基于多系統協同管理的可視化智慧航道工地

曹福 劉華 孫濤 伊青

摘 要：通過對目前智慧工地現狀的深入研究，結合航道建設工地實際存在的問題，分析信息交互不暢等問題產生的原因，針對各子系統的信息采集網分布、數據儲存及計算、綜合平臺管控的問題，基于信息協同管理理論關聯各系統，通過BIM可視化技術展示工地上各模塊功能。并結合武安I標工程進行系統分析和實踐，將VR安全體驗系統、交互式宣傳交底系統、視頻監控系統、BIM系統等集成于管控中心平臺，從而實現對航道建設工地進行準確、實時的決策。

關鍵詞：智慧工地;BIM技術;信息協同管理;可視化

中圖分類號：U61 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0066-04

隨著信息化和工業化的推動，建筑行業進入升級改革階段。自20世紀90年代以來，工地信息化的發展經歷了3個階段。2005年以前，主要是面向單業務軟件應用的階段，2006年至2012年左右，建筑行業積極推進企業信息化建設，此階段的信息化應用由企業管理者自上而下推廣實施，實現企業和項目、部門和部門間的信息集成管理。但是長期以來施工現場仍一直面臨生產效率低下、生產方式落后、機械化水平低等問題，隨著現代建筑日益增加的復雜度和體量，工地變得參與方多，專業交叉、業務繁多，其產生的信息量變大，各參與方之間與各部門之間的信息交互越加頻繁。在信息化的推動下，工地廣泛采用基于智慧工地建設的信息化技術管理現場工作，數據采集變得更加多樣化，信息內容更為豐富。然而若在工程管理過程中無法將智慧建設相關技術獲取的海量數據和信息進行協同管理，那么數據信息只會成為管理者的負擔，并沒有對工程實際產生效益。

國外工程項目與國內的管理模式不同，但國外對工程項目建設階段的數字化、信息化建設比國內要早很多。早在1975年，美國的Chunk Eastman[1]教授提出BIM概念，BIM技術經過多國多年的深化發展，為管理提供了新的方法。同時PeterE.D.Love和ZahirIrani[2]為了確定建設項目的質量成本，開發了一個原型項目管理質量本系統，系統在兩個案例研究建設項目中進行了測試和實施，效果顯著。

國內綜合建設過程中信息化工具的應用提出了“智慧工地建設”概念，各企業、高校、學者亦加快科研，布局智慧工地研究。陳濟宇等[3]研究了基于物聯網的信息系統集成技術在建筑工地安全監督管理中的應用，對溫州市建筑工地安全督察管理進行了分析調查，確定了工程需求，設計了物聯網環境下，如何更好地構建智慧工地。

綜上所述，國外在“智慧工地”的研究中，大部分集中在某方面系統的開發與應用。缺少對多方參與和多種系統間的數據信息交互、共享的機制與管理模式的研究。國內主要研究集中于基于BIM的信息協同，但要實現信息協同，需要建模精度高的BIM模型，對智慧工地建設也大多停留在總承包方的視角，少有站在整體項目管理高度對需求分析、管理機制個性化定制等方面的研究。因此，文章擬運用智慧工地系統建設和完善航道及港口，從而完成新時代船舶與港口的數字化、智能化、綠色化的發展。

1 理論研究與分析

1.1智慧工地相關理論

“智慧工地”是建設過程中高度信息化的一種支持人和物全面感知、施工技術全面智能、工作互通互聯、信息協同共享、決策科學分析、風險智慧可控的新型信息化管理理念，是智慧城市理念在建筑施工行業的具體體現[4] 。“智慧工地”緊繞人、機、料、法、環等關鍵要素，綜合運用BIM、物聯網、云計算、大數據、移動和智能設備等信息化技術，提高工程建設生產效率、管理效率和決策能力等，實現項目管理數字化、精細化、智慧化。

智慧工地具有以下四個特征：

（1）聚焦建設過程生產活動，融合信息化技術，實現生產過程信息化。

（2）數據實時獲取與共享，信息協同高效。

（3）基于數據采集與分析，提高風險預測能力，輔助科學決策。

（4）平臺、軟件、硬件綜合運用，滿足現場管理多端需求與環境。

基于“智慧工地”的概念和特征，“智慧工地”即綜合利用大數據技術、智能化技術、云計算、移動互聯網、物聯網的新型信息化技術[5]。工程項目管理過程常分為事前策劃、過程控制和事后決策分析三方面。在事前策劃方面，以BIM技術為主導，對設計、建造等方案進行模擬、分析，以達到優化設計與方案、節約工期、減少浪費、降低造價。在過程控制方面，通過傳感器、射頻識別（RFID）、二維碼、植入芯片等物聯網技術和移動App，實現實時采集數據、實時獲取信息和現場全面感知[6]。同時通過移動互聯網或云平臺實現數據信息安全傳送、實時交互與共享。在決策分析面，通過數據集成和大數據分析技術，進行數據信息關聯性分析，實現智慧預測、實時預警反饋或自動控制。

1.2信息協同管理理論

在20世紀60年代，德國理論物理學家赫爾曼·哈肯提出了協同論，理論主要研究系統內各子系統矛盾且協同但又共同促使系統整體具備有序狀態所呈現出的特點、規律的科學。

協同管理是以協同論為理論基礎圍繞管理對象進行的一系列管理行為，本研究根據航道建設工地的特點進行系統協同設計：

（1）信息網狀：根據工地系統分類，劃分信息種類的優先級，并過濾出有效信息，然后建立獨立的服務器進行數據儲存，傳輸到綜合管理平臺進行決策。

（2）業務關聯和隨需而應：根據綜合平臺的決策需求，按功能分配給各系統進行響應，各系統之間根據采集信息進行數據處理并打包傳送到綜合平臺，綜合平臺的工作人員可根據傳輸到平臺的數據進行工程決策和統計分析。

綜上理論基礎，文章研究多系統協同管理的可視化智慧航道工地根據工地特性需求，并基于安全、環保和高效的準則，確定工地中各個模塊與各個系統的優先級，然后通過可視化技術的方式呈現給相關人員，達到確保工程安全、環境低影響和工程高效率推進的目的。

2 BIM技術在武安I標工程中的應用案例

2.1武安I標工程概況

武安項目部結合目前國內智慧城市、智慧工廠、智慧工地等理念的推廣運用，為提高武安Ⅰ標段項目管理水平，通過將VR安全體驗系統、交互式宣傳交底系統、視頻監控系統、BIM系統等集成于管控中心平臺。該平臺可讓項目管理人員對施工現場感知更徹底、互通更及時、預防更有效，實現對施工現場質量、進度、安全等更高效精準的管理，提升項目部對工地的可視化、遠程智能化、數據采集自動化管理水平，達到對各關鍵要素實時、精細的管控，如圖1所示為該工程系統設計規劃圖。

隨著智慧工地建設在航道整治工程中運用的深入，最終實現參建各方通過智慧工地平臺對施工現場質量、進度、安全環保等方面差異化分層級管控，提高航道整治施工管控效率及智能化水平。

2.2智慧工地系統架構

根據智慧工地的基礎系統架構，本工程在結合航道建設的基礎上，融入新興關鍵技術和信息協同管理理論，對本項目進行完整的系統架構，如圖2所示。

2.3智慧工地管控中心

針對本工程的系統架構，建設智慧工地管控中心進行集中化管控各個系統模塊的動態信息，如圖3所示。

交互區采用unity3D游戲開發軟件技術，開發人機交互可視化形象表達和交底軟件，在LED屏上實時渲染產生需要的工程演示動畫，功能集成豐富、交互性強、靈活易改動、可定制化程度高。

交互區主要用于企業宣傳、武安段項目介紹、工程介紹、施工技術交底、安全交底及工程展示等，同時運用BIM技術，融合項目管理理念，實現基于數據信息模型的項目施工管控，通過項目看板將平臺信息數據以實時可視化的方式展示出來，如圖4所示。

2.4 BIM技術實施方案

（1）施工日常數據管理。施工數據管理主要分為數據采集、審核流轉、模型關聯、進度日報四部分。施工現場作業人員通過手機端對當日施工活動進行實時填報，經負責人審核后數據會自動同步至管控平臺中，并與BIM模型對應構件進行關聯，其施工日常數據管理如圖5所示。

（2）人員管理。BIM管控平臺提供人員管理模塊，通過居民身份證掃描儀設備對施工現場作業人員進行身份證信息及圖像的采集，建立相關人員的數據庫，從而對施工現場勞務作業人員實行身份實名制管理。此外，平臺將實名制系統與安全教育培訓系統數據庫相關聯，入庫人員只需要通過身份證號碼登錄安全教育培訓系統進行安規知識學習并參加考試，最后將試卷、考試成績以及電子簽名打印作為三級安全教育表附件，使員工安規學習考試過程實現可追溯、可核查。

（3）綜合管理。現場船舶設備進退場管理采用報審流程對船舶使用狀態進行實時維護更新。施工單位負責人只需通過手機端填報船舶設備進退場報審流程表單，提交至監理負責人，當整個報審過程形成流程閉環后，BIM管控平臺則會根據船舶進退場狀態更新、統計施工現場主要船舶設備投入數量情況，并關聯至項目看板方便項目管理人員實時了解現場設備的使用情況。

（4）三維交底。三維交底以BIM模型為基礎，以可視化方式進行施工技術和安全交底，三維出圖的形式可以形象逼真地展現方案和關鍵節點的動態施工過程，顯著提高施工交底的效率。采用三維可視化模型進行交底，可以讓施工人員更容易理解施工節點工藝方法，有利于確保工程質量[7]。通過BIM技術應用，讓現場由二維圖紙平面管理升級成三維多角度可視化模擬管理，同時對復雜節點進行了可視化多角度交底，讓方案交底具有更強的針對性、全面性和可操作性。

（5）工程計量。模塊自動將臺賬與模型關聯起來，可以給模型每個部位添加工程量、施工日期、質檢資料照片、實物完成照片等信息，計量時只需將完工部位進行標記即可導出當期工程量，且可以直觀的看出某施工部位的資料是否完善、質量是否達標等，方便根據業主允許的計量條件更改計量報表。

（6）質量管控。平臺提供預制構件二維碼功能模塊，借助二維碼信息管理技術，每個預制構件在加工排產后在平臺會自動生成專屬二維碼標識，并建立相關信息，在預制構件表面粘貼二維碼標簽，與模型相應構件鏈接進行動態管理。現場人員在移動終端設備上掃描二維碼顯示預制構件出場相關信息包括尺寸大小、生產時間、采用工藝等，如圖7所示。

（7）進度管控。在施工管控平臺中搭建BIM模型并導入施工組織進度計劃，將模型和施工組織計劃相關聯，虛擬推演實際施工過程，利用建筑信息模型和施工工序時間數據源在平臺上實現虛擬建造全過程模擬，從而對整個施工進度目標中各時間節點的合理性進行驗證和分析;平臺進度管控系統為用戶提供實時的過程交互功能，通過動態調整檢查方案可行性及可能存在的問題，優化調整進度計劃;現場施工人員填報當日生產數據會實時同步更新至BIM模型中，并與施工進度計劃關聯，在每周生產例會和監理例會上展示周進度模型，以體現當周完成的工作量和下周的計劃進度，實現定期跟蹤進度計劃的執行情況，同時提供進度偏差分析功能，使項目管理組織人員能及時采取糾偏措施以及調整進度計劃，其施工進度管控平臺如圖8所示。

3 結論

文章結合武安智慧工地項目實踐經驗，對智慧工地建設中可視化系統管理進行探討，得到以下主要結論：

（1）運用的BIM技術，技術人員可以通過鍵盤與鼠標在模型場景中自由地控制，并了解該對象的相關屬性與信息，便于進行工程決策和管理。

（2）通過具體的案例分析，信息網狀分類和業務關聯是一個系統的關鍵，因此信息協同管理對于大型工程系統的建設是有積極意義的，使工程更加智能化，針對性地解決更多個性化的需求。

（3）基于信息協同管理理論并引入新興技術，保障了數據的廣泛性、高效性和安全性，提高了人機交互性和工程決策的準確性和實時性。

參考文獻：

[1]Rafael Sacks，Chuck Eastman，Kathleen Liston，etal.BIM Handbook： A Guide to Building Information Modeling for Owners， Designers， Engineers， Contractors and Facility Managers[M]. John Wiley&Sons，Inc：Canada，2011.

[2]Peter E.D.Love，ZahirIrani.A project management quality cost information system for the construction industry[J]. Information&Management，2003，40（7）：649-661.

[3]陳濟宇，王如心. 基于物聯網的信息系統集成技術在建筑工地安全監督管理中的應用[J] . 智能建筑，2013，09：67-70.

[4]曾立民. 打通信息化落地最后一公里，智慧工地的建設及應用價值[J]. 中國勘察設計，2017，8：32-36.

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

[6]胡濤，李彤.大數據在智能交通中的應用[J]. 中國水運，2019（12）：64-65.

[7]周丹，張寶晨，文捷，等. 船舶智能決策關鍵技術實現方案研究[J]. 中國水運，2019（10）：47-48.