摘要：為應(yīng)對目前種類繁雜的工地智慧化需求，文章設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種能夠在具有人員、環(huán)境、特種設(shè)備等應(yīng)用場景中適用的智慧工地管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)前端基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，后端通過云平臺支持各類上網(wǎng)終端應(yīng)用，系統(tǒng)經(jīng)過某工地輕量化試用，試用效果初步分析顯示該系統(tǒng)能明顯中斷多個中、重危險源發(fā)展，運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)性好。

關(guān)鍵詞：智慧工地；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號：TP18

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

工地管理既涉及工地安全，也直接影響到工程質(zhì)量、進(jìn)度，以及經(jīng)濟(jì)效益?！吨袊ㄖ┕ば袠I(yè)信息化發(fā)展報告（ 2017）智慧工地應(yīng)用與發(fā)展》^［1］即基于我國智慧工地應(yīng)用情況探討了工地管理的數(shù)字化、精細(xì)化和智慧化。住建部發(fā)布的《綠色建造技術(shù)導(dǎo)則（試行）》^［2］指出結(jié)合實(shí)際需求，有效采用BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動通信、區(qū)塊鏈、人工智能、機(jī)器人等相關(guān)技術(shù)，整體提升建造施工手段信息化水平，促進(jìn)跨學(xué)科融合、跨專業(yè)融合、跨領(lǐng)域融合方向快速發(fā)展。借助大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈等信息技術(shù)在信息處理方面的優(yōu)勢，有效實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)信息的價值，促進(jìn)智慧工地體系的構(gòu)建。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種智慧工地管理系統(tǒng)，同時通過一個試用場景對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了概要性分析。

1 智慧工地管理系統(tǒng)概念

建筑工地的管理中，傳統(tǒng)的管理手段在遇到一些棘手問題時，常常會無力處理或處理得不夠圓滿，比如：

（1）勞務(wù)用工管理：缺少為勞資糾紛提供直接解決的證據(jù)；不便于分析排隊(duì)存在的作業(yè)安全隱患、簡化復(fù)雜的現(xiàn)場人員管理、提高后勤保障能力。

（2）無法解決實(shí)時施工中工地各類參數(shù)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)工程現(xiàn)場遠(yuǎn)程監(jiān)控管理和工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)。

（3）不能把零星的、局部的、分散的工人進(jìn)出考勤管理、塔吊作業(yè)及工地情況實(shí)時監(jiān)視、車輛監(jiān)管等統(tǒng)一起來，并提出工器具使用率，以確保維保及時、使用安全。

（4）無法實(shí)現(xiàn)全方位特種設(shè)備監(jiān)管，以防止車、大型特種設(shè)備等的碰撞風(fēng)險、實(shí)時指揮不易、傾倒危險。

（5）不能有效解決材料清點(diǎn)難題，更無法防止手工清點(diǎn)造成的虛報、錯報以及人為清點(diǎn)誤差。

（6）不能實(shí)時進(jìn)行工地情況全監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)動火作業(yè)危險源監(jiān)控、高空作業(yè)危險區(qū)域監(jiān)視、工作重點(diǎn)區(qū)域人工巡檢。

（7）不能實(shí)現(xiàn)工地環(huán)境監(jiān)測，主要依靠人工目測或視頻監(jiān)視且不能定量檢測與記錄，也無法防止出現(xiàn)超規(guī)揚(yáng)塵、噪聲擾民、污水違規(guī)排放等環(huán)境問題。

（8）不具備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)連接口，無法與單位OA辦公系統(tǒng)、ERP生產(chǎn)管控系統(tǒng)等連接以變?yōu)橹鞴芾砟K或其它系統(tǒng)的功能單元。

智慧工地一般指管理人員借助信息化手段，提升管理工作開展的有效性。具體的實(shí)現(xiàn)方式則在于搭建相關(guān)的決策平臺、信息共享平臺以及安全監(jiān)控平臺。這些平臺所起到的作用則是實(shí)時監(jiān)督、后期維護(hù)以及預(yù)警等^［3］。智慧工地管理系統(tǒng)則指對智慧工地的數(shù)據(jù)體系化采集、處理、展示、決策、分析、可視化，是基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的整體管理平臺。

2 智慧工地管理系統(tǒng)設(shè)計

本文所設(shè)計的智慧工地系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2.1 智慧工地系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計

智慧工地系統(tǒng)基于目前最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主體采用ZigBee自組網(wǎng)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，分散完成信息采集、網(wǎng)絡(luò)接入、數(shù)據(jù)傳輸以及邊緣計算、數(shù)據(jù)存儲等功能。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)基于TI公司的CC2530芯片實(shí)現(xiàn)^［4］，該芯片內(nèi)置增強(qiáng)型8051 CPU核心，配置充足的ROM和RAM，具備主動、空閑、PM1、PM2、PM3共5種運(yùn)行模式，同時支持關(guān)閉不必要的功能部分來實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進(jìn)一步確保了低能源消耗，這些特征使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。

CC2530的開發(fā)可以基于TI公司提供的業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee 協(xié)議棧^［4］（Z-Stack）進(jìn)行。該協(xié)議棧提供了一個強(qiáng)大和完整的ZigBee 解決方案，提供了物理層和媒介訪問控制層中的所有資源，能夠?yàn)殚_發(fā)者直接使用，從而加速應(yīng)用開發(fā)過程。

采用CC2530作為終端節(jié)點(diǎn)，其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

研發(fā)的節(jié)點(diǎn)具有小巧節(jié)能、易于布置應(yīng)用的特點(diǎn)，其長寬高外形僅60 mm×30 mm×20 mm，內(nèi)置紐扣電池能夠在日不超過192個數(shù)據(jù)包的前提下實(shí)現(xiàn)5～10年工作期（不對外供電），加上成本低（每點(diǎn)成本約46元），非常適合智慧工地批量部署。

通過ZigBee節(jié)點(diǎn)，智慧工地現(xiàn)場能夠?qū)⒏黝愐苿咏K端、各類施工機(jī)械（如升降機(jī)、塔式起重機(jī)等）連接起來，通過自組織的ZigBee物聯(lián)網(wǎng)，將作業(yè)產(chǎn)生的實(shí)時動態(tài)參數(shù)、工地內(nèi)外監(jiān)測參數(shù)、施工對象參數(shù)以及工地內(nèi)的人、機(jī)、料、法、環(huán)涉及的參數(shù)信息，均能及時上傳給智慧工地綜合管理平臺。平臺在結(jié)合工地視頻識別、各可視化管理子系統(tǒng)、各起重機(jī)械及重大型設(shè)備的安全運(yùn)行監(jiān)管子系統(tǒng)等系統(tǒng)完成對工地監(jiān)測信息的采集，最終完成對智慧工地全場景的孿生再建，有力提高工地的智慧化和管理水平。

2.2 智慧工地系統(tǒng)云平臺管理功能

研發(fā)的智慧工地管理系統(tǒng)SmartSitSystem運(yùn)行在阿里云平臺，支持網(wǎng)絡(luò)化的分布式應(yīng)用，終端可以為服務(wù)器、臺式計算機(jī)、平板電腦及手機(jī)端，能夠在實(shí)時監(jiān)測考勤數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、物料運(yùn)轉(zhuǎn)、安防狀態(tài)、電能數(shù)據(jù)、環(huán)境氣象等參數(shù)的同時，實(shí)施管理與控制功能，實(shí)現(xiàn)全工地全場景動態(tài)管理。

SmartSitSystem能夠支持的主要的5大功能有：

（1）人員管理子系統(tǒng)。建設(shè)全體用工人員實(shí)名制管理，形成入場人員的身份信息、合同信息、安全教育信息、進(jìn)出場信息、工種權(quán)限及技能描述等信息及黑名單的數(shù)據(jù)庫，同時智慧工地考勤管理系統(tǒng)依托信息通信技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，輔以指紋、人臉、射頻卡等識別技術(shù)，對建筑工地工作人員信息進(jìn)行多維采集，以達(dá)到幫助建筑管理方提高施工企業(yè)勞務(wù)用工管理水平，保障建設(shè)工程質(zhì)量安全的目標(biāo)。

（2）施工環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)。配置空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，具有中國標(biāo)準(zhǔn)合理化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要監(jiān)測粉塵、噪聲、溫度、濕度等參數(shù)。粉塵監(jiān)測儀采用激光散射原理測量粉塵濃度，確保對粉塵濃度的實(shí)時在線監(jiān)測；噪聲監(jiān)測儀采用了先進(jìn)的數(shù)字檢波技術(shù)，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍寬、無需量程轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)。主機(jī)監(jiān)測參數(shù)還可任意添加粉塵、噪聲、溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、負(fù)氧離子、大氣壓力、氣體等。

（3）工地實(shí)時視頻子系統(tǒng)。除滿足一般視頻監(jiān)控基本功能外，為了適應(yīng)“智慧城市”的發(fā)展，達(dá)到“智慧安全”的目標(biāo)，本子系統(tǒng)還具備了基于人工智能識別的智能視頻分析、第三方接口、預(yù)案聯(lián)動、電子地圖、語音功能、資源分權(quán)限共享等功能。

（4）特種設(shè)備監(jiān)管子系統(tǒng)。對工地上的特種設(shè)備提供完整的監(jiān)測與管理，這些特種設(shè)備包括但不限于塔式起重機(jī)、工地運(yùn)輸涉及的運(yùn)輸車輛和人員等。

（5）工地材物管理子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)涵蓋了全面的材料管理功能，包括材料品類、進(jìn)出單、驗(yàn)收、保管、領(lǐng)用等模塊，也包含了對材料的采購計劃流程中涉及的合同管理、資產(chǎn)管理、供應(yīng)商管理等功能，同時也能夠和內(nèi)部財務(wù)系統(tǒng)對接，實(shí)現(xiàn)工地中的材料流、資金流和業(yè)務(wù)流三流合一。

2.3 智慧工地系統(tǒng)特點(diǎn)說明

SmartSitSystem系統(tǒng)特點(diǎn)：

（1）統(tǒng)一管理平臺。統(tǒng)一的公司級應(yīng)用的可視化智能工地監(jiān)管平臺，預(yù)留多系統(tǒng)接口，系統(tǒng)可逐步升級。

（2）多系統(tǒng)接入。多子系統(tǒng)對建設(shè)工程安全質(zhì)量關(guān)鍵要素進(jìn)行智能感知和云計算接入。

（3）對接政府監(jiān)管。通過系統(tǒng)接口，可以無縫融入政府監(jiān)管服務(wù)，為向政府網(wǎng)的數(shù)據(jù)上報和接收監(jiān)管指令提供了信息化支持。

（4）管理流程再造。數(shù)據(jù)共享融合，可為多個公司部門提供監(jiān)管決策支撐。

（5）實(shí)現(xiàn)中心化項(xiàng)目監(jiān)管。項(xiàng)目從開工到竣工被納入系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控，通過實(shí)時現(xiàn)場安全和質(zhì)量監(jiān)控數(shù)據(jù)獲取與解析，并結(jié)合傳統(tǒng)的監(jiān)管模式，提升科學(xué)管理水平。

3 試用場景及應(yīng)用分析

SmartSitSystem設(shè)計完成后，首先在某地綜合管廊項(xiàng)目的弱電分項(xiàng)工程中進(jìn)行了試用。

該綜合管廊項(xiàng)目的弱電分項(xiàng)共有消防系統(tǒng)設(shè)備分項(xiàng)、監(jiān)控及報警設(shè)備分項(xiàng)，合同額為310萬元。

按照既定工期（見表1），將人員投入、機(jī)械投入、材料投入等均導(dǎo)入SmartSitSystem，由SmartSitSystem完成智慧工地管理。

在整個試運(yùn)行過程中（實(shí)際工期72天，含因疫情導(dǎo)致的停工14天），SmartSitSystem總計給出7次重大報警，分別為3次空氣質(zhì)量檢測（均為CO₂超標(biāo)，同時啟動了聯(lián)動的通風(fēng)系統(tǒng)）、2次重大人員安全隱患（由視頻識別給出人員進(jìn)入非授權(quán)危險區(qū)域）、1次重大機(jī)構(gòu)操作流程錯誤、1次工地材料進(jìn)出不符。

以上7次重大報警，根據(jù)事故分析得出挽回可能損失達(dá)185.6萬元，如表2所示。

以上損失共計185.6萬元，而以上險情發(fā)現(xiàn)后基本通過溝通或即時改正即可解除，其除險成本幾近為0。

試用中產(chǎn)生的中等險情計37次，一般警告52次，這些處理在一定程度上也及時中止了現(xiàn)場險情的發(fā)展，及時糾正使其向安全方向轉(zhuǎn)移，初步估算這些險情可能造成的損失超過300萬元。

SmartSitSystem的使用也給人員管理（含人員聘用流程、現(xiàn)場考勤等）帶來信息化的便利，特種設(shè)備、工地材物等的信息管理既提升了公司管理水平，也提高了管理的質(zhì)量。經(jīng)公司財務(wù)部門和人力資源分析，SmartSitSystem的應(yīng)用減少了至少3名現(xiàn)場人員和至少1人的公司管理工作量，累計4人按2個月計，也將為公司節(jié)省人力資源成本近10萬元。

智慧工地系統(tǒng)的使用對公司形象提升等帶來的隱性影響，也是明顯且有益的。可見無論應(yīng)用的社會效益還是經(jīng)濟(jì)效益，都是非常明顯的。

4 結(jié)語

工地的管理是件非常復(fù)雜的工作，引入信息化是其必經(jīng)之路，尤其近幾年隨著BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動通信、人工智能、電子信息工程技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更智慧化的工地成為可能，國內(nèi)外推出智慧化工地管理系統(tǒng)的公司及科研機(jī)構(gòu)也呈爆發(fā)性增長。

本文實(shí)現(xiàn)的智慧化管理系統(tǒng)屬輕量化級別，能夠快速部署在一些對人員、設(shè)備、材料、視頻、環(huán)境監(jiān)測等有管理需求的工地上，經(jīng)過某小型項(xiàng)目的工地試運(yùn)行，表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能有效識別預(yù)定義的各類危險源并作出報警和處理建議，具有明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

目前該系統(tǒng)已在商業(yè)化推廣，同時設(shè)計團(tuán)隊(duì)也在積極分析基于路橋施工、大樓宇建筑施工等場景的智慧工地需求，并有望在本設(shè)計的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的中大型智慧工地綜合管理系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

［1］中國建筑施工行業(yè)信息化發(fā)展報告（2017）：智慧工地應(yīng)用與發(fā)展［M］．北京：中國建材工業(yè)出版社，2017.

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.綠色建造技術(shù)導(dǎo)則（試行）［EB/OL］.（2021-04-15）［2022-12-12］.https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-04/15/content_5599673.htm.

［3］馮瑩瑩.智慧工地管理中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的有效性探究［J］.電子元器件與信息技術(shù)，2020（3）：30-32.

［4］QST青軟實(shí)訓(xùn).ZigBee技術(shù)開發(fā)：Z-Stack協(xié)議棧原理及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2016.

（編輯 李春燕）

Design and application smart construction site management system

Xiao Yumei^{1， 2}， Zhao Xuelian^1，2， Liu Tieying³， Zhang Chao⁴

（1.China University of mining and technology， Xuzhou 221008， China; 2.Xuzhou Liangwei Intelligent

Technology Co.， Ltd.， Xuzhou 221116， China; 3.Jiangsu Xuzhou Higher Vocational School of

economics and trading， Xuzhou 221004， China; 4.Xuzhou Weiser Water Affair Science amp; Technology Co.， Ltd.， Xuzhou 221006， China）

Abstract： In order to meet the needs of various kinds of intelligent construction sites at present， this paper designs and implements an intelligent construction site management system that can be applied in the application scenarios with personnel， environment， special equipment， etc. The front end of the system is based on the Internet of Things technology to achieve data collection， and the back end supports various Internet terminal applications through the cloud platform. The system has undergone lightweight trial on a construction site， and the preliminary analysis of the trial results shows that the system can significantly interrupt multiple medium Focus on the development of hazard sources， with stable operation and good economy.

Key words： smart construction site; internet of things; ZigBee; economy