基于智慧工地標(biāo)準(zhǔn)文本分析的智慧工地內(nèi)涵及系統(tǒng)架構(gòu)*

陳 珂，余 璟，張蕓菡,3，付賽婭

(1.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢市城市建設(shè)投資開發(fā)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430070；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，四川 成都 611830)

0 引言

加強(qiáng)施工現(xiàn)場管理，降低事故發(fā)生頻率，提高建筑工程質(zhì)量，是亟待解決的問題。在此背景下，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合國家發(fā)展和改革委員會等13個部門印發(fā)《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》[1]，大力推進(jìn)智能設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)、制造和應(yīng)用，全面提升建筑業(yè)信息化水平。智慧工地作為智能建造在施工階段的具體表現(xiàn)，受到學(xué)術(shù)界和行業(yè)關(guān)注。

國內(nèi)外研究人員探索計算機(jī)視覺[2]、環(huán)境傳感器[3]、激光掃描[4]等技術(shù)在施工過程中的應(yīng)用，為構(gòu)建智慧工地提供方法和技術(shù)支撐。Zhou等[5]針對大型建筑項(xiàng)目提出智能施工現(xiàn)場管理模式，并以港珠澳大橋工程為例論證可行性。魏鴻斌等[6]結(jié)合智慧工地與邊緣云，完成智慧工地在5G通信網(wǎng)絡(luò)下的場景設(shè)想。當(dāng)前研究多從具體業(yè)務(wù)著手，運(yùn)用數(shù)字化、智能化技術(shù)手段科學(xué)規(guī)劃施工進(jìn)程、提高施工效率、提升質(zhì)量安全水平[7]，但尚未明確智慧工地內(nèi)涵，同時對智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)整體把握不足，影響智慧工地建設(shè)效果。

梳理分析現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，有助于明確智慧工地內(nèi)涵及系統(tǒng)關(guān)鍵組件。鑒于此，本研究以我國部分省市、協(xié)會已發(fā)布的智慧工地標(biāo)準(zhǔn)文本為對象，采用文本分析法，明確智慧工地建設(shè)管理內(nèi)容及要求。在此基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)性的智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)，為智慧工地應(yīng)用與發(fā)展提供參考。

表1 地方及協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)、指南和指引發(fā)布情況

1 研究設(shè)計

1.1 研究對象

當(dāng)前，我國尚未發(fā)布有關(guān)智慧工地的國家標(biāo)準(zhǔn)，因此本研究重點(diǎn)以各省市地方標(biāo)準(zhǔn)及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)為對象。通過搜索各級住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部門官方網(wǎng)站相關(guān)文件，找到關(guān)于智慧工地標(biāo)準(zhǔn)的公告，同時明確區(qū)分已發(fā)行實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)文件和擬定成型的標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿，及具備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性作用的相關(guān)指南與指引等不同類別文件。在篩選樣本的過程中，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容服務(wù)范圍不受限制，關(guān)鍵在于對建造方式智能化起規(guī)范和指導(dǎo)作用，如針對智慧工地建設(shè)過程中的安監(jiān)工作、系統(tǒng)平臺管理、技術(shù)應(yīng)用等指南。為確保研究結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性，剔除尚未正式發(fā)行的標(biāo)準(zhǔn)文件征求意見稿，最終得到13份相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、指南和指引(見表1)。

1.2 分析方法

本研究采用的文本分析法屬于無干擾研究，主要以語言、符號為媒介，以文字、符號、圖像等為分析對象，根據(jù)研究目的進(jìn)行系統(tǒng)、完備的比較、分析和歸納總結(jié)，進(jìn)而提煉可信的評述性結(jié)果[8]。本研究重點(diǎn)梳理總結(jié)智慧工地內(nèi)涵、管理系統(tǒng)等方面，根據(jù)不同內(nèi)容板塊，篩選標(biāo)準(zhǔn)文本并提取關(guān)鍵信息，在此基礎(chǔ)上針對同一方面的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)橫向?qū)Ρ炔煌瑯颖尽Ｗ詈?，在全盤把握現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，明確系統(tǒng)架構(gòu)和應(yīng)用評價方法。研究內(nèi)容框架如圖1所示。

圖1 研究內(nèi)容框架

2 智慧工地內(nèi)涵

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)文件對智慧工地內(nèi)涵的詮釋方式如下：①將智慧工地定義為“施工過程中應(yīng)用智慧工地系統(tǒng)或智慧工地現(xiàn)場管理體系的工地”，再通過另起新詞條介紹系統(tǒng)平臺或管理體系的技術(shù)要素和管理內(nèi)容等，如工地智能基礎(chǔ)設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)、建筑信息模型(BIM)等，將智慧工地內(nèi)涵具體化；②未明確要求智慧工地需要的技術(shù)手段，而是提出智慧工地運(yùn)用信息化智能技術(shù)需要達(dá)到的管理目標(biāo)，如實(shí)現(xiàn)信息協(xié)同分享、決策科學(xué)分析等。本研究通過對比分析標(biāo)準(zhǔn)文件，從技術(shù)、管理、目標(biāo)要素方面，歸納智慧工地內(nèi)涵。

2.1 技術(shù)要素

智慧工地的核心是信息技術(shù)和建造技術(shù)的結(jié)合，具體功能的實(shí)現(xiàn)離不開信息化技術(shù)手段、工具和軟件運(yùn)用，因此智慧工地內(nèi)涵需強(qiáng)調(diào)施工過程中運(yùn)用的信息技術(shù)。不同標(biāo)準(zhǔn)對智慧工地建設(shè)要求的技術(shù)要素如表2所示。

通過統(tǒng)計智慧工地標(biāo)準(zhǔn)中涉及的技術(shù)要素，發(fā)現(xiàn)超過一半的標(biāo)準(zhǔn)文本強(qiáng)調(diào)智慧工地建設(shè)需運(yùn)用傳感技術(shù)、人工智能、BIM、互聯(lián)網(wǎng)、GIS、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)等技術(shù)，說明各省市地區(qū)普遍認(rèn)同智慧工地建設(shè)管理需應(yīng)用這些技術(shù)，即通過應(yīng)用上述技術(shù)改變和升級建造管理方式[9]。

表2 智慧工地技術(shù)要素

2.2 管理要素

管理要素指智慧工地智能化應(yīng)用針對的工程要素對象。管理要素組成是智能建造方式的實(shí)質(zhì)落腳點(diǎn)，不同要素組成給智慧工地的建設(shè)內(nèi)容帶來差異，因此智慧工地的內(nèi)涵與要素組成息息相關(guān)。對比不同標(biāo)準(zhǔn)中包含的管理要素，匯總得到不同省市智慧工地建設(shè)涵蓋的主要內(nèi)容(見表3)。

表3 智慧工地管理要素

2.3 目標(biāo)要素

智慧工地的效果和作用，即智慧工地追求的建設(shè)目標(biāo)是智慧工地重要性及推行意義的體現(xiàn)，也是智慧工地內(nèi)涵的重要組成部分。不同標(biāo)準(zhǔn)文本均對智慧工地的成果提出具體要求，如重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)指出，智慧工地應(yīng)通過現(xiàn)代信息技術(shù)形成具有信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化的智能建造工地；河北省地方標(biāo)準(zhǔn)中提到，智慧工地管理系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)“全面感知、泛在互聯(lián)、安全作業(yè)、智能生產(chǎn)、高效協(xié)作、智能決策、科學(xué)管理”的施工過程。綜合各省市的不同表述可知，智慧工地效用的體現(xiàn)離不開施工技術(shù)、信息管理、決策分析和風(fēng)險管控等，尤其是要求數(shù)據(jù)與施工過程管理決策相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息與管理的互聯(lián)互通，為后續(xù)決策管理提供信息化支撐，提高決策科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)管理智慧化。

2.4 內(nèi)涵實(shí)質(zhì)

在標(biāo)準(zhǔn)文本中，智慧工地的實(shí)質(zhì)是工地還是管理模式的觀點(diǎn)不盡相同。其中河北、寧夏等地方標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為智慧工地的本質(zhì)是工地，即智慧工地實(shí)質(zhì)上是智慧化的工程建設(shè)現(xiàn)場，而北京和吉林等地方標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為智慧工地是運(yùn)用信息化手段的實(shí)施模式。本研究認(rèn)為智慧工地不是簡單地將部分信息技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)工地，而是綜合運(yùn)用人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)手段，建立智慧管理系統(tǒng)，以施工過程高效科學(xué)、互聯(lián)互通、生態(tài)環(huán)保為目標(biāo)，在信息化基礎(chǔ)上進(jìn)行人、機(jī)、料、法、環(huán)、品等要素的智慧化管理模式。

3 智慧工地管理系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容及要求

智慧工地的建設(shè)運(yùn)行離不開智慧工地管理系統(tǒng)的支持。本研究分別歸納總結(jié)智慧工地管理系統(tǒng)中的信息基礎(chǔ)設(shè)施、功能板塊、設(shè)備要求和數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，明確智慧工地建設(shè)內(nèi)容及要求。

3.1 信息基礎(chǔ)設(shè)施

理想的智慧工地應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸和智能決策為一體的信息化管理，因此信息基礎(chǔ)設(shè)施的完善度是智慧工地建設(shè)的重要影響因素[10]。在收集的標(biāo)準(zhǔn)文本中，對智慧工地信息基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行明確要求的共7個標(biāo)準(zhǔn)，包括6個地方標(biāo)準(zhǔn)(依次為湖北、湖南、寧夏、河北、重慶、北京)和CECS標(biāo)準(zhǔn)(見表4)。

表4 智慧工地信息技術(shù)設(shè)施

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，信息基礎(chǔ)設(shè)施主要包括采集設(shè)備、處理設(shè)備和應(yīng)用終端。其中，采集設(shè)備主要包括各類監(jiān)測傳感器(如揚(yáng)塵、噪聲監(jiān)測傳感器等)，圖像、聲音采集設(shè)備(如視頻監(jiān)控設(shè)備、人臉識別設(shè)備等)，涉及傳感器、計算機(jī)視覺和非接觸式檢測等感知技術(shù)；處理設(shè)備包括存儲傳輸設(shè)備和管控平臺，涉及有線、無線和新一代移動通信傳輸技術(shù)及云計算、邊緣計算、人工智能等決策技術(shù)；應(yīng)用終端則通過固定/移動終端，對現(xiàn)場進(jìn)行識別、監(jiān)測和控制等綜合信息處理，并設(shè)置語音廣播設(shè)備和電子屏幕用于信息發(fā)布。

表5 主要功能模塊與技術(shù)要素

3.2 功能模塊及相應(yīng)設(shè)施要求

智慧工地標(biāo)準(zhǔn)中劃分的“功能板塊”描述運(yùn)用信息技術(shù)進(jìn)行智慧管理的具體應(yīng)用，對不同建設(shè)管理內(nèi)容需要的軟硬件設(shè)施提出具體要求?；趯χ腔酃さ匦畔⒒A(chǔ)設(shè)施的分析，對13份標(biāo)準(zhǔn)樣本資料進(jìn)行編碼，共提取9個功能模塊和24個關(guān)鍵技術(shù)要素及參數(shù)要求(見表5)。不同標(biāo)準(zhǔn)文件中功能模塊劃分雖不完全相同，但核心都是服務(wù)智慧工地的建設(shè)需求，并始終圍繞施工現(xiàn)場的人、機(jī)、料、法、環(huán)、品等要素，以及信息技術(shù)應(yīng)用中衍生的其他管理內(nèi)容，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)等。

3.3 數(shù)據(jù)接口

智慧工地建設(shè)的另一重要內(nèi)容是將各類功能系統(tǒng)及數(shù)據(jù)集成在管理平臺上，供不同參與方使用。要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，就需有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式及接口，方便數(shù)據(jù)對接和傳輸[11]。同時需建立平臺間的對接標(biāo)準(zhǔn)，確定與外部系統(tǒng)平臺(如政府監(jiān)管平臺)對接的數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目端與外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。數(shù)據(jù)接口建設(shè)內(nèi)容如下：①數(shù)據(jù)內(nèi)容 至少包括項(xiàng)目基本信息、參建各方信息、BIM模型數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、人員、設(shè)備、物料等施工要素管理信息，以及質(zhì)量、安全、環(huán)境等工程監(jiān)管數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)來源應(yīng)支持從智慧工地現(xiàn)場采集，由具有權(quán)限的后臺人員錄入和從其他智慧工地管理系統(tǒng)平臺共享同步；各類數(shù)據(jù)內(nèi)容應(yīng)具有唯一編碼標(biāo)識；②數(shù)據(jù)格式 數(shù)據(jù)交換應(yīng)支持多種格式的傳遞，包括JSON，XML，YAML，文本等，符合國家和地方現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定與技術(shù)要求；③傳輸方式 支持有線和無線數(shù)據(jù)傳輸方式，采用HTTP，Socket，WiFi，藍(lán)牙，ZigBee，UWB等1種或多種通信協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸；④系統(tǒng)集成 主要包括系統(tǒng)內(nèi)部集成和系統(tǒng)外部集成。內(nèi)部集成指集成管理平臺與各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)互通互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享；外部集成指由政府監(jiān)管部門等外部系統(tǒng)平臺集成，因此智慧工地硬件設(shè)備及軟件系統(tǒng)應(yīng)為外部系統(tǒng)平臺提供可訪問的接口；集成方式包括URL集成、Iframe集成、Web Service集成和AIP等。

3.4 智慧工地評價機(jī)制

為提升智慧工地建設(shè)效果，部分標(biāo)準(zhǔn)對智慧工地建設(shè)內(nèi)容提出要求，制定相應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn)和評定機(jī)制。如重慶市標(biāo)準(zhǔn)分為建設(shè)方案評價和應(yīng)用實(shí)施評價，其中建設(shè)方案評價主要評價項(xiàng)目采取的專項(xiàng)建設(shè)措施是否滿足標(biāo)準(zhǔn)；應(yīng)用實(shí)施評價針對實(shí)施效果進(jìn)行評估。浙江省結(jié)合評價標(biāo)準(zhǔn)與智慧工地管理要素，評分由基本指標(biāo)、一般指標(biāo)和優(yōu)選指標(biāo)評價得分加權(quán)匯總得出。其中基本指標(biāo)是評價要素必須滿足的基本要求，一般指標(biāo)和優(yōu)選指標(biāo)則對建設(shè)內(nèi)容提出細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)。江蘇省將評價指標(biāo)分為實(shí)施內(nèi)容、項(xiàng)目集成和數(shù)據(jù)對接等5部分，針對不同管理內(nèi)容分項(xiàng)打分后匯總得分。北京市在標(biāo)準(zhǔn)評價內(nèi)容外輔以加分制度，鼓勵自主結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際增加其他智慧建設(shè)做法。

可以看出，不同標(biāo)準(zhǔn)中的評價方法不盡相同，但均以評分形式進(jìn)行，關(guān)鍵在于確保評價內(nèi)容的嚴(yán)謹(jǐn)完整和評價機(jī)制的公正，在此基礎(chǔ)上還需關(guān)注信息技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，保證評價內(nèi)容靈活。

4 智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)與應(yīng)用評價

智能化設(shè)備雖然可充分采集施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)，但缺少完整的體系架構(gòu)，不僅阻礙有效利用海量數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)將成為用戶的負(fù)擔(dān)，無法對實(shí)際工程產(chǎn)生效益。本研究在明確智慧工地內(nèi)涵及系統(tǒng)關(guān)鍵組件的基礎(chǔ)上，參考不同標(biāo)準(zhǔn)中的管理系統(tǒng)層級，提出普適性的智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)

基礎(chǔ)層主要由智慧工地信息基礎(chǔ)設(shè)施包含的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及邊緣服務(wù)器構(gòu)成，如監(jiān)控攝像頭、傳感器等，具有身份識別、圖像聲音采集、環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測等功能，用于工地建設(shè)管理過程中捕捉和收集數(shù)據(jù)，并按照局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的相應(yīng)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞與歸集。

平臺層具有互聯(lián)網(wǎng)協(xié)作、協(xié)同管理、移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)接入、BIM、GIS等功能，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的整合、處理及不同業(yè)務(wù)管理模塊的集成運(yùn)作，為應(yīng)用層提供應(yīng)用支撐。

應(yīng)用層聚焦施工階段的生產(chǎn)管理工作。根據(jù)智慧工地管理系統(tǒng)劃分的“功能板塊”，如人員管理、機(jī)械設(shè)備管理、環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控、質(zhì)量安全管理等，在應(yīng)用層細(xì)分為不同子系統(tǒng)，通過對平臺層的衍生分析實(shí)現(xiàn)智能決策。

用戶層面向使用對象(如施工、監(jiān)理等參建單位、從業(yè)人員、政府監(jiān)管部門等用戶)，展示從數(shù)據(jù)中得到的決策支持信息。應(yīng)提供PC端和移動端展現(xiàn)手段，滿足用戶接入需求，并支持按業(yè)務(wù)管理范圍分級分權(quán)限管理。

同時，智慧工地現(xiàn)場管理體系需對接政府綜合信息管理平臺等外部系統(tǒng)，相關(guān)政府監(jiān)管部門具有對施工現(xiàn)場各要素進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測、管理、統(tǒng)計分析等功能。共享數(shù)據(jù)應(yīng)采取分級權(quán)限管理，建立安全共享機(jī)制，驗(yàn)證數(shù)據(jù)共享交換過程和對象，確保數(shù)據(jù)安全存儲、傳遞和應(yīng)用。另外，智慧工地評價應(yīng)覆蓋完整施工活動全過程，涵蓋施工過程中的人、機(jī)、料、法、環(huán)、品等要素，以不同功能模塊下包含的技術(shù)設(shè)施和管理要求及建造過程的智慧化管理效果為評價指標(biāo)。同時評估智慧工地接入行業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性、合規(guī)性等，在實(shí)施過程中動態(tài)抽查數(shù)據(jù)真實(shí)性、時效性。在注重評價機(jī)制嚴(yán)謹(jǐn)客觀的同時，保留智慧工地建設(shè)單位的施展空間，并采取加分等措施鼓勵技術(shù)創(chuàng)新。

5 結(jié)語

1)智慧工地內(nèi)涵主要包括技術(shù)、管理和目標(biāo)構(gòu)成要素，本質(zhì)是綜合運(yùn)用人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)手段，對人、機(jī)、料、法、環(huán)、品等要素進(jìn)行智慧化管理。

2)智慧工地建設(shè)需重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)中的信息基礎(chǔ)設(shè)施、功能板塊及數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。信息基礎(chǔ)設(shè)施的完善度是智慧工地建設(shè)的重要影響因素，包括采集設(shè)備、處理設(shè)備和應(yīng)用終端，涉及感知、傳輸和決策等關(guān)鍵技術(shù)。功能模塊描述智慧工地運(yùn)用信息技術(shù)進(jìn)行智慧管理的具體應(yīng)用，對不同建設(shè)管理內(nèi)容需要的軟硬件設(shè)施提出要求，核心內(nèi)容需圍繞施工現(xiàn)場的人、機(jī)、料、法、環(huán)、品等要素。標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式及接口為各類功能系統(tǒng)的集成及數(shù)據(jù)對接和傳輸提供方便，建設(shè)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式、傳輸方式及系統(tǒng)集成等方面。

基于對智慧工地內(nèi)涵及管理系統(tǒng)關(guān)鍵組件的識別分析，本研究提出普適性的智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)，包括基礎(chǔ)層、平臺層、應(yīng)用層和用戶層，并以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和信息安全體系作為支撐。