“數(shù)字化＋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”理念在智慧橋梁施工與管理中的應(yīng)用研究

摘要：文章以某市大橋鋼桁架分項工程為例，應(yīng)用“數(shù)字化＋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”理念，完成對智慧橋梁施工管理系統(tǒng)設(shè)計，搭建智慧橋梁施工物料管理系統(tǒng)整體架構(gòu)，從設(shè)備進(jìn)出場管理、智能化設(shè)備維修保養(yǎng)兩個方面入手，將“數(shù)字化＋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”理念科學(xué)地應(yīng)用于橋梁工程施工設(shè)備智能化管理中。應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)具有施工物料信息采集準(zhǔn)確全面、人工成本低、物料進(jìn)出場高效、機(jī)械設(shè)備智能化管理水平高等特點，滿足預(yù)期設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)字化；智慧橋梁；施工；管理

中圖分類號：U449.5

0 引言

建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）技術(shù)憑借著自身優(yōu)越性、先進(jìn)性，被廣泛地應(yīng)用于橋梁工程領(lǐng)域中，并取得了良好的應(yīng)用效果。在橋梁工程應(yīng)用領(lǐng)域中，BIM模型構(gòu)建和應(yīng)用可以真實有效地反映出橋梁工程施工信息，施工方借助BIM模型，可以快速查找和提取出所需要的工程施工信息，同時還能將預(yù)制構(gòu)建、施工進(jìn)度、施工物料等信息直接錄入和存儲至BIM模型中，以實現(xiàn)對工程施工過程的智能化管理［1］。但是，目前，在收集和錄入大量信息數(shù)據(jù)時，通常采用人工操作模式，導(dǎo)致人工消耗成本較高，同時還降低了數(shù)據(jù)錄入的準(zhǔn)確性和時效性，難以保證BIM模型信息的準(zhǔn)確性，甚至還會引發(fā)施工安全等問題［2］。為解決以上問題，本文將BIM技術(shù)與“數(shù)字化+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”理念進(jìn)行有效的結(jié)合，完成對新型智慧橋梁施工管理系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用，從而實現(xiàn)對施工現(xiàn)場、施工物料、施工設(shè)備的智能化、數(shù)字化管理，為進(jìn)一步地提高橋梁工程施工效益提供重要的平臺支持。

1 智慧橋梁施工物料管理系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，由圖1可知，整個系統(tǒng)劃分為以下幾個層次：（1）用戶層。用戶層設(shè)計目的是更好地識別不同用戶角色類型，并為不同用戶角色設(shè)置相應(yīng)的操作權(quán)限。

（2）應(yīng)用層。用戶借助該應(yīng)用層可進(jìn)行一系列操作，如采購計劃管理、庫存計劃管理等。

（3）服務(wù)層。服務(wù)層將用戶層與數(shù)據(jù)層進(jìn)行有效的連接，為用戶提供數(shù)據(jù)管理、信息編碼等服務(wù)體驗［3］。

（4）數(shù)據(jù)層。利用數(shù)據(jù)層，可實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的收集、處理和存儲，方便相關(guān)人員查找和調(diào)用數(shù)據(jù)。

（5）硬件層。在硬件層中，除了配置相應(yīng)的RFID電子標(biāo)簽外，還配置RFID讀寫器，為整個系統(tǒng)架構(gòu)搭建打下堅實的基礎(chǔ)。

2 數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在橋梁工程施工設(shè)備智能化管理中應(yīng)用

2.1 設(shè)備進(jìn)出場管理

在進(jìn)行塔式起重機(jī)、門式起重機(jī)、物料提升機(jī)等施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)出場過程管理期間，通常需要多個部門協(xié)調(diào)配合完成對設(shè)備信息以及相關(guān)人員操作資格的審查，導(dǎo)致人力資源成本不斷增加。同時，設(shè)備提供方要將設(shè)備年檢合格證以及使用說明書等大量資料提交至項目部，增加項目部管理難度。而數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，可以解決以上問題，促使施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)出場流程變得更加簡單。具體操作為：（1）設(shè)備提供方借助RFID電子標(biāo)簽，提取錄入所整理好的施工設(shè)備基本信息；（2）向施工現(xiàn)場輸送和擺放施工設(shè)備，利用RFID讀寫器，自動讀取施工設(shè)備信息，并將最終讀取結(jié)果同步傳輸和發(fā)送至系統(tǒng)中；（3）還要提醒相關(guān)人員及時檢測和驗收新進(jìn)場的施工機(jī)械設(shè)備，當(dāng)驗收結(jié)束后，將最終驗收結(jié)果發(fā)送和存儲至數(shù)據(jù)庫中。優(yōu)化后的機(jī)械設(shè)備進(jìn)場流程如圖2所示。

2.2 智能化設(shè)備維修保養(yǎng)

當(dāng)機(jī)械設(shè)備進(jìn)入到施工現(xiàn)場后，本文系統(tǒng)會結(jié)合該機(jī)械設(shè)備最近一次維修時間，計算出下一次維修時間，并提醒相關(guān)人員在指定的維修時間段內(nèi)及時維修和保養(yǎng)該設(shè)備。將施工機(jī)械設(shè)備應(yīng)用數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，方便管理人員借助本文系統(tǒng)實時獲取和了解該設(shè)備行駛里程、運載重量、燃油消耗情況等信息，并對設(shè)備成本進(jìn)行智能化、精細(xì)化管控，降低不規(guī)范使用設(shè)備風(fēng)險。

3 智慧橋梁施工管理系統(tǒng)開發(fā)分析

3.1 硬件開發(fā)分析

3.1.1 電子標(biāo)簽選取

材料不同，所選用的RFID電子標(biāo)簽也不一樣，在管理預(yù)制構(gòu)件等施工物料期間，要優(yōu)先選用有源RFID電子標(biāo)簽，該電子標(biāo)簽在實際工作中，主要采用主動工作方式，可向RFID讀寫器主動發(fā)送相關(guān)發(fā)射信號，可智能化監(jiān)控預(yù)制構(gòu)件的狀態(tài)［4］。吊索、鋼桁架等工程選用有源RFID電子標(biāo)簽；在管理分布零散、成本低的施工物料期間，要選用超高頻防撞抗金屬MIS3標(biāo)簽，該電子標(biāo)簽性價比高，成本低，識別距離較短。不同類型電子標(biāo)簽對比結(jié)果如表1所示。

3.1.2 讀寫器

在本文系統(tǒng)中，主要選用兩種RFID讀寫器。

（1）R2000UHF型號超高頻固定式RFID讀寫器。該讀寫器工作頻率單一，在無外界干擾的情況下，可以實現(xiàn)達(dá)100 m以上距離的識別，其存盤峰值速度較高，高達(dá)700張/秒。

（2）CJ2603B型號超高頻固定式RFID讀寫器。該讀寫器在無外界干擾的情況下，可以實現(xiàn)20 m以上距離的識別，其存盤峰值速度較低，僅僅為200張/秒。不同型號RFID讀寫器對比結(jié)果如表2所示。

3.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)分析

在進(jìn)行本文系統(tǒng)軟件開發(fā)時，重點搭建OracleRDBMS和VisualStudioCode環(huán)境，其中，OracleRDBMS主要用于對工程施工進(jìn)度數(shù)據(jù)的存儲；選用VisualStudioCode編程工具、Javascript開發(fā)語言、Electron框架，完成系統(tǒng)軟件程序編寫。此外，運用AutodeskRevit2017軟件，完成對橋梁BIM模型構(gòu)建，為后期訂購合適的預(yù)制構(gòu)件提供重要的依據(jù)和參考。此外，在AutodeskRevit2017軟件的應(yīng)用背景下，可以快速地編制施工進(jìn)度計劃，促使施工下料操作向智能化、數(shù)字化方向不斷發(fā)展［5］。

3.3 信息采集系統(tǒng)開發(fā)分析

3.3.1 讀寫器對RFID標(biāo)簽的信息交互流程

在本文系統(tǒng)中，同時選用了如圖3所示的被動式電子標(biāo)簽。被動信息傳遞流程如下：

（1）程序啟動。借助RFID讀寫器向無線射頻場發(fā)送相關(guān)查詢請求指令，如果該射頻場中讀寫器支持該請求指令，那么電子標(biāo)簽即可做出相應(yīng)的回饋，并標(biāo)注和識別自身的標(biāo)簽類型。

（2）選擇標(biāo)簽。在無線射頻場中，當(dāng)明確電子標(biāo)簽類型后，發(fā)出選中請求指令，即可成功選中滿足實際使用需求的RFID電子標(biāo)簽［6］。

（3）相互認(rèn)證。采用密鑰匹配的方式，驗證所選中的電子標(biāo)簽是否合法。同時，采用標(biāo)簽認(rèn)證的方式，認(rèn)證RFID讀寫器是否合法，從而實現(xiàn)對電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的有效保護(hù)。

（4）數(shù)據(jù)讀寫。RFID讀寫器可實時讀取和修改電子標(biāo)簽相關(guān)數(shù)據(jù)。

（5）標(biāo)簽休眠。當(dāng)某一電子標(biāo)簽被讀取完后，該電子標(biāo)簽即可進(jìn)入到短暫休眠狀態(tài)。

（6）繼續(xù)讀寫。借助RFID讀寫器重復(fù)操作步驟2～5，讀取完所有的電子標(biāo)簽。

（7）結(jié)束讀寫。當(dāng)電子標(biāo)簽全部讀取完后，RFID讀寫器即可發(fā)出喚醒請求指令，電子標(biāo)簽讀取操作圓滿結(jié)束。

3.3.2 RFID讀寫器模塊

RFID讀寫器模塊含有以下四個模塊：

（1）數(shù)據(jù)接口模塊。該模塊借助I/O接口，可與傳感器建立良好的通信關(guān)系，從而實現(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)的正確輸入、處理和打包，并將最終打包結(jié)果發(fā)送和傳輸至傳感器中。

（2）信息處理模塊。該模塊可以將所讀取的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至存盤中，便于其他人員查看和調(diào)用［7］。

（3）調(diào)制解碼模塊。該模塊可對所接收到的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)換為滿足信道傳輸需求的數(shù)字信號。

（4）射頻通信模塊。該模塊可以借助天線，共享和利用調(diào)制編碼信號，確保讀寫器與電子標(biāo)簽之間建立良好的通信關(guān)系。

4 智慧橋梁施工的工程實例

4.1 分項工程概況

某市大橋鋼桁分項工程主要包含以下幾個部分：

（1）主桁架。主桁架在具體設(shè)計時，主要選用華倫式結(jié)構(gòu)，含有上弦桿、下弦桿、斜腹桿等部分。

（2）主橫桁架。主橫桁架在具體設(shè)計時，主要選用單層桁架結(jié)構(gòu)，含有直腹桿、豎腹桿、上橫梁、下橫梁等部分。

（3）上下平聯(lián)。上下平聯(lián)在具體設(shè)計時，主要選用K形體系，上下平聯(lián)含有140個節(jié)間。整個工期計劃為100 d。

4.2 智慧橋梁施工管理系統(tǒng)運行

當(dāng)本文系統(tǒng)軟件成功打開后，用戶從施工方、監(jiān)理方、材料供應(yīng)方三種角色類型中，選出相應(yīng)角色類型，并輸入用戶名和密碼，然后登錄和訪問該系統(tǒng)操作界面。在查看鋼桁架施工物料管理進(jìn)度偏差情況時，需進(jìn)入到該系統(tǒng)中。點擊“鋼桁架盡速管理”導(dǎo)航，系統(tǒng)即可將鋼桁架進(jìn)度情況形象直觀地呈現(xiàn)在用戶面前。鋼桁架進(jìn)度管理界面如圖4所示。用戶結(jié)合該鋼桁架進(jìn)度情況等信息，可快速分析和查找施工進(jìn)度偏差原因，并對其進(jìn)行有效的處理，避免類似不良事件的出現(xiàn)，從而智能化、數(shù)字化監(jiān)控工程鋼構(gòu)件總體施工流程［8］。

4.3 智慧橋梁施工管理系統(tǒng)潛效益

該系統(tǒng)潛效益如下：

（1）應(yīng)用BIM技術(shù)，省略預(yù)拼裝環(huán)節(jié)，縮短工程施工期限；

（2）運用該系統(tǒng)，可以降低人力資源成本，配備少量的工作人員即可快速、精確地獲取構(gòu)建信息；

（3）促使施工現(xiàn)場管理變得更加智能化、高效化。應(yīng)用該系統(tǒng)，不僅可以高效化、可靠化驗收預(yù)制構(gòu)件整個進(jìn)場過程，還能實現(xiàn)對施工材料原始數(shù)據(jù)的高效化、精確化獲取和整理。在驗收施工材料進(jìn)場過程中，應(yīng)用RFID讀寫器，可以在第一時間內(nèi)快速獲取和整理多個構(gòu)件標(biāo)簽信息，并將所整理好的標(biāo)簽信息傳輸?shù)皆撓到y(tǒng)中，降低相關(guān)人員輸入工作任務(wù)量。

5 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用“數(shù)字化+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”理念所設(shè)計的智慧橋梁施工管理系統(tǒng)，可以降低人力資源成本，僅僅配備少量的工作人員，即可智能化獲取和整理構(gòu)件信息、設(shè)備信息。該系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢如下：

（1）增強(qiáng)現(xiàn)場管理效率。應(yīng)用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)場過程的智能化管控和驗收，還能保證施工數(shù)據(jù)采集和整理的全面性、高效性，降低管理員的工作任務(wù)量。

（2）提高數(shù)據(jù)信息的可靠性。借助RFID讀寫器，可以對施工數(shù)據(jù)信息進(jìn)行直接獲取，保證數(shù)據(jù)信息獲取的高效性和精確性。

（3）可以高效、精確地查詢施工進(jìn)度。應(yīng)用RFID讀寫器進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集和整理后，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可實時更新，方便管理員全面掌握和管控工程施工進(jìn)度。另外，結(jié)合施工實際情況，該系統(tǒng)可將鋼桁架等施工進(jìn)度形象直觀地呈現(xiàn)在施工人員面前，方便施工人員及時調(diào)整和管控施工偏差。

參考文獻(xiàn)

［1］趙 亮.智慧橋梁施工管理中“數(shù)字化+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”理念應(yīng)用［J］.智能建筑與智慧城市，2022（9）：15-17.

［2］劉守宇，朱留洋，彭學(xué)忠，等.基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的軌道交通跨江大橋信息化施工管理研究［J］.重慶建筑，2021，20（z1）：40-43.

［3］文武松，毛偉琦，陶世峰.新時代橋梁智能建造及智慧服務(wù)體系研究［J］.世界橋梁，2022，50（6）：122-127.

［4］曾 遠(yuǎn)，古佩勝，盧 俊，等.基于BIM技術(shù)的大跨公軌兩用懸索橋施工管理平臺研發(fā)與應(yīng)用［J］.施工技術(shù)（中英文），2022，51（11）：37-41.

［5］郭聚富，任有保.BIM技術(shù)在跨海大橋設(shè)計與施工中的應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2023（5）：85-89.

［6］惠記莊，鄧偉森，丁 凱，等.基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)的鋼橋智能建管養(yǎng)系統(tǒng)研究與應(yīng)用［J］.公路交通科技，2023，40（9）：126-134.

［7］吳巨峰，祁江波，方黎君，等.基于BIM的橋梁全生命期管理技術(shù)及應(yīng)用研究［J］.世界橋梁，2020，48（4）：75-80.

［8］張春聲，代希華.基于全生命周期的BIM智慧建管養(yǎng)一體化平臺在超大跨度懸索橋的應(yīng)用［J］.廣東公路交通，2021，47（3）：25-29.

收稿日期：2024-03-15

作者簡介：陸 維（1984—），工程師，主要從事市政道路施工總包管理工作。