基于BIM+AIoT的市政工程智慧工地平臺(tái)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

閆 濤

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

市政工程包括城市道路、橋梁、給排水、環(huán)境工程、地下結(jié)構(gòu)等，作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)度、質(zhì)量、安全管控提出了很高的要求。同時(shí)由于市政工程專業(yè)的復(fù)雜性，受制于周邊環(huán)境的限制，不同工程的特點(diǎn)各不相同，施工標(biāo)準(zhǔn)化程度低，現(xiàn)場(chǎng)管理的難度大，風(fēng)險(xiǎn)高。傳統(tǒng)的項(xiàng)目管理手段單一、信息滯后，導(dǎo)致施工項(xiàng)目管理層反應(yīng)遲鈍和主動(dòng)控制能力的薄弱。在此背景下，隨著信息技術(shù)發(fā)展，特別是BIM、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)加速應(yīng)用，智慧工地的建設(shè)已成為施工項(xiàng)目管理方提升自動(dòng)化管理水平、保障工地施工安全文明的重要平臺(tái)和手段。

近年來(lái)，全國(guó)各地積極探索智慧工地建設(shè)，但還存在著系統(tǒng)集成度低、“信息孤島”現(xiàn)象較為突出、用戶端與監(jiān)管層數(shù)據(jù)融通度不高、智慧工地應(yīng)用點(diǎn)針對(duì)性不強(qiáng)，數(shù)據(jù)價(jià)值低等應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)。大多數(shù)企業(yè)對(duì)智慧工地的應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，應(yīng)用的業(yè)務(wù)板塊也各有不同，既需加強(qiáng)統(tǒng)一的頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)，又需針對(duì)項(xiàng)目實(shí)際的安全生產(chǎn)管理需求進(jìn)行更具實(shí)用性、針對(duì)性的落地探索。

BIM 技術(shù)作為近年來(lái)建筑行業(yè)大力發(fā)展的新技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在建設(shè)階段BIM 技術(shù)除可以進(jìn)行施工模擬、工程量計(jì)算、施工場(chǎng)地布置等單點(diǎn)應(yīng)用之外，還可以作為工程管理的數(shù)字基底，通過(guò)創(chuàng)建工程各專業(yè)BIM 模型、施工場(chǎng)地模型、周邊環(huán)境模型等，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的三維數(shù)字化還原，施工項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)、智能物聯(lián)感知數(shù)據(jù)可以通過(guò)BIM 模型基底為載體進(jìn)行融合；AIoT 是AI+IoT 的簡(jiǎn)稱，是人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合應(yīng)用，在智慧工地建設(shè)中，IoT 技術(shù)用于施工現(xiàn)場(chǎng)人、機(jī)、料、法、環(huán)各要素的數(shù)據(jù)感知，AI 技術(shù)可以將前端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，通過(guò)AI 算法的加持及時(shí)識(shí)別工地現(xiàn)場(chǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警與反饋。

現(xiàn)介紹基于BIM+AIoT 的市政工程智慧工地平臺(tái)的總體架構(gòu)、開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)、各模塊功能以及在某市政工程中的實(shí)際應(yīng)用情況，并對(duì)應(yīng)用成效進(jìn)行了總結(jié)，可為后續(xù)同類型項(xiàng)目的應(yīng)用提供借鑒。

1 平臺(tái)總體架構(gòu)

智慧工地平臺(tái)的總體架構(gòu)應(yīng)由感知層、傳輸層、平臺(tái)層、應(yīng)用層四個(gè)部分組成，智慧工地的架構(gòu)如圖1 所示。感知層包括施工現(xiàn)場(chǎng)安裝的信息采集、識(shí)別、控制的物聯(lián)設(shè)備。傳輸層指數(shù)據(jù)傳輸和通信技術(shù)和媒介，包括有線傳輸和WLAN、WiFi、GPRS/3G/4G/5G、藍(lán)牙等無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。平臺(tái)層指的是支持平臺(tái)基礎(chǔ)應(yīng)用及集成的各類技術(shù)服務(wù)，如BIM 圖形引擎、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、智能分析、邊緣計(jì)算等技術(shù)，設(shè)備連接管理、應(yīng)用集成、物聯(lián)設(shè)備集成、視頻流服務(wù)、基礎(chǔ)云服務(wù)等。應(yīng)用層指的是為滿足用戶需求提供的具體應(yīng)用服務(wù)，如安全管理、質(zhì)量管理、環(huán)境管理、人員管理等，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求進(jìn)行模塊化的功能配置，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)指揮大屏、Web 端、移動(dòng)端APP 等用戶終端使用。

圖1 智慧工地平臺(tái)總體架構(gòu)圖

2 平臺(tái)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

平臺(tái)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下四個(gè)方面：

（1）基于微服務(wù)的開(kāi)發(fā)技術(shù)架構(gòu)

智慧工地平臺(tái)需要能夠集成各專項(xiàng)子系統(tǒng)，同時(shí)在項(xiàng)目數(shù)量增加時(shí)要能夠快速進(jìn)行部署，通過(guò)基于微服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)、前后端分離的開(kāi)發(fā)模式可以使得平臺(tái)具備良好的拓展性并且能夠靈活部署。

（2）基于輕量化BIM 圖形引擎的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

基于OpenGL、WebGL 的三維圖形引擎可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)瀏覽器無(wú)插件在線查看輕量化BIM 模型，通過(guò)BIM 模型實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)的集成展示和聯(lián)動(dòng)查詢。

（3）基于多種通訊協(xié)議融合的IoT 數(shù)據(jù)接入技術(shù)

智慧工地通過(guò)智能物聯(lián)設(shè)備實(shí)時(shí)采集工地的揚(yáng)塵噪聲、視頻監(jiān)控、人員定位、施工機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、安全監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，不同的采集設(shè)備的采樣頻率、數(shù)據(jù)傳輸方式、通訊協(xié)議各不相同，平臺(tái)需要能夠支持多種協(xié)議的數(shù)據(jù)采集，并且對(duì)各類采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)、處理和應(yīng)用。

（4）基于視頻AI 的隱患識(shí)別技術(shù)

在通用圖像識(shí)別算法的基礎(chǔ)上結(jié)合工地實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行AI 模型的訓(xùn)練，將訓(xùn)練好的算法部署到AI 服務(wù)器上，接入現(xiàn)場(chǎng)攝像頭采集的監(jiān)控畫(huà)面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安全隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，將識(shí)別到的隱患進(jìn)行通知告警，及時(shí)消除隱患，提高管理效率。

3 平臺(tái)功能介紹

3.1 人員管理

人員管理功能模塊內(nèi)容應(yīng)包括人員實(shí)名制登記、無(wú)感考勤系統(tǒng)、人員定位等功能。人員實(shí)名制登記模塊，在人員進(jìn)場(chǎng)前通過(guò)移動(dòng)端APP 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的身份證信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并且通過(guò)AI 人臉對(duì)比算法將身份證照片與人員照片自動(dòng)比對(duì)，確保人證匹配，在平臺(tái)中建立人員臺(tái)賬，對(duì)不同工種人員進(jìn)行分類管理，對(duì)于超齡人員進(jìn)行預(yù)警。

無(wú)感考勤系統(tǒng)通過(guò)在工地出入口設(shè)置人臉識(shí)別閘機(jī)，對(duì)接后臺(tái)人員數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出人員控制和考勤信息自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。

人員定位功能通過(guò)在安全帽上增加定位模塊實(shí)現(xiàn)工地現(xiàn)場(chǎng)人員位置信息的實(shí)時(shí)采集，人員位置信息可以通過(guò)BIM 模型在三維場(chǎng)景中實(shí)時(shí)展示人員位置信息，如圖2 所示。

圖2 基于BIM 的人員定位功能圖示

3.2 設(shè)備管理

設(shè)備管理模塊首先在平臺(tái)中建立機(jī)械設(shè)備臺(tái)賬，對(duì)機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)信息進(jìn)行錄入，并對(duì)設(shè)備的檢定周期、維修保養(yǎng)建立數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)管理。對(duì)于一些特種作業(yè)設(shè)備，例如塔吊、攪拌樁設(shè)備等可以通過(guò)加裝智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，及時(shí)收集關(guān)鍵部位運(yùn)行信息，發(fā)生異常時(shí)自動(dòng)報(bào)警。

塔吊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：吊重、吊鉤高度、小車行進(jìn)幅度、回轉(zhuǎn)角度、塔機(jī)傾斜角度等，還可以通過(guò)加裝視頻監(jiān)控對(duì)實(shí)現(xiàn)吊鉤可視化和塔吊駕駛室監(jiān)測(cè)，如圖3 所示。

圖3 塔吊運(yùn)行監(jiān)測(cè)功能圖示

攪拌樁監(jiān)測(cè)通過(guò)安裝自動(dòng)化在線制漿記錄儀，搭配稱重傳感器、視頻監(jiān)控等，實(shí)時(shí)記錄攪拌樁各關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)，并將采集的施工數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳服務(wù)器。施工管理人員可以通過(guò)PC 端和手機(jī)實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)施工情況，平臺(tái)功能包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看、歷史記錄查詢、預(yù)警信息等。

3.3 基坑監(jiān)測(cè)

基坑監(jiān)測(cè)通過(guò)安裝相關(guān)基坑監(jiān)測(cè)設(shè)備，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息集成，在BIM 智慧大屏上實(shí)現(xiàn)可視化呈現(xiàn)，同時(shí)后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，形成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)日變化量趨勢(shì)圖。對(duì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置了預(yù)警值及報(bào)警值，當(dāng)預(yù)警或報(bào)警時(shí)，對(duì)相關(guān)人員及時(shí)進(jìn)行手機(jī)短信推送，并啟動(dòng)相應(yīng)基坑應(yīng)急預(yù)案。

3.4 視頻監(jiān)控

通過(guò)安裝視頻監(jiān)控和AI 視頻識(shí)別設(shè)備，建立施工現(xiàn)場(chǎng)全方位視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在項(xiàng)目部通過(guò)監(jiān)控大屏展示施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻的位置及監(jiān)控畫(huà)面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)措施的落實(shí)情況，主要包括視頻查看、圖像存儲(chǔ)、錄像回放、AI 識(shí)別、報(bào)警推送等功能。AI 視頻識(shí)別的功能包括安全帽、反光衣、區(qū)域入侵、吸煙、煙霧、明火等，如圖4 所示。

圖4 AI 視頻識(shí)別圖示

3.5 綠色文明施工

綠色文明施工模塊功能主要包括揚(yáng)塵噪聲監(jiān)測(cè)、用水用電監(jiān)測(cè)等。通過(guò)安裝環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的揚(yáng)塵噪聲等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)管理者對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況的整體把控，支持對(duì)前端污染源的實(shí)時(shí)監(jiān)控、在線預(yù)警、對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計(jì)、報(bào)表分析等功能。設(shè)備終端可根據(jù)設(shè)定的環(huán)境監(jiān)測(cè)閾值，與施工現(xiàn)場(chǎng)的噴淋裝置聯(lián)動(dòng)，在超出閾值時(shí)自動(dòng)報(bào)警并啟動(dòng)噴淋裝置，以達(dá)到噴淋降噪的目的。通過(guò)安裝數(shù)字化電箱、水表、電表等硬件，將施工現(xiàn)場(chǎng)用水量及電箱的電量、電壓、電流、功率等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映至平臺(tái)上，并由平臺(tái)進(jìn)行匯總分析數(shù)據(jù)，及時(shí)解決異常情況。

3.6 BIM 駕駛艙

BIM 駕駛艙將工程實(shí)體BIM 模型、施工場(chǎng)地模型、周報(bào)環(huán)境模型、施工機(jī)械模型等進(jìn)行整合，建立工程全景三維模型基底，在此基礎(chǔ)匯聚各類物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)、工程管理數(shù)據(jù)等，綜合展示項(xiàng)目總體建設(shè)匯總數(shù)據(jù)指標(biāo)，包括人員統(tǒng)計(jì)、設(shè)備統(tǒng)計(jì)、工程進(jìn)度、安全監(jiān)測(cè)、質(zhì)量控制等不同主題、不同維度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為工程指揮和調(diào)度提供決策依據(jù)，如圖5 所示。

圖5 BIM 駕駛艙示意圖

4 試點(diǎn)項(xiàng)目案例

4.1 項(xiàng)目概況

某水廠改擴(kuò)建項(xiàng)目位于中心城區(qū)，工程是在原有水廠基礎(chǔ)上進(jìn)行的擴(kuò)建和深度處理改造，在改造期間需確保原有水廠供水不能間斷，對(duì)工程施工管理提出了很高的挑戰(zhàn)。該項(xiàng)目通過(guò)BIM+智慧工地的應(yīng)用建立基于BIM 的智慧工地平臺(tái)，提升了工程管控的數(shù)字化、智慧化水平，為項(xiàng)目的順利交付提供了重要支撐。

4.2 應(yīng)用成效

在該項(xiàng)目中，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)和實(shí)際需要，重點(diǎn)對(duì)人員定位、塔吊監(jiān)測(cè)、攪拌樁監(jiān)測(cè)、基于BIM 的施工交底等進(jìn)行了應(yīng)用。

為防止在施工期間，施工人員闖入原有水廠，影響水廠的安全運(yùn)營(yíng)，該項(xiàng)目引入了人員定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握在場(chǎng)人員信息，并且通過(guò)劃定電子圍欄實(shí)現(xiàn)對(duì)人員越界的及時(shí)報(bào)警，取得了較好的效果，在安全風(fēng)險(xiǎn)大、人員管控要求高的項(xiàng)目中值得推廣應(yīng)用。

通過(guò)安裝塔吊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)塔吊的幅度、高度、轉(zhuǎn)角、重量、傾角、風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)還設(shè)置了人臉識(shí)別模塊司機(jī)開(kāi)啟塔吊時(shí)需要通過(guò)人臉或密碼驗(yàn)證，防止非工作人員誤開(kāi)。通過(guò)安裝吊鉤可視化體系，消除了塔吊司機(jī)的視野盲區(qū)，提升了塔吊作業(yè)的安全管控能力，如圖6 所示。

圖6 塔吊吊鉤可視化畫(huà)面

傳統(tǒng)攪拌樁質(zhì)量管控過(guò)程主要依靠管理人員現(xiàn)場(chǎng)管理，具有一定局限性和管理盲區(qū)。在該項(xiàng)目中通過(guò)引入攪拌樁質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)成樁深度、成樁時(shí)間、用漿量、鉆速、泥漿比重、施工流程、施工持續(xù)時(shí)間等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)，同時(shí)具備施工過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。水泥攪拌樁質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效輔助質(zhì)量管理人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督、檢查及旁站，替代部分現(xiàn)場(chǎng)管理工作，提高施工管理效率。

此外，在該項(xiàng)目中還通過(guò)將各單體構(gòu)筑物BIM模型輕量化發(fā)布到平臺(tái)中，并通過(guò)平臺(tái)生成二維碼張貼在施工現(xiàn)場(chǎng)，施工人員可以通過(guò)手機(jī)掃描查看BIM 模型，基于模型開(kāi)展施工交底，起到了指導(dǎo)施工的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

在行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大背景下，BIM 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、AI 技術(shù)的快速發(fā)展為智慧工地的建設(shè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，通過(guò)基于BIM+AIoT 的智慧工地平臺(tái)開(kāi)發(fā)可以改變目前依賴人工管理的現(xiàn)狀，有效提升施工現(xiàn)場(chǎng)的精細(xì)化、數(shù)字化、智能化水平，提升項(xiàng)目安全水平，助力品質(zhì)工程的創(chuàng)建。未來(lái)隨著B(niǎo)IM 技術(shù)和新一代信息技術(shù)的發(fā)展，基于BIM+AIoT 的智慧工地平臺(tái)有望在更多的工程建設(shè)項(xiàng)目中得到推廣應(yīng)用，促進(jìn)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。