高 瑞，武樂佳，劉渝琳，劉占省，彭小文，楊昌輝

(1.中鐵建工集團第一建設有限公司，北京 100070； 2.北京工業(yè)大學，北京 100124；3.中國鐵路廣州局集團有限公司，廣東 廣州 510610)

0 引言

智慧工地充分利用互聯(lián)網、物聯(lián)網、人工智能、三維掃描、大數(shù)據(jù)等信息技術，對工地簡單粗暴的管理模式進行變革，為施工企業(yè)提供系統(tǒng)的工地管理解決方案[1]。近年來多位學者對智慧工地的管理方法及應用展開研究，王靈子等[2-4]提出智慧建造的內涵特征，并設計包含感知層、網絡層和應用層的系統(tǒng)架構。徐友全等[5-6]提出基于物聯(lián)網的智慧工地總體框架體系，總結基于物聯(lián)網的智慧工地安全管控體系架構。鹿煥然[7]在控制論與集成管理理論的支撐下進行智慧工地設計，并通過案例評價智慧工地管理效果。上述文章都搭建了智慧工地架構，從不同側重點研究智慧工地的應用，本文結合大型鐵路、地鐵綜合交通樞紐項目，運用BIM，5G、物聯(lián)網等技術，從人、機、料、法、環(huán)施工管理要素出發(fā)，搭建基于信息技術的智慧工地系統(tǒng)，并對應用展開研究。

1 工程概況

新建常德-益陽-長沙鐵路位于湖南省西北部，是渝長廈通道與呼南通道的重要組成部分，具有構建川渝至湘贛閩地區(qū)高速鐵路主通道，華北、中原、鄂西至華南地區(qū)高速鐵路主通道的地位。新建長沙西站位于長沙市西北部，是常益長鐵路的重要組成部分，是長株潭城際鐵路西延線終點站，項目效果如圖1所示。站房中心里程為DK156+710.306—DK157+160.306，位于長沙市望城區(qū)南部金山橋街道和黃金園街道交界處，為長沙交通樞紐“三主五輔”主要客站。

圖1 項目效果

長沙西站站臺規(guī)模為12臺22線，其中常益長高鐵場6臺11線，長株潭城際場6臺11線(本次僅實施3臺6線，3臺5線預留站臺工程)，其中站臺長450m，站臺寬12～18m。兩側分別設置綜合監(jiān)控與消防控制室、辦公會議設備用房，辦公區(qū)與設備區(qū)分開獨立設置。

2 問題分析

2.1 重難點分析

1)工期緊張，施工任務重

本工程單體施工面積達40萬m2，自2021年8月7日開工，工期緊張、施工任務重。同時，施工過程中需與長沙西站站前標段交叉施工，相互制約，對工期影響較大。

2)信息化、智能化要求高

本項目功能組成齊全，專業(yè)類型、系統(tǒng)多，信息化、智能化管理要求高，信息化先進、安全、實用、簡便的要求對建設和管理智能化提出挑戰(zhàn)。

3)施工過程安全風險高

本工程體量大、作業(yè)人員多、交叉作業(yè)多、大型機械設備多，且全程鄰近運營線，施工過程安全風險高。如何利用智能化技術和方法對施工安全風險因素進行分析、預測、控制，是本項目一大難點。

4)質量標準高、創(chuàng)優(yōu)目標要求高

本工程質量標準高、創(chuàng)優(yōu)目標要求高，對項目管理提出更高標準。另外，目前疫情防控仍不能放松，需加強管理現(xiàn)場人員和環(huán)境。

2.2 解決思路

通過分析項目重難點可知，施工管理難度大。傳統(tǒng)管理方法存在效率低、安全風險判斷依賴人員經驗、智能化程度低等問題，難以在保證質量的前提下如期完工。因此，結合信息技術與BIM，形成智慧工地管理平臺，進行智能化管理。通過搭建5G基站、5G專屬移動網絡，采用基于5G的BIM+智慧工地管理平臺，進行項目整體智慧建造協(xié)同管理，以BIM模型為基礎，通過物聯(lián)網技術關聯(lián)模型與現(xiàn)場，實現(xiàn)基于BIM模型的全業(yè)務數(shù)字化管理模式[8-9]?；贐IM、物聯(lián)網傳感技術、5G傳輸網絡形成智慧工地平臺架構，如圖2所示。

圖2 智慧工地平臺架構

感知層是基礎，用于數(shù)據(jù)采集，為整個系統(tǒng)提供牢靠的信息保障，包括基于物聯(lián)網的智能設備、施工機器人、無人機等傳感設備。網絡層用于數(shù)據(jù)傳輸，在智慧工地系統(tǒng)中起橋梁作用，采用5G基站，搭設5G專屬移動網絡，5G和WIFI信號的全覆蓋可保障數(shù)據(jù)準確傳輸。數(shù)據(jù)層包括BIM模型數(shù)據(jù)、有限元模型數(shù)據(jù)、三維掃描模型數(shù)據(jù)，以及工程數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)，形成完整并持續(xù)更新的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，便于實時應用與監(jiān)管。算法層是智慧工地大腦所在，對數(shù)據(jù)進行處理，給出預測、指示，為不同任務提供解決方案。平臺層是從施工管理人、機、料、法、環(huán)出發(fā)，針對質量、安全形成有效的管理模塊，管理人員可在客戶終端直接進行管理操作。

智慧工地以人員、機械設備、物資材料、工藝工法、周圍環(huán)境作為主控要素，以安全生產管理作為重要工作對象，通過數(shù)字化終端進行監(jiān)控管理。智慧工地結合物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網、人工智能、VR、AR、5G等技術，為項目管理提供技術手段，以構建工地智能監(jiān)控和控制體系，變被動監(jiān)管為主動監(jiān)管，實現(xiàn)對人、機、料、法、環(huán)的全方位實時監(jiān)控。根據(jù)各環(huán)節(jié)的實時狀態(tài)進行風險管控，為管理人員在風險程度失控時提供決策建議和技術支持。

2.3 智慧工地平臺模塊設計

智慧工地平臺模塊設計主要根據(jù)管理對象、管理目標、管理方法建立，對施工現(xiàn)場管理對象進行梳理，由人、機、料、法、環(huán)施工現(xiàn)場管理要素，安全、進度、質量、成本方面構成。管理目標是對管理對象的預期管理效果，應用智慧工地是實現(xiàn)智能感知-輔助決策-持續(xù)應用-形成資產系統(tǒng)。智慧工地主要借助結合物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、5G、人工智能和算法的智能監(jiān)控及控制體系-行管理。經過分析，將智慧工地平臺設計為人員管理模塊、視頻監(jiān)控模塊、施工環(huán)境管理模塊、車輛管理模塊、安全管理模塊、質量管理模塊、監(jiān)測系統(tǒng)模塊，如圖3所示。

圖3 智慧工地平臺模塊設計

3 智慧工地的應用

3.1 人員管理模塊

施工現(xiàn)場人員管理可規(guī)避用工風險，保障人員合法權益，實現(xiàn)對現(xiàn)場人員的高效管理，在智慧工地平臺上直接顯示勞務人員每日統(tǒng)計信息，如在場人數(shù)、工種、年齡及單位情況、人員進出場情況、人員健康碼狀態(tài)等。使用現(xiàn)場實名制通道，不僅可準確查看考勤情況，還可對接上級單位平臺及相關政府監(jiān)管部門管理平臺。在施工現(xiàn)場出入口安裝紅外線體溫監(jiān)視系統(tǒng)，實時監(jiān)測進出場人員體溫，對體溫異常的人員給予實時報警提示，有效防止體溫異常人員進入現(xiàn)場，對生產作業(yè)產生影響。對于高危工種所在的關鍵崗位，布置健康監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集關鍵崗位人員的運動步數(shù)、心率、血壓等信息，并將健康監(jiān)測歷史記錄儲存在平臺中，便于回溯。一旦檢測出施工人員的心率、血壓、體溫異常，可按健康監(jiān)測系統(tǒng)中的SOS鍵啟動一鍵報警功能。此外，人員管理模塊包含人員安全教育功能，可啟動在線培訓教育課程，并進行相應在線考試。在智慧工地中，人員安全培訓可使用VR設備進行體驗式教育和多人協(xié)同。對于在線考試考核不合格人員，將自動關聯(lián)實名制閘機嚴禁入場，以對現(xiàn)場人員進行實際有效的安全教育。

3.2 基于AI的視頻監(jiān)控模塊

AI(人工智能)技術憑借人臉識別、圖像識別功能，在智慧工地系統(tǒng)中發(fā)揮優(yōu)勢。AI技術包括圖像識別、語言識別、機器人等功能，除模擬人類思考，還具有強大的自學習、自適應能力[5，10]。將AI引入智慧工地，利用人臉識別功能可加強現(xiàn)場人員管控能力，利用圖像識別、可輔助施工質量驗收、管理現(xiàn)場車輛等。利用AI技術可設置全面的視頻監(jiān)控模塊，包括安全帽識別、反光衣識別、安全帶識別、無感考勤、區(qū)域入侵識別、人員徘徊檢測、人員聚集檢測、人員摔倒檢測、吸煙識別、人員在崗檢測、煙霧識別、疲勞識別、明火識別等功能。在重點管控區(qū)域布設攝像頭，可實現(xiàn)監(jiān)控畫面實時查看、歷史回放、定時抓拍，增加智慧AI分析功能，可實現(xiàn)違規(guī)行為快速識別、反饋、預警，實現(xiàn)人員、設備、物資、安全等全方位監(jiān)管，有效提升信息化管理水平。

3.3 施工環(huán)境管理模塊

為實現(xiàn)建筑施工中四節(jié)一環(huán)保的目標，應在智慧工地平臺引入施工環(huán)境管理模塊。該模塊利用溫濕度傳感器、噪聲傳感器等采集現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網、信息管理技術進行實時監(jiān)測和管理。選擇智能算法處理檢測數(shù)據(jù)，可預測現(xiàn)場環(huán)境發(fā)展趨勢，進而提前進行控制、調節(jié)，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場水電、揚塵、噪聲等因素的智能化管控。該模塊采用能耗自動監(jiān)測控制系統(tǒng)，可自動采集、記錄，并通過報表分析能源消耗，當監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時，可遠程進行開關或定時啟停。

3.4 車輛管理模塊

施工現(xiàn)場人員通過面部識別進出，施工現(xiàn)場來往車輛種類繁多，在智慧工地平臺車輛管理模塊中將入場車輛進行分類，如將車輛劃分為常駐車輛、來訪車輛、黑名單車輛，對不同車輛采取不同管控方式。通過智慧工地車輛管理模塊可追蹤進場車輛軌跡信息，有效掌握車輛進出場時間、車牌、車輛類型、歸屬單位、影像等信息，進而掌握車輛定位、工作狀態(tài)，實現(xiàn)對車輛的遠程調度、安全管控，對車輛違規(guī)行為進行抓拍及報警，有效提高車輛管理效率。

3.5 安全管理模塊

規(guī)模較大、工程復雜的項目存在大量交叉作業(yè)，增大現(xiàn)場安全隱患，導致安全事故時有發(fā)生。因此在智慧工地平臺中設立安全管理模塊，以統(tǒng)籌系統(tǒng)管理現(xiàn)場安全情況。除人員安全外，現(xiàn)場安全管理包括設備安全、重大危險源監(jiān)測、群塔防碰撞、電路火災安全等內容。針對具體安全管理內容，應匹配相應的安全管理方式，并建立分級預警、解決機制，實現(xiàn)對建筑工地全方位安全監(jiān)督。將BIM、物聯(lián)網、云計算、人工智能等信息技術融合到智慧工地平臺，使用傳感器采集數(shù)據(jù)并實時上傳至智慧工地平臺，進而進行監(jiān)管和調控，及時控制安全隱患。

3.6 質量管理模塊

本項目建立智慧工地質量管理模塊，有效提升質量管理水平。利用信息化技術采集現(xiàn)場質量數(shù)據(jù)，并上傳至云平臺實測實量系統(tǒng)。管理人員可使用PC端或移動端查看質量問題數(shù)據(jù)的圖表分析結果，便于及時整改、驗收，也方便問題統(tǒng)計和一鍵查詢。相關管理人員要掌握質量管理模塊的操作內容，以保證質量檢查結果準確無誤。整改質量問題時，可直接在現(xiàn)場照片中標注質量不合格的位置，提高工作效率。平臺質量管理模塊主頁會實時顯示質量巡檢、質量驗收統(tǒng)計信息，滾動顯示最新記錄。在施工現(xiàn)場隨時發(fā)現(xiàn)問題都可在手機APP端隨拍上傳，同時，質量巡檢、驗收、整改等功能也可一并在APP端操作，為質量管理提供便利。

3.7 監(jiān)測系統(tǒng)模塊

在智慧工地平臺建立獨立的監(jiān)測系統(tǒng)模塊，管理安全質量問題。本項目重點監(jiān)測對象有塔式起重機、卸料平臺、高支模、深基坑、臨邊防護、智能安全帶、高強螺栓等。將監(jiān)管放入智慧工地平臺系統(tǒng)，可做到實時監(jiān)控，及時排查安全隱患，確保設備正常運行。智慧工地監(jiān)測系統(tǒng)模塊如下：①塔式起重機安全監(jiān)測系統(tǒng) 對碰撞、超載傾覆、小車限位制動、運行黑匣子、吊鉤可視化、塔式起重機司機驗證、塔式起重機工效大數(shù)據(jù)等進行實時監(jiān)控、分析，并及時給出預警，確保塔式起重機安全運行；②卸料平臺安全監(jiān)測系統(tǒng) 將卸料平臺主鋼絲繩安裝測力傳感器，經主機進行實時監(jiān)測分析，當承重超限時，制動發(fā)出聲光報警，并以微信、短信形式通知相關責任人；③高支模安全監(jiān)測系統(tǒng) 通過前端傳感器對高支模沉降、位移、壓力進行實時監(jiān)測，并進行超限預警、危險報警；④深基坑安全監(jiān)測系統(tǒng) 通過建立數(shù)學模型，監(jiān)測基坑支護結構、地下水狀況、基坑自動排水、基坑底部，及周邊建筑、管線及設施、重要道路及其他監(jiān)測對象，預防事故發(fā)生；⑤臨邊防護監(jiān)測系統(tǒng) 將對射光柵布設在基坑臨邊、基槽、深溝及其周邊、樓層臨邊、樓梯周邊、平臺或陽臺邊、屋面臨邊等位置；安裝智能異動預警盒進行視頻AI監(jiān)控，對人為破壞、異動、拆除、翻越、墜落等事件，將發(fā)出聲光語音報警，及時上傳平臺推送至管理人員；⑥智能安全帶監(jiān)測系統(tǒng) 對高空作業(yè)人員進行實時監(jiān)測與提醒；與智能安全帽建立通信協(xié)議，最終傳輸至智慧工地平臺(后臺顯示定位及狀態(tài)，并自動記錄、報警、推送)；⑦高強螺栓松動監(jiān)測系統(tǒng) 通過傳感器實時監(jiān)測螺栓拉伸量、松動情況，保證螺栓預緊力可控，發(fā)生松動可及時預警，降低現(xiàn)場機械設備的維護工作量、維修成本，提高機械設備運行的可靠性、安全性；⑧履帶式起重機安全監(jiān)測系統(tǒng) 通過高精度傳感器實時監(jiān)控履帶式起重機運行過程中的起重量、起重力矩、起升高度、下降深度、幅度、風速、回轉角度、工作時間、累計工作時間、工作循環(huán)等參數(shù)，并可在吊點加裝高清球機攝像頭，使吊鉤下方所釣重物的視頻圖像清晰呈現(xiàn)在塔式起重機駕駛艙內的顯示器上，保證履帶式起重機安全運行；⑨大體積混凝土無線測溫監(jiān)測系統(tǒng) 監(jiān)測數(shù)據(jù)對接至智慧工地平臺質量管理子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)差異時，系統(tǒng)將自動干預并報警、推送。

4 結語

智慧工地是建筑業(yè)轉型升級的關鍵技術手段，可改變施工現(xiàn)場粗放的管理模式，不僅能夠提高施工智能化水平，還能智能監(jiān)控項目，防范風險。智慧工地通過管理平臺，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，通過信息感知-整合-處理、分析可對施工現(xiàn)場管理提供更科學的決策。本項目依靠智慧工地管理平臺，解決了工期緊、任務重、智能化與信息化程度高、安全風險多、質量標準高等難題，實現(xiàn)對人、機、料、法、環(huán)的全面管控，提高安全質量管理水平。未來，智慧工地還應不斷在實踐中進行完善、發(fā)展，并不斷提高管理平臺可行性、實用性和綜合性，以進一步推動智能建造發(fā)展和行業(yè)變革。