)備之間的智能互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)面向施工質(zhì)量安全的建造過(guò)程泛在感知、實(shí)時(shí)分析和智能控制。

圖1 新一代工程智能建造質(zhì)量安全管理與控制體系

（一）面向質(zhì)量安全控制的產(chǎn)品智能設(shè)計(jì)

1.以質(zhì)量安全為導(dǎo)向的智能設(shè)計(jì)

運(yùn)用項(xiàng)目外部環(huán)境的數(shù)字孿生參數(shù)模型和設(shè)計(jì)方案庫(kù)數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶(hù)需求及偏好，結(jié)合項(xiàng)目特征、地理位置、地質(zhì)情況、容積率等參數(shù)，針對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量與安全管理目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)智能建造設(shè)計(jì)，自動(dòng)推算出符合要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。

2.用戶(hù)有效參與設(shè)計(jì)

技術(shù)發(fā)展促進(jìn)了創(chuàng)新形態(tài)轉(zhuǎn)變，現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)理念更加重視以用戶(hù)為中心。用戶(hù)體驗(yàn)是用戶(hù)對(duì)期望使用的產(chǎn)品、系統(tǒng)或服務(wù)的認(rèn)知印象和回應(yīng)，包括情感、信仰、喜好、認(rèn)知等方面。傳統(tǒng)工程質(zhì)量安全管理以滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程為目標(biāo)，用戶(hù)較少參與；在新技術(shù)條件下，應(yīng)將用戶(hù)使用體驗(yàn)作為檢驗(yàn)工程產(chǎn)品質(zhì)量可靠度的最終目標(biāo)，這將是企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。同時(shí)，將持續(xù)改進(jìn)質(zhì)量管理的理念融入到前端設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，充分考慮后續(xù)施工與使用環(huán)節(jié)的便利性和可靠性；將用戶(hù)意見(jiàn)、反饋與需求納入設(shè)計(jì)需求，面向用戶(hù)需求提供定制化的工程服務(wù)，為用戶(hù)提供高質(zhì)量的產(chǎn)品。

3.產(chǎn)品質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)

基于數(shù)字孿生技術(shù)條件，在工程建設(shè)之前，運(yùn)用仿真鏡像，通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真出完整的數(shù)字檔案，包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能、材料、工藝流程等，實(shí)現(xiàn)工程安全質(zhì)量追溯；在工程進(jìn)行過(guò)程中，通過(guò)傳感與監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體與虛體之間的相互投射與校核，捕捉工程偏差并進(jìn)行及時(shí)糾偏；積累大量工程質(zhì)量安全問(wèn)題數(shù)據(jù)，形成質(zhì)量安全通病庫(kù)，對(duì)特定的工程建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并在虛擬條件下進(jìn)行調(diào)整與驗(yàn)證，根據(jù)工程建設(shè)進(jìn)展進(jìn)行持續(xù)的質(zhì)量改進(jìn)。

（二）工程質(zhì)量安全狀態(tài)智能感知與分析

1.面向工地安全的工程物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)布局

從“人–機(jī)–環(huán)”安全狀態(tài)相互作用機(jī)理出發(fā)，在施工現(xiàn)場(chǎng)布置面向工程質(zhì)量安全監(jiān)控傳感器，如視頻監(jiān)控、定位傳感器、位移傳感器等；集成5G、傳感網(wǎng)、云邊協(xié)同計(jì)算方法，建立基于5G 的智能工地安全物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程實(shí)體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.工地泛場(chǎng)景下的施工安全狀態(tài)智能感知與計(jì)算方法

利用機(jī)器視覺(jué)、傳感器、深度學(xué)習(xí)等智能感知技術(shù)，采集施工過(guò)程中人的工作狀態(tài)與位置、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行軌跡、場(chǎng)景環(huán)境狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提取施工現(xiàn)場(chǎng)中“人–機(jī)–環(huán)”風(fēng)險(xiǎn)要素，識(shí)別人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)工程中可能產(chǎn)生的質(zhì)量安全問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)與干預(yù)。

3.面向質(zhì)量安全的工程數(shù)字孿生語(yǔ)義建模

分析主要工程要素?cái)?shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化語(yǔ)義表征，將數(shù)據(jù)中包含的語(yǔ)義特征進(jìn)行分類(lèi)和結(jié)構(gòu)化編碼，以便進(jìn)一步的數(shù)據(jù)利用；將點(diǎn)云、圖像、文本等不同類(lèi)型的工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為跨模態(tài)的工程數(shù)字孿生動(dòng)態(tài)模型，將離散的圖像與點(diǎn)云代表的幾何信息通過(guò)規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)義信息與自然描述語(yǔ)言相連接。通過(guò)從現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)圖像到數(shù)字語(yǔ)義表征的自動(dòng)識(shí)別與轉(zhuǎn)化，提高數(shù)據(jù)的可交互性與可操作性。

（三）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工程質(zhì)量安全控制

基于工程數(shù)字孿生語(yǔ)義模型，通過(guò)工程虛體模型對(duì)工程實(shí)體模型進(jìn)行質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、預(yù)測(cè)與控制，可以實(shí)現(xiàn)工程虛體和工程實(shí)體之間的映射與深度交互?，F(xiàn)場(chǎng)施工是一個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)的過(guò)程，通過(guò)建立面向工程施工質(zhì)量安全控制的數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)集成管理，模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的工人、機(jī)械設(shè)備、環(huán)境等可能出現(xiàn)的不安全情況，分析引起工程質(zhì)量安全的機(jī)理；從工人不安全行為、機(jī)械不安全狀態(tài)、工程結(jié)構(gòu)安全3個(gè)維度，開(kāi)展數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全管理控制。

（四）工程質(zhì)量治理與動(dòng)態(tài)監(jiān)管

1.基于區(qū)塊鏈的工程質(zhì)量可信大數(shù)據(jù)

在數(shù)字孿生環(huán)境下，構(gòu)建覆蓋建筑業(yè)的工程質(zhì)量安全信息可信管理體系與平臺(tái)，一致可靠地記錄海量數(shù)據(jù)與信息。通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集和有效的信息整合，提升工程質(zhì)量安全監(jiān)管的針對(duì)性和有效性；通過(guò)建立數(shù)據(jù)的集體維護(hù)和共治機(jī)制，確保工程質(zhì)量安全信息的公開(kāi)、透明、不可篡改，進(jìn)而形成工程質(zhì)量安全監(jiān)管的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、豐富行業(yè)治理能力的手段。真實(shí)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，保障了建筑產(chǎn)品在全員、全構(gòu)件、全過(guò)程的質(zhì)量可監(jiān)管和可追溯，強(qiáng)化了工程質(zhì)量安全責(zé)任事故的追責(zé)能力，支撐工程質(zhì)量終身責(zé)任制的落實(shí)，進(jìn)一步提升工程安全治理效能。

2.基于誠(chéng)信的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

在數(shù)據(jù)公開(kāi)、透明的條件下，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)產(chǎn)生的各類(lèi)工程質(zhì)量安全動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)自動(dòng)化整理與分類(lèi)，形成責(zé)任主體誠(chéng)信行為數(shù)據(jù)集，更好接受來(lái)自社會(huì)、政府機(jī)構(gòu)、相關(guān)利益主體的監(jiān)督。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)，建立基于數(shù)據(jù)，具備科學(xué)性、可比性和可操作性的誠(chéng)信動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)體系，改善傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的主觀性和滯后性；對(duì)市場(chǎng)主體的誠(chéng)信狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算與排序，激發(fā)工程質(zhì)量安全責(zé)任主體與個(gè)人的能動(dòng)性，形成全社會(huì)廣泛參與、基于誠(chéng)信動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的建筑市場(chǎng)運(yùn)作機(jī)制，保證工程建造的質(zhì)量與安全。

3.基于質(zhì)量的激勵(lì)機(jī)制

在公開(kāi)透明的工程質(zhì)量安全數(shù)據(jù)管理體系以及涵蓋相應(yīng)責(zé)任主體、崗位、個(gè)人的誠(chéng)信動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)體系基礎(chǔ)上，運(yùn)用基于質(zhì)量的激勵(lì)機(jī)制可以激發(fā)建筑業(yè)參與主體在提升質(zhì)量安全水平與績(jī)效方面的積極性。由政府主導(dǎo)形成基于最高誠(chéng)信評(píng)價(jià)的評(píng)標(biāo)機(jī)制，推動(dòng)實(shí)施基于工程質(zhì)量安全的獎(jiǎng)勵(lì)制度，使得誠(chéng)信評(píng)價(jià)越高、質(zhì)量安全表現(xiàn)越突出的主體能夠獲得更多收益。此外，在工程項(xiàng)目平臺(tái)交易的場(chǎng)景下，采用基于主體動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的合作推薦機(jī)制，使工程質(zhì)量安全績(jī)效良好的建筑市場(chǎng)參與主體獲得更多的交易推薦機(jī)會(huì)。

五、新一代建造安全管理與控制體系發(fā)展建議

（一）管理方面

1.構(gòu)建開(kāi)放共享的工程建造質(zhì)量安全信息環(huán)境

工程建造質(zhì)量安全管理應(yīng)建立在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，包括市政設(shè)施、企業(yè)經(jīng)營(yíng)等相關(guān)數(shù)據(jù)。構(gòu)建開(kāi)放、數(shù)據(jù)共享的工程建造質(zhì)量安全信息環(huán)境，打破部門(mén)之間的數(shù)據(jù)壁壘，為工程質(zhì)量安全信息的調(diào)取、分析與決策提供充分便利。整合多源異構(gòu)信息，規(guī)范信息的存儲(chǔ)與表達(dá)，推動(dòng)數(shù)據(jù)共享，為信息化、數(shù)字化、智能化建造提供關(guān)鍵的基礎(chǔ)支撐。

2.建立透明的工程建造質(zhì)量安全信用體系

工程建造質(zhì)量安全事關(guān)國(guó)計(jì)民生，數(shù)字孿生技術(shù)打通了物理實(shí)景信息與數(shù)字虛擬場(chǎng)景之間的界限，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也逐漸由封閉向開(kāi)放轉(zhuǎn)變。在新技術(shù)背景下，工程建設(shè)質(zhì)量安全的責(zé)任主體也應(yīng)建立健全工程建造質(zhì)量安全信用體系，通過(guò)信用檔案建設(shè)，將企業(yè)乃至個(gè)人與工程深度連接，形成責(zé)任信息鏈，促進(jìn)企業(yè)內(nèi)部及個(gè)人對(duì)工程建造質(zhì)量的管理。

3.打通建設(shè)管理業(yè)務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

將智能化的工程質(zhì)量安全管控技術(shù)應(yīng)用于相關(guān)管理部門(mén)的實(shí)際監(jiān)管流程，保證信息及時(shí)性，減少人為操作。如在施工階段，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與導(dǎo)入、質(zhì)量數(shù)據(jù)智能分析與業(yè)務(wù)流程審批，將虛擬模型代表的設(shè)計(jì)參數(shù)與施工產(chǎn)品代表的工程現(xiàn)狀進(jìn)行多尺度的符合性校驗(yàn)；在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行同步驗(yàn)收，自動(dòng)形成施工驗(yàn)收資料。運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)聯(lián)通虛擬與現(xiàn)實(shí)，將施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與管理平臺(tái)管理模塊對(duì)接，減少重復(fù)手工勞動(dòng)及中間環(huán)節(jié)，支持工程項(xiàng)目管理的提質(zhì)增效。

（二）技術(shù)方面

1.可操作性強(qiáng)的遠(yuǎn)程人機(jī)交互

數(shù)字孿生技術(shù)強(qiáng)調(diào)物理對(duì)象與虛擬對(duì)象之間的交互，可將目標(biāo)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)、機(jī)理、運(yùn)行流程、狀態(tài)、健康情況、變化趨勢(shì)等狀態(tài)動(dòng)態(tài)映射到虛擬空間，使管理者與虛擬體之間可以沉浸式交互；與通信技術(shù)深度結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，如可視化在線(xiàn)質(zhì)量安全診斷、三維作業(yè)指導(dǎo)等，在新型冠狀病毒肺炎疫情背景下可減少工程現(xiàn)場(chǎng)大量人員聚集帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.集成數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施

借助數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行集成和數(shù)字化呈現(xiàn)，支持構(gòu)建數(shù)字城市，實(shí)現(xiàn)城市管理智能化和運(yùn)行有序化?？蓱?yīng)用激光掃描、傾斜攝影、三維信息建模等技術(shù)，建立完整精確的城市建筑結(jié)構(gòu)群、市政道路網(wǎng)、地下管網(wǎng)等模型。以地下管網(wǎng)為例，通過(guò)掃描得到模型部件的位置、尺寸和走向，錄入管線(xiàn)的圖形、屬性、連接頭等信息，建立地下管網(wǎng)的可視化系統(tǒng)。通過(guò)虛擬空間和城市實(shí)體的聯(lián)動(dòng)，指引和優(yōu)化物理城市的交通管控、設(shè)施運(yùn)維、生態(tài)環(huán)境建設(shè)，協(xié)助處理突發(fā)事件及緊急情況，助力智能化、數(shù)字化城市建設(shè)。

3.深度結(jié)合平行系統(tǒng)

平行系統(tǒng)和數(shù)字孿生技術(shù)是伴隨著AI和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，皆通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，與物理實(shí)體構(gòu)建出虛擬系統(tǒng)并對(duì)此進(jìn)行試驗(yàn)、分析、解析和優(yōu)化。工程建造中的數(shù)字孿生建模，對(duì)開(kāi)放環(huán)境的考慮較少，與環(huán)境單向交互的特點(diǎn)導(dǎo)致其對(duì)環(huán)境的感知落后于環(huán)境變化。而在平行系統(tǒng)中，通過(guò)應(yīng)用智能體等方式將人員和環(huán)境在人工系統(tǒng)中進(jìn)行建模，以實(shí)際系統(tǒng)在人工系統(tǒng)中的映射作為內(nèi)在認(rèn)知過(guò)程，不斷改變內(nèi)在認(rèn)知信息以對(duì)社會(huì)環(huán)境產(chǎn)生反饋。建筑業(yè)領(lǐng)域除了應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行實(shí)景仿真外，還需集成人員、機(jī)具、材料、方法、環(huán)境等多維信息，特別是人員行為對(duì)工程質(zhì)量安全狀態(tài)的影響；通過(guò)對(duì)參建個(gè)體特征、行為、交互機(jī)制的全面準(zhǔn)確描述，構(gòu)建整體復(fù)雜系統(tǒng)模型，研究復(fù)雜系統(tǒng)的演變規(guī)律，指導(dǎo)建筑建造過(guò)程。

（三）標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范方面

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)是規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的模型語(yǔ)言表達(dá)。在數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，統(tǒng)一的建模語(yǔ)言和方法至關(guān)重要。通過(guò)使用UML、SYSML等建模語(yǔ)言，建立面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)、模型驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的方法體系，將反映現(xiàn)實(shí)需求的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為抽象模型。相較于通過(guò)簡(jiǎn)單代碼堆疊構(gòu)建的系統(tǒng)，抽象模型的集成性、交互性和擴(kuò)展性均得到提升，顯著提高了工作效率。

有關(guān)數(shù)字孿生技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織自動(dòng)化系統(tǒng)與集成技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC184）正在研究制定數(shù)字孿生構(gòu)建原則、參考架構(gòu)、物理制造元素的數(shù)字表示、可視化元素等的標(biāo)準(zhǔn)；信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)數(shù)字孿生咨詢(xún)組（ISO/IEC）在數(shù)字孿生術(shù)語(yǔ)、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)需求、關(guān)鍵技術(shù)、參考模型等方面開(kāi)展了研究。這些標(biāo)準(zhǔn)雖然還未發(fā)布，但我國(guó)需要更多參與數(shù)字孿生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定，立足國(guó)情發(fā)布指導(dǎo)意見(jiàn)和規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)通用的數(shù)字孿生模型將進(jìn)一步提升質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)因素的自動(dòng)識(shí)別與情景匹配的能力，改善現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全的管理效率。

六、結(jié)語(yǔ)

隨著5G、深度學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等技術(shù)的發(fā)展，智能基礎(chǔ)設(shè)施可在更廣范圍和更深層次上進(jìn)行信息的物理交互，支持形成快速、高效、密集聯(lián)結(jié)的“物聯(lián)社會(huì)”。當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)在智能建造領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，重要原因在于關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破、數(shù)據(jù)收集與處理不夠完備、學(xué)科融合難度較大、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟。今后，數(shù)字孿生技術(shù)在建筑業(yè)的落地發(fā)展還需與質(zhì)量安全管理實(shí)際需求相結(jié)合，探索數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景及應(yīng)用實(shí)踐，促進(jìn)建筑業(yè)管理模式的改進(jìn)升級(jí)。

數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)、電子信息產(chǎn)業(yè)得到了深入研究，隨著數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及傳感技術(shù)的日益成熟，對(duì)于建筑物理實(shí)體的精確全面感知、數(shù)字工程設(shè)施精確復(fù)現(xiàn)、基于AI和邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)快速分析處理與可視化呈現(xiàn)，將是數(shù)字孿生技術(shù)未來(lái)重點(diǎn)研究與發(fā)展的方向。在智能建造需求的驅(qū)動(dòng)下，數(shù)字孿生技術(shù)在建筑業(yè)中的應(yīng)用前景良好；基于全要素、全過(guò)程視角，以智能建造為基礎(chǔ)，以智慧城市為目標(biāo)，充分體現(xiàn)創(chuàng)新是我國(guó)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。