氣象與施工關(guān)聯(lián)度的數(shù)字化研究方法

汪 雅，顧建國，王 強(qiáng)，趙 洋，陸文婧，王 芃（ 上海市氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，上海 00030； 上海市建設(shè)協(xié)會(huì)，上海 0035；）

近年來，新一代智能建造概念被多次提及，信息化、工業(yè)化、智能化等關(guān)鍵詞是不可或缺的，在加快提升建造信息化升級(jí)方面重點(diǎn)要求是推進(jìn)數(shù)字化體系建設(shè)。

盡管，當(dāng)下建造過程中已有一些工地依托多種信息監(jiān)測設(shè)備、高速移動(dòng)無線通訊、無線識(shí)別等物聯(lián)網(wǎng)感知識(shí)別技術(shù)，以及三維場景和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的應(yīng)用初步實(shí)現(xiàn)工程安全監(jiān)管模塊的自動(dòng)化監(jiān)控以及機(jī)械裝備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的智能化識(shí)別。但是，這離真正意義上的信息化和數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用還有很大的差距。

數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間應(yīng)該發(fā)揮作用，而不是僅僅停留在監(jiān)控和記錄的初級(jí)層次。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，不僅僅需要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的數(shù)字化，更要提升數(shù)據(jù)資源的利用服務(wù)能力，將其滲透到項(xiàng)目管理過程中。數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值的再創(chuàng)造，甚至產(chǎn)生溢出價(jià)值，可以為施工管理人員提供決策過程的客觀化支撐[1]。

歷經(jīng)時(shí)間檢驗(yàn)的項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)具有重要的價(jià)值，這恰恰又是年輕的項(xiàng)目管理人員所缺乏的。工程項(xiàng)目的管理經(jīng)驗(yàn)通過“老帶新”的模式被傳播，但是這個(gè)模式基本上靠口口相傳，中間需要花費(fèi)大量的時(shí)間去重復(fù)解釋說明，其傳播效率不高，不利于復(fù)制和傳承。而數(shù)字化以其獨(dú)有的優(yōu)勢，可被復(fù)制移植、可實(shí)現(xiàn)更新迭代和升級(jí)、可被可視化展現(xiàn)，正好可以有效解決這一問題。因此，迫切需要將已有的管理經(jīng)驗(yàn)和響應(yīng)措施進(jìn)行數(shù)字化研究。

數(shù)字化研究即借助數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)研究過程和結(jié)果的量化，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，同時(shí)進(jìn)行分析與處理，確保研究目標(biāo)得到有效實(shí)現(xiàn)[2]。本研究的目的是找出氣象與施工關(guān)聯(lián)度的數(shù)字化研究方法，該方法將被應(yīng)用于施工管理中。這是未來科學(xué)精準(zhǔn)施工和引領(lǐng)建筑施工行業(yè)向科技型轉(zhuǎn)變的要求。

1 關(guān)聯(lián)度研究需要被數(shù)字化

暴露在戶外的工程項(xiàng)目易遭受氣象風(fēng)險(xiǎn)的影響，這是一線的技術(shù)人員和施工人員所熟知的。這些影響風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在簡易房或工棚倒塌、吊車或塔吊被吹壞、架體被刮倒、鋼板或木板或鐵皮被吹、臨時(shí)圍護(hù)倒塌、基坑進(jìn)水等等，甚至造成意外人身傷害和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，很多影響過程往往是不可逆轉(zhuǎn)的。

工程的安全、質(zhì)量、工期以及造價(jià)等在很大程度上受到氣象因素的影響。不利氣象條件會(huì)嚴(yán)重影響工程和施工人員人身安全，如高溫天氣，室外作業(yè)人員有中暑死亡的風(fēng)險(xiǎn)；雷電天氣，會(huì)造成工人遭受雷擊或者觸電風(fēng)險(xiǎn)；大風(fēng)天氣，高空作業(yè)極有可能引起墜物風(fēng)險(xiǎn)。不利氣象條件會(huì)對(duì)工程施工質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，如低溫天氣會(huì)造成混凝土受凍；高溫天氣會(huì)影響橋梁施工，出現(xiàn)變形移位等現(xiàn)象；降水天氣，影響外墻涂料與頂板防水材料的施工質(zhì)量等。氣象條件會(huì)對(duì)工程施工進(jìn)度和施工效率產(chǎn)生不利影響，連續(xù)降水造成工程窩工，甚至停工?？傮w來看，氣象對(duì)工程的影響一直存在，但其關(guān)聯(lián)關(guān)系定性、粗放、憑經(jīng)驗(yàn)、不成體系，迫切需要被數(shù)字化研究，建立定量的關(guān)系[3]。如果能通過研究建立二者對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以有效指導(dǎo)施工生產(chǎn)活動(dòng)。

氣象與工程關(guān)聯(lián)研究雖然是智能建造中的一個(gè)小分支，但在整個(gè)施工活動(dòng)中起到了重要作用，尤其在施工安全和施工質(zhì)量兩個(gè)重要方面起到關(guān)鍵性作用。氣象與工程關(guān)聯(lián)研究可以提高施工生產(chǎn)效率和降低施工氣象風(fēng)險(xiǎn)，也是智能建造體系中重要的前置研究和構(gòu)成要件。

2 數(shù)字化研究的流程和方法

2.1 數(shù)據(jù)收集和采集

數(shù)字化研究中，數(shù)據(jù)的重要性是不言而喻的，有計(jì)劃地收集和采集數(shù)據(jù)可大大提高數(shù)據(jù)的針對(duì)性和代表性，從而更好地幫助分析和研究。歷史數(shù)據(jù)通過調(diào)閱氣象和工程存檔文件獲取，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要采集，可以選不同工程類型的試點(diǎn)工地進(jìn)行跟蹤記錄。

數(shù)據(jù)的內(nèi)容是豐富的，需要采集的數(shù)據(jù)具體包含氣象數(shù)據(jù)、工程工序數(shù)據(jù)、工程的施工影響數(shù)據(jù)、項(xiàng)目進(jìn)度數(shù)據(jù)、措施數(shù)據(jù)等。其中，工程工序數(shù)據(jù)和進(jìn)度數(shù)據(jù)通過施工單位都能獲取到。樣本數(shù)量可根據(jù)公司規(guī)模和項(xiàng)目大小進(jìn)行調(diào)整，數(shù)據(jù)的周期最好覆蓋施工的全部流程。

施工現(xiàn)場氣象數(shù)據(jù)的感知可以有很多手段，可以是人工感知，也可以是自動(dòng)感知。有些項(xiàng)目工地通過手持式傳感器采集數(shù)據(jù)，手持式人工采集觀測位置不固定，且不能保證數(shù)據(jù)被有效存檔。工程實(shí)施過程中，由于施工場地的特殊性、施工工作的連續(xù)性、各施工人員技術(shù)水平參差不齊等原因，所采集資料質(zhì)量無法保證，更無法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化使用。

工程的施工影響數(shù)據(jù)和措施數(shù)據(jù)是關(guān)聯(lián)度研究的關(guān)鍵，其采集工作一直以來未受到足夠的重視。其中，施工過程中的記錄資料已經(jīng)包含了部分施工影響數(shù)據(jù)和措施數(shù)據(jù)。然而，針對(duì)其各分部分項(xiàng)工程，如何及時(shí)有效、詳實(shí)、真實(shí)、準(zhǔn)確、全面做好資料收集很重要的，數(shù)據(jù)記錄的及時(shí)性也很重要。但有時(shí)候工程資料的記錄滯后于施工進(jìn)度，導(dǎo)致第一手真實(shí)可靠的工程數(shù)據(jù)缺失，這會(huì)給數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度上打折扣。

問卷和訪談也是可行的數(shù)據(jù)采集方式，設(shè)計(jì)周到全面、邏輯合理的問卷可以獲取到可靠的數(shù)據(jù)。開放式問題使受訪者可以自由表達(dá)自己的觀點(diǎn)，而封閉式問題可以將受訪者表達(dá)的觀點(diǎn)限定在一定的范圍內(nèi)[4]。通過問題的層層推進(jìn)，訪談可以獲取到更多想要的調(diào)查信息，例如可以要求受訪人對(duì)分項(xiàng)工程影響特征進(jìn)行詳細(xì)描述。

此外，還可以設(shè)計(jì)自動(dòng)化采集軟件用于采集施工影響數(shù)據(jù)和措施數(shù)據(jù)，這可以避免繁瑣的數(shù)據(jù)整理工作。該軟件可以考慮安裝在移動(dòng)端，設(shè)計(jì)封閉式和開放式問題，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場人員在手機(jī)端的快速記錄，還可以添加拍攝快照、對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場情況進(jìn)行手寫評(píng)論等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、電子化、標(biāo)準(zhǔn)化的采集。

綜上，數(shù)據(jù)采集要求是格式上要自動(dòng)化和電子化、一致性上要標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度研究

感知的數(shù)據(jù)用來干什么？就是要找到風(fēng)險(xiǎn)事件與氣象指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，這需要通過跨學(xué)科的交叉和融合研究實(shí)現(xiàn)，還需要利用科學(xué)的方法。建立關(guān)聯(lián)研究之前，需要將采集到的工地現(xiàn)場的精細(xì)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，構(gòu)建數(shù)據(jù)集。

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度研究之前，需要科學(xué)評(píng)估氣象對(duì)工程的影響，建立一一對(duì)應(yīng)的影響框架。這就需要確定氣象單因子和復(fù)合因子，不同分部分項(xiàng)工程甚至工序的影響模塊，影響的表現(xiàn)方面，影響的程度指標(biāo)等（包括連續(xù)性程度指標(biāo)和分類性程度指標(biāo)）。在分析過程中，對(duì)每一種分項(xiàng)工程甚至工序進(jìn)行詳細(xì)分析，明確不同氣象因子的影響位置、影響程度等級(jí)、影響特征表現(xiàn)等，建立不同氣象因子和分項(xiàng)工程甚至工序的關(guān)聯(lián)度。這關(guān)聯(lián)關(guān)系又和時(shí)空位置、工程類型、工程規(guī)模密切相關(guān)，實(shí)際研究時(shí)可以先從最簡單的情況開始。

研究方法也可以有多樣性，這里列舉如下。

（1）人工逐一對(duì)應(yīng)法。根據(jù)工程影響事件，逐一對(duì)應(yīng)反查當(dāng)日當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐奶鞖鈼l件和氣象觀測值，找到閾值范圍，記錄閾值指標(biāo)范圍。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析法。通過統(tǒng)計(jì)模型分析氣象數(shù)據(jù)集和工程影響數(shù)據(jù)集，通過回歸分析、分類分析、聚類分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，擬合模型，得到影響指標(biāo)。

（3）人工智能知識(shí)圖譜方法。質(zhì)量控制之后的數(shù)據(jù)，結(jié)合人工智能知識(shí)圖譜方法，可以將氣象因子與施工事件之間的關(guān)系復(fù)現(xiàn)出來，不過這需要大量的樣本和樣本屬性信息。

由于鏈接數(shù)據(jù)關(guān)系的維度眾多（氣象因子、分部分項(xiàng)工程、工序、工序施工方式、影響表現(xiàn)方式、影響的程度指標(biāo)、時(shí)間位置、空間位置、工程類型、工程規(guī)模等），通過不同的組合，其分析內(nèi)容和結(jié)論可以極其豐富且多樣化。研究結(jié)論可以是分析關(guān)鍵影響因子的指標(biāo)特征，也可以是特定氣象條件下的影響特征。這里列舉一些內(nèi)容：降水對(duì)普通建筑工程施工停工影響指標(biāo)；表面風(fēng)力對(duì)新澆筑混凝土失水速率的影響及引發(fā)的硬化干燥收縮裂縫的規(guī)律；強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)對(duì)超高層吊裝工程位移影響規(guī)律；高溫天氣對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的梁體側(cè)向變形分析及規(guī)律等。

在研究過程中，需要注意以下幾點(diǎn)。

（1）多多交流，研究人員應(yīng)和各方進(jìn)行細(xì)致深入的溝通交流，并抓住關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行溝通。

（2）協(xié)調(diào)統(tǒng)一，不同學(xué)科背景的人思維方式不同，認(rèn)知和理解上必然存在差異，出現(xiàn)偏差時(shí)關(guān)鍵概念求同、研究方法存異。

（3）加強(qiáng)過程記錄，關(guān)鍵點(diǎn)的記錄可以更好地幫助復(fù)盤，隨著時(shí)間的推移這可以創(chuàng)造出更多的價(jià)值。

2.3 成果固化及表現(xiàn)

關(guān)聯(lián)度的數(shù)字化模型開發(fā)是關(guān)聯(lián)性研究的成果表現(xiàn)，結(jié)合精細(xì)化的預(yù)報(bào)資料能夠以自動(dòng)化方式識(shí)別與工程關(guān)聯(lián)的影響事件，可以幫助施工單位提前識(shí)別氣象風(fēng)險(xiǎn)影響程度，結(jié)合響應(yīng)措施和建議可以幫助生產(chǎn)。它為項(xiàng)目管理提供一種工具，可以在施工前考慮預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)及工期變更系數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況提出建議和應(yīng)對(duì)措施。

模型中氣象數(shù)據(jù)調(diào)取取決于施工項(xiàng)目的位置，選取項(xiàng)目周邊的觀測資料進(jìn)行分析才能更準(zhǔn)確。時(shí)間提前量非常重要，換而言之越早發(fā)現(xiàn)氣象風(fēng)險(xiǎn)越好，但預(yù)報(bào)的難度也隨之快速增加。模型還需提供措施計(jì)劃，以最大限度地減少負(fù)面影響。模型中可以有多種響應(yīng)措施，為項(xiàng)目經(jīng)理提供不同的選擇。模型可以自動(dòng)生成風(fēng)險(xiǎn)單，分析對(duì)質(zhì)量和安全的影響，幫助項(xiàng)目管理進(jìn)行決策。風(fēng)險(xiǎn)單可以作為驗(yàn)收的附件材料，在項(xiàng)目驗(yàn)收?qǐng)?bào)告“索賠管理”內(nèi)容中進(jìn)行討論。

項(xiàng)目人員可根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)建議單調(diào)整他們的工作，如建筑外部轉(zhuǎn)為建筑內(nèi)部、地上工程轉(zhuǎn)為地下工程。項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，模型可以提供一份清單，列出所有因氣象風(fēng)險(xiǎn)而受到影響的施工部位和時(shí)間。

2.4 質(zhì)量評(píng)定與應(yīng)用改進(jìn)

數(shù)字化模型的優(yōu)勢不僅在于數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用，更在于可以實(shí)現(xiàn)算法的持續(xù)改進(jìn)和升級(jí)。模型的主要目的是找到氣象條件與影響事件之間的關(guān)聯(lián)性并用于實(shí)際生產(chǎn)，然而實(shí)際影響因子相當(dāng)多且復(fù)雜，因此模型初級(jí)版本解決方案可以用不多的信息來實(shí)現(xiàn)建模，然后逐漸升級(jí)改進(jìn)。

為了確定模型的性能，需要進(jìn)行實(shí)地試用和調(diào)查，并進(jìn)一步分析問題原因。這就需要選取試點(diǎn)工地進(jìn)行試用，建立檢驗(yàn)評(píng)估方法，試用過程中與施工人員多交流，并不斷修正相關(guān)系數(shù)和增加影響因子。應(yīng)當(dāng)指出的是，在整個(gè)研究過程中，尤其是在進(jìn)行了試用其結(jié)果之后，模型應(yīng)該不斷發(fā)展。模型經(jīng)過多次評(píng)估改進(jìn)且運(yùn)行穩(wěn)定之后，可進(jìn)行正式推廣使用。使用過程中的應(yīng)用和改進(jìn)可循環(huán)往復(fù)，可以改進(jìn)后應(yīng)用，也可應(yīng)用后再改進(jìn)。

3 結(jié) 語

氣象與施工關(guān)聯(lián)度的數(shù)字化研究工作是非常有價(jià)值的，它和城市安全、城市精細(xì)化管理、智能運(yùn)維密切相關(guān)，也是比較復(fù)雜的，本文僅做初步探索。文章提出了氣象與施工關(guān)聯(lián)度的數(shù)字化研究流程及方法，簡要概括如下。

（1）數(shù)據(jù)采集要求是格式上要自動(dòng)化和電子化、一致性上要標(biāo)準(zhǔn)化?？稍O(shè)計(jì)自動(dòng)化采集軟件，用于采集施工影響數(shù)據(jù)和措施數(shù)據(jù)，以避免繁瑣的數(shù)據(jù)整理工作。

（2）數(shù)據(jù)采集其目的是找到風(fēng)險(xiǎn)事件與氣象指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，這需要通過交叉融合研究實(shí)現(xiàn)，主要研究方法有：人工逐一對(duì)應(yīng)法、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析法、人工智能法知識(shí)圖譜方法等等。

（3）關(guān)聯(lián)度的數(shù)字化模型開發(fā)是關(guān)聯(lián)性研究的成果表現(xiàn)，能夠以自動(dòng)化方式識(shí)別與工程關(guān)聯(lián)的影響事件，可以幫助施工單位提前識(shí)別氣象風(fēng)險(xiǎn)影響程度，結(jié)合響應(yīng)措施和建議可以幫助施工現(xiàn)場工作人員調(diào)整他們的工作。

（4）模型實(shí)際影響因子復(fù)雜而眾多，初級(jí)版本可以用不多的信息來實(shí)現(xiàn)建模，進(jìn)而實(shí)地試用和調(diào)查分析，并不斷修正系數(shù)和增加影響因子。模型經(jīng)過多次評(píng)估改進(jìn)且運(yùn)行穩(wěn)定之后，方可進(jìn)行正式推廣使用。

事實(shí)上，一個(gè)完整的技術(shù)流程包括兩方面的模型：計(jì)算模型和產(chǎn)品樣本模型。計(jì)算模型被認(rèn)為是解決問題的靈丹妙藥，應(yīng)至少有一種標(biāo)準(zhǔn)化的形式。產(chǎn)品樣本模型是產(chǎn)品樣本的直接表現(xiàn)，也是與用戶之間聯(lián)系的紐帶，本文未做詳細(xì)討論。事實(shí)上，產(chǎn)品可以是定性產(chǎn)品、可以是指數(shù)產(chǎn)品。輸入端也可以更加多樣化，可以是延伸期氣象預(yù)報(bào)，形成延伸期氣象影響結(jié)論。

除此之外，模型的順利運(yùn)行還需要充分的支撐條件，如基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的高度精細(xì)化工地微尺度氣象預(yù)測技術(shù)是需要的；數(shù)字化模型需要準(zhǔn)備必備的計(jì)算資源；高度關(guān)聯(lián)性因子指標(biāo)取決于不同工程的類型和項(xiàng)目位置，因?yàn)檠睾：蛢?nèi)陸氣象條件常常差異較大、高樓密集區(qū)和無覆蓋區(qū)氣象條件差異也較大。