“智慧工地”在公路工程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與路徑

張騁，房博文，徐照

（東南大學(xué)，江蘇 南京 210096）

近年來(lái)，信息技術(shù)快速發(fā)展，并在各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)人們的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生巨大影響，經(jīng)濟(jì)社會(huì)逐漸進(jìn)入智能、智慧時(shí)代。作為基建強(qiáng)國(guó)，我國(guó)的公路工程體量巨大，但項(xiàng)目管理手段和模式亟待創(chuàng)新。長(zhǎng)期粗放式的發(fā)展，致使其面臨物資管理混亂、環(huán)境污染嚴(yán)重、人員管理失控等問(wèn)題。此外，相比于一般的工程項(xiàng)目，公路工程還具有工藝復(fù)雜、施工人員多、露天作業(yè)場(chǎng)景多等特點(diǎn)，風(fēng)險(xiǎn)水平長(zhǎng)期處于高位，質(zhì)量和安全問(wèn)題易發(fā)。同時(shí)，公路工程建設(shè)項(xiàng)目中參與方眾多，容易產(chǎn)生“信息孤島”現(xiàn)象，工作協(xié)同困難。但是傳統(tǒng)公路工程管理模式以人工為主，考勤、現(xiàn)場(chǎng)巡查、旁站等方式效率低下，精益化不足，嚴(yán)重制約著我國(guó)公路工程的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

另一方面，基于新興信息技術(shù)的“智慧工地”快速發(fā)展。其能夠通過(guò)提升公路工程建設(shè)管理的信息化和智能化水平，來(lái)達(dá)到項(xiàng)目管理降本增效的目的。在此背景下，本研究首先分析了“智慧工地”在公路工程中應(yīng)用的作用和意義，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步梳理公路工程“智慧工地”建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，并闡述“智慧工地”在公路工程中的應(yīng)用路徑。

1 “智慧工地”的應(yīng)用意義

信息技術(shù)使工業(yè)時(shí)代逐步向數(shù)字時(shí)代邁進(jìn)，諸多領(lǐng)域開(kāi)始了“數(shù)字化”和“智能化”的轉(zhuǎn)變。在此背景下，融合BIM、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)與工程建造技術(shù)的“智慧工地”應(yīng)運(yùn)而生。信息技術(shù)的引入，使“智慧工地”具有施工裝備智能化、項(xiàng)目管理要素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)感知、信息互聯(lián)互通與高效協(xié)同等優(yōu)勢(shì)。

“智慧工地”帶動(dòng)了整個(gè)公路工程領(lǐng)域管理模式的創(chuàng)新。其可以實(shí)時(shí)對(duì)公路工程質(zhì)量、進(jìn)度、安全、成本等信息進(jìn)行采集、處理和分析，并能夠有效挖掘過(guò)去管理中不易發(fā)現(xiàn)的隱患，并能夠及時(shí)反饋至項(xiàng)目管理人員，從而顯著提高項(xiàng)目管理的精準(zhǔn)性，避免工程事故的發(fā)生。同時(shí)，智慧工地還憑借即時(shí)信息傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，改善了以往公路工程項(xiàng)目管理過(guò)程中可能存在的“信息孤島”問(wèn)題，促使各參與方之間信息協(xié)同、業(yè)務(wù)協(xié)作，助力公路工程建設(shè)高效化和規(guī)范化。

此外，“智慧工地”還在公路工程的全壽命周期項(xiàng)目管理中起到重要作用?！爸腔酃さ亍苯ǔ珊?，往往會(huì)建立專用的施工信息數(shù)據(jù)庫(kù)，使得后續(xù)管理人員可以隨時(shí)調(diào)取原始施工數(shù)據(jù)，為后續(xù)的施工作業(yè)及公路工程的監(jiān)管養(yǎng)護(hù)提供相關(guān)依據(jù)。

2 “智慧工地”建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

本研究借鑒制造業(yè)中智能建造的分類理念，從數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)和人工智能技術(shù)三個(gè)方面，對(duì)智慧工地在公路工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理和闡述。

2.1 數(shù)字化技術(shù)

2.1.1 BIM 技術(shù)

BIM 技術(shù)，又稱建筑信息模型，起源于20世紀(jì)提出的建筑計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的二維CAD 技術(shù)相比，其集成各種建筑信息參數(shù)，形成數(shù)字化、參數(shù)化的建筑信息模型，具有三維可視的特點(diǎn)。BIM 技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件模型與真實(shí)情況一一對(duì)應(yīng)的直觀交互，又可以實(shí)現(xiàn)公路工程中建設(shè)方案的各項(xiàng)模擬和優(yōu)化，為公路工程建設(shè)過(guò)程中各參建方的協(xié)同管理提供基礎(chǔ)。

2.1.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

隨著“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策”理念的不斷深化，公路工程項(xiàng)目的數(shù)據(jù)處理任務(wù)呈現(xiàn)出總量增多、種類復(fù)雜的趨勢(shì)。公路工程項(xiàng)目本身數(shù)據(jù)復(fù)雜龐大（例如水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、工程特征數(shù)據(jù)、參建方人員管理數(shù)據(jù)），在BIM 技術(shù)應(yīng)用以及數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，數(shù)據(jù)的總量和種類會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)張，亟需利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、處理、存儲(chǔ)和應(yīng)用。在公路工程施工過(guò)程中，可以利用傳感器等設(shè)備采集原始數(shù)據(jù)，進(jìn)一步通過(guò)高速數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行集成管理，為之后的管理決策、業(yè)務(wù)流程優(yōu)化等提供支撐。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是指將各種信息傳感器連接到互聯(lián)網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間相互連接而形成的新型智能網(wǎng)絡(luò)。其采用智能數(shù)據(jù)處理和互聯(lián)技術(shù)，具有自動(dòng)檢測(cè)、發(fā)現(xiàn)、跟蹤等功能，可以實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)采集和處理。由于公路工程施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的復(fù)雜多變，該技術(shù)可以通過(guò)傳感器設(shè)備而非人工的方式，有效感知施工現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠更加安全、高效地捕捉和監(jiān)控公路工程施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

2.2.2 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算可以理解為提供廣泛計(jì)算資源的網(wǎng)絡(luò)。云計(jì)算技術(shù)的主要特征如下：動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展、虛擬化、分布式、按需服務(wù)。云計(jì)算強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，結(jié)合大數(shù)據(jù)、BIM 等技術(shù)，可對(duì)公路工程中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜性運(yùn)算。此外，基于云計(jì)算可進(jìn)一步構(gòu)建云平臺(tái)，利用云平臺(tái)，所有項(xiàng)目利益相關(guān)者均可以在線上接收工程現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)信息并做出決策，項(xiàng)目進(jìn)度協(xié)調(diào)、質(zhì)量安全管理、資源分配等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景也均可在云中完成，跨部門、跨專業(yè)協(xié)作的阻礙將被打破。

2.2.3 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動(dòng)通信技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，具有隱私性、移動(dòng)性、局限性、關(guān)聯(lián)性四大特征。在公路工程實(shí)施過(guò)程中，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用能夠有效消除作業(yè)環(huán)境的空間及時(shí)間限制，響應(yīng)管理人員對(duì)即時(shí)接收與處理信息的迫切需求。此外，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步普及，移動(dòng)互聯(lián)的信息傳輸能力和時(shí)效得到進(jìn)一步增強(qiáng)，公路工程項(xiàng)目管理的效率也得以進(jìn)一步提升。

2.3 人工智能技術(shù)

人工智能作為一門綜合性的技術(shù)，包括諸多細(xì)分領(lǐng)域，例如模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自然語(yǔ)音處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等。在公路工程建設(shè)領(lǐng)域，該項(xiàng)技術(shù)的目的在于通過(guò)計(jì)算機(jī)模仿人類思考和學(xué)習(xí)的思維過(guò)程，處理相關(guān)數(shù)據(jù)，完成決策判斷，從而輔助人類工作。例如，在公路工程的現(xiàn)場(chǎng)安全管理中，可以綜合使用模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的安全作業(yè)行為進(jìn)行智能監(jiān)管，彌補(bǔ)人工監(jiān)管的不足，提高安全管理的時(shí)效性、精準(zhǔn)度和覆蓋面。

3 “智慧工地”在公路工程中的應(yīng)用路徑

在梳理“智慧工地”關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)一步綜合應(yīng)用相關(guān)技術(shù)，從公路工程施工前的人員培訓(xùn)和施工中的現(xiàn)場(chǎng)管理兩個(gè)階段，對(duì)“智慧工地”在公路工程中的主要實(shí)踐路徑和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析。

3.1 施工人員培訓(xùn)

3.1.1 施工質(zhì)量培訓(xùn)

公路工程施工技術(shù)內(nèi)容主要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化圖集等平面化方式進(jìn)行呈現(xiàn)，但口頭敘述解釋困難，再加上部分施工交底人員表達(dá)能力欠佳，與施工一線人員難以進(jìn)行有效的溝通，容易導(dǎo)致施工一線人員對(duì)技術(shù)內(nèi)容理解有誤。

“智慧工地”中的BIM 技術(shù)為以上問(wèn)題提供了解決途徑。其通過(guò)對(duì)公路工程的細(xì)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，能夠有效直觀地顯示拼接方式和部件的合理位置。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步與VR 智能設(shè)備相互結(jié)合，給相關(guān)人員帶來(lái)沉浸感和直觀感，利用沉浸式漫游，開(kāi)展員工培訓(xùn)，改善傳統(tǒng)施工教育“盲目接受”的弊端，幫助施工人員深度了解公路工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，避免潛在的返工或拆除作業(yè)，在減少不必要的施工時(shí)間和人力資源損失的情況下，提高工程質(zhì)量。

3.1.2 施工安全培訓(xùn)

安全是公路工程項(xiàng)目管理中的重點(diǎn)對(duì)象。對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的人員管理，一線人員不僅需要具備相關(guān)的工程技能，還需要了解現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)源。針對(duì)這一問(wèn)題，需要提前預(yù)測(cè)項(xiàng)目的潛在危險(xiǎn)。但是，工程一線人員熟悉現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境的過(guò)程是漸進(jìn)的，在未知環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)概率相對(duì)較高。

將傳統(tǒng)的公路工程安全培訓(xùn)機(jī)制與“智慧工地”中的BIM 技術(shù)相互結(jié)合，可以充分發(fā)揮BIM 技術(shù)在仿真性強(qiáng)、3D 可視性高等方面的優(yōu)勢(shì)，使一線人員能夠?qū)?shí)際工作環(huán)境做出準(zhǔn)確、合理的判斷，并提前對(duì)施工過(guò)程中涉及的機(jī)械設(shè)備和工作流程有一定程度的掌握。因此，施工一線人員可以更加快速地熟悉現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，更直觀地總結(jié)項(xiàng)目現(xiàn)有的危險(xiǎn)源，并根據(jù)危險(xiǎn)源的特點(diǎn)提前制定適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。

此外，針對(duì)公路工程復(fù)雜多變的特點(diǎn)，可以在“智慧工地”BIM 模型中定義不同的安全標(biāo)志和措施，配合施工現(xiàn)場(chǎng)的安全管理制度，構(gòu)建公路工程項(xiàng)目安全管理培訓(xùn)體系，并沉淀為組織資產(chǎn)，為后續(xù)同類工程的安全培訓(xùn)提供載體。

3.2 施工現(xiàn)場(chǎng)管理

3.2.1 智慧門禁管理系統(tǒng)

作為施工現(xiàn)場(chǎng)與外部環(huán)境之間的中轉(zhuǎn)站，施工現(xiàn)場(chǎng)門禁是防止外部干擾的第一道屏障。因此，基于實(shí)名制信息和移動(dòng)終端的門禁管理便尤為重要。智慧門禁利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等“智慧工地”建設(shè)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化考勤、無(wú)權(quán)限人員安全預(yù)警和體溫檢測(cè)疫情防控等功能。

3.2.2 施工前方案優(yōu)化

（1）設(shè)計(jì)驗(yàn)證

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量真實(shí)地反映地面的客觀情況，建立三維場(chǎng)地模型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)測(cè)繪情況。

（2）三維場(chǎng)地布置

通過(guò)BIM 技術(shù)、人工智能技術(shù)，建立三維場(chǎng)地模型，進(jìn)行漫游模擬，幫助公路工程施工現(xiàn)場(chǎng)合理規(guī)劃材料轉(zhuǎn)運(yùn)路線、材料設(shè)備布局，為現(xiàn)場(chǎng)管理提供指導(dǎo)，并為合理設(shè)計(jì)施工安排提供支撐。

（3）預(yù)制構(gòu)件優(yōu)化

根據(jù)二維圖紙、三維圖紙及材料清單，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安裝要求，利用云計(jì)算獲取各種預(yù)制構(gòu)件信息，包含尺寸、長(zhǎng)度、材質(zhì)等所需信息，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的精準(zhǔn)下料。

（4）碰撞檢查

針對(duì)公路工程施工圖的設(shè)計(jì)進(jìn)行三維模擬，檢查相應(yīng)的碰撞情況，避免出現(xiàn)構(gòu)筑物重疊、預(yù)埋件缺失和位移造成的拆卸、轉(zhuǎn)換和浪費(fèi)等返工現(xiàn)象。

3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)施工安全控制體系

利用“智慧工地”的物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)，可以對(duì)公路工程施工現(xiàn)場(chǎng)的危大工程進(jìn)行移動(dòng)巡檢和流程追蹤。同時(shí)，運(yùn)用多場(chǎng)景人工智能安全識(shí)別技術(shù)，可以設(shè)置安全帽佩戴識(shí)別、越界識(shí)別、人員聚集識(shí)別、煙霧識(shí)別等功能，以輔助現(xiàn)場(chǎng)安全管理。另外，還可以在智慧工地系統(tǒng)中針對(duì)建設(shè)、監(jiān)理、施工單位等內(nèi)置管理標(biāo)準(zhǔn)，形成安全措施標(biāo)準(zhǔn)化檔案云管控平臺(tái)，輕松實(shí)現(xiàn)各單位的清單式考核。

3.2.4 現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)保控制體系

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，通過(guò)環(huán)境信息的采集與分析，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與管理。同時(shí)，可與霧炮機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)噴淋裝置建立互聯(lián)互動(dòng)，無(wú)需人工操作即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的自動(dòng)降塵。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，“智慧工地”快速發(fā)展，為公路工程建設(shè)管理的水平提升提供了有效工具。公路工程日趨復(fù)雜化，信息技術(shù)的引入創(chuàng)新了公路工程的施工工藝和流程，為員工培訓(xùn)、設(shè)計(jì)方案檢查、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了有力支撐。此外，“智慧工地”通過(guò)統(tǒng)一的信息化平臺(tái)，消除了公路工程不同參建方之間和不同工程階段之間的信息壁壘，有利于在公路工程中開(kāi)展全壽命周期協(xié)同管理。綜合來(lái)看，“智慧工地”在公路工程中具有重要的推廣應(yīng)用意義。但是，當(dāng)前的“智慧工地”仍然面臨著概念研究深入、技術(shù)研發(fā)滯后，單項(xiàng)設(shè)備應(yīng)用多、系統(tǒng)性場(chǎng)景應(yīng)用少等不足，需要在產(chǎn)學(xué)研用深度合作、政策推廣支持等方面，進(jìn)行進(jìn)一步的探索與研究。