基于現代信息技術的智慧工地系統構建及應用

單衛明

【摘要】??? 為解決建筑工地安全隱患眾多、各項管理松散薄弱等問題，本文根據建筑業發展實踐以及相關政策規定，利用互聯網、移動通信、大數據、物聯網等現代信息技術手段，構建了以基于IFC的BIM為基礎數據模型、融各種監測與管理功能于一體的智慧工地系統，剖析了其構建邏輯與基本架構，并對系統各項功能及其應用進行了詳細分析，以期對建筑業智能化發展提供指導思路，對建筑工地的信息化實踐與升級提供一定的參考借鑒。

【關鍵詞】??? 智慧工地??? 移動通信??? 信息化??? 工地管理

一、引言

建筑業的不安全因素眾多，工程施工區域分散，工地危險區域繁多且現場情況復雜多變，工程施工操作規范性差，各類污染嚴重，工地管理較為松散薄弱，對安全隱患的警惕性不高，各類安全事故時有發生，是相關部門緊抓安全生產重點關注的五大行業之一[1][2]。2016年8月23日，住房和城鄉建設部印發《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》，提出了企業信息化、行業監管與服務信息化、專項信息技術應用及信息化標準四大主要任務，同時要求在“十三五”期間全面提升建筑業信息化水平，使其數字化、網絡化以及智能化水平取得突破性進展[3]。利用現代信息技術加強工地管理、防范危險事故的發生既是建筑業安全規范發展的迫切需求，也是適應信息化時代發展和國家政策要求的必然趨勢，因此，本文將建筑工地工程實踐與各類信息技術充分融合，試圖構建基于現代信息技術的智慧工地系統并分析了其在建筑工地上的應用。

二、 智慧工地系統概述

智慧工地是指以互聯網為基礎的信息化管理平臺，它利用各類信息技術手段，實現工地各項工程事項、工地管理等方面的智能決策、信息共享、智能生產、現場與設備的安全監控、多方互聯協同等功能[4][5]。智慧工地系統廣泛利用BIM、大數據、智能化、移動通信、云計算、物聯網等現代信息技術，將人員管理、工程進度管理、現場監控與巡查、施工設備監管、環境監控、應急管理、后勤保障管理等一系列管理活動融于一體，實現各項管理活動的集成，以最大限度提升建筑工地各類管理工作的有序性和條理性、監測各項危險指標并及時預警、降低安全事故發生的可能性。

三、模型與方法

本文利用基于IFC數據標準的BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型），構建智慧工地信息系統的基礎數據模型。

3.1 基于IFC的BIM

IFC（industry foundation classes，工業基礎類）數據標準是IAI（國際協作聯盟）專門針對建筑業制定的面向對象的、開放的BIM數據標準。IFC是ISO（國際標準化組織）制定的STEP（產品模型數據交互規范）在建筑業領域的延伸，定義了各類與建筑工程相關的數據元素的標準，構建了建筑業全生命周期的信息管理模式，提升各類建筑數據交換和共享的可操作性、便利性和高效性，使建筑業數據交換模式由傳統的建筑業各參與方雜亂的交換模式轉變為基于IFC建筑模型共享的交換模式。

BIM是基于三維數字技術，對建筑施工過程中的各類相關信息進行集成而生成的建筑信息模型。基于IFC的BIM將IFC的建筑產品數據表達與交換共享標準融入傳統的建筑信息模型中，實現工程設計、建造、施工、管理等全流程的數字化，提升建筑業各參與方的協調性、統一性與協同化水平。

3.2 數據交換方式

基于IFC的數據交換方式一般包括兩種。

（1）基于數據訪問接口的數據交換

當數據以EXPRESS語言來建模和描述時，基于SDAI（標準數據訪問接口，在STEP標準中定義）的應用系統就能夠訪問和共享不同物理存儲下的數據，同時獨立于具體的數據存儲[6]。

圖1???? 基于數據訪問接口的數據交換模型[6]

（2）基于數據文件的數據交換

圖2??? 基于數據文件的數據交換模型[6]

圖3??? 基于IFC的BIM構建與調整流程圖[7]

用于能夠識別IFC模型數據文件的系統之間的數據交換。IFC模型數據文件包括在“IFC實現”方式中符合IFC標準的STEP中性物理文件（ISO 10303.21文件）和“ifCXML實現”方式中XML格式的模型文件兩種[6]。

3.3 基于IFC的BIM構建原理

BIM數據庫在應用過程中動態變化，其各類元素和屬性不斷更新和豐富，結合智慧工地系統各類數據特征及系統的功能與應用需求，需在工程項目設計、建設、施工、運營等階段不斷調整BIM，使其適應不同生命周期的信息需求，智慧工地系統BIM構建與調整的原理和過程如圖3所示。

四、系統構建邏輯與基本架構

從系統實際應用的角度出發，構建基于現代信息技術的智慧工地系統需考慮兩個維度的內容：一是系統的功能模塊，二是系統的實現方式。

從系統功能模塊的角度來看，基于現代信息技術的智慧工地系統需實現人員管理、危險因素監測、工程進度與質量管理、現場巡檢、重點區域進出管理、應急管理以及人員培訓等相應的輔助功能。根據各部分功能瞄準解決的重點任務不同，本文將這一智慧工地系統劃分為三個子系統：現場管理系統、專項監測系統、綜合支撐系統，并在此基礎上構建相應的細分功能模塊，其功能架構如圖4所示。

圖4??? 基于現代信息技術的智慧工地系統功能架構圖

圖5??? 基于現代信息技術的智慧工地系統技術架構圖

從系統實現方式的角度來看，構建智慧工地系統必須具備前端采集系統、中層傳輸系統和終端呈現系統三個子系統。根據系統功能需求，前端采集系統需包括球機攝像頭、槍機攝像頭、手機APP、溫度傳感器、濕度傳感器、顆粒物傳感器、氣壓傳感器、噪聲傳感器、風速傳感器、風向傳感器、重力傳感器、人臉識別裝置、車牌識別裝置等;中層傳輸可通過有線和無線兩種方式實現;終端呈現方式包括系統PC端和移動端兩種。

根據系統構建邏輯以及功能需求，可將基于現代信息技術的智慧工地系統技術架構抽象成四個層次的結構，即采集層、傳輸層、應用層和呈現層，如圖5所示。

五、系統功能及其應用

5.1 現場管理系統

智慧工地系統最主要的是對建筑工地現場的管理，其功能和應用場景主要包括以下幾個方面：

（1）現場監控

通過在各工地重要部位安裝攝像頭，可將施工現場的情況實時傳送到系統中，并在手機APP和系統PC端查看現場實時情況，對于球機攝像頭，還可利用方向控制器調整方向，查看施工現場不同方向的監控視頻。

通過現場監控，可遠程實時監控施工現場情況，從而能夠控制重大危險源、及時發現問題并進行整改，還可回訪歷史錄像，追溯還原施工情況以分析問題緣由。

（2）環境監測

通過在施工現場安裝各類傳感器和檢測設備，可實時監測工地的噪聲、揚塵、溫度、濕度、PM2.5、PM10等數據并進行統計分析。

根據監測數據，可判斷分析現場施工環境，實時調整施工工序，減少污染，降低投訴次數，優化施工環境。

（3）現場巡檢

當需要檢查某一項目工地時，直接通過系統手機端或PC端委派任務，寫明要求、事由、委派人等;巡檢人員在檢查過程中發現問題時，可通過手機端提交現場巡查情況，知會相關責任人來整改。同時，還可跟蹤巡檢記錄并對一定時期內的巡檢情況進行統計和分析。

通過現場巡檢，把安全巡檢工作信息化，避免出現紙質化操作中存在的時效性差、遺漏、文檔丟失等問題。

（4）智能門禁

在工地作業區域、危險區域等重點區域設置人臉識別設備、車輛識別一體機等，對進場人員、項目部工程車輛、員工車輛及外來車輛等進行監控和分類管理。

（5）質量監管

根據施工項目的不同項目部位進行質量檢查，并生成質量檢測報告，依據合格情況及檢測詳情，對施工不合格之處進行整改，保障工程質量。同時，對工程項目每個月的錯誤、返工等情況進行統計和分析，為質量管理提供參考依據。

（6）工程進度管理

通過項目計劃列表查看工程項目計劃詳細情況，通過調用現場視頻監控錄像，定期查看工程重要節點的實際完成進度。

5.2 專項監測系統

專項監測系統主要針對施工現場重要部位進行監控和管理，其功能和應用主要包括以下幾個方面：

（1）塔吊安全監測

在大臂前端安裝高清夜用攝像頭實現吊鉤可視化，自動追蹤吊鉤的運行軌跡、球機可自動變焦保障畫面的清晰度。工作人員根據司機室中吊鉤運行畫面進行操作，避免盲區作業。同時，工地管理人員可遠程查看視頻圖像進行現場監控、指揮和管理。

（2）升降機安全監控

本模塊由升降機主控、編碼器、質量與傾角傳感器、攝像頭組成，通過前端設備采集的數據，可實現司機身份識別、超載和超員報警、樓層和速度等重要參數檢測、遠程鎖車等功能。

（3）高支模監測

本模塊由前端采集器、智能采集儀和監控軟件組成，通過前端傳感器對模板沉降、支架變形和立桿軸力等進行實時監測，實現超限預警、危險報警等功能。

（4）深基坑監測

深基坑監測選取液位、沉降等指標，監測深基坑的水位狀態;選取監測基坑頂部的水平位移、豎向位移及基坑深層的水平位移，監測基坑狀態。

5.3 綜合支撐系統

綜合支撐系統是為工人以及工地管理人員提供輔助服務的系統，包括人員考勤、人員信息管理、培訓教育、應急管理、工程重要節點施工審批、安全專項資料共享、視頻會議等功能模塊。

六、結語

本文基于建筑工地現狀與信息化發展需求，構建了基于現代信息技術的智慧工地系統，并詳細分析了其具體功能和應用，目前該系統部分功能已推廣應用，未來將在專項監測方面進行深入細化，并開發更多能夠切實幫助工人、工地管理員以及其他相關人員的輔助應用功能，完善智慧工地系統，推動建筑業數字化、網絡化、智能化發展，為我國建筑業信息化發展和建筑工地管理實踐提供參考借鑒。

參? 考? 文? 獻

[1] 竇安華，劉著國，王帥.智慧工地用智慧建造未來[J].安徽建筑， 2017（05）：92-96.

[2] 宋丙坤，譚春波.基于異構數據融合的智慧工地移動化解決方案[J].信息通信， 2018（3）：83-85.

[3] 搜狐網.《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》全文[EB/0L].（2017-12-15） [2019--6-16].http：//www.sohu.com/a/210762310_188910.

[4] 張艷超.智慧工地建設需求和信息化集成應用探討[J].智能建筑與智慧城市， 2018， 258（05）：84-86.

[5] 曾凝霜，劉琰，徐波.基于BIM的智慧工地管理體系框架研究[J].施工技術， 2015， 10（44）：96-100.

[6] 秦領.基于BIM的建筑設計與結構分析集成方法研究[D].上海：上海交通大學， 2010.

[7] Hesam， H.， Ehsan， R.A.， Brenda， M. IFC-Based Development of As-Built and As-Is BIMs Using Construction and Facility Inspection Data： Site-to-BIM Data Transfer Automation[J]. Journal of Computing in Civil Engineering， 32（2）.