陳維亞， 姜雨田， 彭 剛， 竇全禮， 黎 嬈， 劉 穎

(1. 華中科技大學 a. 土木與水利工程學院; b. 人工智能與自動化學院， 湖北 武漢 430074；2. 山推工程機械股份有限公司， 山東 濟寧 272073； 3. 濰柴動力股份有限公司， 山東 濰坊 261061)

在現(xiàn)代化城市建設與發(fā)展中，道路施工過程中土方工程為基礎環(huán)節(jié)也是工程量最大的環(huán)節(jié)，如何應對道路工程信息管理、測量復雜、土方計算量大、機械不易管理等問題，做好道路工程土方施工管理工作是當下研究熱點之一[1]。

近年來，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+工程建筑”平臺的興起，數(shù)字化、智能化道路土方施工服務平臺存在著巨大的行業(yè)需求和研究空白，因此能夠針對性解決道路土方施工管理問題的智能化施工服務平臺尤為重要[2]。目前，不少研究已經(jīng)實現(xiàn)將互聯(lián)網(wǎng)服務平臺和智能移動終端結合，形成施工現(xiàn)場人員等綜合管理[3]。國內(nèi)外研究者為了推進建筑工程的發(fā)展，起到引領和示范的作用，進行了以BIM(Building Information Modeling)技術、共性平臺、應用示范三個實施層面的技術研究[4]。季明闡述了道路施工對云計算的體系架構和應用優(yōu)勢，探討分析基于云服務的BIM應用模式的可行性[5]。目前的研究仍然停留在單一的云平臺系統(tǒng)，本文創(chuàng)新性地將空、天、地進行一體化整合應用，形成云平臺-指揮邊-機械端一體化的智能化施工服務平臺，如圖1所示。

圖1 空天地一體化系統(tǒng)

本文介紹了一種基于空天地一體化的道路土方智能化施工服務平臺，實現(xiàn)“云平臺-指揮邊-機械端”一體化的服務模式，形成將工程基礎信息管理、無人機掃描三維實景建模與模型輕量化展示、土方量自動計算與結果可視化、工程機械改造與升級、優(yōu)化機械實時定位與監(jiān)測預警管理等集成的系統(tǒng)化管理界面。該智能化施工服務平臺不僅能夠形成可視化場景建模提高道路施工管理的交互性，自動精確計算土方量減輕人員工作量，還能夠完成土方無人機械改造與升級、優(yōu)化機械實時定位以及監(jiān)測預警管理，達到道路土方施工過程可視化、信息化、智能化管理，降低管理成本，提高管理效率。

1 空天地一體化監(jiān)測技術

“空天地”中的“空”是指利用無人機這一低空飛行平臺搭載相應數(shù)據(jù)采集設備實現(xiàn)對道路土方施工現(xiàn)場的三維場景建模[6]，“天”是指利用北斗衛(wèi)星對現(xiàn)場施工機械進行定位，“地”是指利用地面指揮車進行信息通訊傳輸。利用空天地一體化形成云平臺-指揮邊-機械端一體化的操作模式，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(以下簡稱北斗系統(tǒng))是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，能夠提供全天候、高精度的定位和導航[7]。無人機系統(tǒng)主要完成通過既定航線的無人機拍照將地面建筑模型進行掃描，形成三維模型。地面指揮機械通過接收北斗定位系統(tǒng)針對現(xiàn)場施工機械的位置數(shù)據(jù)，進行土方施工機械的準確定位，進一步將機械的運行狀態(tài)轉化為數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街悄芑┕し掌脚_，空天地一體化系統(tǒng)能夠獲取道路土方施工場地、土方量、施工機械等信息。

該智能化施工服務平臺除了完成工程基礎信息管理，還在基于北斗衛(wèi)星和無人機定位標點進行無人機掃描三維實景建模、土方量自動測量，在空、天和地面基站的統(tǒng)一配合下，掌握實時的現(xiàn)場土方施工機械位置以及運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，達到工程機械改造升級、工程機械定位管理的目的。

2 智能化施工服務平臺架構設計

2.1 需求設計

隨著人工智能和5G網(wǎng)絡的發(fā)展，利用終端感知獲取數(shù)據(jù)，邊緣進行數(shù)據(jù)雙向傳輸控制，云端計算進行數(shù)據(jù)處理的“云-邊-端”系統(tǒng)架構模式成為了發(fā)展潮流[8]。根據(jù)道路土方工程施工的特點以及智能化施工的要求，同時為了更好地將場地實景建模、土方計算、機械改造、機械定位監(jiān)測預警等功能需求形成系統(tǒng)化管理界面，本文結合空天地一體化技術體系，設計了一套道路土方工程施工的智能化服務平臺，充分利用云邊端融合的模式，完成數(shù)據(jù)的規(guī)?；渴?，提供更具性價比的服務。

2.2平臺架構設計

該智能化施工服務平臺利用云邊端融合的系統(tǒng)架構，根據(jù)云計算-邊緣傳輸-終端感知的概念形成云平臺-指揮邊-機械端一體化的服務平臺，以現(xiàn)場的土方施工機械或者無人機作為終端節(jié)點，安裝在機械上的傳感器將掃描數(shù)據(jù)或者機械運行數(shù)據(jù)通過終端的數(shù)據(jù)存儲和傳輸，完成對關鍵施工場景以及施工步驟的識別和數(shù)據(jù)化輸入，指揮邊可完成機械終端數(shù)據(jù)的存儲和初步計算，經(jīng)過邊緣計算的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)皆破脚_，充分利用平臺的云計算進行數(shù)據(jù)分析和處理，完成三維實景模型的自動化生成與展示、土方施工工程量計算以及機械定位信息、運行姿態(tài)信息的獲取，最終將云計算結果形成的機械控制指揮信息通過指揮邊的通訊傳輸?shù)浆F(xiàn)場機械終端，控制機械行走以及鏟刀運行姿態(tài)，達到指揮現(xiàn)場施工機械的目的，如圖2所示。云邊端一體化的系統(tǒng)操作平臺達到在共享數(shù)據(jù)和智能化服務的同時，降低價格成本，提高該智能化施工服務平臺的個性化自然交互能力、邊端計算能力的同時，也擴展了智能化平臺云端的規(guī)?；幚怼?/p>

圖2 平臺架構設計

2.2.1 機械端

機械端是道路土方智能化施工服務平臺系統(tǒng)的基礎，也是感知采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的來源終端。機械端對應空天地一體化系統(tǒng)中的“地”，具體指現(xiàn)場土方施工的機械，是進行數(shù)據(jù)交換的前提。

機械端除了提供工程機械裝備型號、類型等機械基本信息外，在機械端配備有深度相機和激光雷達等環(huán)境感知融合模塊(見圖3)、設備運行監(jiān)控與報警模塊、施工作業(yè)質量監(jiān)控模塊、作業(yè)軌跡跟蹤與控制模塊、定位與障礙物檢測和安全保護模塊，將采集到的定位信息、設備運行信息、施工作業(yè)質量信息、作業(yè)軌跡信息等機械數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸接口上傳至指揮邊，并由指揮邊進一步傳輸?shù)皆破脚_。

圖3 機械感知數(shù)據(jù)

此外，機械端還可以接收云計算平臺通過指揮邊傳輸來的機械行走控制指令、鏟刀操作指令，及時調(diào)整行走機構參數(shù)、鏟刀姿態(tài)、油氣電水液等其他參數(shù)(見圖4)，進行后續(xù)的機械設備定位管理與障礙物監(jiān)測和安全保護、設備運行監(jiān)控與報警管理、施工作業(yè)質量監(jiān)控、作業(yè)軌跡跟蹤與控制，達到監(jiān)控施工機械的目的。

圖4 機械控制指令部署

2.2.2 指揮邊

指揮邊是道路土方工程智能化施工服務平臺中連接機械端與云平臺的橋梁，主要完成機械端采集數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，在該智能化施工服務平臺中具體體現(xiàn)是在無人機實地掃描采集數(shù)據(jù)形成地形圖和三維模型的基礎上，將通過北斗定位系統(tǒng)與地面機械端配合獲取到的施工現(xiàn)場土方機械的位置以及運行姿態(tài)信息，形成地理空間數(shù)據(jù)、技術基礎數(shù)據(jù)以及動態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過有線以太網(wǎng)和無線WiFi鏈路傳輸?shù)皆朴嬎闫脚_，再將云平臺形成的場景模型、土石方工程量以及機械定位管理等信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場施工的機械端，達到指揮土方施工的目的。

數(shù)據(jù)傳輸與通訊模塊的實現(xiàn)主要通過CAN(Controller Area Network)通訊、TCP/IP通訊兩種方式。TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)通訊方式是將機械端T-Box板上采集的鏟刀施工數(shù)據(jù)通過Demo程序將數(shù)據(jù)上傳至云平臺并存儲，同時也可以查詢云平臺數(shù)據(jù)庫，將云平臺根據(jù)施工任務形成的鏟刀控制指令等工作信號傳輸至機械端，指揮控制機械施工，再將機械狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋至云平臺，反復循環(huán)達到指揮機械施工的目的。CAN通訊總線除了能夠實現(xiàn)TCP/IP通訊的功能，還可以完成機械端的車載ECU(Electronic Control Unit)上的行走機構、鏟刀機構控制數(shù)據(jù)傳輸，如圖5所示。

圖5 指揮通訊數(shù)據(jù)流圖

2.2.3 云平臺

云平臺是道路土方工程智能化施工服務平臺的核心，是最終價值體現(xiàn)和功能應用展示的窗口。智能化施工服務平臺利用經(jīng)過完善的算法完成基礎數(shù)據(jù)信息的交換和處理[9]，包含形成場景建模模塊、土石方計算模塊、模型輕量化模塊、工程基礎信息模塊、施工數(shù)據(jù)監(jiān)控預警模塊，最終形成可視化的系統(tǒng)功能展示圖。

工程基礎信息管理不僅能夠完成工程項目集合、工程項目庫、工程項目地圖、項目機械信息、項目模型文件管理等工地管理，組織關系類型管理、組織管理、人員管理、計量單位、數(shù)據(jù)字典、省份城市等基礎信息管理，還可以進行工程機械庫、工程機械綜合查詢、工程機械裝備類型、工程機械裝備型號、電子圍欄、保養(yǎng)預警等工程機械管理，如圖6所示。該云平臺的工程基礎信息管理模塊一方面建立工程機械庫，為施工任務管理與施工方案智能生成提供數(shù)據(jù)支撐，另一方面通過數(shù)據(jù)接口接受其他模塊的數(shù)據(jù)，從工地、機械兩個維度對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行管理。

圖6 工程基礎信息管理功能

施工數(shù)據(jù)實時監(jiān)測預警功能包含設備運行狀態(tài)報警、施工數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計分析、施工作業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測、施工作業(yè)數(shù)據(jù)計算、施工作業(yè)數(shù)據(jù)查詢，如圖7所示，研究施工數(shù)據(jù)實時檢測預警方案，實時監(jiān)測工程機械運行數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)等，并進行統(tǒng)計分析，提供智能預警。

圖7 施工數(shù)據(jù)實時監(jiān)測預警功能

3 智能化施工服務平臺應用實例

3.1 項目背景

該道路土方智能化施工服務平臺為山東省某一新建市政道路土方施工提供服務，全長15 km，其道路路基寬度約為23.5 m。通過應用該智能化施工服務平臺創(chuàng)建自有項目可以完成場景建模展示、土石方計算，進行工程項目基礎信息的管理、施工任務智能化管理、施工方案智能生成、施工數(shù)據(jù)實時監(jiān)測預警，實現(xiàn)管理過程可視化、信息結果可查詢，提高施工現(xiàn)場的管理效率。

3.2 功能效果

3.2.1 工程基礎信息一體化管理

道路土方智能化施工服務平臺中提供了工程基礎信息管理功能，包括工地管理、基礎信息管理、工程機械管理。工地管理界面通過輸入工程項目名稱等基本信息創(chuàng)建工程項目集合，并建立工程項目庫，將工程項目地圖和項目機械信息進行存儲，方便管理者查詢，如圖8所示?；A信息管理界面主要完成組織類型、人員、組織管理和計量單位、數(shù)據(jù)字典、省份城市的查看，如圖9所示。

圖8 工地管理系統(tǒng)界面

圖9 基礎信息管理系統(tǒng)界面

道路土方智能化施工平臺在此基礎上建立了工程機械庫，對工程機械類型、型號查詢等施工機械信息進行管理，實現(xiàn)了工程基礎信息的統(tǒng)一化管理。在全面協(xié)調(diào)可持續(xù)的管理原則上，達到提取項目有效信息，減少信息處理的工作量，提高管理效率[10]。

3.2.2 三維實景建模與模型輕量化

為了更好地掌握道路施工現(xiàn)場的施工進度情況，除了可以利用施工設計圖紙進行BIM三維設計模型的創(chuàng)建(圖10)，該智能化施工服務平臺還提供了無人機進行場地掃描(圖11)和三維重建得到的網(wǎng)格模型。首先根據(jù)勘察環(huán)境選擇合適的無人機，在建模最優(yōu)飛行高度制定建模最優(yōu)航線，調(diào)整重疊率和相機角度之后，按照操作說明完成場地掃描，并將BIM模型與三維重建模型通過基準點的更新和迭代，進行模型對齊、校對和融合，完成模型的精確匹配，最終形成可視化的場景模型。智能化施工服務平臺提供的場地實景建模服務能夠完善建模的準確度，大大提高了實景建模的精度。

圖10 BIM設計模型 圖11 無人機掃描

智能化施工服務平臺可以將已建立的實景模型使用二次誤差測度(Quadric Error Metrics，QEM)算法對三角網(wǎng)格進行簡化，使網(wǎng)格在不丟失精細度的情況下具有更少的頂點和面，將實景模型簡化15倍，大大降低了模型占用空間，實現(xiàn)模型輕量化，提高交互效率和模型的兼容性，同時實景建模模型的輕量化導出為土方量準確計算打下了基礎。

3.2.3 土方工程量計算與結果可視化

對于土方工程量計算復雜，工作量大等情況，道路土方智能化施工服務平臺可以實現(xiàn)道路土方工程量自動化計算，保證工程量計算準確度的同時減輕了人員工作量。在道路土方智能化施工服務平臺提供的實景建模功能的基礎上，進行選定區(qū)域的尺度恢復，可以將選定區(qū)域的模型轉化為點云模式，在匹配的場景模型下，通過斷面法、等高線法和網(wǎng)格法自動進行體積差計算，自動完成挖填土方工程量的計算和統(tǒng)計，同時將計算可視化的結果保存并導出，如圖12所示，為形成土方分布示意圖、土方平衡表、施工方案提供數(shù)據(jù)支持，方便后期進行土方調(diào)度。

圖12 土方計算可視化效果

3.2.4 工程機械改造與升級

利用智能化施工服務平臺完成了機械的改造與升級，進行了包括T-Box硬件與軟件的機械系統(tǒng)設計，如圖13所示，實現(xiàn)CAN通訊與TCP/IP通訊，達到施工數(shù)據(jù)的正確顯示。智能化平臺在機械上完成了施工路徑ROS仿真、3D激光雷達障礙物檢測、深度相機3D視覺障礙物檢測、高性能計算平臺軟件設計、完善了無人推土機行走控制邏輯，實現(xiàn)了無人土方施工機械的升級。

圖13 機械T-Box主界面

3.2.5 優(yōu)化機械定位與監(jiān)測預警管理

道路土方智能化施工服務平臺不僅提供建立工程機械信息庫，對工程機械裝備類型、型號信息進行維護等機械管理服務，實現(xiàn)機械的系統(tǒng)化分類管理，還優(yōu)化了機械定位并形成了可視化的變色預警界面，完成了機械的監(jiān)測預警。

道路土方智能化施工服務平臺的機械定位功能是在北斗定位系統(tǒng)的基礎上，利用場景三維重建模型，通過機械端的配合，實現(xiàn)智能化施工服務平臺從機械端實時接收回傳的機械環(huán)境感知、設備運行監(jiān)控與報警、施工作業(yè)質量監(jiān)控、作業(yè)軌跡跟蹤與控制、定位與障礙物監(jiān)測和安全保護等數(shù)據(jù)，完成土方施工中的機械定位信息獲取與管理以及機械行走、鏟刀等指令的操控，順利回傳施工任務數(shù)據(jù)給機械端。良好地解決了該項目道路土方施工中的機械定位不明確、機械進場以及工作路徑規(guī)劃等問題，實現(xiàn)了機械定位，如圖14所示。

圖14 機械定位系統(tǒng)界面

道路土方智能化施工服務平臺主要針對道路土方施工中機械設備提供管理服務，能夠接收工程施工機械實時機械參數(shù)、位置信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對工程機械工作狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)、定位信息、報警信息等內(nèi)容的綜合查詢，實現(xiàn)機械預警變色，不僅能夠查詢工程機械報警信息的效果，還使得預警信號更加醒目直觀(見圖15)，優(yōu)化工程機械管理，提高管理效率。

圖15 機械預警變色系統(tǒng)界面

4 結 語

為了實現(xiàn)道路工程土方施工的信息化、智能化管理，本文主要針對道路工程土方施工中的重復性、低效性等問題，設計了一套基于空天地一體化的道路土方智能化施工服務平臺，并應用于山東某在建道路實際項目中。通過云平臺-指揮邊-機械端一體化的模式，實現(xiàn)了工程基礎信息管理、三維實景建模及模型的輕量化展示，土方工程量計算及結果可視化，優(yōu)化了機械定位與監(jiān)測預警管理等功能。提升了道路土方施工效率與準確率，使得整個施工過程更加科學高效，完成了土方施工的可視化、信息化、智能化管理。