葉志偉，方佳敏，田 棟，肖 衎

(1.長江航道局，武漢 430010；2.長江宜昌航道工程局，宜昌 443008)

近年來，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、BIM(建筑信息模型)技術(shù)等先進信息技術(shù)的快速發(fā)展[1]，傳統(tǒng)的航道整治工程行業(yè)利用這些新技術(shù)，實現(xiàn)了三維設(shè)計精確設(shè)計和施工模擬[2]，圍繞施工過程管理，建立互聯(lián)協(xié)同、智能生產(chǎn)、科學管理的施工項目信息化生態(tài)圈，實現(xiàn)工程施工可視化智能管理，以提高工程管理信息化和精細化水平，推動了長江航道工程建設(shè)從傳統(tǒng)行業(yè)向現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。在建設(shè)智慧管控平臺與理論方面，李霞等[3]分析GIS與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入智慧工地，建立智慧工地綜合監(jiān)管平臺，為文明施工和文明執(zhí)法提供依據(jù)；吳威等[4]提出建立了設(shè)備感知、工地感知、現(xiàn)場管理和遠程監(jiān)管4個層次的電網(wǎng)基建工程智慧工地總體框架；何洋等[5]將BIM技術(shù)運用到航道整治工程項目管理中，實現(xiàn)基于BIM模型的項目管控；黃凱等[1]研究應(yīng)用基于智慧工地大數(shù)據(jù)管理平臺的新型管理方法，并以重慶約克北郡商業(yè)項目為工程背景，介紹城市大型總體項目智慧工地信息化數(shù)據(jù)平臺建設(shè)。本文以長江干線武漢至安慶段6 m水深航道整治工程為依托，針對目前項目管理存在的問題，提出利用BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等建立航道整治工程智慧工地管控平臺，提升航道整治工程信息化、自動化管理水平。

1 工程概況

長江干線武漢至安慶段6 m水深航道整治工程(以下簡稱武安段工程)上起武漢天興洲長江大橋、下迄安慶皖河口，全長約386.5 km。自上而下整治湖廣—羅湖洲、沙洲、戴家洲、鯉魚山、張家洲、馬當、東流等7個礙航灘段，建設(shè)護灘帶24道、護底帶4道，壩體5道，高灘守護15.4 km，護岸加固13.3 km，基建疏浚477萬m3，配套建設(shè)航標工程、生態(tài)建設(shè)工程[6-9]。航道建設(shè)等級為Ⅰ級，建設(shè)標準為6.0 m×200 m×1 050 m(水深×航寬×彎曲半徑)，部分重點礙航灘段航寬不低于110 m，設(shè)計最低通航水位年保證率為98%，批復概算37.44億元。本工程建設(shè)規(guī)模較大、點多線長、內(nèi)容復雜：(1)建設(shè)內(nèi)容多，主要有護岸工程、護灘與護底工程、筑壩工程、疏浚與吹填工程、航標工程以及生態(tài)工程等；(2)工程點多線長，涉及到湖北、江西、安徽等三省七市的7個灘段，建設(shè)環(huán)境復雜，管理難度大。

由于本工程建設(shè)規(guī)模大，建設(shè)管理要求高、施工人員相對較少、建設(shè)任務(wù)重，現(xiàn)場施工管理點多線長面廣，傳統(tǒng)現(xiàn)場管理方式極其困難，需采用信息化手段實現(xiàn)高品質(zhì)管理。在全生命周期建設(shè)與使用過程中，項目通過開展基于BIM模型的智慧工地技術(shù)應(yīng)用，提供工地現(xiàn)場管理信息化解決方案，以實現(xiàn)項目建設(shè)目標。

2 智慧工地總體架構(gòu)

武安段工程智慧工地平臺通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和BIM等現(xiàn)代化信息技術(shù)引入到工程實踐中，給傳統(tǒng)施工操作與管理安裝“智慧大腦”，使傳統(tǒng)施工流程進行優(yōu)化和再造，從而提高工程管理質(zhì)量和效率，增加經(jīng)濟效益，提升管理層次。智慧工地平臺的總體架構(gòu)由展示層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)資源層、基礎(chǔ)環(huán)境層四個層級，以及信息化標準規(guī)范和信息化安全保障兩個保障體系構(gòu)成。智慧工地總體架構(gòu)圖詳見圖1。

圖1 智慧工地總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall architecture of the smart construction site

展示層：是整個平臺的展示形式，主要通過WEB大屏或手機端對武安段工程智慧工地平臺進行展示。

應(yīng)用層：是整個系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)，主要由武安段工程智慧工地管控平臺BIM系統(tǒng)應(yīng)用等構(gòu)成。其中武安段智慧工地管控平臺包括遠程視頻監(jiān)控、車船監(jiān)控與調(diào)度指揮、用電安全、環(huán)境監(jiān)測、水位水情、項目信息等；基于BIM模型的項目管控系統(tǒng)主要包括項目質(zhì)量、安全、進度、投資管理；水位上報系統(tǒng)主要包括：水位站管理、上報人員管理、水位上報及水位信息展示功能。

數(shù)據(jù)資源層：由結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)接口三部分構(gòu)成。其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括：項目數(shù)據(jù)、車船數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、用電數(shù)據(jù)等構(gòu)成，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括：地理位置數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)、設(shè)計數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)等構(gòu)成。其中部分數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口的形式進行獲取。

基礎(chǔ)環(huán)境層：包括主機存儲系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、感知監(jiān)控設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施，其中服務(wù)器及存儲、應(yīng)用軟件和安全系統(tǒng)等是信息化建設(shè)的根基；通信網(wǎng)絡(luò)是信息傳遞和服務(wù)支撐的橋梁，需要基于現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施資源情況，充分利用通信網(wǎng)絡(luò)體系，滿足系統(tǒng)的功能應(yīng)用；感知監(jiān)控設(shè)備通過傳感器采集施工現(xiàn)場的安全、質(zhì)量、人員數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和過濾，實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全、質(zhì)量的監(jiān)測與預(yù)警。

3 建設(shè)方案

3.1 智慧工地集成平臺

武安段智慧工地集成平臺通過高分辨率大屏幕進行工程信息展示、各類功能集成、BIM技術(shù)應(yīng)用等功能。

(1)智慧工地展示平臺。展示工程概況、工程基本情況等有關(guān)內(nèi)容。

(2)基于BIM模型的項目管控平臺。利用BIM技術(shù)，實現(xiàn)基于BIM模型的項目質(zhì)量、安全、進度、計量與支付等管控、三維施工技術(shù)交底、安全技術(shù)交底、BIM施工模擬等功能[10]。

(3)智慧工地集成平臺。集成水位水情監(jiān)測、船舶用電安全監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控平臺、排體搭接質(zhì)量監(jiān)測等終端數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測，遠程視頻監(jiān)控，車船定位調(diào)度監(jiān)控，實現(xiàn)工程管理的現(xiàn)場實時指揮、調(diào)度、監(jiān)控與質(zhì)量控制等功能，智慧工地集成平臺展示見圖2。

圖2 智慧工地集成平臺展示Fig.2 Integrated platform presentation of the smart construction site

3.2 基于BIM技術(shù)的項目管理

在工程項目管理方面，開發(fā)BIM施工管控平臺，結(jié)合施工管理和行業(yè)規(guī)范要求對設(shè)計BIM模型進行施工深化，通過細化模型或增加模型施工信息，形成施工階段BIM模型，然后按照施工單位的工作劃分結(jié)構(gòu)(WBS)和施工組織設(shè)計進行深化設(shè)計，并利用二次開發(fā)專業(yè)工具對模型進行編碼(MBS)，最后將編碼完成的施工深化BIM模型發(fā)布BIM施工管控平臺。基于BIM施工管控平臺，實現(xiàn)基于最小施工單元BIM模型的質(zhì)量、安全、進度、計量與支付，提高項目管理的精細化和信息化管理水平。

(1)基于BIM的質(zhì)量管理。基于施工深化BIM模型的WBS編碼結(jié)構(gòu)，與質(zhì)量檢驗的QBS編碼結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，提供BIM模型可視化質(zhì)量管理方面的咨詢服務(wù)，實現(xiàn)施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、審批流程合理化，實現(xiàn)原材料、人員、船機設(shè)備數(shù)據(jù)管理信息化，通過質(zhì)量管理數(shù)據(jù)與BIM模型關(guān)聯(lián)等技術(shù)手段達成原材料可追溯、施工質(zhì)量可追溯。質(zhì)量管理BIM應(yīng)用流程見圖3。

圖3 質(zhì)量管理BIM應(yīng)用流程Fig.3 Quality control of BIM application flow

(2)基于BIM的安全管理?；贐IM模型，通過智能安全帽、船舶定位、BIM模型結(jié)合、地形水位分析等技術(shù)手段，實現(xiàn)人員實時定位、船舶定位、作業(yè)水位分析等，進行智能可視化安全管理。

(3)基于BIM的進度管理。結(jié)合施工組織設(shè)計方案，將BIM模型與進度計劃、人材機計劃等信息關(guān)聯(lián)，利用BIM模型進行施工推演模擬，優(yōu)化方案；以施工深化BIM模型為載體，將施工進度計劃細化至最小施工單元，施工技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場施工進度賦予BIM模型實際施工時間和工程量信息，管理人員可以通過BIM模型直觀查看施工進度情況，根據(jù)工程量信息自動計算施工產(chǎn)值動態(tài)掌握項目形象進度，并利用施工計劃和實際施工時間信息進行動態(tài)分析，為項目管理決策提供支撐。通過BIM模型將時間、工程量等施工進度信息關(guān)聯(lián)，為用戶提供進度計劃編制、施工進度模擬、進度計劃調(diào)整審批、施工進度BIM動態(tài)顯示、施工進度BIM動態(tài)分析、進度報表定制化輸出、進度可視化數(shù)據(jù)統(tǒng)計等業(yè)務(wù)功能。BIM施工管控平臺的進度管理界面見圖4。

(4)基于BIM的合同、計量支付管理?；谑┕ず贤墓こ塘壳鍐?，將合同、計量支付管理與BIM模型、現(xiàn)場施工相結(jié)合，將計量精細度細化到施工單元，通過與進度管理和質(zhì)量管理模塊聯(lián)動，篩選已施工并且已驗收合格的施工單元，自動匯總形成計量工程量，可基于BIM模型按時間、構(gòu)件屬性等不同維度查詢工程費用，精細化、可視化展現(xiàn)合同和計量支付進度，實現(xiàn)多維度費用對比分析，發(fā)現(xiàn)異常時及時糾偏。BIM施工管控平臺的計量支付管理界面見圖5。

(5)施工技術(shù)、安全技術(shù)交底。建立基于BIM模型的三維施工技術(shù)交底、安全技術(shù)交底知識庫，分別對護岸施工、護灘與護底施工、筑壩施工等20余種常用的施工工藝制作三維施工技術(shù)交底、安全技術(shù)交底，改變常規(guī)施工技術(shù)交底方式，更好的滿足現(xiàn)場作業(yè)人員的學習培訓。

3.3 終端數(shù)據(jù)的自動采集與監(jiān)測

(1)水位監(jiān)測與變化分析。航道整治工程施工受水位影響大，密切關(guān)注工程河段的水位變化十分重要。通過工程河段臨時水位站和已有的自動水位站，實現(xiàn)武漢至安慶段各施工區(qū)域水位數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸，結(jié)合歷年水位數(shù)據(jù)，科學預(yù)測水位變化趨勢，指導項目施工。

(2)施工區(qū)環(huán)境監(jiān)測。在施工現(xiàn)場配備自動監(jiān)測環(huán)境儀器，對施工現(xiàn)場的風速、風向、能見度、溫度、PM值等環(huán)境要素進行實時監(jiān)測，通過移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)測平臺，顯示各環(huán)境要素，當設(shè)定的各環(huán)境要素作業(yè)限制條件超標時自動報警。

(3)船舶安全用電監(jiān)測。通過電流互感器、溫度傳感器和電氣火災(zāi)探測器等智能終端，對施工船舶用電和項目部引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素進行實時在線監(jiān)測，數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，及時掌握線路動態(tài)運行存在的用電安全隱患，對出現(xiàn)的異常能及時通過預(yù)警方式提醒管理人員。

(4)排體搭接質(zhì)量監(jiān)測。水上鋪排的搭接質(zhì)量控制是航道整治工程重難點，本工程通過在鋪排船安裝聲吶設(shè)備，將聲吶檢測數(shù)據(jù)實時傳輸至智慧工地監(jiān)控平臺，實現(xiàn)排體搭接數(shù)據(jù)的量測、監(jiān)控，并根據(jù)搭接情況實時控制調(diào)整船位，確保鋪排施工質(zhì)量。

3.4 車、船定位監(jiān)控調(diào)度

車船定位監(jiān)控調(diào)度由車、船載終端、無線移動網(wǎng)絡(luò)和自有地圖服務(wù)平臺三部分組成。車、船載終端通過無線移動網(wǎng)絡(luò)將位置信息傳送至自有地圖服務(wù)平臺，實現(xiàn)對車、船位置的監(jiān)控[11-12]。

(1)車、船載終端。相關(guān)工程人員、車輛和船舶配備北斗等定位終端，將其位置信息通過移動網(wǎng)絡(luò)傳送至自有地圖服務(wù)平臺，現(xiàn)場管理人員可實時查看其位置信息，實現(xiàn)一鍵聯(lián)系指揮調(diào)度。

(2)自有地圖服務(wù)平臺。以自有地圖服務(wù)平臺為底圖，疊加制作的專題工程區(qū)、工程河段電子航道圖圖層，實時顯示所有車輛、船舶位置，為工程船舶、車輛位置提供高效的可視化環(huán)境信息。

工程管理人員在平臺上進行縮放瀏覽、定位查詢、空間量測等基礎(chǔ)操作，查看選定人員、車輛、船舶的運動軌跡；設(shè)定車輛、船舶運動電子圍欄范圍、運行路線等，實現(xiàn)超范圍活動或偏航的自動報警。船舶動態(tài)管理模塊界面見圖6。

3.5 遠程視頻監(jiān)控

遠程視頻監(jiān)控主要由前端監(jiān)控攝像頭、傳輸鏈路、監(jiān)控中心構(gòu)成。前端攝像頭主要安裝在施工船舶、岸基等重要位置，將采集的圖像信息傳送到服務(wù)平臺中心，實現(xiàn)對工地及周邊監(jiān)控，包括視頻查看、圖像存儲、錄像回放、違規(guī)抓圖、報警聯(lián)動等功能。

圖6 船舶動態(tài)管理模塊界面Fig.6 Modular interface of the ship dynamic management

由于航道工程施工范圍點多線長，監(jiān)控的重要區(qū)域比較分散，網(wǎng)絡(luò)傳輸由通訊專網(wǎng)提供，以滿足視頻數(shù)據(jù)高質(zhì)量傳輸。在監(jiān)控中心，通過疊加地圖和工程布置圖為底圖，標識攝像頭安裝位置，實時查看某監(jiān)控范圍內(nèi)的施工動態(tài)，有效查看操作人員作業(yè)是否規(guī)范等。

監(jiān)控攝像頭的類型選擇要根據(jù)現(xiàn)場實際情況來選擇，確保視頻清晰穩(wěn)定、數(shù)據(jù)完整不失貞、重要區(qū)域全方位覆蓋，同時要方便操作等；監(jiān)控施工作業(yè)區(qū)域的攝像頭，應(yīng)具備特定抓拍功能，當出現(xiàn)施工人員違規(guī)操作時，自動對焦抓拍保存數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)平臺，便于管理人員的現(xiàn)場監(jiān)管。

4 結(jié)語

本文以武安段工程為依托，研究歸納了航道整治工程智慧工地的特點和總體架構(gòu)，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和BIM等信息化技術(shù)，構(gòu)建了BIM模型的項目管控平臺、智慧工地集成平臺，形成具有自動化信息感知、數(shù)據(jù)資源共享利用、項目管理協(xié)同高效的智慧工地管控平臺，實現(xiàn)了基于BIM技術(shù)的大型航道整治工程的質(zhì)量、安全、進度、投資管理、水位、環(huán)境等終端數(shù)據(jù)的自動采集與監(jiān)測，車、船定位監(jiān)控的實時調(diào)度等功能，使得航道整治工程項目管理更加智慧，減輕了現(xiàn)場管理過程中對人的依賴，大幅度提高了管理效率，節(jié)約大量人力、材料、水電等資源，提高工程施工質(zhì)量、安全管理水平，為航道整治工程項目管理提供了新理念和新思路。