孫 靜

(北京城建智控科技股份有限公司,北京 100075)

0 引言

傳統(tǒng)建筑行業(yè)屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè),粗放式的管理使工地的勞動力、材料、機械設備的利用都存在監(jiān)管問題。通過合理制定智慧施工現(xiàn)場解決方案,融入更多的信息集成技術,可以更好地發(fā)揮智慧管理和項目建設的優(yōu)勢,提升現(xiàn)場施工環(huán)境的安全管控效果,更好地監(jiān)控和管理施工項目,有效監(jiān)管施工環(huán)境、機械、設備和施工人員。

本文提出的智慧移動方艙是一項整合施工現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控和智慧管理、項目管控、項目宣傳和展示于一體的項目級綜合管理中心,是針對傳統(tǒng)項目展廳和指揮中心生產(chǎn)裝修周期長、運行維護成本高、資金投入大等問題研發(fā)的創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案。著重論述了智慧移動方艙設計和應用的指導思想、系統(tǒng)功能設計及運行實踐。通過對施工項目日常工作及項目管理的調(diào)查和研判,結(jié)合企業(yè)智慧工地項目管理的經(jīng)驗, 圍繞工地核心管理要素,以生產(chǎn)預制、模塊標準、安裝便捷、使用長效為目標,通過物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術手段,實現(xiàn)設備互聯(lián)、場景互聯(lián),打造集綠色工地、安全工程、互聯(lián)協(xié)同、智能管理于一體的現(xiàn)場級監(jiān)管中心。確立了自主創(chuàng)新的指導思想;集數(shù)據(jù)采集、處理分析、集中監(jiān)控和項目管理的綜合功能設計原則。圍繞智慧工地建設及評價標準,采用新信息技術提升施工質(zhì)量治理效能,實現(xiàn)項目質(zhì)量管理“智慧提質(zhì)”。

1 智慧移動方艙特點

參照國內(nèi)工地的項目模式和理念,結(jié)合智能建造中智慧工地管理實際需求及施工項目的管理經(jīng)驗,充分征求智慧工地試點項目的建議,依托公司技術優(yōu)勢,自主設計并研發(fā)了集計算機信息技術、智慧監(jiān)控技術、BIM技術為一體的創(chuàng)新型產(chǎn)品,主要特點如下。

1)集中人員、設備、物資、質(zhì)量、環(huán)境各類信息,深層次綜合管控

基于智慧移動方艙的管控中心,通過攝像頭、末端傳感器等設備,結(jié)合施工現(xiàn)場管理關鍵要素,接入工地各項數(shù)據(jù)并展示為數(shù)據(jù)圖表,項目各部門人員可通過平臺實時了解項目動態(tài),高效管控,做到協(xié)作執(zhí)行可追溯,管理信息零損耗。從而有效幫助項目實現(xiàn)智慧化管理、提高管理效率。

2)安裝便捷、部署靈活

智慧移動方艙只需要簡單地進行箱體吊裝安放、綜合布線對接即可,真正做到安裝便捷快速;方艙由標準化的箱體拼接,可根據(jù)項目工地靈活部署多個單元;預制生產(chǎn)的智慧移動方艙,現(xiàn)場進行箱體吊裝安放、綜合布線對接即可;移動方艙可與工地既有的外觀和尺寸活動箱房保持一致,可做到項目形象統(tǒng)一。

3)模塊標準化

除箱體的標準化,方艙內(nèi)部設計了綜合監(jiān)控指揮中心、數(shù)字化及智慧化體驗中心、企業(yè)及項目介紹、工程展示、實體沙盤等通用模塊,方艙的監(jiān)控系統(tǒng)、綜合布線、預留位置、裝修結(jié)構(gòu)、設備安裝均高度標準化。

4)循環(huán)可持續(xù)利用

智慧移動方艙采用了工廠預制生產(chǎn)、裝配式應用的理念,在設計壽命周期內(nèi),除項目展示的內(nèi)容,結(jié)合各項目自定義二次加工外,其余結(jié)構(gòu)、布線、設備等均可重復利用。有效解決了以往項目展廳和管控指揮中心生產(chǎn)裝修周期長、運行維護成本高的問題。

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2 方艙設計實現(xiàn)方案

2.1 結(jié)構(gòu)及功能

2.1.1設計材質(zhì)及結(jié)構(gòu)

智慧移動方艙一方面作為項目生產(chǎn)管控的總指揮中心,另一方面也作為項目整體形象的展示中心。產(chǎn)品可與建設工地的現(xiàn)場施工項目指揮部的標準活動板房或箱房進行模塊單元拼接,搭建指揮部時,智慧移動方艙產(chǎn)品設置在1層,在智慧移動方艙產(chǎn)品的兩側(cè)和頂層均可拼接標準活動板房或箱房。智慧移動方艙滿足易安裝拆除、可重復利用的需求。

方艙外殼采用冷軋鋼板焊接、沖壓成型,主體結(jié)構(gòu)外觀表面采用工業(yè)兩底兩面噴漆工藝,顏色與標準活動板房或箱房的外觀顏色一致。方艙所有材料在加工過程中采用去毛刺工藝處理,所有外露的邊角及表面的突出物都采用圓弧光滑過渡,保證用戶在使用中不被劃傷。

設計定制化的結(jié)構(gòu)拼焊后組成4個模塊,由標準型材、扣件連接,組成整體移動方艙。智慧移動方艙可拼接擺放,可獨立擺放,如圖1所示。

圖1 移動方艙結(jié)構(gòu)全景Fig.1 The integrated structure of mobile shelter

2.1.2基本模塊構(gòu)成

針對工地智慧化管理現(xiàn)狀和展示觀摩的需求,方艙內(nèi)部功能區(qū)域的設計充分考慮了項目的實用性和可擴展性。智慧移動方艙室內(nèi)裝飾采用簡裝風格,鋪設石塑地板和鋁格柵吊頂,在保證可靠性的前提下具備一定的美化效果。智慧移動方艙內(nèi)部由管控數(shù)字指揮區(qū)、宣傳展示區(qū)兩大區(qū)域組成。

1)管控數(shù)字指揮區(qū) 方艙內(nèi)設有簡易設備間,內(nèi)安裝有機柜,以部署邊緣計算資源。周邊設置拼接監(jiān)控大屏、多功能顯示器、配備計算機主機及顯示器的操作臺,結(jié)合邊緣設備及智慧工地平臺應用,可實現(xiàn)現(xiàn)場人員、設備、環(huán)境等畫面的實時監(jiān)控及數(shù)據(jù)展示。

2.2 可靠性設計

智慧移動方艙出廠前通過了各種測試和驗證,如功能測試、性能測試和壓力測試,以確保系統(tǒng)能夠在不同的工作負載和環(huán)境條件下保持可靠性。

2.2.1系統(tǒng)可靠性

方艙室內(nèi)設備的輸入和輸出線纜采取了強、弱電纜嚴格分開的設計,并安裝了漏電保護裝置和防雷保護;各設備模塊的接地與移動方艙殼體可靠連接,與外部地線統(tǒng)一接到配電箱。

基于方艙的智慧工地平臺在遇到故障或錯誤時,仍能夠繼續(xù)正常運行或快速恢復。這可以通過使用冗余組件、備份系統(tǒng)和故障轉(zhuǎn)移等方法來實現(xiàn)。方艙內(nèi)布設用于智慧工地設備監(jiān)控和現(xiàn)場安全管控分析的邊緣智能設備,在實現(xiàn)本地化實時監(jiān)測的同時,關鍵數(shù)據(jù)同步上云,保證了系統(tǒng)的可靠運行,如圖2所示。

圖2 平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向Fig.2 Data flow of platform

2.2.2結(jié)構(gòu)可靠性

移動方艙外殼采用拼接焊接方式,外部焊縫經(jīng)精細打磨處理,內(nèi)部支撐連接件使用氣體保護焊工藝,保證焊縫強度質(zhì)量,內(nèi)部電器模塊安裝后的牢固性和耐久性不會因搬運或沖擊造成設備損傷。

方艙內(nèi)零部件主要采用沖壓成形、焊接、機械加工、注塑等制造工藝,殼體鈑金件主要采用數(shù)控沖床、數(shù)控折彎、激光切割機等先進設備加工,保證了制造精度;箱體在組裝過程中零部件的緊固嚴格按照GB/T3098.13—1996《緊固件機械性能螺栓與螺釘?shù)呐ぞ卦囼灪推茐呐ぞ毓Q直徑1～10 mm》執(zhí)行。

2.2.3可維護性

每個方艙單元在背面的頂部均設置有各單元獨立的標準供電航空插座及通信接口插座,便于現(xiàn)場組裝和拆卸。移動方艙內(nèi)部采用了合理化的設備布局,設備之間安裝無干擾、拆卸方便。緊固件為常規(guī)通用標準件,使用常規(guī)工具即可進行大部分模塊的拆卸與安裝,從而讓產(chǎn)品維護人員維護起來更加方便快速,有助于方艙的運維和周轉(zhuǎn)。

3 基于移動方艙的智慧化應用場景

標準尺寸為12 m×8 m的智慧移動方艙已正式應用于某大學通州校區(qū)項目的品牌展示、綜合監(jiān)控指揮等全過程。此次應用在項目上的移動方艙一體化解決方案,采用集成化理念,將項目宣傳和項目智慧化管理相融合,打造集智慧展廳和指揮管控中心為一體的標準化、規(guī)范化、智慧化產(chǎn)品。采用了裝配式理念,以租賃形式交付給項目使用,運輸完畢后只需吊裝通電即可使用。有效解決了以往項目展廳和指揮中心生產(chǎn)裝修周期長、運行維護成本高、資金投入大等問題,實現(xiàn)了內(nèi)容設計定制化、設備生產(chǎn)效率化、現(xiàn)場安裝簡單化、設備使用長效化、客戶體驗精細化,如圖3所示。

圖3 移動方艙在工地項目的應用Fig.3 Application of mobile shelter in a project

3.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

移動方艙布設邊緣計算資源所需的基礎模塊,通過有線、光纖、互聯(lián)網(wǎng)、ZIGBEE等通訊方式實現(xiàn)與現(xiàn)場的終端硬件互聯(lián)互通。終端傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設備對工地現(xiàn)場的環(huán)境溫度、PM2.5、關鍵設備運行狀態(tài)等進行監(jiān)測,攝像頭對人員出入、作業(yè)行為、安全隱患進行實時監(jiān)視。數(shù)據(jù)采集部分包括現(xiàn)場及設備內(nèi)部的各類傳感器,通過交換機、串口服務器、LoRa網(wǎng)關等集中實現(xiàn)對全工地區(qū)域內(nèi)塔式起重機、混凝土泵、腳手架等設備設施運行數(shù)據(jù)的采集、交換和存儲,如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控Fig.4 Data collection and monitoring

3.2 安全管理及預警

邊緣智能硬件是智慧移動方艙的核心大腦,可以接收傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行處理和分析。通過AI算法和機器學習技術,智能硬件可以實現(xiàn)對建筑工地中各種數(shù)據(jù)的智能化分析和處理,如異常預警、質(zhì)量檢測、安全監(jiān)控等。

應用物聯(lián)網(wǎng)智能傳感技術對施工大型設備運行進行實時監(jiān)測,搭配設備檔案,充分體現(xiàn)“事先監(jiān)督管理、事中數(shù)據(jù)監(jiān)測、事后分析”;融合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能地磅,接通項目計劃、物料驗收、入出庫登記,形成完整的運行臺賬,全自動預警分析。設備在線監(jiān)測可以全方位確保作業(yè)安全,起到區(qū)域安全防范、防碰撞、超載等作用。通過使用AI盒子搭載算法結(jié)合攝像頭可以完成行為分析、精準定位、人員屬性分析、異常行為預警,將被動預防轉(zhuǎn)化為主動預防,避免事件升級。安全管理及預警應用模塊如圖5所示。

圖5 安全管理及預警應用模塊Fig.5 Application modules of safety management and early warning

3.3 數(shù)字化指揮中心

為使得施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等一系列硬件設備有效實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)貫通,方艙構(gòu)建了用于傳遞、展示、預警分析、存儲數(shù)據(jù)等功能于一體的“指揮中心”。指揮中心硬件設施構(gòu)建基于智慧工地平臺應用、操作臺及拼接大屏構(gòu)成。

指揮大屏是智慧工地系統(tǒng)的核心交互窗口,為工程項目管理者提供多種交互模式,實現(xiàn)一張圖進行項目業(yè)務數(shù)據(jù)全景查看(見圖6),包含工程概況、工程進度、設備管理、環(huán)境監(jiān)測及預警信息,監(jiān)管人員可以隨時加載相應的模塊進行聯(lián)動,查看相關模塊的詳細信息。工程概況直觀展示項目參與各方及項目重要信息;進度監(jiān)控以條形圖來展現(xiàn)實際進度與計劃進度差距,以便工作人員合理安排工作計劃;設備統(tǒng)計實時統(tǒng)計現(xiàn)場機械數(shù)量,進行設備管理;預警信息將各個功能模塊預警進行匯總。

圖6 數(shù)字化指揮平臺Fig.6 Digital command platform

3.4 智慧展廳

為了充分展示項目特色,切實做好安全教育工作,移動方艙特別打造了集“品牌文化及項目展示+安全體驗+信息處理”于一體的多功能智慧展廳,既可滿足項目內(nèi)容培訓管理,又可以成為項目對外展示的窗口,滿足各方觀摩的需求。展廳提供了標準的展示模塊及豐富的展示模板,內(nèi)容涵蓋項目展示、企業(yè)文化介紹、質(zhì)量安全看板。數(shù)字化智慧展廳通過沉浸交互、增強現(xiàn)實等多媒體和數(shù)字化技術的應用,可以讓參觀者直觀地感受到項目亮點、技術優(yōu)勢和危險源等內(nèi)容,在打造安全質(zhì)量工程方面發(fā)揮著積極作用,有助于樹立安全意識,提升品牌形象,給企業(yè)帶來更多地正向反饋。

1)VR體驗 基于VR設備把工地實景映射到虛擬場景中,可以直接體驗高空墜落、腳手架傾斜、火災演練等效果。施工人員佩戴VR眼鏡、手握控制手柄,可體驗施工中可能發(fā)生的危險場景,直觀地感受違規(guī)操作帶來的危害,也可以通過虛擬場景模擬,學習掌握相應的防范知識及應急措施,有效避免安全事故。

2)數(shù)字沙盤 采用數(shù)字孿生技術,結(jié)合BIM、物聯(lián)網(wǎng)、AI等,打造出全新的數(shù)字孿生式沙盤,可以實現(xiàn)項目進度、成本、質(zhì)量、安全的控制目標,從而實現(xiàn)工程效果直觀展示,更好地推動工程項目建設。

4 結(jié)語

本次智慧移動方艙在傳統(tǒng)箱房架構(gòu)設計上,創(chuàng)新性地以靈活拼接實現(xiàn)工地管理布局應用,同時充分利用多種信息化技術,滿足了工地項目智慧管理的需求。移動方艙采用模塊標準化、即裝即用的設計及實施理念,很大程度上減輕了項目定制化開發(fā)的壓力,縮短了智慧工地應用及智慧化展廳上線周期,為項目帶來了良好的使用效果。

與此同時,智慧移動方艙產(chǎn)品依托集成的智慧工地平臺、AI分析、邊緣計算等技術手段,進而達到以施工安全為核心、智能服務為特色、數(shù)據(jù)多維度集成共享為標志的智慧工地服務。平臺的多項應用均滿足政府及企業(yè)對智慧工地的建設要求和評價標準,為企業(yè)及項目創(chuàng)優(yōu)豎立了品牌形象。