閆 濤

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

市政工程包括城市道路、橋梁、給排水、環(huán)境工程、地下結(jié)構(gòu)等，作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施，對施工現(xiàn)場的進度、質(zhì)量、安全管控提出了很高的要求。同時由于市政工程專業(yè)的復(fù)雜性，受制于周邊環(huán)境的限制，不同工程的特點各不相同，施工標準化程度低，現(xiàn)場管理的難度大，風險高。傳統(tǒng)的項目管理手段單一、信息滯后，導(dǎo)致施工項目管理層反應(yīng)遲鈍和主動控制能力的薄弱。在此背景下，隨著信息技術(shù)發(fā)展，特別是BIM、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)加速應(yīng)用，智慧工地的建設(shè)已成為施工項目管理方提升自動化管理水平、保障工地施工安全文明的重要平臺和手段。

近年來，全國各地積極探索智慧工地建設(shè)，但還存在著系統(tǒng)集成度低、“信息孤島”現(xiàn)象較為突出、用戶端與監(jiān)管層數(shù)據(jù)融通度不高、智慧工地應(yīng)用點針對性不強，數(shù)據(jù)價值低等應(yīng)用技術(shù)難點。大多數(shù)企業(yè)對智慧工地的應(yīng)用尚處于初級階段，應(yīng)用的業(yè)務(wù)板塊也各有不同，既需加強統(tǒng)一的頂層架構(gòu)設(shè)計，又需針對項目實際的安全生產(chǎn)管理需求進行更具實用性、針對性的落地探索。

BIM 技術(shù)作為近年來建筑行業(yè)大力發(fā)展的新技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在建設(shè)階段BIM 技術(shù)除可以進行施工模擬、工程量計算、施工場地布置等單點應(yīng)用之外，還可以作為工程管理的數(shù)字基底，通過創(chuàng)建工程各專業(yè)BIM 模型、施工場地模型、周邊環(huán)境模型等，實現(xiàn)施工現(xiàn)場的三維數(shù)字化還原，施工項目管理數(shù)據(jù)、智能物聯(lián)感知數(shù)據(jù)可以通過BIM 模型基底為載體進行融合；AIoT 是AI+IoT 的簡稱，是人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合應(yīng)用，在智慧工地建設(shè)中，IoT 技術(shù)用于施工現(xiàn)場人、機、料、法、環(huán)各要素的數(shù)據(jù)感知，AI 技術(shù)可以將前端采集的數(shù)據(jù)進行實時計算，通過AI 算法的加持及時識別工地現(xiàn)場的安全風險，及時進行預(yù)警與反饋。

現(xiàn)介紹基于BIM+AIoT 的市政工程智慧工地平臺的總體架構(gòu)、開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)、各模塊功能以及在某市政工程中的實際應(yīng)用情況，并對應(yīng)用成效進行了總結(jié)，可為后續(xù)同類型項目的應(yīng)用提供借鑒。

1 平臺總體架構(gòu)

智慧工地平臺的總體架構(gòu)應(yīng)由感知層、傳輸層、平臺層、應(yīng)用層四個部分組成，智慧工地的架構(gòu)如圖1 所示。感知層包括施工現(xiàn)場安裝的信息采集、識別、控制的物聯(lián)設(shè)備。傳輸層指數(shù)據(jù)傳輸和通信技術(shù)和媒介，包括有線傳輸和WLAN、WiFi、GPRS/3G/4G/5G、藍牙等無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的實時傳輸。平臺層指的是支持平臺基礎(chǔ)應(yīng)用及集成的各類技術(shù)服務(wù)，如BIM 圖形引擎、數(shù)據(jù)存儲、智能分析、邊緣計算等技術(shù)，設(shè)備連接管理、應(yīng)用集成、物聯(lián)設(shè)備集成、視頻流服務(wù)、基礎(chǔ)云服務(wù)等。應(yīng)用層指的是為滿足用戶需求提供的具體應(yīng)用服務(wù)，如安全管理、質(zhì)量管理、環(huán)境管理、人員管理等，可以根據(jù)現(xiàn)場需求進行模塊化的功能配置，最后通過現(xiàn)場指揮大屏、Web 端、移動端APP 等用戶終端使用。

圖1 智慧工地平臺總體架構(gòu)圖

2 平臺開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

平臺開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下四個方面：

（1）基于微服務(wù)的開發(fā)技術(shù)架構(gòu)

智慧工地平臺需要能夠集成各專項子系統(tǒng)，同時在項目數(shù)量增加時要能夠快速進行部署，通過基于微服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)、前后端分離的開發(fā)模式可以使得平臺具備良好的拓展性并且能夠靈活部署。

（2）基于輕量化BIM 圖形引擎的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

基于OpenGL、WebGL 的三維圖形引擎可以實現(xiàn)通過瀏覽器無插件在線查看輕量化BIM 模型，通過BIM 模型實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)的集成展示和聯(lián)動查詢。

（3）基于多種通訊協(xié)議融合的IoT 數(shù)據(jù)接入技術(shù)

智慧工地通過智能物聯(lián)設(shè)備實時采集工地的揚塵噪聲、視頻監(jiān)控、人員定位、施工機械設(shè)備運行數(shù)據(jù)、安全監(jiān)測等數(shù)據(jù)，不同的采集設(shè)備的采樣頻率、數(shù)據(jù)傳輸方式、通訊協(xié)議各不相同，平臺需要能夠支持多種協(xié)議的數(shù)據(jù)采集，并且對各類采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲、處理和應(yīng)用。

（4）基于視頻AI 的隱患識別技術(shù)

在通用圖像識別算法的基礎(chǔ)上結(jié)合工地實際應(yīng)用場景進行AI 模型的訓(xùn)練，將訓(xùn)練好的算法部署到AI 服務(wù)器上，接入現(xiàn)場攝像頭采集的監(jiān)控畫面對現(xiàn)場的安全隱患進行實時識別，將識別到的隱患進行通知告警，及時消除隱患，提高管理效率。

3 平臺功能介紹

3.1 人員管理

人員管理功能模塊內(nèi)容應(yīng)包括人員實名制登記、無感考勤系統(tǒng)、人員定位等功能。人員實名制登記模塊，在人員進場前通過移動端APP 對現(xiàn)場人員的身份證信息進行自動識別，并且通過AI 人臉對比算法將身份證照片與人員照片自動比對，確保人證匹配，在平臺中建立人員臺賬，對不同工種人員進行分類管理，對于超齡人員進行預(yù)警。

無感考勤系統(tǒng)通過在工地出入口設(shè)置人臉識別閘機，對接后臺人員數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)進出人員控制和考勤信息自動統(tǒng)計。

人員定位功能通過在安全帽上增加定位模塊實現(xiàn)工地現(xiàn)場人員位置信息的實時采集，人員位置信息可以通過BIM 模型在三維場景中實時展示人員位置信息，如圖2 所示。

圖2 基于BIM 的人員定位功能圖示

3.2 設(shè)備管理

設(shè)備管理模塊首先在平臺中建立機械設(shè)備臺賬，對機械設(shè)備基礎(chǔ)信息進行錄入，并對設(shè)備的檢定周期、維修保養(yǎng)建立數(shù)據(jù)庫動態(tài)管理。對于一些特種作業(yè)設(shè)備，例如塔吊、攪拌樁設(shè)備等可以通過加裝智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)，及時收集關(guān)鍵部位運行信息，發(fā)生異常時自動報警。

塔吊監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容包括：吊重、吊鉤高度、小車行進幅度、回轉(zhuǎn)角度、塔機傾斜角度等，還可以通過加裝視頻監(jiān)控對實現(xiàn)吊鉤可視化和塔吊駕駛室監(jiān)測，如圖3 所示。

圖3 塔吊運行監(jiān)測功能圖示

攪拌樁監(jiān)測通過安裝自動化在線制漿記錄儀，搭配稱重傳感器、視頻監(jiān)控等，實時記錄攪拌樁各關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)，并將采集的施工數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳服務(wù)器。施工管理人員可以通過PC 端和手機實時查看現(xiàn)場施工情況，平臺功能包括實時數(shù)據(jù)查看、歷史記錄查詢、預(yù)警信息等。

3.3 基坑監(jiān)測

基坑監(jiān)測通過安裝相關(guān)基坑監(jiān)測設(shè)備，將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行信息集成，在BIM 智慧大屏上實現(xiàn)可視化呈現(xiàn)，同時后臺進行數(shù)據(jù)分析，形成監(jiān)測數(shù)據(jù)日變化量趨勢圖。對各項監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)置了預(yù)警值及報警值，當預(yù)警或報警時，對相關(guān)人員及時進行手機短信推送，并啟動相應(yīng)基坑應(yīng)急預(yù)案。

3.4 視頻監(jiān)控

通過安裝視頻監(jiān)控和AI 視頻識別設(shè)備，建立施工現(xiàn)場全方位視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在項目部通過監(jiān)控大屏展示施工現(xiàn)場監(jiān)控視頻的位置及監(jiān)控畫面，實時監(jiān)測施工現(xiàn)場安全生產(chǎn)措施的落實情況，主要包括視頻查看、圖像存儲、錄像回放、AI 識別、報警推送等功能。AI 視頻識別的功能包括安全帽、反光衣、區(qū)域入侵、吸煙、煙霧、明火等，如圖4 所示。

圖4 AI 視頻識別圖示

3.5 綠色文明施工

綠色文明施工模塊功能主要包括揚塵噪聲監(jiān)測、用水用電監(jiān)測等。通過安裝環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對施工現(xiàn)場的揚塵噪聲等環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)管理者對項目現(xiàn)場環(huán)境狀況的整體把控，支持對前端污染源的實時監(jiān)控、在線預(yù)警、對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計、報表分析等功能。設(shè)備終端可根據(jù)設(shè)定的環(huán)境監(jiān)測閾值，與施工現(xiàn)場的噴淋裝置聯(lián)動，在超出閾值時自動報警并啟動噴淋裝置，以達到噴淋降噪的目的。通過安裝數(shù)字化電箱、水表、電表等硬件，將施工現(xiàn)場用水量及電箱的電量、電壓、電流、功率等監(jiān)測數(shù)據(jù)實時反映至平臺上，并由平臺進行匯總分析數(shù)據(jù)，及時解決異常情況。

3.6 BIM 駕駛艙

BIM 駕駛艙將工程實體BIM 模型、施工場地模型、周報環(huán)境模型、施工機械模型等進行整合，建立工程全景三維模型基底，在此基礎(chǔ)匯聚各類物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)、工程管理數(shù)據(jù)等，綜合展示項目總體建設(shè)匯總數(shù)據(jù)指標，包括人員統(tǒng)計、設(shè)備統(tǒng)計、工程進度、安全監(jiān)測、質(zhì)量控制等不同主題、不同維度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為工程指揮和調(diào)度提供決策依據(jù)，如圖5 所示。

圖5 BIM 駕駛艙示意圖

4 試點項目案例

4.1 項目概況

某水廠改擴建項目位于中心城區(qū)，工程是在原有水廠基礎(chǔ)上進行的擴建和深度處理改造，在改造期間需確保原有水廠供水不能間斷，對工程施工管理提出了很高的挑戰(zhàn)。該項目通過BIM+智慧工地的應(yīng)用建立基于BIM 的智慧工地平臺，提升了工程管控的數(shù)字化、智慧化水平，為項目的順利交付提供了重要支撐。

4.2 應(yīng)用成效

在該項目中，結(jié)合項目特點和實際需要，重點對人員定位、塔吊監(jiān)測、攪拌樁監(jiān)測、基于BIM 的施工交底等進行了應(yīng)用。

為防止在施工期間，施工人員闖入原有水廠，影響水廠的安全運營，該項目引入了人員定位系統(tǒng)，實時掌握在場人員信息，并且通過劃定電子圍欄實現(xiàn)對人員越界的及時報警，取得了較好的效果，在安全風險大、人員管控要求高的項目中值得推廣應(yīng)用。

通過安裝塔吊監(jiān)測系統(tǒng)，對塔吊的幅度、高度、轉(zhuǎn)角、重量、傾角、風速進行監(jiān)測，同時還設(shè)置了人臉識別模塊司機開啟塔吊時需要通過人臉或密碼驗證，防止非工作人員誤開。通過安裝吊鉤可視化體系，消除了塔吊司機的視野盲區(qū)，提升了塔吊作業(yè)的安全管控能力，如圖6 所示。

圖6 塔吊吊鉤可視化畫面

傳統(tǒng)攪拌樁質(zhì)量管控過程主要依靠管理人員現(xiàn)場管理，具有一定局限性和管理盲區(qū)。在該項目中通過引入攪拌樁質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，對成樁深度、成樁時間、用漿量、鉆速、泥漿比重、施工流程、施工持續(xù)時間等進行實時監(jiān)測，及時掌握關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)，同時具備施工過程中關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測報警功能。水泥攪拌樁質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)可以有效輔助質(zhì)量管理人員現(xiàn)場監(jiān)督、檢查及旁站，替代部分現(xiàn)場管理工作，提高施工管理效率。

此外，在該項目中還通過將各單體構(gòu)筑物BIM模型輕量化發(fā)布到平臺中，并通過平臺生成二維碼張貼在施工現(xiàn)場，施工人員可以通過手機掃描查看BIM 模型，基于模型開展施工交底，起到了指導(dǎo)施工的作用。

5 結(jié)語

在行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大背景下，BIM 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、AI 技術(shù)的快速發(fā)展為智慧工地的建設(shè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，通過基于BIM+AIoT 的智慧工地平臺開發(fā)可以改變目前依賴人工管理的現(xiàn)狀，有效提升施工現(xiàn)場的精細化、數(shù)字化、智能化水平，提升項目安全水平，助力品質(zhì)工程的創(chuàng)建。未來隨著BIM 技術(shù)和新一代信息技術(shù)的發(fā)展，基于BIM+AIoT 的智慧工地平臺有望在更多的工程建設(shè)項目中得到推廣應(yīng)用，促進行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。