謝瑋成 吳維國 賴軒明 劉媛媛

(中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，350001，福州∥第一作者，工程師)

為更好地實現(xiàn)建筑工程領(lǐng)域的數(shù)字化、智能化施工，本文在總結(jié)智慧工地體系及系統(tǒng)架構(gòu)研究成果的基礎(chǔ)上，以為城市軌道交通工程施工管理人員提供數(shù)據(jù)服務(wù)和決策支持為出發(fā)點，圍繞施工生產(chǎn)中的各項要素，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，匯聚施工生產(chǎn)核心數(shù)據(jù)，搭建城市軌道交通工程施工數(shù)據(jù)采集與決策分析系統(tǒng)(以下簡為“施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)”)，以輔助生產(chǎn)創(chuàng)效。

1 施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)的整體架構(gòu)

1.1 整體框架

施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集平臺和決策分析平臺兩部分。其中，數(shù)據(jù)采集平臺負責(zé)對施工生產(chǎn)涉及到的各項要素數(shù)據(jù)進行自動化采集，決策分析平臺負責(zé)實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的匯總分析。如圖1所示，施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)框架包含應(yīng)用表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層、安全保護體系和運維保障體系。

圖1 施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)整體框架

應(yīng)用表現(xiàn)層是平臺與用戶交互的窗口，其實現(xiàn)了對用戶請求的快速響應(yīng)以及對處理結(jié)果的及時反饋。業(yè)務(wù)邏輯層為處理業(yè)務(wù)的核心層，其中設(shè)計了系統(tǒng)功能的具體實現(xiàn)方法。數(shù)據(jù)訪問層通過封裝數(shù)據(jù)庫，使業(yè)務(wù)邏輯層能高效地調(diào)用數(shù)據(jù)庫操作方法。安全保護體系以安全管理設(shè)備和軟件為基礎(chǔ)，設(shè)計防護策略，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有力保護。運維保障體系提供針對事件管理、問題管理和變更管理等流程的運維方案，為平臺的正常運行提供支撐。

1.2 數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心主要由服務(wù)器主機、互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備、安防監(jiān)控設(shè)備等組成，其作為施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)運行的硬件載體，用于支撐系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集、存儲、計算及展示等操作。

為保證施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)的高可靠性、高效率性和高穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)中心配置有6臺戴爾R740服務(wù)器(其中2臺為應(yīng)用服務(wù)器，2臺為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，2臺為文件服務(wù)器)，并組建了高速局域網(wǎng)，以實現(xiàn)不低于90 MB/s的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。為實現(xiàn)負載均衡，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器使用MyCat集群來構(gòu)建分片數(shù)據(jù)庫，使單臺設(shè)備負載達到最佳；應(yīng)用服務(wù)器用來實現(xiàn)雙機熱備，以提高可用性；使用文件服務(wù)器搭建分布式存儲系統(tǒng)，進而實現(xiàn)彈性存儲。

2 數(shù)據(jù)采集平臺

為真實反映施工生產(chǎn)各項資源的配置和運行情況，提高數(shù)據(jù)采集的效率和準確率，數(shù)據(jù)采集平臺設(shè)計有物聯(lián)網(wǎng)接口，可實時獲取安裝在施工現(xiàn)場各處的智能傳感設(shè)備及數(shù)據(jù)采集設(shè)備數(shù)據(jù)。所使用設(shè)備包含顆粒物檢測儀、龍門吊數(shù)據(jù)采集儀、盾構(gòu)機數(shù)據(jù)采集儀、紅外對射探測器、重量傳感器、紅外熱像機芯及RFID(射頻識別)掃描槍等。

數(shù)據(jù)采集平臺以施工管理中的人員、機械、物料、方法和環(huán)境等要素為核心進行設(shè)計，其項目包含勞務(wù)管理、機械設(shè)備管理、物料管理、施工生產(chǎn)管理和環(huán)境管理等5個業(yè)務(wù)子平臺。

2.1 勞務(wù)管理子平臺

2.1.1 業(yè)務(wù)功能

勞務(wù)管理子平臺覆蓋了從勞務(wù)人員信息錄入到進出場考勤，再到工資結(jié)算的整個管理流程，如圖2所示。勞務(wù)人員進場作業(yè)前需先錄入個人信息，并接受安全教育；隨后，勞務(wù)管理子平臺將通過安全教育的人員狀態(tài)標識為正常，并授予其進入施工現(xiàn)場的權(quán)限。施工現(xiàn)場進出通道處安裝有人臉識別設(shè)備，可實時捕獲通行人員的面部特征，并將捕獲的人員特征與數(shù)據(jù)庫中的人臉特征比對，進而確認人員身份，并控制門禁開閉。施工現(xiàn)場安裝的視頻攝像機實時監(jiān)控作業(yè)人員，自動識別和記錄未佩戴安全帽的人員信息，并于每日18:00推送當(dāng)日違規(guī)人員清單給項目管理人員。勞務(wù)管理子平臺按月生成考勤記錄表，根據(jù)勞務(wù)人員違規(guī)行為次數(shù)計算行為獎金，并生成當(dāng)月應(yīng)發(fā)工資。項目管理人員審核應(yīng)發(fā)工資后，勞務(wù)管理子平臺將工資表推送給銀行，由銀行代發(fā)工資。

圖2 勞務(wù)管理流程

2.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

勞務(wù)管理子平臺違規(guī)行為監(jiān)控功能的實現(xiàn)，需借助OpenCV及TensorFlow等軟件庫來構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。如圖3所示，實現(xiàn)的整體流程包含安全帽佩戴模型訓(xùn)練、視頻圖像處理和人員身份識別。

圖3 違規(guī)行為監(jiān)控功能實現(xiàn)流程

安全帽佩戴模型訓(xùn)練流程：首先，批量導(dǎo)入基于Pascal VOC 2012數(shù)據(jù)集標注的安全帽及人員圖像，通過TensorFlow Object Detection API工具包生成訓(xùn)練集與驗證集的TFRecord格式數(shù)據(jù)；然后，借助對象檢測模型完成遷移學(xué)習(xí)，修改配置文件參數(shù)，完成訓(xùn)練學(xué)習(xí)；最后，將訓(xùn)練后的模型導(dǎo)出為凍結(jié)格式，借助腳本生成配置文件。

視頻圖像處理流程：首先，通過調(diào)用OpenCV軟件庫中的VideoCapture類來獲取視頻攝像機中的圖像幀，并將其實時復(fù)制存儲為臨時文件；然后，調(diào)用加載訓(xùn)練后的安全帽佩戴模型，讀取圖像幀數(shù)據(jù)文件，并執(zhí)行解析比對操作；最后，將解析結(jié)果顯示在視頻圖像中，即標識視頻中人員安全帽佩戴情況。

人員身份識別流程：當(dāng)獲取到未佩戴安全帽的人員圖像幀時，先通過MTCNN模型檢測出人臉所在區(qū)域，并提取人臉圖像；然后，將提取到的人臉圖像經(jīng)FaceNet模型計算出特征向量；最后，將該特征向量與勞務(wù)人員數(shù)據(jù)庫中的人臉圖像特征向量進行比較，通過特征向量間的歐式距離判斷人員身份。

2.2 機械設(shè)備管理子平臺

2.2.1 業(yè)務(wù)功能

機械設(shè)備管理子平臺主要實現(xiàn)對龍門吊和盾構(gòu)機等主要施工機械設(shè)備的監(jiān)控。通過對接安裝在龍門吊及盾構(gòu)機上的數(shù)據(jù)采集儀，機械設(shè)備管理子平臺可解析設(shè)備運行的核心參數(shù)，并能根據(jù)指標要求設(shè)計安全閾值，開發(fā)超限提醒功能，實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和風(fēng)險告警。

2.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

在獲取設(shè)備核心參數(shù)時，需對設(shè)備數(shù)據(jù)采集儀進行定制接口開發(fā)。首先，應(yīng)確定需要對接的數(shù)據(jù)采集儀參數(shù)，掌握相關(guān)API(應(yīng)用程序接口)函數(shù)的用途；然后，編寫對應(yīng)的接口調(diào)用API函數(shù)，以獲取所需的數(shù)據(jù)，并將獲取到的數(shù)據(jù)經(jīng)格式處理后存儲進數(shù)據(jù)庫中；最后，設(shè)計腳本實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)的定時、定頻傳輸。

2.3 物料管理子平臺

2.3.1 業(yè)務(wù)功能

物料管理子平臺覆蓋了物料從計劃、采購到驗收，再到出庫的全周期管理流程，其具體包含采購管理、驗收管理和倉儲管理等3個模塊。

采購管理模塊實現(xiàn)采購計劃編制、采購申請等功能。驗收管理模塊通過軟硬件結(jié)合，實現(xiàn)對物料驗收環(huán)節(jié)的把控，并存儲驗收數(shù)據(jù)作為倉儲管理模塊入庫環(huán)節(jié)的依托。倉儲管理模塊以RFID技術(shù)為基礎(chǔ)，可實現(xiàn)入庫、領(lǐng)料及盤點等功能。

2.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

采購管理模塊通過數(shù)據(jù)接口與電商采購平臺對接，授權(quán)完成采購下單及付款等操作，再經(jīng)接口推送返回交易信息。

驗收管理模塊可與紅外對射探測器及重量傳感器等設(shè)備實現(xiàn)對接，能自動獲取物料重量及車輛車牌等信息。

倉儲管理模塊采用RFID技術(shù)建立物料盤點與追溯體系：在物料驗收入庫時，為其打上唯一識別的RFID標簽；當(dāng)某批次物料出庫時，通過倉庫出入通道處安裝的RFID識別器，物料管理子平臺能自動識別和記錄物料信息；在物料盤點時，管理人員使用手持式RFID掃描槍逐類掃描物料，由物料管理子平臺自動記錄所盤點物料的庫存數(shù)量，并將其與該物料出入庫數(shù)量計算結(jié)果比對；當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)量偏差較大時，自動發(fā)出告警。

2.4 施工生產(chǎn)管理子平臺

2.4.1 業(yè)務(wù)功能

施工生產(chǎn)管理子平臺使用WebGL(Web Graphics Library)技術(shù)將高精度BIM(建筑信息模型)加載顯示在瀏覽器中，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將安裝在施工現(xiàn)場各處的聲光報警器、視頻攝像機及門禁等設(shè)備與施工生產(chǎn)管理子平臺互聯(lián)互通，并將安全質(zhì)量隱患排查數(shù)據(jù)、工程進度計劃與三維模型深度結(jié)合，構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫，可直觀展現(xiàn)施工現(xiàn)場管理情況。

2.4.2 關(guān)鍵技術(shù)

由于平臺采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)設(shè)計，因此，在初始化載入模型時，需要對模型數(shù)據(jù)組織和加載方式做出調(diào)整。具體調(diào)整的操作主要為模型轉(zhuǎn)換和輕量化顯示。

模型轉(zhuǎn)換依托RvtVa3c插件實現(xiàn)，其核心在于模型網(wǎng)格信息的提取，以及每個構(gòu)件的屬性信息提取與綁定。

Revit軟件 API的IExportContext接口提供了網(wǎng)格信息數(shù)據(jù)的導(dǎo)出方法。如圖4所示，各導(dǎo)出方法的執(zhí)行順序為：由Start()方法構(gòu)造根節(jié)點；調(diào)用OnViewBegin()方法初始視圖操作；視圖操作內(nèi)置二層循環(huán)，且循環(huán)以O(shè)nElementBegin()方法為起始，至OnElementEnd()方法為終止；其中，OnMaterial()方法可實現(xiàn)材質(zhì)信息的提取，OnFaceBegin()方法可實現(xiàn)對構(gòu)件元素中每一個表面的遍歷，OnPolymesh()方法實現(xiàn)遍歷提取面片、材質(zhì)信息；流程末端調(diào)用Finish()方法將數(shù)據(jù)以輕量級數(shù)據(jù)交換格式(JSON)存儲。

圖4 網(wǎng)格信息數(shù)據(jù)導(dǎo)出方法執(zhí)行順序

輕量化顯示借助WebGL技術(shù)實現(xiàn)。通過調(diào)用THREE.ObjectLoader()方法將存儲的JSON文件加載進瀏覽器內(nèi)存中，遍歷各網(wǎng)格節(jié)點，完成渲染。

2.5 環(huán)境管理子平臺

2.5.1 業(yè)務(wù)功能

環(huán)境管理子平臺負責(zé)實現(xiàn)對施工場地及周邊區(qū)域PM2.5、PM10、噪聲等數(shù)據(jù)的監(jiān)控，其由溫度傳感、顆粒物監(jiān)控、噴淋控制及噪聲監(jiān)控等模塊組成。

2.5.2 關(guān)鍵技術(shù)

溫度傳感模塊通過紅外熱像機芯的數(shù)字視頻接口與視頻攝像機對接，并通過視頻畫面獲取物體表面溫度值。

顆粒物監(jiān)控模塊對接顆粒物檢測儀，實時采集區(qū)域內(nèi)的PM2.5及PM10等數(shù)值。

當(dāng)PM2.5的小時平均值大于75 μg/m3，或PM10的小時平均值大于150 μg/m3，或物體表面溫度大于55 ℃且持續(xù)10 min時，由噴淋控制模塊向噴淋控制器發(fā)出開啟噴淋開關(guān)指令。當(dāng)數(shù)值回歸正常后，噴淋控制模塊將自動關(guān)閉噴淋開關(guān)。

當(dāng)噪聲監(jiān)控模塊監(jiān)測到所在區(qū)域的噪聲超過閾值時，將調(diào)用短信接口發(fā)送消息給管理人員。

3 決策分析平臺

決策分析平臺是在提煉數(shù)據(jù)采集平臺核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)決策分析功能的業(yè)務(wù)看板，其重點為項目管理人員提供數(shù)據(jù)分析和決策支持。根據(jù)用途，可將決策分析平臺數(shù)據(jù)分為二級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和一級決策數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 決策分析平臺數(shù)據(jù)類型

3.1 二級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

二級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過對數(shù)據(jù)采集平臺獲取的數(shù)據(jù)進行歸類、分析，而得出的施工生產(chǎn)核心數(shù)據(jù)，其主要用于服務(wù)日常施工管理。根據(jù)業(yè)務(wù)類型，可將核心數(shù)據(jù)種類分為勞務(wù)管理數(shù)據(jù)、設(shè)備管理數(shù)據(jù)、物料管理數(shù)據(jù)、施工生產(chǎn)數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。

勞務(wù)管理核心數(shù)據(jù)包含整體情況數(shù)據(jù)和日常管控數(shù)據(jù)。整體情況數(shù)據(jù)有施工工人總數(shù)及種類、工人安全教育情況，日常管控數(shù)據(jù)有當(dāng)前施工現(xiàn)場工人詳情、違規(guī)行為記錄等。設(shè)備管理核心數(shù)據(jù)包含具體設(shè)備的工作狀態(tài)和各參數(shù)指標的整體狀況。物料管理核心數(shù)據(jù)包含采購計劃、采購訂單、驗收記錄、庫存記錄和盤點數(shù)據(jù)。施工生產(chǎn)核心數(shù)據(jù)包含施工現(xiàn)場三維模型、重大隱患信息、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)和進度計劃。環(huán)境監(jiān)測核心數(shù)據(jù)包含施工區(qū)域內(nèi)的PM2.5、PM10、溫度值、噪聲值及噴淋設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2 一級決策數(shù)據(jù)

一級決策數(shù)據(jù)是以二級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理得到的能為施工管理提供決策指導(dǎo)的數(shù)據(jù)。一級決策數(shù)據(jù)主要面向項目領(lǐng)導(dǎo)團隊，其包含進度適配分析、物料補充時間預(yù)估、勞動力配置評估、安全質(zhì)量評估、施工環(huán)境評價等內(nèi)容。

進度適配分析：將當(dāng)前進度任務(wù)完成情況與進度計劃進行對比，得出實際進度與計劃進度的偏差量，并進一步分析得到進度整體滯后情況。

物料補充時間預(yù)估：以進度計劃為基礎(chǔ)，通過計算各類物料庫存數(shù)量所能夠維持的施工生產(chǎn)天數(shù)，進而得出物料補充的最佳時間。

勞動力配置評估：以進度計劃為基礎(chǔ)，綜合分析當(dāng)前施工勞務(wù)人員的種類及數(shù)量，預(yù)測評估能否順利完成施工任務(wù)。若評估認為當(dāng)前配置無法滿足施工需要，則會向管理人員提出配置調(diào)整建議。

安全質(zhì)量評估：根據(jù)排查隱患的嚴重性及隱患整改的及時性作出的綜合性評估。評估等級分為良好、中等和存在危機三級。

施工環(huán)境評價：結(jié)合各項環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)得出的綜合評價結(jié)果。當(dāng)某項監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，評價結(jié)果將提示該項異常數(shù)據(jù)。

4 界面設(shè)計及試點應(yīng)用

4.1 界面設(shè)計

圖6為施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)的界面，其共包含決策看板、勞務(wù)管理、機械管理、物料管理、施工管理和環(huán)境管理等6個功能頁面。

圖6 系統(tǒng)界面

決策看板頁面實現(xiàn)了核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚與分析。該頁面內(nèi)顯示有盾構(gòu)作業(yè)視頻監(jiān)控、場地三維模型、工程進度分析、環(huán)境監(jiān)測指標狀態(tài)、重大隱患信息、安全質(zhì)量評估情況等內(nèi)容。該頁面中的部分欄目提供有施工生產(chǎn)涉及的各項資源動態(tài)配置的執(zhí)行建議(如各設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)及下一輪預(yù)計保養(yǎng)時間、倉庫中各物料的現(xiàn)有量及預(yù)計需要補充的時間、勞動力配置評估及調(diào)整建議等)。

其他5個頁面為數(shù)據(jù)采集功能的詳細數(shù)據(jù)界面。勞務(wù)管理頁面實時展示施工現(xiàn)場人員數(shù)量、違規(guī)行為抓拍及勞務(wù)人員工資等信息。機械管理頁面動態(tài)顯示龍門吊、盾構(gòu)機運行的各項參數(shù)，并提供風(fēng)險項的告警。物料管理頁面分為3個版塊，分別展示了采購中的訂單詳細信息、各類物料的驗收情況及物料的倉儲情況。施工管理頁面以施工現(xiàn)場三維模型為核心，融合工程進度計劃、安全質(zhì)量隱患排查數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控等內(nèi)容，可按時間軸動態(tài)顯示各區(qū)域施工情況。環(huán)境管理頁面實時顯示施工現(xiàn)場的PM2.5、PM10及噪聲等監(jiān)測數(shù)據(jù)，并記錄各監(jiān)測項超標數(shù)值及發(fā)生時間。

4.2 試點應(yīng)用

施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)在已試點項目應(yīng)用了半年左右。項目管理人員可通過電腦端或移動應(yīng)用端訪問該系統(tǒng)。為了準確掌握施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)的應(yīng)用情況，本文采用問卷調(diào)查法對施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)使用情況進行調(diào)查，共面向試點工程項目管理人員發(fā)放問卷87份，有效回收83份。

調(diào)查結(jié)果顯示：認為施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)有助于工程管理的有79人，占比為95.2%；認為數(shù)據(jù)采集方式能減少管理人員工作量的有81人，占比為97.6%；認為施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)操作簡便，能提高工作效率的有76人，占比為91.6%。

綜合評估試點項目的人力成本及運維成本等投入，經(jīng)估算，施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)在應(yīng)用期間約為試點工程節(jié)約成本30余萬元。

由此可見，施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)的試點應(yīng)用反響較好。

5 結(jié)語

本文詳細介紹了施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)的設(shè)計方案，其構(gòu)建數(shù)據(jù)采集平臺和決策分析平臺，實現(xiàn)了對施工生產(chǎn)涉及的主要數(shù)據(jù)的自動化采集，對施工管理活動的智能化分析與預(yù)測。施工數(shù)據(jù)與決策系統(tǒng)試點應(yīng)用反饋良好。其反饋結(jié)果顯示：該系統(tǒng)性能較高，具有較強的數(shù)據(jù)采集和分析能力，對施工管理有輔助作用，在數(shù)字化建設(shè)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。