李彥青, 侯學良

(華北電力大學 經濟與管理學院,北京 102206)

工程項目施工信息精細化采集體系構建

李彥青, 侯學良

(華北電力大學 經濟與管理學院,北京 102206)

工程項目施工階段蘊含大量信息,如果這些信息不能及時有效地采集,必然會影響項目目標的實現(xiàn)。針對該問題,在循證科學原理的指導下,文章提出“信息精細化采集”概念,并將項目施工信息進行三級精細化虛實體劃分,在此基礎上,結合新興信息采集技術的特點和應用實踐,構建工程項目實體施工信息精細化采集技術體系,并通過一個實際案例論證了該體系的科學性與可操作性。該體系的應用將推動新興信息采集技術與工程施工的融合與發(fā)展,加快施工管理的信息化進程,并為項目管理人員提供參考。

施工階段;信息精細化;數(shù)據采集;信息技術;體系構建

建筑業(yè)作為國民經濟中的支柱產業(yè),在經濟和社會發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。我國建筑業(yè)總產值呈現(xiàn)逐年遞增趨勢,占GDP比重的10%左右[1]。但同時,建筑業(yè)也存在著信息化程度低下、生產水平落后、浪費現(xiàn)象嚴重等一系列問題,致使項目往往會出現(xiàn)成本超支、進度延誤、安全風險等問題[2]。其中主要原因在于,我國建筑業(yè)的生產實踐缺乏及時有效的施工信息,難以準確掌控施工過程的動態(tài)變化[3]。據統(tǒng)計,在一個建設項目全生命周期中，施工階段所產生的信息量最多,約占到總信息量的1/2[4]。如果不能及時準確地獲取這些信息并加以分析利用,工程的質量、進度、費用和安全就得不到保障。

目前采集信息的方式主要依靠傳統(tǒng)手工的方式進行,用這種方式采集到的信息不僅不及時,信息的準確性也有待考量[5]。因此,對施工階段的信息進行精細化劃分,并在此基礎上運用先進的信息采集技術及時、準確地收集施工信息對建設項目至關重要。在工程信息化進程中,項目信息管理的基礎就在于對工程信息進行及時有效的收集。但不同的工程信息所對應的采集方式必然存在差別,因此,為了及時有效地獲取這些信息,就必須在將其精細化劃分的基礎上,針對不同種類的信息采取與之相匹配的信息采集方式。

1 施工信息精細化劃分

1.1 信息精細化概念的提出

在工程施工過程中,由于內容的多樣性、工藝流程的復雜性、相關專業(yè)的相互交叉以及項目內外環(huán)境的耦合影響,使得項目在其施工過程中產生的信息也具有明顯的非線性。工程項目施工管理中大量的語言化、通俗化信息從表面上看似乎清晰明了,實際上,直接利用它們對系統(tǒng)進行完整地識別并推斷對應的內在原因卻是較為困難的,推斷的結論也常常是不宜得到的。因此,從信息分析的角度看,若要獲得準確有效的信息,信息精細化處理是基礎。

根據循證科學原理分析,信息是客觀事物之間相互聯(lián)系和相互作用的表征。既然信息是客觀事物的表征反映,那么信息必有其屬性。同一屬性包含著不同特征,每種特征又具有表達其特性的專有參數(shù),因此特征是不同參數(shù)的動態(tài)整合。根據以上思路,可將信息進行三級精細化:一級為信息屬性;二級為信息屬性特征;三級為信息屬性特征參數(shù)。

1.2 施工信息精細化劃分體系構建

結合施工階段的信息屬性以及建設項目特點,可將施工階段的信息初始劃分為:工程風險、

工程質量、工程進度、工程費用、施工安全、環(huán)保狀況、資源保障和其他工作8類。通過大量相關研究,對實際工程施工階段產生的信息按照信息屬性進行統(tǒng)計,得到施工階段類別信息分布總頻次與頻率，見表1所列。

表1 施工階段類別信息分布總頻次與頻率

表1中，工程質量、工程進度、施工安全和資源保障這4類的信息量相對較多，是決定一個建設項目成敗的關鍵[6]。

隨著施工信息越來越復雜多樣,傳統(tǒng)的信息采集體系將不能滿足建設項目信息化的發(fā)展需求。利用先進的科學技術對施工信息進行采集的基礎即是對信息進行合理的精細化劃分。結合施工信息特點,并在分析實際工程項目的基礎上,對上述4種不同屬性的信息又進行了二級劃分。由于同一屬性層面的信息包有不同特征,并且相互耦合。因此,一級劃分體系按照屬性信息的特征來劃分；二級劃分按照每種信息屬性的特征參數(shù)進行。加之初始對施工信息的屬性歸類匯總,就實現(xiàn)了施工信息的三級劃分,見表2所列。

表2 施工信息精細化虛實體劃分三級體系

續(xù)表

在三級施工信息中,又可以將施工信息分為實體信息和虛體信息兩大類。表2中,A12v、B11v、B12v、D11v、D12v屬于虛體信息,其他屬于實體信息。實體信息具有可視性、客觀性等特點,虛體信息則是主觀的。在建設項目的施工階段,虛體信息通過手工統(tǒng)計與計算就可以采集到,而實體信息則要利用相應的采集技術獲得。

2 施工信息精細化采集

2.1 施工信息精細化采集的必要性

在項目施工階段信息管理體系框架如圖1所示，工程項目施工信息精細化采集是工程管理信息化的必然要求,直接影響著項目管理效率和質量。

圖1 工程項目施工階段信息管理體系框架

工程項目信息管理貫穿建設工程全過程,銜接建設工程的各個階段、各參建單位,其基本環(huán)節(jié)有:信息的收集、傳遞、加工、整理、檢索、分發(fā)和儲存。首先通過信息的精細化采集獲取有效的原始數(shù)據,然后在此基礎上結合數(shù)據庫、網絡技術、普適計算、BIM以及4D可視化技術的特點和優(yōu)勢對施工階段信息管理體系進行構建,以期實現(xiàn)對項目各目標的控制與調整。

施工信息的采集是工程管理信息化的基礎,決定著后續(xù)工作能否得以進行。而結合先進的信息技術,對施工信息采集的精細化處理則提高了信息收集的針對性及有效性,決定著后續(xù)工作能否按質按時按量地完成。因此,施工信息精細化采集是工程管理信息化進程中必須要著重解決的問題。

2.2 數(shù)據采集技術及特點

計算機系統(tǒng)與信息技術的高速發(fā)展加快了建設工程領域的信息化進程,施工現(xiàn)場信息采集的效率也隨之提高。自動化識別已作為一項施工信息采集的基本工具,在工程現(xiàn)場得到普遍應用。當前在建設行業(yè)應用的先進的數(shù)據采集技術可分為非空間數(shù)據采集技術與空間數(shù)據采集技術這兩大類,具體如下。

(1) 非空間數(shù)據采集技術。具體包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)、條形碼技術、RFID技術與MEMS系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)利用衛(wèi)星與信號接收機的無折線連接對目標進行定位,多數(shù)應用于室外,但新一代的具備激光和其他技術單元的GPS可對室內目標進行定位[7]。目前該技術多數(shù)用于人員監(jiān)控與材料追蹤領域。條形碼作為一種成熟的信息采集技術被廣泛應用于生活實踐中。雖經濟,但易損，須在適當環(huán)境與距離下使用。RFID技術是傳統(tǒng)條碼識別技術的升級,針對條形碼技術在使用壽命與讀取能力等方面的劣勢領域進行了改進與提高,被稱為新一代條碼識別技術[7]。該技術多數(shù)用于人員監(jiān)控、材料追蹤與進度監(jiān)測領域。無限微機電系統(tǒng)MEMS是在微米級層面對工程目標進行監(jiān)控的機械系統(tǒng)。采用體積小、價格低廉的微機電傳感器,可對起重器的負重程度進行監(jiān)測或者通過附在結構構件表面,對其應變能力進行測量[7]。目前該技術多數(shù)用于材料追蹤與機械監(jiān)控領域。

(2) 空間數(shù)據采集技術。具體包括視覺測繪技術與LADAR技術。視覺測繪技術又包含攝像測量技術、錄像測量技術和3D測距照相機。攝像技術是從用照相機拍攝的2D圖像照片中提取幾何特征信息,并對相關構件進行三維創(chuàng)建的技術。錄像測量技術和攝像測量技術原理相似,不同點在于錄像測量技術用錄像的幀代替了圖像進行3D坐標的測量[8]。三維測距相機優(yōu)勢在于可對運動目標進行檢測、跟蹤和建模?；谟嬎銠C視覺的測量技術,采用標準化的攝像機或立體視頻記錄儀,已被用于施工監(jiān)控。經過一定的模式識別與人工處理,可得到表達工程進度的主要數(shù)據,并且可對現(xiàn)場中關鍵材料進行定位[9]。3D激光掃描儀LADAR可以通過掃描物體而得到掃描標的物的三維坐標,該技術可在短時間內采集到大量坐標點,其強大的功能可用于CAD的3D建模。目前,隨著激光掃描儀性能的提高與成本的不斷降低,LADAR將會在工程監(jiān)控領域擁有廣闊的發(fā)展前景[9]。本文通過具體分析得出的空間數(shù)據采集技術對比結果,見表3所列。

表3 空間數(shù)據采集技術的對比

2.3 實體施工信息精細化采集技術體系構建

通過大量相關研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有施工信息采集技術體系大多停留在施工信息的一級層面,極少針對細化后的施工信息建立一種合適的采集體系[10-13]。本文在對施工信息精細化劃分的基礎上,結合數(shù)據采集技術的特點,對各采集技術在施工信息精細化三級層面上的適用性進行分析探討,構建出建設項目實體施工信息精細化采集技術體系,見表4所列。在采集體系中,單一數(shù)據采集是按照對三級信息的適用性進行劃分的,但聯(lián)合數(shù)據采集技術對三級信息的采集劃分是通過聯(lián)合2種技術的特點,找出其在采集三級施工信息的優(yōu)勢領域進行劃分的。

在施工信息采集技術體系應用的過程中,統(tǒng)一信息屬性、屬性特征與特征參數(shù)這3類信息采集的基礎是循證科學理論與數(shù)理統(tǒng)計的結合。在工程項目施工過程中出現(xiàn)的問題屬于表象信息,是內在因素的一種表征反映。這種表征反映體現(xiàn)在上述表2的一級和二級信息中,需運用循證科學與數(shù)理統(tǒng)計分析對表象信息進行剖析,找出其問題的根源信息所在,即表2中對應的三級屬性特征參數(shù)類信息,再結合信息采集技術對此類信息進行采集,即可得到造成實際工程出現(xiàn)問題的內在原因。因此該體系在實際工程應用中需結合循證科學理論與數(shù)理統(tǒng)計進行。

在表4中,一種信息對應幾種采集方式,但在實際工程中具體應用哪一種,要根據采集需求來確定。例如信息A13質量過程監(jiān)督類信息,可用LADAR、LADAR&視覺測量技術、GPS&LADAR這3種類別的采集方式。

但這3種方式所采集到的信息側重點不同,如果以LADAR采集的信息為基礎,那么LADAR&視覺測量聯(lián)合技術可以在LADAR采集信息的基礎上,從照片圖像中提取更多的對象屬性信息,如對象顏色,從而在3D建模時獲得更高的準確度。GPS&LADAR聯(lián)合技術則可以增加顯示被監(jiān)測對象的位置定位信息。因此,通過參考采集技術體系,具體對三級信息采取何種采集方式,要根據工程的實際需要、施工信息的特點并結合工程預算進行選擇。

表4 建設項目實體施工信息精細化采集技術體系

3 實例分析

目前,工程建設項目逐漸趨于復雜化和大型化,但是工程管理手段依舊停留在以人為主,軟件設備儀器為輔的階段,無法滿足施工技術發(fā)展的要求。由于先進儀器設備在實際工程項目管理中的利用率較低,目前項目施工現(xiàn)場資源管理已成為大型建設工程管理最棘手的問題之一[14]。資源管理貫穿施工過程的整個階段,其中最關鍵的是建筑工程關鍵材料管理,因為它與工程造價、工程進度和工程質量息息相關。為此,某大型建筑工程項目部為完善施工現(xiàn)場資源管理工作,邀請本研究團隊作為專業(yè)領域的第三方對其進行分析與指導。

根據施工信息精細化虛實體三級劃分體系,研究人員將該項目的施工現(xiàn)場資源管理工作進行了劃分,得到資源信息的三級信息目錄見表5所列。在本項目中,設定三級信息對應工作的未完成效度為診斷指標并以此為全體調查對象,研究人員將各診斷指標的未完成效度分為5、4、3、2、1 共5個等級,并對該項目所涉及全體人員進行規(guī)模調查。調查結束共得到132份有效樣本,因此各診斷指標都具有132個與未完成效度相對應的特征參數(shù)調查數(shù)據值。以此數(shù)據作為每一個診斷指標的特征參數(shù)值,在0～1區(qū)間內對其進行歸一化處理,便可得到每一診斷指標在其效度確定下的標準特征參數(shù)值x;在此基礎上,依據各指標的效度值與標準特征參數(shù)值x確定各診斷指標的問題程度(見表5所列)。由于此調查分析過程沒有摻入任何主觀臆斷,該分析結果被項目部專家一致認可。更重要的是,利用本研究提出的施工信息精細化劃分體系分析診斷出該工程病態(tài)表象下的問題根源。通過分析得知造成該項目資源管理病態(tài)表象的本源在于材料供應實時狀態(tài)未按質落實。在此基礎上,結合該工程項目實際狀態(tài),研究人員針對該項目與材料供應實時狀態(tài)相關的會議紀要、工作報表以及工作日志等資料進行整理與分析,最終得出該項目資源管理工作出現(xiàn)問題的根源在于對施工現(xiàn)場鋼構件的實時狀態(tài)無法實現(xiàn)有效掌控。

表5 指標問題程度分析

該項目材料供應實時狀態(tài)屬于D31類信息,表4中的建設項目實體施工信息精細化采集技術體系中對應的采集方式分別有LADAR、RFID、條形碼、GPS、視覺測量技術、RFID&MEMS、GPS&RFID這7類采集方式。研究人員在分析數(shù)據采集技術特點及參照表3的基礎上,結合鋼構件物理特性及工程實際費用,建議采用RFID技術對該項目的資源管理工作進行改進,具體實施過程如下。

結合該工程的實際情況,研究人員為實時掌控鋼構件在施工現(xiàn)場的實時供應狀態(tài),分別在材料進場、材料驗收、施工開始與施工結束4個環(huán)節(jié)設置了信息采集點。在材料進場環(huán)節(jié)中,將由安置在施工現(xiàn)場門口的固定式遠距離PDA對鋼構件的電子標簽進行掃描與識別,獲取數(shù)據并對數(shù)據庫中的材料進場時間做實時調整,通過PDA向監(jiān)理發(fā)送消息,為監(jiān)理對鋼構件的進場驗收做好準備工作。該環(huán)節(jié)信息的實時獲取,為施工方與監(jiān)理方提供了及時準確的鋼構件進場信息,在鋼構件進場驗收環(huán)節(jié)中,由監(jiān)理手持便攜式PDA對進場材料進行檢查,若檢查合格,則對其標簽進行讀取并向其標簽寫入“0”；獲取數(shù)據后對數(shù)據庫中的構件進場時間做實時調整,并通知施工方做好施工準備；若材料不合格,則通過PDA向其標簽中寫入“1”并退回廠家。進場驗收環(huán)節(jié)的信息采集能夠使施工方及時獲得構件合格信息開始施工,并退回不合格構件。在施工開始與結束環(huán)節(jié)中,由施工方派專人手持便攜式PDA對施工開始與結束的時間節(jié)點各讀取一次標簽,此過程便于對鋼構件材料的施工進度實時狀態(tài)進行監(jiān)控,具體過程如圖2所示。

本研究提出的施工信息精細化虛實體劃分三級體系以及采集技術體系投入該大型建筑工程項目實際應用后,利用施工信息劃分后的信息診斷指標診斷出的結果很好地反映了工程實際狀況,并結合先進的信息采集技術取得了良好的管理效果,因而也進一步證明了該體系的科學性與可操作性。

圖2 施工現(xiàn)場鋼構件實時狀態(tài)監(jiān)控

4 結 論

在工程項目施工過程中,施工監(jiān)控技術歷來備受業(yè)界重視。其中,施工進度、工程質量和工程費用作為施工監(jiān)控的最主要內容,其實時預測、及時預警與動態(tài)調整的定量分析基礎是施工信息及時有效的采集。但目前,對工程實體信息采集技術體系的研究大多停留在信息的一級層面,極少有研究針對細化后的實體施工信息建立合適的技術采集體系。本文在分析建設項目施工階段特點的基礎上,結合信息層級屬性特征,對施工信息進行了三級精細化虛實體劃分。并通過大量研究,結合目前先進的信息采集技術的適用性以及各類施工信息的特點,構建了實體施工信息精細化采集技術體系,并通過一個項目實例論證了本研究所建體系的科學性與可操作性。該體系可以指導施工現(xiàn)場可視實體信息的采集,并為BIM技術創(chuàng)建實時模型提供一種有效的信息采集技術方法體系。建設項目可視實體施工信息精細化采集方法的研究將有助于推動新興信息采集技術與工程施工方案的融合,并為建筑業(yè)信息化發(fā)展提供新思路。

[1] 中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中華人民共和國2014年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[EB/OL].[2016-01-10].http://www.tjcn.org/tjgb/201502/28010-2.html,2015-02-26.

[2] MATTHEWS J,LOVE P E D,HEINEMANN S,et al.Real time progress management:re-engineering processes for cloud-based BIM in construction[J].Automation in Construction,2015,58:38-47.

[3] SHAHAHDASHTI S M,RAZAVI S N,SOIBELMAN L,et al.Data fusion approaches and applications for construction engineering[J].Journal of Construction Engineering and Management,2011,137(10):863-869.

[4] 清華大學BIM課題組.中國建筑信息模型標準框架研究[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011:68-94.

[5] YANG L R,CHEN J H,WANG H W.Assessing impacts of information technology on project success through knowledge management practice[J].Automation in Construction,2012,22:182-191.

[6] 楊東旭.基于BIM技術的施工可視化應用研究[D].廣州:華南理工大學,2013.

[7] NAVON R,SACKS R.Assessing research issues in automated project performance control(APPC)[J].Automation in Construction,2007,16(4):474-484.

[9] LU W S,FUNG A,PENG Y,et al.Demystifying construction project time-effort distribution curves:BIM and Non-BIM comparison [J].Journal of Management in Engineering,2015,31(6):1-8.

[10] 薛峰,苑偉政,常洪龍,等.基于MEMS傳感器的起重機吊鉤運動實時監(jiān)控系統(tǒng)[J].機電工程,2012,29(8):911-915.

[11] 葛紀坤,王升陽.三維激光掃描監(jiān)測基坑變形分析[J].測繪科學,2014,39(7):62-66.

[12] 劉晙,劉丹.基于組合特征圖像檢索策略的圖像檢索技術研究[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2015,38(7):918-922.

[13] 王要武,吳宇迪,薛維銳.基于新興信息技術的智慧施工理論構建[J].科技進步與對策,2013,30(23):39-43.

[14] 寧俊峰.探析工程項目物資管理的信息資源規(guī)劃[J].中國市場,2015,22(7):32,62.

(責任編輯 張 镅)

System building for meticulous collecting of project construction information

LI Yanqing, HOU Xueliang

(School of Economics and Management, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

A great amount of information is required during the construction stage of projects, and the ineffectiveness in collecting the construction information will affect the realization of project objectives. In view of this problem, an original conception of “meticulous collecting methods of construction information” is put forward based on the previous studies and the theory of evidence-based science. The three-class meticulous classification to construction information collecting is applied. In light of the characteristics and application of the advanced information collecting technology, the meticulous collecting system of construction information is designed. The proposed system is proved to be scientific and operable by a case study. The system can accelerate the development and combination of information collecting technology and project construction, and therefore boost the informatization process of construction management, which provides a reference for the project managers.

construction stage; meticulous information; data acquisition; information technology; system building

2016-01-13；

2016-02-26

國家自然科學基金資助項目(71171081)；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET-11-0633)和北京市自然科學基金資助項目(9162014)

李彥青(1993-),女,安徽亳州人,華北電力大學碩士生; 侯學良(1966-),男,山西太原人,博士，華北電力大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.023

TU712.2

A

1003-5060(2016)12-1712-07