基于BIM 的智慧工地在某限制性航道工程中的應(yīng)用

劉魯?shù)t，鄭 松，張京娥，洪 劍，牛作鵬

（1.嘉興市港航建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司，浙江嘉興 314000；2.嘉興市港航管理服務(wù)中心，浙江嘉興 314000；3.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430071）

引言

內(nèi)河限制性航道工程作為大型綜合類基建項(xiàng)目，與其他建筑工程行業(yè)在管理層面有很大不同，其水上作業(yè)各種復(fù)雜工況并存，對施工現(xiàn)場管理深度和維度提出了更高的要求。而智慧工地作為工程建設(shè)領(lǐng)域興起的一種數(shù)字化管理手段，以圍繞工程項(xiàng)目建設(shè)全過程，聚焦于人、機(jī)、物、環(huán)等關(guān)鍵要素，運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、BIM 等軟硬件信息技術(shù)，可大大提高施工現(xiàn)場的生產(chǎn)效率和管理水平，通過“智慧工地”的建設(shè)，可改進(jìn)傳統(tǒng)的施工現(xiàn)場管理工作方法，為項(xiàng)目的各參建單位提供全新的信息共享方式，實(shí)現(xiàn)工地的數(shù)字化、精細(xì)化和智慧化管理。

目前，智慧工地技術(shù)在內(nèi)河限制性航道工程中的應(yīng)用還處于起步階段，多以應(yīng)用GIS 和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，將實(shí)時(shí)位置信息和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可一定程度上滿足智慧化管理要求。本文將依托浙北某內(nèi)河限制性航道工程，采用BIM、GIS 和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)提出智慧工地技術(shù)架構(gòu)和技術(shù)路線，對項(xiàng)目實(shí)施過程中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行感知、收集、傳輸、轉(zhuǎn)換和分析，實(shí)現(xiàn)施工過程關(guān)鍵要素?cái)?shù)據(jù)的可視化和實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警，可為行業(yè)內(nèi)河限制性航道工程建設(shè)管理新模式探索提供參考借鑒。

1 智慧工地集成技術(shù)

本文針對浙北某內(nèi)河限制性航道工程施工管理特點(diǎn)和實(shí)際需求，以人員行為、船機(jī)設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測等關(guān)鍵要素作為出發(fā)點(diǎn)，采用BIM、GIS 和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)構(gòu)建智慧工地集成系統(tǒng)，并統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接入端口，在要素模型和生產(chǎn)數(shù)據(jù)之間建立映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)依托項(xiàng)目的智慧化管控。

1.1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

智慧工地系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)基于WebGIS 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用施工現(xiàn)場與項(xiàng)目部管控中心二級架構(gòu)和云端部署方式。該系統(tǒng)由終端層、通信層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層組成。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智慧工地系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

1）終端層

終端層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)施工過程數(shù)據(jù)的采集，通過視頻監(jiān)控設(shè)備、定位終端、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場人員行為數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)及船舶設(shè)備定位數(shù)據(jù)的采集、匯集。

2）通信層

通信層主要包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和通信協(xié)議兩部分。由于水上作業(yè)離岸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特殊性，現(xiàn)場終端設(shè)備采用統(tǒng)一的局域網(wǎng)絡(luò)傳輸，利用有線專線、信號臺和無線通信完成終端監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸和調(diào)度控制命令的下達(dá)。通信協(xié)議支持HTTP、FTP 和MQTT 等協(xié)議，用于實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及通信，完成施工現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的傳輸。

3）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括BIM 模型、監(jiān)控監(jiān)測、位置信息等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集成的關(guān)鍵是在不改變各子系統(tǒng)原先數(shù)據(jù)存儲方式的情況下，將各類數(shù)據(jù)源輸出的格式進(jìn)行統(tǒng)一，數(shù)據(jù)處理過程遵循統(tǒng)一制定的標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)類型對上述兩類數(shù)據(jù)源傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行去噪、清洗和加工等操作，將有效數(shù)據(jù)進(jìn)行集成存儲。

4）應(yīng)用層

應(yīng)用層基于B/S 架構(gòu)，用戶通過Web 瀏覽器訪問。瀏覽終端包括PC 端、移動(dòng)端等，可直觀展示人員違規(guī)行為和船機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀況，并對船舶動(dòng)態(tài)和水上施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)管控。

1.2 技術(shù)路線

系統(tǒng)通過WebGIS 的方式調(diào)用相對應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備API 接口獲取人員行為、船舶設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測等數(shù)據(jù)，經(jīng)同步集成、數(shù)據(jù)分析后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化展示，并可輔助人員、設(shè)備和環(huán)境的管理。技術(shù)路線如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)集成技術(shù)路線

1.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1）硬件標(biāo)準(zhǔn)

智慧工地建設(shè)工作的重點(diǎn)是基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行項(xiàng)目現(xiàn)場感知數(shù)據(jù)采集、集成，因此需要根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備型號、規(guī)格及功能，確定智慧工地建設(shè)所需物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的硬件標(biāo)準(zhǔn)，以避免不同智慧工地項(xiàng)目中同一設(shè)備的采購、安裝質(zhì)量偏差較大，導(dǎo)致智慧工地效果存在差異。

（旅行社資質(zhì)與風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對能力/旅游合同與保險(xiǎn)/導(dǎo)游業(yè)務(wù)素質(zhì)與突發(fā)事件應(yīng)對能力重要性：1=完全不嚴(yán)重；2=不太嚴(yán)重；3=一般；4=有點(diǎn)嚴(yán)重；5=非常嚴(yán)重。）

智慧工地硬件標(biāo)準(zhǔn)主要指物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸方式和不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)接口接入?yún)f(xié)議。在智慧工地實(shí)際建設(shè)過程中，可以根據(jù)實(shí)際建設(shè)情況統(tǒng)一信號轉(zhuǎn)換器和接口接入?yún)f(xié)議等，將相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳輸信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)字信號，可減少硬件設(shè)備對接工作及成本。

2）數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)

智慧工地系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括視頻管理數(shù)據(jù)庫、設(shè)備管理數(shù)據(jù)庫、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、人員管理數(shù)據(jù)庫、項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫等。視頻管理數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含視頻通道配置和工地視頻信息數(shù)據(jù)等；設(shè)備管理數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含設(shè)備備案信息、設(shè)備監(jiān)控、預(yù)警和設(shè)備參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)等；環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫包含環(huán)境參數(shù)預(yù)警值配置、環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等；人員管理數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含人員管理、門禁設(shè)備管理、人員工時(shí)記錄數(shù)據(jù)等；項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含項(xiàng)目信息、項(xiàng)目圖表、項(xiàng)目資料數(shù)據(jù)等；系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含角色管理、用戶管理、地域管理、各參加單位數(shù)據(jù)信息等。

智慧工地?cái)?shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)重點(diǎn)從數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)備份兩方面定義，包括視頻存儲空間配置、視頻數(shù)據(jù)存儲時(shí)長及覆蓋要求等。

3）數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)

智慧工地系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口包括三種類型，即基礎(chǔ)服務(wù)接口、資源服務(wù)接口和管理服務(wù)接口。其中，基礎(chǔ)服務(wù)接口是將資源服務(wù)接口和管理服務(wù)接口中基礎(chǔ)性的操作封裝形成的公共接口。這三種接口可實(shí)現(xiàn)智慧工地系統(tǒng)平臺的發(fā)布功能、檢索功能和管理功能等。

數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括Web Services 服務(wù)實(shí)現(xiàn)JSON 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入的HTTP 協(xié)議、數(shù)據(jù)交換支持的XML、JSON、YAML 等數(shù)據(jù)格式，及跨語言和跨系統(tǒng)的調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)等。對于接收到的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行集成存儲、計(jì)算分析和可視化展示；根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的型號、規(guī)格等制定相應(yīng)的接入標(biāo)準(zhǔn)，如4G 網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)、WIFI 等。

智慧工地系統(tǒng)應(yīng)提供統(tǒng)一的可視化標(biāo)準(zhǔn)和可視化展示方式。智慧工地可視化展示方式包括：PC端監(jiān)控、移動(dòng)終端監(jiān)控和大屏端監(jiān)控。

5）安全標(biāo)準(zhǔn)

智慧工地系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)從網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、安全管理和安全運(yùn)行機(jī)制功能等方面做出規(guī)定，包括機(jī)房動(dòng)力、照明及供電安裝要求等。

2 內(nèi)河航道施工作業(yè)關(guān)鍵要素

2.1 人員行為

由于施工船舶在水上作業(yè)過程中存在船機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)引起的現(xiàn)場聲音嘈雜、甲板活動(dòng)空間范圍狹小、船上人員視野受限以及現(xiàn)場溝通協(xié)調(diào)困難等問題，導(dǎo)致船上人員在甲板作業(yè)時(shí)有一定風(fēng)險(xiǎn)隱患。可通過對作業(yè)區(qū)域內(nèi)人員著裝和行為實(shí)時(shí)監(jiān)測，將人臉信息和行為狀態(tài)進(jìn)行識別匹配，對人員行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警報(bào)警。

2.2 船舶設(shè)備

船舶作為內(nèi)河航道施工主要設(shè)備，船舶設(shè)備管理也是不可缺少的一部分，是內(nèi)河航道工程安全施工的重要保障。加強(qiáng)施工設(shè)備管理可降低生產(chǎn)成本，提高工作效率，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，最重要的是保障項(xiàng)目作業(yè)活動(dòng)的順利進(jìn)行。

相比普通水域，靠近航道的施工水域附近往往存在更高的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，可應(yīng)用基于GIS 和GPS 的位置服務(wù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對船舶狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，將船舶動(dòng)態(tài)位置信息映射至船舶模型，通過三維可視化方式呈現(xiàn)在電子地圖上，并通過設(shè)置電子圍欄，將場內(nèi)施工船舶位置信息實(shí)時(shí)反映至電子地圖中，實(shí)現(xiàn)對施工船舶的實(shí)時(shí)管控和預(yù)警提醒。

2.3 環(huán)境監(jiān)測

內(nèi)河限制性航道工程施工場地周邊往往存在大量居民區(qū)，針對航道工程施工線長、面廣的特點(diǎn)，采用基于GIS 的施工環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對建筑工地固定監(jiān)測點(diǎn)的揚(yáng)塵、噪聲、氣象參數(shù)等環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、存儲、加工和統(tǒng)計(jì)分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻圖像通過有線或無線方式進(jìn)行傳輸?shù)胶蠖似脚_?？蓭椭O(jiān)督部門及時(shí)準(zhǔn)確的掌握建筑工地的環(huán)境質(zhì)量狀況和工程施工過程對環(huán)境的影響程度，為生態(tài)保護(hù)提供環(huán)境信息支持和管理決策依據(jù)。

3 工程案例

本文以浙北某內(nèi)河限制性航道工程項(xiàng)目為例，對基于BIM 的智慧工地在內(nèi)河限制性航道工程中的建設(shè)及應(yīng)用進(jìn)行研究。依托項(xiàng)目起自乍浦閘橋，途徑乍浦鎮(zhèn)區(qū)，終于嘉興港區(qū)和平湖交界處，航道里程5.01 km，改造里程5.67 km，按內(nèi)河限制性Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，其中水深≥3.2 m（航道沿沿邊坡加深至4.0 m），底寬≥45 m，彎曲半徑≥280 m。

本文針對內(nèi)河航道施工作業(yè)關(guān)鍵要素，采用BIM、GIS 和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)構(gòu)建智慧工地集成系統(tǒng)，如圖3 所示。系統(tǒng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接入端口，在要素模型和生產(chǎn)數(shù)據(jù)之間建立映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對依托工程實(shí)施過程中的人員行為、船舶設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息集成管控，實(shí)現(xiàn)了施工全過程的可視化和實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警。

圖3 基于BIM 的智慧工地集成系統(tǒng)界面

3.1 人員行為管理

在陸地和水上關(guān)鍵作業(yè)區(qū)域安裝人員行為識別分析系統(tǒng)，對船上作業(yè)人員安全行為進(jìn)行定人、定量統(tǒng)計(jì)分析。對水上作業(yè)面工人不戴安全帽、不穿救生衣以及在作業(yè)過程中離開指定區(qū)域、攀高翻越等違規(guī)行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警，并將違規(guī)人員與人臉信息進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，對違規(guī)人員進(jìn)行量化管理，有效規(guī)范了施工人員安全行為。如圖4 所示。

圖4 人員行為識別

3.2 船舶設(shè)備管理

本文通過智慧工地集成系統(tǒng)端對接、集成船舶GPS 定位數(shù)據(jù)（圖5）和BIM 模型數(shù)據(jù)，并將其存入數(shù)據(jù)庫中以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)調(diào)度共享，參考通航標(biāo)準(zhǔn)、施工標(biāo)準(zhǔn)擬定多維預(yù)警模型便捷參數(shù)，獲取實(shí)時(shí)船舶GPS 定位數(shù)據(jù)經(jīng)過多維預(yù)警模型嵌套計(jì)算后，將適航區(qū)域、安全施工區(qū)域（圖6）以及預(yù)警信息存儲至數(shù)據(jù)庫，同時(shí)反饋給WebGIS 端，實(shí)現(xiàn)信息的BIM 三維場景的展示，呈現(xiàn)給用戶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的船舶設(shè)備信息，如圖7 所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫中船舶GPS 定位數(shù)據(jù)

圖6 基于BIM 的安全施工區(qū)可視化界面

圖7 船舶設(shè)備管理BIM 界面

3.3 環(huán)境監(jiān)測管理

環(huán)境監(jiān)測管理是建設(shè)工程揚(yáng)塵噪音可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測和報(bào)警展示的平臺端與監(jiān)測設(shè)備端。通過環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，對護(hù)岸沿線施工現(xiàn)場的氣象、揚(yáng)塵以及噪音等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行24 小時(shí)不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測（圖8），并將監(jiān)測采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行集中展示并傳回至服務(wù)器中進(jìn)行處理，最后接入基于BIM的智慧工地集成系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程展示，從而實(shí)現(xiàn)對工程施工現(xiàn)場環(huán)境污染監(jiān)控的遠(yuǎn)程化、可視化，如圖9 所示。

圖8 環(huán)境監(jiān)測管理

圖9 基于BIM 的環(huán)境監(jiān)測管控

3.4 應(yīng)用成效

智慧工地技術(shù)的研究主要體現(xiàn)在工地的設(shè)備和信息系統(tǒng)上，本文通過對BIM、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)應(yīng)用等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)依托項(xiàng)目施工作業(yè)關(guān)鍵要素實(shí)時(shí)、全面、智能的監(jiān)控和管理，有效支持了現(xiàn)場作業(yè)人員、項(xiàng)目管理者各層協(xié)同和管理工作，大大提升現(xiàn)場作業(yè)人員的工作效率。

4 結(jié)語

針對內(nèi)河限制性航道工程水上施工作業(yè)，本文基于BIM、GIS 和物聯(lián)網(wǎng)等信息化手段構(gòu)建智慧工地集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)依托項(xiàng)目施工作業(yè)關(guān)鍵要素實(shí)時(shí)、全面、智能的監(jiān)控和管理，并依托浙北某內(nèi)河限制性航道工程進(jìn)行智慧工地技術(shù)應(yīng)用，提升了項(xiàng)目施工管控效率及智能化水平，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

目前行業(yè)對于智慧工地的研究還主要集中于整體架構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)適用性方面，后期智慧工地還需進(jìn)一步加強(qiáng)大數(shù)據(jù)、BIM、智能化、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的集成和應(yīng)用，建成一體化監(jiān)管服務(wù)平臺，提升建筑業(yè)數(shù)據(jù)資源利用水平和能力。