移動計算在建筑工程信息管理中的應用研究

陳 遠 林基礎

(鄭州大學土木工程學院,河南鄭州 450001)

信息技術(ICT)的發展和廣泛利用,使土木工程信息化戰略在建筑工程領域被大范圍的推廣和實施。從工程設計單位到施工單位,甚至再到施工現場辦公室,都可以得到信息技術的支持。但是施工現場以紙張為基礎的信息交流模式,極大的限制了信息管理和信息處理能力,離“數字化工地”的概念還有很大的距離。

近年來,隨著移動計算技術的發展和成熟,使“數字化工地”的實現成為可能。為了讓建筑企業和相關領域的研究人員了解和接受這項技術,首先必須對移動計算的概念以及移動計算技術在建筑工程領域的應用做一一介紹,其次要詳細分析移動計算技術在建筑工程領域應用的潛力、優勢和所面臨的挑戰,最后要對這一研究領域的發展趨勢作出合理的預見。

1 移動計算(Mobile Com puting)的概念

在討論移動計算技術在建筑工程領域的應用之前,必須對移動計算的概念與定義有一個清楚的闡述。移動計算的概念有三個重要的組成部分:移動計算機,無線網絡和移動應用軟件[1]。移動計算機是指用戶能夠在室內或室外并且在移動中使用的計算機,其中包括平板電腦(Tablet PC),掌上電腦(Palmtop),個人數字助理(PDA),可穿戴計算機(Wearable PC)等。無線網絡是指包括有線網絡以外的所有類型的計算機網絡,并且能夠為移動中的設備提供接入支持。無線網絡包括的類型有:無線廣域網(WWAN),無線局域網(WLAN),無線個人局域網(WLAN),和衛星通信等。移動應用軟件是指支持移動計算機和無線網絡,并且能夠對用戶所進行的工作過程提供支持的計算機應用軟件。

圖1給出了一個基于移動計算技術的施工現場信息管理結構。在施工現場,建筑管理人員通過使用各種移動計算機和相應的建筑信息管理軟件,包括移動 CAD軟件,移動數據采集軟件,移動項目管理軟件等,通過無線網絡與服務器進行實時數據傳輸。

2 移動計算技術在建筑工程領域的應用

2.1 移動計算技術

圖1 基于移動計算技術的建筑信息管理構架

將研究重點集中在移動計算技術的研究可以被稱為“技術推動型研究”。這種類型的研究通過對移動計算技術的評估和測試來證明它能夠提供什么樣的技術支持,從而能夠解決什么樣的目前存在的建筑信息管理問題。目前對于移動計算技術研究的熱點包括:

? 移動 IP電話(Mobile IPTelephony)。在施工現場,建筑施工人員通常使用對講機等傳統方法來進行信息交流。而移動 IP電話的出現為增強施工現場信息交流的效率提供了一個很好的選擇。Beyh和 Kagioglou[2]設計了一個將移動 IP電話整合到施工工地信息交流系統中的理論模型,并且通過現場測試,探索了使用移動 IP電話所獲得的優勢。這些優勢包括使用一個網絡傳遞所有類型的信息(語音、數據、傳真和視頻等),提供一個可以運行多種計算機應用軟件的平臺,降低了語音線路租用費、網絡租用費以及其它各種信息技術相關的花費等,提高了施工管理的效率。

? 可穿戴計算機(Wearable Computer)。這種計算機是一種小型的可移動計算機,通常被整合到用戶所穿工作服上或者捆綁到用戶身上。可穿戴計算機集成了許多其它先進技術,包括語音識別系統、無線網絡、觸摸屏、先進的人機接口技術、頭盔式顯示器以及手腕鍵盤等。可穿戴計算機在施工工地通常被用來幫助工程管理人員來檢查施工進度、監控工程質量以及解決施工問題[3-4]。

? 條形碼技術(Bar-coding Technology)。條形碼技術是一種自動識別技術,可以增加物品識別和數據獲取的效率。一臺整合了條碼識別器的移動計算機具有強大的數據收集、分析和管理能力,可以融合到施工過程中,提高信息管理的效率。條形碼技術在建筑工程領域可以用來管理建筑材料和建筑構件[5],跟蹤和管理建筑設備[6],與 PDA相結合增加整個工程項目供應鏈管理的效率[7]。

? 無線感應器技術(Wireless Sensor)。無線感應器是一種小的感應裝置,用來感應外部的物理信號。而無線感應器網絡是由中心服務器、遠程服務器以及多個感應器組成。在建筑工程領域,Lee和 Kang[8]建立了一個使用無線感應器網絡的大體積混凝土溫度監控系統,用來監控剛澆筑的大體積混凝土。通過對一系列個案的研究,Domdouzis等[9]總結了在施工工地應用無線感應網絡的好處,其中包括增加追蹤和管理建筑材料和設備的能力、保護施工人員遠離危險區域、追蹤施工車輛的行徑路線、以及合理分配勞動力資源等。

2.2 移動計算系統

除了對技術的關注,更多的研究人員關注整個移動計算系統,包括移動計算機、無線網絡以及移動軟件的整合,探索將移動計算系統應用到某個具體的建筑過程當中去,或者將移動計算系統整合到現有的信息系統框架中去。目前被應用到工程項目中移動計算系統包括:

? 施工現場信息收集系統。由于移動計算技術的可移動及無線傳輸的特點,用戶可以使用移動計算機在施工現場收集數據,并通過無線網絡將數據實時傳輸到服務器終端進行數據分析及處理。例如 SHERPA系統[10],它主要應用移動計算機在施工現場收集樁基工程信息,并通過在工地架設的無線局域網將信息傳輸到項目數據庫,使其它用戶可以實時共享數據信息。

? 移動建筑信息管理系統。移動建筑信息管理系統主要被用來在施工現場來管理建筑信息。例如 Kimoto等[11]開發的系統包括四個子系統:驗收檢查子系統、清單索引子系統、定位子系統、以及進度控制子系統。用戶可以通過前端的移動計算機輸入信息,信息通過無線網絡傳輸到后臺的服務器,服務器負責分析數據及輸出結果。

? 施工現場問題解決系統。施工管理人員在施工現場經常會碰到不可預見的施工問題或施工事故,而對于問題的解決效率和準確性將直接影響到工程項目的實施。而施工現場問題解決系統通過無線計算技術,使施工管理人員可以在施工現場和其他地方的設計人員或專家直接交流,來解決施工現場問題[12]。

? 施工驗收檢查系統。由于移動電腦的靈活性,施工驗收檢查被認為是移動計算技術潛在的應用領域。Sunkpho等[13]提出,為了給施工檢查人員檢查工程項目的時候提供有用的和實際性的計算機支持,施工驗收檢查系統必須了解施工驗收的實際背景,系統功能必須符合每一項施工驗收項目的要求。施工驗收檢查系統的設計必須要滿足用戶的實際需求。

? 施工活動移動支持系統。COSMOS[14]系統整合了多種無線網絡和移動應用軟件,來為施工活動提供支持。此系統在施工工地為用戶提供無線局域網支持,而在施工工地與企業總部之間的信息交流則由衛星通信負責傳輸數據。通過此系統,施工管理人員和技術人員可以在施工現場的任何地方通過移動計算機接入總部服務器,進行信息更新、信息搜索以及信息瀏覽等。

3 移動計算在建筑工程領域應用的潛力、優勢和所面臨的挑戰

雖然移動計算技術具有改進施工現場信息管理效率的優勢,但是移動計算在建筑工程領域的應用潛力并沒有被充分發掘,還沒有被建筑企業廣泛接受。因此研究人員必須清晰辨別和歸納出哪些建筑工程領域適合移動計算技術的應用,以及怎樣應用這些技術。

3.1 移動計算在建筑工程領域的應用范圍

通過對比同一施工任務使用和不使用移動計算技術的差別,Saidi等[15]辨別出了哪些任務適合應用移動計算技術來管理信息以及哪些任務不適合。總體來說,適合應用移動計算技術的建筑信息管理任務包括獲取和閱讀文字信息(建筑規范、施工方法、質量要求等),查看小尺寸的設計詳圖(鋼結構中的部件鏈接圖等),輸入簡單的數據(回答“是/否”的問題、只需要打勾的核對表等),輸入表格數據(填寫施工安全表格、設備使用表格、建筑材料消耗表格等),通過無線網絡傳遞簡單信息等。而不適合應用移動計算技術的領域包括:查看整個 CAD圖紙,查看包含復雜數據的文檔,需要手工輸入大量數據的任務,以及某些危險或復雜施工環境等。

由于整個施工過程非常復雜,而可以使用的移動計算技術又非常多,因此有必要對于一個具體的施工過程指明具體的可以應用的移動計算技術。ARUP研究小組[16]從施工現場信息交流、施工現場數據收集和身份識別三個方面,指出了哪些移動計算技術適用于哪些具體的施工過程。例如,對于設計人員與施工技術人員的信息交流可以應用的移動計算機技術包括 PDA、智能電話、無線廣域網等。對于施工現場的設備管理可以使用 PDA、條形碼技術、GPS定位技術、平板電腦和無線網絡等。

3.2 移動計算在建筑工程領域的應用優勢

移動計算技術如果要被廣泛的應用到施工工地建筑信息管理當中去,首先要確保投資報酬率(ROI)要超過使用移動計算技術所需軟件、硬件和網絡的投資總和。Olofsson和 Emborg[17]通過對三個建筑施工任務(設備安裝和維護、道路工程和混凝土運輸)的調研,分析了每一項任務使用移動計算技術的投資報酬率。他們得出的結論是:通過使用移動計算技術,降低了工程項目的施工時間,能夠使相關人員在工地更有效率的使用工程項目信息,增強了施工工作的質量,因此在施工任務中使用移動計算技術的投資報酬率將要大于所有硬件、軟件和網絡的花費。具體來說,到底移動計算技術應用到施工工地信息管理中能帶來什么好處,通過多個個案研究,Bowden等[18]歸納出的移動計算技術的應用優勢包括:增強信息管理效率,增強信息管理精確度,降低建筑時間與建筑成本,降低施工錯誤率,降低事故率,改進工地施工安全性,降低施工浪費,以及增強項目管理人員的判斷和決策能力。

3.3 移動計算在建筑工程領域的應用所面臨的挑戰

盡管移動計算在建筑工程領域的應用領域和優勢已經被許多研究人員討論過,但是移動計算技術要被建筑工程領域廣泛接受,還要更進一步研究這種技術應用到建筑工程領域的困難是什么,以及所面臨的挑戰又是什么。總體來說,在施工現場應用移動計算技術面臨的困難包括下面兩個方面[19]:

? 移動計算機自身的局限性。例如:PDA或手持電腦由于屏幕尺寸有限,在顯示設計圖紙的時候造成用戶很難找到自己所需要的設計信息或設計細節。另外由于施工現場通常是在露天環境中,在太陽光照射下,移動計算機是否有足夠的亮度能夠顯示屏幕上的信息。一般移動計算機處理器的運算功能都非常有限,很難支持高強度的運算要求。最后,由于用戶是在移動中使用計算機,這就造成了用戶輸入數據的困難,在選擇輸入方法的時候不能夠使用普通鍵盤,需要使用一些特殊的輸入設備,例如觸摸屏、語音識別技術等。

? 建筑工程項目自身的特點。由于建筑工程領域所獨有的一些特點,造成了應用移動計算技術的一些困難。例如,施工工地的環境惡劣(露天、灰塵、易受天氣影響、移動計算機容易墜落等),非常不適合電子設備在施工現場工作,這就需要移動計算機具有一定的抵抗惡劣環境的防護功能。另外,施工人員的安全性也必須得到保障,這就要求在工地使用移動計算技術的時候要考慮到用戶的安全性,使用戶能夠非常方便地輸入信息和獲取信息。最后,一個工程項目通常包含有許多建筑單位、私人公司以及各種相關人員等,這就必須考慮在使用移動計算技術的時候,將每個用戶的移動終端整合起來,融合到現有的工程項目信息管理系統中去,使所有用戶能夠協同工作在一個信息平臺中。

總體來說,使用移動計算技術的目的是:通過使用移動計算技術使在建筑工地的用戶可以得到信息技術的支持,可以遠距離的獲得所需要的工程項目信息。而要達到這個目標,目前所面臨的挑戰包括[20]:

? 復雜的移動應用軟件的開發。由于移動硬件的多樣性、無線網絡的多樣性以及網絡協議的多樣性,開發移動應用軟件必須要考慮兼容性、數據傳輸標準、信息安全和通用性等因素。這就造成了移動應用軟件開發的復雜性。

? 辨別用戶需求。應用移動計算技術的主要目的是要幫助用戶在工地管理信息,移動計算系統的設計首先要了解施工現場信息管理的背景,以及用戶的實際需求。

? 與現有系統的整合。移動計算技術不應該被孤立的應用到施工過程當中去,而是應該整合到現有的建筑信息管理系統中,使信息可以流動到施工現場,達到信息共享的目的。

? 建筑信息內容的適應性。由于大部分移動計算機的屏幕尺寸有限,在顯示設計圖紙或大量文字的時候會造成用戶查看信息的困難。因此在設計移動應用軟件的時候,要考慮到移動計算機的特點,使建筑信息根據需要自動調整顯示的內容,以適應不同尺寸的計算機屏幕。

? 無線網絡的選擇。目前能夠使用的無線網絡種類繁多,包括無線局域網(WiFi、IEEE802.11等),無線廣域網(3G、GPRS等)。這就要求在開發移動軟件的時候,要考慮網絡的覆蓋范圍、網絡帶寬、網絡租費、網絡安全等因素,根據需要選擇相應的無線網絡。

4 移動計算在建筑工程領域的應用研究趨勢

移動計算技術是近幾年剛剛發展起來新的信息技術,它本身還處于發展階段,離技術成熟階段還有很大的距離,因此移動計算技術在建筑領域大規模的應用,還有很長的路要走。通過對目前這一領域研究狀況的分析,可以看出這一領域以后的研究趨勢包括下面幾個方向:

? 無線網絡的異構。在移動計算的概念中,無線網絡(Wireless Network)起到了支持數據傳輸的關鍵作用。然而無線網絡種類繁多(例如無線個人網 WPAN、無線局域網 WLAN、以及無線廣域網WWAN等),標準各異 (IEEE802.11、IEEE802.16、GPRS、UTMS、EDGE、HSUPA等 ),每一種網絡的數據傳輸速率有高有低,網絡的覆蓋范圍從幾十平方米(無線局域網 WLAN)到一個城市甚至一個國家(無線廣域網 WWAN)。另外由于施工工地的地理位置不同(市區、城郊、郊區等),施工項目的多樣性(民用、工廠、道路交通等),施工建筑的多樣性(高層、地下等),就造成了為一個移動信息管理系統選擇一種或幾種無線網絡的困難。并且由于各種無線網絡覆蓋范圍的不同,造成了移動計算機只能在一種無線網絡的有限范圍內獲得信息系統的支持,而在不同網絡之間的轉換,就會產生信息流動的斷裂。通過對計算機科學領域無線網絡技術發展的跟蹤和研究,發現屬于第四代移動通信系統(4G)概念中的異構無線網絡(HeterogeneousWireless Network)可以將各種無線網絡整合起來,在不同的無線平臺和跨越不同頻帶的網絡中提供無線數據服務。這就使建筑人員在一個或多個施工現場,在不同的地理環境中,在不同種類的無線網絡覆蓋范圍之間,獲得無縫信息流動的服務成為可能。

? 建筑業務流程再造。在建筑領域使用計算機技術并不是孤立的離散的,它需要被整合到不同的建筑業務流程當中去,對建筑領域的信息管理模式提出了一個更高的要求。這就需要改變舊的業務流程,將移動計算技術融入到新的流程當中去,提高整個流程的信息管理自動化程度,提高信息管理的效率,降低信息管理的出錯率。

? 整合設計和施工。設計和施工是建筑工程項目全生命周期中的兩個重要環節,設計階段不僅需要業主需求的輸入,更需要項目施工情況的反饋,這就提出了在項目實施過程中整合設計和施工的要求。整合設計和施工的核心需要施工現場和設計單位之間迅速快捷的信息交流。然而,到目前為止建筑行業卻還沒有找到合適的方法來解決施工現場和設計單位之間的信息交流問題。在施工現場,施工人員接收和傳遞的工程項目信息大部分都是以紙張為基礎的文件,這種以紙張為基礎的信息傳遞極大的限制了施工工地與設計單位之間信息交換的效率,從而易造成建筑人員對施工現場突發事件反應的延遲以及做出正確決定的困難。移動計算技術的出現,為建筑行業解決設計單位和施工單位之間的信息交流問題,整合設計和施工,提供了很好的解決辦法。隨著施工人員使用移動計算機,無線網絡覆蓋整個施工現場,各種移動應用軟件的大規模應用,施工人員能夠根據自己的需要,在施工工地的任何地方任何時間獲取或傳遞項目設計信息,也使施工人員能夠隨時與設計人員進行溝通,來解決施工當中遇到的實際問題。這樣,在解決了施工現場和設計單位之間信息交流的障礙以后,就能夠使設計單位與施工單位緊密聯系起來協同工作、共同決策,將設計和施工整合起來。

5 結論

移動計算由移動計算機,無線網絡和移動應用軟件三個重要部分組成。目前在建筑工程領域對于移動計算技術的研究包括移動 IP電話、可穿戴計算機、條形碼技術、無線感應器技術等。將移動計算機、無線網絡以及移動軟件整合起來,可以解決工程項目具體問題的移動計算機系統有施工現場信息收集系統、移動建筑信息管理系統、施工現場問題解決系統、施工驗收檢查系統、施工活動移動支持系統等。使用移動計算技術管理施工現場建筑信息,可以增強信息管理效率,增強信息管理精確度,降低建筑時間與建筑成本,降低施工錯誤率,降低事故率,改進工地施工安全性,降低施工浪費,以及增強項目管理人員的判斷和決策能力。目前移動計算技術本身還處于發展階段,離技術成熟階段還有很大的距離,將移動計算技術應用到建筑工程領域還需要解決的問題以及以后的研究方向包括無線網絡的異構、建筑流程再造和整合設計和施工等。

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