李鑫

（甘肅紫光智能交通與控制技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 研究背景

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的深入普及，信息化開始成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的一個(gè)重要助推器。5G、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能等新型信息化技術(shù)兩化融合，改變了諸多行業(yè)，其覆蓋范圍涵蓋了行業(yè)的管理模式甚至規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，打破了不少行業(yè)壁壘，加速行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)朝著新的方向發(fā)展。而在工程建設(shè)領(lǐng)域，新型信息化技術(shù)不僅對(duì)工程建設(shè)本身有著不同層面的影響，更加速了行業(yè)間的融合及技術(shù)間的優(yōu)化組合，讓工程從前期設(shè)計(jì)、中期施工建設(shè)到后期數(shù)據(jù)資產(chǎn)共享，實(shí)現(xiàn)了工程全生命周期一體化、智慧化管理。

工程行業(yè)是一個(gè)安全事故多發(fā)的高危行業(yè)，隨著我國(guó)新基建建設(shè)的不斷推進(jìn)，如何加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)管理、降低事故發(fā)生頻率、杜絕各種違規(guī)操作和不文明施工、提高建筑工程質(zhì)量，仍將是擺在各級(jí)政府部門、業(yè)界人士和廣大學(xué)者面前的一項(xiàng)重要研究課題。為落實(shí)政府各監(jiān)管部門對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)安全、質(zhì)量、進(jìn)度、綠色環(huán)保的監(jiān)管要求，提高項(xiàng)目精細(xì)化管理水平，保障工地現(xiàn)場(chǎng)正常運(yùn)行，圍繞施工工地現(xiàn)場(chǎng)人、機(jī)、料、法、環(huán)5個(gè)方面，開展工地云邊協(xié)同信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)工程建管養(yǎng)一體化。平臺(tái)研究使工程施工數(shù)字化、智能化、無(wú)人化建設(shè)管理成為可能，大大提高了我國(guó)建筑企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；建設(shè)成果可提高建筑企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平，為打造風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控、優(yōu)化管理、遠(yuǎn)程診斷、安全、協(xié)同、共享、高效的智慧工地奠定基礎(chǔ)。

2 框架體系構(gòu)建

通過5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈和人工智能等新型成熟技術(shù)與業(yè)務(wù)的深度融合，產(chǎn)品提供統(tǒng)一接口平臺(tái)，解決了實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)平臺(tái)眾多、缺乏統(tǒng)一的運(yùn)維入口、各平臺(tái)互斥無(wú)法整合的問題。通過區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)安全技術(shù)，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全，通過智能合約來(lái)確保特定交易在特定條件得到滿足。利用大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)能力對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)，采用大數(shù)據(jù)為系統(tǒng)的并行查詢、存儲(chǔ)提供性能上的提升，達(dá)到統(tǒng)一項(xiàng)目管理平臺(tái)、統(tǒng)一項(xiàng)目管理標(biāo)準(zhǔn)、綜合項(xiàng)目信息共享的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目管理手段信息化，提升了項(xiàng)目質(zhì)量安全監(jiān)管力度，起到了為項(xiàng)目建設(shè)服務(wù)的作用，有力助推了各種交通項(xiàng)目品質(zhì)工程建設(shè)。

加強(qiáng)工程建設(shè)、運(yùn)維、養(yǎng)護(hù)大數(shù)據(jù)共享、區(qū)塊鏈防篡與人工能智能分析系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng)，從源頭上實(shí)現(xiàn)基建工程數(shù)字化，盤活處于休眠狀態(tài)的海量數(shù)據(jù)資產(chǎn)，有利于進(jìn)一步提升系列基礎(chǔ)設(shè)施社會(huì)治理水平，包括工程質(zhì)量、工程安全、工程投資和工程效率等方面。整體架構(gòu)可分為5個(gè)邏輯層次，主要包括視圖層、應(yīng)用層、中間層、數(shù)據(jù)采集層和物聯(lián)感知，如圖1所示。

圖1 總體框架圖

2.1 總體體系

2.1.1 “三網(wǎng)融合”云邊協(xié)同體系

通過研究“三網(wǎng)融合”（物聯(lián)網(wǎng)、高精度定位網(wǎng)、5G/互聯(lián)網(wǎng)）的相互補(bǔ)充，其中物聯(lián)網(wǎng)、高精度定位網(wǎng)提供邊緣端設(shè)備的接入和控制，5G/互聯(lián)網(wǎng)面向云端平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析到?jīng)Q策管理的流程化管控。為了適應(yīng)不同工程環(huán)境，平臺(tái)涵蓋近距離無(wú)線傳輸、有線傳輸、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)等多種通信接口，實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的Zigbee、串口/總線、NB-IoT等方式上傳，保證系統(tǒng)的普適性。高精度定位網(wǎng)利用北斗/GPS為人員、工程車輛的定位提供保障，對(duì)動(dòng)態(tài)及靜態(tài)要素開展不同級(jí)別定位。最后，通過5G網(wǎng)絡(luò)，利用其低時(shí)延、高穿透的特點(diǎn)，將邊緣端的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫似脚_(tái)。

2.1.2 全要素邊緣工程施工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在“三網(wǎng)融合”體系下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為底層支撐，將采集工程施工過程中的全要素?cái)?shù)據(jù)，包含人員管理類的人臉、定位、射頻識(shí)別；設(shè)備管理類的定位、車輛統(tǒng)計(jì)；施工安全類的塔吊監(jiān)控、能耗監(jiān)控、遠(yuǎn)程視頻、隧道健康監(jiān)測(cè)等；施工環(huán)境類的揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)、有害氣體監(jiān)測(cè)。此外，通過無(wú)人機(jī)傾斜攝影采集重合度較高的影像照片，生成帶有原地貌紋理和高程的三維模型。

2.1.3 基于大數(shù)據(jù)+區(qū)塊鏈技術(shù)的工程質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)+區(qū)塊鏈技術(shù)的工程質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)是通過分布式微服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方式對(duì)原有預(yù)應(yīng)力、張拉、拌和站系統(tǒng)進(jìn)行分析整合，通過分部分項(xiàng)將每個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來(lái)。包含接口開放平臺(tái)、拌和站管理、預(yù)應(yīng)力管理及系統(tǒng)權(quán)限管理等業(yè)務(wù)模塊，對(duì)上游和下游系統(tǒng)的接口進(jìn)行聚合管理、方便第三方對(duì)接，并通過拌和站、預(yù)應(yīng)力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及多項(xiàng)規(guī)則、自動(dòng)計(jì)算超標(biāo)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析、最終形成報(bào)表等可用的功能模塊。

2.1.4 基于BIM技術(shù)的工程信息管控系統(tǒng)

通過BIM工程信息管控系統(tǒng)，包括工程建設(shè)施工進(jìn)度、質(zhì)量管理、信息集成與三維展示功能模塊，全面展示施工地質(zhì)情況和實(shí)時(shí)進(jìn)度質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)施工可視化、過程信息實(shí)時(shí)共享、施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)和工程數(shù)據(jù)分析借鑒等功能，為計(jì)算機(jī)用戶、移動(dòng)終端、大屏幕等施工過程可視化展示應(yīng)用開發(fā)及項(xiàng)目管理人員會(huì)商決策提供信息化工具支撐，保障施工質(zhì)量和安全。

2.1.5 工程建管養(yǎng)一體化云端平臺(tái)搭建

工程建管養(yǎng)一體化云端平臺(tái)通過一體化集成服務(wù)平臺(tái)將工程建設(shè)綜合管理系統(tǒng)、項(xiàng)目行政管理系統(tǒng)、工程養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)集成在一起。

一體化集成服務(wù)平臺(tái)：在一體化集成服務(wù)平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)建、管、養(yǎng)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)交換、統(tǒng)一身份認(rèn)證、統(tǒng)一門戶入口等一體化管理。

工程建設(shè)綜合管理系統(tǒng)：建成項(xiàng)目公司統(tǒng)一的工程建設(shè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所有建設(shè)工程的進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本全方位監(jiān)管。

項(xiàng)目行政管理系統(tǒng)：針對(duì)公司內(nèi)務(wù)建設(shè)財(cái)務(wù)、OA協(xié)同辦公、人力資源等信息化管理系統(tǒng)。

工程養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)：建成統(tǒng)一的工程養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工程養(yǎng)護(hù)的計(jì)劃、巡查、施工、考核過程管理。

2.2 分項(xiàng)體系

2.2.1 一體化集成服務(wù)平臺(tái)

一體化集成服務(wù)平臺(tái)由統(tǒng)一門戶信息集成系統(tǒng)、統(tǒng)一安全身份認(rèn)證系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換調(diào)度服務(wù)系統(tǒng)、GIS服務(wù)系統(tǒng)、BIM服務(wù)系統(tǒng)五大部分組成，通過一體化集成服務(wù)平臺(tái)將公路建設(shè)綜合管理系統(tǒng)、項(xiàng)目公司行政管理系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)、決策運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)集成在一起。

2.2.2 BIM服務(wù)

依托建設(shè)方施工管理需求，整合全工程施工管理數(shù)據(jù)，并集成全景三維模型展現(xiàn)施工過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和分析成果數(shù)據(jù)，開發(fā)工程建、管、養(yǎng)的三維典型應(yīng)用功能，結(jié)合Unity3D三維引擎研發(fā)工程全景展示、輔助決策系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)過程包括各類工程，地形地質(zhì)三維模型制作，包含工程施工和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)集成、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)整理和分析、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的后臺(tái)管理系統(tǒng)開發(fā)，最后完成虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景搭建、用戶交互設(shè)計(jì)、施工過程管理研究等三維展示系統(tǒng)開發(fā)工作。

圖2 一體化集成服務(wù)平臺(tái)關(guān)系圖

2.2.3 基于大數(shù)據(jù)+區(qū)塊鏈技術(shù)的工程質(zhì)量監(jiān)控

依托施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)采集過程控制原則，實(shí)時(shí)采集混凝土拌和站、穩(wěn)定土拌和站、瀝青混合料拌和站、橋梁預(yù)應(yīng)力張拉壓漿、竣工資料等過程生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并跟蹤監(jiān)控每條數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)各工程環(huán)節(jié)填寫的信息生成數(shù)字簽名（附加在數(shù)據(jù)單元上的一些數(shù)據(jù)，或是對(duì)數(shù)據(jù)單元所作的密碼變換）。這種數(shù)據(jù)或變換允許數(shù)據(jù)單元的接收者用以確認(rèn)數(shù)據(jù)單元的來(lái)源和數(shù)據(jù)單元的完整性并保護(hù)數(shù)據(jù)，防止被人（例如接收者）偽造?？捎行Ы鉀Q部分標(biāo)準(zhǔn)滯后、數(shù)據(jù)采集不規(guī)范、過程管控不強(qiáng)等問題，保證數(shù)據(jù)的安全性。

2.2.4 邊緣端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè)

拌和站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：用于監(jiān)測(cè)、收集、存儲(chǔ)拌和站生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)拌和站所有生產(chǎn)活動(dòng)信息、痕跡的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)把拌和站生產(chǎn)情況采集到項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)中分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)拌和站生產(chǎn)情況的質(zhì)量監(jiān)管。

試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控：用于監(jiān)控、收集、存儲(chǔ)試驗(yàn)過程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)判斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格情況，針對(duì)不合格的數(shù)據(jù)，以頁(yè)面提醒或手機(jī)短信等方式自動(dòng)報(bào)警。利用二維碼識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)中的各類試件進(jìn)行標(biāo)示和確認(rèn)，確保試驗(yàn)檢測(cè)過程中試件的真實(shí)性，提高工程原材料和構(gòu)件的質(zhì)量管控。

預(yù)應(yīng)力智能張拉、壓漿監(jiān)測(cè)：實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉、壓漿數(shù)據(jù)的采集、上傳、分析和報(bào)警，通過業(yè)主、監(jiān)理、施工單位的信息互聯(lián)，實(shí)時(shí)管控設(shè)備施工過程，對(duì)張拉、壓漿過程全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，數(shù)據(jù)不落地上傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)張拉及壓漿工藝的質(zhì)量監(jiān)控。

運(yùn)輸車輛監(jiān)控：收集、存儲(chǔ)車輛行駛軌跡、裝料時(shí)間、運(yùn)輸時(shí)間、卸料時(shí)間等多重?cái)?shù)據(jù)信息，記錄材料的運(yùn)輸周期，具備混合料溯源和運(yùn)輸監(jiān)控作用。

人員定位：利用北斗/GPS，實(shí)現(xiàn)勞務(wù)人員在指定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)人臉識(shí)別考勤，管理人員可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看和監(jiān)控施工主要人員及監(jiān)理考勤記錄和情況，并分類統(tǒng)計(jì)，移動(dòng)人臉識(shí)別考勤支持在線考勤和離線考勤兩種模式。

隧道健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)：用于監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)隧道掌子面加裝各類空氣檢測(cè)類傳感器數(shù)據(jù)及安全布局。實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)的粉塵及有害氣體的不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示在洞外LED大屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)播報(bào)及對(duì)超限數(shù)據(jù)的報(bào)警提醒。

關(guān)鍵部位安全視頻監(jiān)控：主要對(duì)工程的施工過程和工程安全開展全方位遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，提高監(jiān)管的效率、真實(shí)性和有效性，可遠(yuǎn)程調(diào)用項(xiàng)目辦或施工標(biāo)段存儲(chǔ)的視頻數(shù)據(jù)。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集：在施工現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)軟件分析后，其分析結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器，可在后臺(tái)網(wǎng)站、手機(jī)App端直接對(duì)工程質(zhì)量、工程進(jìn)度、施工安全開展巡查管理，無(wú)人機(jī)直播和BIM應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)接，若某項(xiàng)目數(shù)據(jù)結(jié)果異常，可通過信息系統(tǒng)預(yù)警。

3 特色場(chǎng)景應(yīng)用

3.1 模型自動(dòng)生成及多模型支持

結(jié)合施工過程產(chǎn)生的分部分項(xiàng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)三維模型，可精確到單獨(dú)構(gòu)件，并能根據(jù)不同的工程類型生成橋梁、隧道、路基三類模型，做到施工進(jìn)度可視化。

圖3 三維施工模型

3.2 輕量化與多終端支持

支持h5、PC端、移動(dòng)端等多終端運(yùn)行?？汕度胍延邢到y(tǒng)，在豐富系統(tǒng)功能與展示效果的同時(shí)做到低入侵、輕量化展示。

3.3 構(gòu)件詳情展示

對(duì)各個(gè)構(gòu)件的“名稱”“樁號(hào)”等靜態(tài)屬性，以及“質(zhì)量”“進(jìn)度”等動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行詳細(xì)展示，可實(shí)時(shí)同步構(gòu)件施工信息，方便管理單位掌握構(gòu)件的基本情況及整體施工進(jìn)度，與真實(shí)施工進(jìn)度保持一致。

3.4 構(gòu)件拆分

支持完整工程模型的“打散”操作，方便查看各個(gè)構(gòu)件的細(xì)節(jié)、構(gòu)件之間的連接情況及工程的總體組成部分。

3.5 構(gòu)件質(zhì)量展示

以單個(gè)構(gòu)件為單位，展示施工過程中各構(gòu)件的質(zhì)量情況，方便嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，實(shí)時(shí)記錄跟進(jìn)構(gòu)件的質(zhì)量信息，對(duì)施工過程中的問題構(gòu)件做到一目了然。

3.6 施工進(jìn)度展示

以不同顏色標(biāo)識(shí)各個(gè)構(gòu)件的施工進(jìn)度，方便精確地把控施工的整體進(jìn)度、局部區(qū)域進(jìn)度乃至單個(gè)構(gòu)件進(jìn)度，合理安排施工周期。

4 結(jié)束語(yǔ)

在工程建設(shè)領(lǐng)域，新型信息化技術(shù)不僅對(duì)工程建設(shè)本身有著不同層面的影響，更加速了行業(yè)間的融合及技術(shù)間的優(yōu)化組合，讓工程從前期設(shè)計(jì)、中期施工建設(shè)至后期數(shù)據(jù)資產(chǎn)共享，均實(shí)現(xiàn)了工程全生命周期一體化、智慧化管理。目前行業(yè)主要存在建筑企業(yè)管理效率偏低、施工現(xiàn)場(chǎng)存在安全隱患、邊緣端與云端數(shù)據(jù)協(xié)同等問題。對(duì)應(yīng)的主要解決措施包括研究涉及施工、養(yǎng)護(hù)過程中的人機(jī)料法環(huán)全要素管理，同時(shí)集成行政管理，整合全工程施工管理數(shù)據(jù)，并集成全景三維模型展現(xiàn)施工過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、分析成果數(shù)據(jù)，開發(fā)工程建、管、養(yǎng)的三維典型應(yīng)用功能，提升建筑企業(yè)管理效率；研究重點(diǎn)解決施工過程中的主要部位監(jiān)控、安全數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和關(guān)鍵環(huán)境數(shù)據(jù)采集，同時(shí)具備報(bào)警功能，保證施工現(xiàn)場(chǎng)的安全性；利用5G技術(shù)高速率、低時(shí)延、大連接特點(diǎn)，通過云邊協(xié)同工程管理平臺(tái)，充分發(fā)掘數(shù)據(jù)價(jià)值。

圖4 項(xiàng)信息化管理平臺(tái)

圖5 構(gòu)件詳情展示

圖6 構(gòu)件拆分

圖7 構(gòu)件質(zhì)量展示

圖8 施工進(jìn)度展示