智慧工地在大型交通樞紐項目中的應(yīng)用

高 瑞，武樂佳，劉渝琳，劉占省，彭小文，楊昌輝

(1.中鐵建工集團(tuán)第一建設(shè)有限公司，北京 100070； 2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；3.中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510610)

0 引言

智慧工地充分利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、三維掃描、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，對工地簡單粗暴的管理模式進(jìn)行變革，為施工企業(yè)提供系統(tǒng)的工地管理解決方案[1]。近年來多位學(xué)者對智慧工地的管理方法及應(yīng)用展開研究，王靈子等[2-4]提出智慧建造的內(nèi)涵特征，并設(shè)計包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的系統(tǒng)架構(gòu)。徐友全等[5-6]提出基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地總體框架體系，總結(jié)基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地安全管控體系架構(gòu)。鹿煥然[7]在控制論與集成管理理論的支撐下進(jìn)行智慧工地設(shè)計，并通過案例評價智慧工地管理效果。上述文章都搭建了智慧工地架構(gòu)，從不同側(cè)重點研究智慧工地的應(yīng)用，本文結(jié)合大型鐵路、地鐵綜合交通樞紐項目，運用BIM，5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，從人、機(jī)、料、法、環(huán)施工管理要素出發(fā)，搭建基于信息技術(shù)的智慧工地系統(tǒng)，并對應(yīng)用展開研究。

1 工程概況

新建常德-益陽-長沙鐵路位于湖南省西北部，是渝長廈通道與呼南通道的重要組成部分，具有構(gòu)建川渝至湘贛閩地區(qū)高速鐵路主通道，華北、中原、鄂西至華南地區(qū)高速鐵路主通道的地位。新建長沙西站位于長沙市西北部，是常益長鐵路的重要組成部分，是長株潭城際鐵路西延線終點站，項目效果如圖1所示。站房中心里程為DK156+710.306—DK157+160.306，位于長沙市望城區(qū)南部金山橋街道和黃金園街道交界處，為長沙交通樞紐“三主五輔”主要客站。

圖1 項目效果

長沙西站站臺規(guī)模為12臺22線，其中常益長高鐵場6臺11線，長株潭城際場6臺11線(本次僅實施3臺6線，3臺5線預(yù)留站臺工程)，其中站臺長450m，站臺寬12～18m。兩側(cè)分別設(shè)置綜合監(jiān)控與消防控制室、辦公會議設(shè)備用房，辦公區(qū)與設(shè)備區(qū)分開獨立設(shè)置。

2 問題分析

2.1 重難點分析

1)工期緊張，施工任務(wù)重

本工程單體施工面積達(dá)40萬m2，自2021年8月7日開工，工期緊張、施工任務(wù)重。同時，施工過程中需與長沙西站站前標(biāo)段交叉施工，相互制約，對工期影響較大。

2)信息化、智能化要求高

本項目功能組成齊全，專業(yè)類型、系統(tǒng)多，信息化、智能化管理要求高，信息化先進(jìn)、安全、實用、簡便的要求對建設(shè)和管理智能化提出挑戰(zhàn)。

3)施工過程安全風(fēng)險高

本工程體量大、作業(yè)人員多、交叉作業(yè)多、大型機(jī)械設(shè)備多，且全程鄰近運營線，施工過程安全風(fēng)險高。如何利用智能化技術(shù)和方法對施工安全風(fēng)險因素進(jìn)行分析、預(yù)測、控制，是本項目一大難點。

4)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高、創(chuàng)優(yōu)目標(biāo)要求高

本工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高、創(chuàng)優(yōu)目標(biāo)要求高，對項目管理提出更高標(biāo)準(zhǔn)。另外，目前疫情防控仍不能放松，需加強(qiáng)管理現(xiàn)場人員和環(huán)境。

2.2 解決思路

通過分析項目重難點可知，施工管理難度大。傳統(tǒng)管理方法存在效率低、安全風(fēng)險判斷依賴人員經(jīng)驗、智能化程度低等問題，難以在保證質(zhì)量的前提下如期完工。因此，結(jié)合信息技術(shù)與BIM，形成智慧工地管理平臺，進(jìn)行智能化管理。通過搭建5G基站、5G專屬移動網(wǎng)絡(luò)，采用基于5G的BIM+智慧工地管理平臺，進(jìn)行項目整體智慧建造協(xié)同管理，以BIM模型為基礎(chǔ)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)關(guān)聯(lián)模型與現(xiàn)場，實現(xiàn)基于BIM模型的全業(yè)務(wù)數(shù)字化管理模式[8-9]?；贐IM、物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、5G傳輸網(wǎng)絡(luò)形成智慧工地平臺架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 智慧工地平臺架構(gòu)

感知層是基礎(chǔ)，用于數(shù)據(jù)采集，為整個系統(tǒng)提供牢靠的信息保障，包括基于物聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備、施工機(jī)器人、無人機(jī)等傳感設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層用于數(shù)據(jù)傳輸，在智慧工地系統(tǒng)中起橋梁作用，采用5G基站，搭設(shè)5G專屬移動網(wǎng)絡(luò)，5G和WIFI信號的全覆蓋可保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸。數(shù)據(jù)層包括BIM模型數(shù)據(jù)、有限元模型數(shù)據(jù)、三維掃描模型數(shù)據(jù)，以及工程數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)，形成完整并持續(xù)更新的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，便于實時應(yīng)用與監(jiān)管。算法層是智慧工地大腦所在，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出預(yù)測、指示，為不同任務(wù)提供解決方案。平臺層是從施工管理人、機(jī)、料、法、環(huán)出發(fā)，針對質(zhì)量、安全形成有效的管理模塊，管理人員可在客戶終端直接進(jìn)行管理操作。

智慧工地以人員、機(jī)械設(shè)備、物資材料、工藝工法、周圍環(huán)境作為主控要素，以安全生產(chǎn)管理作為重要工作對象，通過數(shù)字化終端進(jìn)行監(jiān)控管理。智慧工地結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、VR、AR、5G等技術(shù)，為項目管理提供技術(shù)手段，以構(gòu)建工地智能監(jiān)控和控制體系，變被動監(jiān)管為主動監(jiān)管，實現(xiàn)對人、機(jī)、料、法、環(huán)的全方位實時監(jiān)控。根據(jù)各環(huán)節(jié)的實時狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)險管控，為管理人員在風(fēng)險程度失控時提供決策建議和技術(shù)支持。

2.3 智慧工地平臺模塊設(shè)計

智慧工地平臺模塊設(shè)計主要根據(jù)管理對象、管理目標(biāo)、管理方法建立，對施工現(xiàn)場管理對象進(jìn)行梳理，由人、機(jī)、料、法、環(huán)施工現(xiàn)場管理要素，安全、進(jìn)度、質(zhì)量、成本方面構(gòu)成。管理目標(biāo)是對管理對象的預(yù)期管理效果，應(yīng)用智慧工地是實現(xiàn)智能感知-輔助決策-持續(xù)應(yīng)用-形成資產(chǎn)系統(tǒng)。智慧工地主要借助結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、人工智能和算法的智能監(jiān)控及控制體系-行管理。經(jīng)過分析，將智慧工地平臺設(shè)計為人員管理模塊、視頻監(jiān)控模塊、施工環(huán)境管理模塊、車輛管理模塊、安全管理模塊、質(zhì)量管理模塊、監(jiān)測系統(tǒng)模塊，如圖3所示。

圖3 智慧工地平臺模塊設(shè)計

3 智慧工地的應(yīng)用

3.1 人員管理模塊

施工現(xiàn)場人員管理可規(guī)避用工風(fēng)險，保障人員合法權(quán)益，實現(xiàn)對現(xiàn)場人員的高效管理，在智慧工地平臺上直接顯示勞務(wù)人員每日統(tǒng)計信息，如在場人數(shù)、工種、年齡及單位情況、人員進(jìn)出場情況、人員健康碼狀態(tài)等。使用現(xiàn)場實名制通道，不僅可準(zhǔn)確查看考勤情況，還可對接上級單位平臺及相關(guān)政府監(jiān)管部門管理平臺。在施工現(xiàn)場出入口安裝紅外線體溫監(jiān)視系統(tǒng)，實時監(jiān)測進(jìn)出場人員體溫，對體溫異常的人員給予實時報警提示，有效防止體溫異常人員進(jìn)入現(xiàn)場，對生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生影響。對于高危工種所在的關(guān)鍵崗位，布置健康監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集關(guān)鍵崗位人員的運動步數(shù)、心率、血壓等信息，并將健康監(jiān)測歷史記錄儲存在平臺中，便于回溯。一旦檢測出施工人員的心率、血壓、體溫異常，可按健康監(jiān)測系統(tǒng)中的SOS鍵啟動一鍵報警功能。此外，人員管理模塊包含人員安全教育功能，可啟動在線培訓(xùn)教育課程，并進(jìn)行相應(yīng)在線考試。在智慧工地中，人員安全培訓(xùn)可使用VR設(shè)備進(jìn)行體驗式教育和多人協(xié)同。對于在線考試考核不合格人員，將自動關(guān)聯(lián)實名制閘機(jī)嚴(yán)禁入場，以對現(xiàn)場人員進(jìn)行實際有效的安全教育。

3.2 基于AI的視頻監(jiān)控模塊

AI(人工智能)技術(shù)憑借人臉識別、圖像識別功能，在智慧工地系統(tǒng)中發(fā)揮優(yōu)勢。AI技術(shù)包括圖像識別、語言識別、機(jī)器人等功能，除模擬人類思考，還具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力[5，10]。將AI引入智慧工地，利用人臉識別功能可加強(qiáng)現(xiàn)場人員管控能力，利用圖像識別、可輔助施工質(zhì)量驗收、管理現(xiàn)場車輛等。利用AI技術(shù)可設(shè)置全面的視頻監(jiān)控模塊，包括安全帽識別、反光衣識別、安全帶識別、無感考勤、區(qū)域入侵識別、人員徘徊檢測、人員聚集檢測、人員摔倒檢測、吸煙識別、人員在崗檢測、煙霧識別、疲勞識別、明火識別等功能。在重點管控區(qū)域布設(shè)攝像頭，可實現(xiàn)監(jiān)控畫面實時查看、歷史回放、定時抓拍，增加智慧AI分析功能，可實現(xiàn)違規(guī)行為快速識別、反饋、預(yù)警，實現(xiàn)人員、設(shè)備、物資、安全等全方位監(jiān)管，有效提升信息化管理水平。

3.3 施工環(huán)境管理模塊

為實現(xiàn)建筑施工中四節(jié)一環(huán)保的目標(biāo)，應(yīng)在智慧工地平臺引入施工環(huán)境管理模塊。該模塊利用溫濕度傳感器、噪聲傳感器等采集現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)、信息管理技術(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測和管理。選擇智能算法處理檢測數(shù)據(jù)，可預(yù)測現(xiàn)場環(huán)境發(fā)展趨勢，進(jìn)而提前進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場水電、揚塵、噪聲等因素的智能化管控。該模塊采用能耗自動監(jiān)測控制系統(tǒng)，可自動采集、記錄，并通過報表分析能源消耗，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時，可遠(yuǎn)程進(jìn)行開關(guān)或定時啟停。

3.4 車輛管理模塊

施工現(xiàn)場人員通過面部識別進(jìn)出，施工現(xiàn)場來往車輛種類繁多，在智慧工地平臺車輛管理模塊中將入場車輛進(jìn)行分類，如將車輛劃分為常駐車輛、來訪車輛、黑名單車輛，對不同車輛采取不同管控方式。通過智慧工地車輛管理模塊可追蹤進(jìn)場車輛軌跡信息，有效掌握車輛進(jìn)出場時間、車牌、車輛類型、歸屬單位、影像等信息，進(jìn)而掌握車輛定位、工作狀態(tài)，實現(xiàn)對車輛的遠(yuǎn)程調(diào)度、安全管控，對車輛違規(guī)行為進(jìn)行抓拍及報警，有效提高車輛管理效率。

3.5 安全管理模塊

規(guī)模較大、工程復(fù)雜的項目存在大量交叉作業(yè)，增大現(xiàn)場安全隱患，導(dǎo)致安全事故時有發(fā)生。因此在智慧工地平臺中設(shè)立安全管理模塊，以統(tǒng)籌系統(tǒng)管理現(xiàn)場安全情況。除人員安全外，現(xiàn)場安全管理包括設(shè)備安全、重大危險源監(jiān)測、群塔防碰撞、電路火災(zāi)安全等內(nèi)容。針對具體安全管理內(nèi)容，應(yīng)匹配相應(yīng)的安全管理方式，并建立分級預(yù)警、解決機(jī)制，實現(xiàn)對建筑工地全方位安全監(jiān)督。將BIM、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等信息技術(shù)融合到智慧工地平臺，使用傳感器采集數(shù)據(jù)并實時上傳至智慧工地平臺，進(jìn)而進(jìn)行監(jiān)管和調(diào)控，及時控制安全隱患。

3.6 質(zhì)量管理模塊

本項目建立智慧工地質(zhì)量管理模塊，有效提升質(zhì)量管理水平。利用信息化技術(shù)采集現(xiàn)場質(zhì)量數(shù)據(jù)，并上傳至云平臺實測實量系統(tǒng)。管理人員可使用PC端或移動端查看質(zhì)量問題數(shù)據(jù)的圖表分析結(jié)果，便于及時整改、驗收，也方便問題統(tǒng)計和一鍵查詢。相關(guān)管理人員要掌握質(zhì)量管理模塊的操作內(nèi)容，以保證質(zhì)量檢查結(jié)果準(zhǔn)確無誤。整改質(zhì)量問題時，可直接在現(xiàn)場照片中標(biāo)注質(zhì)量不合格的位置，提高工作效率。平臺質(zhì)量管理模塊主頁會實時顯示質(zhì)量巡檢、質(zhì)量驗收統(tǒng)計信息，滾動顯示最新記錄。在施工現(xiàn)場隨時發(fā)現(xiàn)問題都可在手機(jī)APP端隨拍上傳，同時，質(zhì)量巡檢、驗收、整改等功能也可一并在APP端操作，為質(zhì)量管理提供便利。

3.7 監(jiān)測系統(tǒng)模塊

在智慧工地平臺建立獨立的監(jiān)測系統(tǒng)模塊，管理安全質(zhì)量問題。本項目重點監(jiān)測對象有塔式起重機(jī)、卸料平臺、高支模、深基坑、臨邊防護(hù)、智能安全帶、高強(qiáng)螺栓等。將監(jiān)管放入智慧工地平臺系統(tǒng)，可做到實時監(jiān)控，及時排查安全隱患，確保設(shè)備正常運行。智慧工地監(jiān)測系統(tǒng)模塊如下：①塔式起重機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng) 對碰撞、超載傾覆、小車限位制動、運行黑匣子、吊鉤可視化、塔式起重機(jī)司機(jī)驗證、塔式起重機(jī)工效大數(shù)據(jù)等進(jìn)行實時監(jiān)控、分析，并及時給出預(yù)警，確保塔式起重機(jī)安全運行；②卸料平臺安全監(jiān)測系統(tǒng) 將卸料平臺主鋼絲繩安裝測力傳感器，經(jīng)主機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)測分析，當(dāng)承重超限時，制動發(fā)出聲光報警，并以微信、短信形式通知相關(guān)責(zé)任人；③高支模安全監(jiān)測系統(tǒng) 通過前端傳感器對高支模沉降、位移、壓力進(jìn)行實時監(jiān)測，并進(jìn)行超限預(yù)警、危險報警；④深基坑安全監(jiān)測系統(tǒng) 通過建立數(shù)學(xué)模型，監(jiān)測基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、地下水狀況、基坑自動排水、基坑底部，及周邊建筑、管線及設(shè)施、重要道路及其他監(jiān)測對象，預(yù)防事故發(fā)生；⑤臨邊防護(hù)監(jiān)測系統(tǒng) 將對射光柵布設(shè)在基坑臨邊、基槽、深溝及其周邊、樓層臨邊、樓梯周邊、平臺或陽臺邊、屋面臨邊等位置；安裝智能異動預(yù)警盒進(jìn)行視頻AI監(jiān)控，對人為破壞、異動、拆除、翻越、墜落等事件，將發(fā)出聲光語音報警，及時上傳平臺推送至管理人員；⑥智能安全帶監(jiān)測系統(tǒng) 對高空作業(yè)人員進(jìn)行實時監(jiān)測與提醒；與智能安全帽建立通信協(xié)議，最終傳輸至智慧工地平臺(后臺顯示定位及狀態(tài)，并自動記錄、報警、推送)；⑦高強(qiáng)螺栓松動監(jiān)測系統(tǒng) 通過傳感器實時監(jiān)測螺栓拉伸量、松動情況，保證螺栓預(yù)緊力可控，發(fā)生松動可及時預(yù)警，降低現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備的維護(hù)工作量、維修成本，提高機(jī)械設(shè)備運行的可靠性、安全性；⑧履帶式起重機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng) 通過高精度傳感器實時監(jiān)控履帶式起重機(jī)運行過程中的起重量、起重力矩、起升高度、下降深度、幅度、風(fēng)速、回轉(zhuǎn)角度、工作時間、累計工作時間、工作循環(huán)等參數(shù)，并可在吊點加裝高清球機(jī)攝像頭，使吊鉤下方所釣重物的視頻圖像清晰呈現(xiàn)在塔式起重機(jī)駕駛艙內(nèi)的顯示器上，保證履帶式起重機(jī)安全運行；⑨大體積混凝土無線測溫監(jiān)測系統(tǒng) 監(jiān)測數(shù)據(jù)對接至智慧工地平臺質(zhì)量管理子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)差異時，系統(tǒng)將自動干預(yù)并報警、推送。

4 結(jié)語

智慧工地是建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵技術(shù)手段，可改變施工現(xiàn)場粗放的管理模式，不僅能夠提高施工智能化水平，還能智能監(jiān)控項目，防范風(fēng)險。智慧工地通過管理平臺，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，通過信息感知-整合-處理、分析可對施工現(xiàn)場管理提供更科學(xué)的決策。本項目依靠智慧工地管理平臺，解決了工期緊、任務(wù)重、智能化與信息化程度高、安全風(fēng)險多、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高等難題，實現(xiàn)對人、機(jī)、料、法、環(huán)的全面管控，提高安全質(zhì)量管理水平。未來，智慧工地還應(yīng)不斷在實踐中進(jìn)行完善、發(fā)展，并不斷提高管理平臺可行性、實用性和綜合性，以進(jìn)一步推動智能建造發(fā)展和行業(yè)變革。