公路工程智慧工地綜合信息管理平臺建設(shè)研究

孫明剛，陳 彬，孫運慧，唐銘東，伍廣亮，劉士寬，趙世元

(1.龍建路橋股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090；2.黑龍江省北龍交通工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150076；3.中交宇科(北京)空間信息技術(shù)有限公司，北京 100094)

1 建設(shè)必要性

在全面深化改革的新征程中，工程建造業(yè)也面臨著全球化、信息化的雙重挑戰(zhàn)。眾所周知，傳統(tǒng)工程建造行業(yè)屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，粗放式的管理使工地的勞動力、材料、機械設(shè)備的利用都存在著嚴重的浪費。“智慧工地”是智慧城市理念在建筑施工行業(yè)的具體體現(xiàn)，作為一種嶄新的工程全生命周期的管理理念，它基于新信息技術(shù)與建筑施工行業(yè)管理深度融合，著重解決建設(shè)施工領(lǐng)域信息化落地的最后“一公里”問題。簡言之，智慧工地是基于一定信息化基礎(chǔ)之上支持人事物全面感知、施工技術(shù)全面智能、工作互通互聯(lián)、信息協(xié)同共享、決策科學(xué)分析、風(fēng)險智慧預(yù)控的新型信息化手段。

目前公路建設(shè)施工工地管理面臨如下問題：

(1)缺乏共享與多方聯(lián)動，信息孤島依然存在：現(xiàn)有數(shù)據(jù)活躍度和豐富度不足，各施工作業(yè)區(qū)之間的協(xié)同聯(lián)動、資源共享機制亟需完善和加強。

(2)現(xiàn)場施工人、機、料、法、環(huán)管控能力不足：對于施工安全監(jiān)測、預(yù)警能力不足，綜合防控監(jiān)測能力不足，重要人、機、料、法、環(huán)管控體系尚未建立。

(3)新技術(shù)與管理需進一步深度創(chuàng)新融合：工地信息化基本處于單業(yè)務(wù)應(yīng)用階段，軟硬件平臺集成應(yīng)用體系為形成，智慧工地綜合監(jiān)管能力有待提升。

通過智慧工地智能化平臺建設(shè)整合企業(yè)相關(guān)核心資源，實現(xiàn)項目管理的可控化、數(shù)據(jù)化、可視化的全方位的實時監(jiān)控與管理，并根據(jù)實際做出智能響應(yīng)已迫在眉睫。智能化平臺通過人機料法環(huán)等要素管理實現(xiàn)施工過程監(jiān)管與主動防預(yù)，進而提高工地現(xiàn)場生產(chǎn)效率、管理效率和決策能力，實現(xiàn)施工現(xiàn)場-的數(shù)字化、精細化、智慧化管理，提升企業(yè)競爭力。

2 總體設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

基于路橋工地施工信息化業(yè)務(wù)需求，按照“貼合業(yè)務(wù)、符合標準、數(shù)據(jù)互聯(lián)、過程全控”的原則，提出“1+3+N”的建設(shè)思路，即“1個中心，3個支撐平臺、N個應(yīng)用模塊”。其中1個中心即為本工程數(shù)據(jù)存儲的云數(shù)據(jù)中心，3個支撐平臺分別為企業(yè)私有云平臺、大數(shù)據(jù)平臺及施工一張圖支撐平臺，N個應(yīng)用系統(tǒng)圍繞工地施工“人機料法環(huán)”業(yè)務(wù)要素，以項目施工安全、成本、進度等業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)，面向不同用戶角色提供N個應(yīng)用系統(tǒng)與模塊。

基于路橋項目施工管理現(xiàn)狀，針對施工現(xiàn)場勞務(wù)實名制、機械設(shè)備監(jiān)管、物料運輸及遠程監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、橋梁預(yù)制場及拌合站等重點區(qū)域管理的緊迫業(yè)務(wù)需求，充分利用已有系統(tǒng)資源，綜合采用云計算、3S、物聯(lián)網(wǎng)、BIM等先進技術(shù)，進行系統(tǒng)集成，構(gòu)建智慧工地綜合管理云平臺。展示終端采用PC端、大屏、移動APP，“三屏合一”的建設(shè)模式。

從總體技術(shù)架構(gòu)上，主要數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層、展示層、用戶層等。

(1)數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層是信息采集的關(guān)鍵部分，由“天-空-地”一體化數(shù)據(jù)采集體系構(gòu)成，該層的核心技術(shù)包括射頻技術(shù)、新興傳感技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場總線控制技術(shù)(FCS)等，涉及的核心產(chǎn)品包括傳感器、傳感器節(jié)點、無線路由器、無線網(wǎng)關(guān)等。

(2)網(wǎng)絡(luò)層

采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、運營商網(wǎng)絡(luò)與北斗衛(wèi)星基站網(wǎng)絡(luò)三種方式相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場各類監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備采集數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，實現(xiàn)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳送，并根據(jù)通信子網(wǎng)的特性，利用最佳的網(wǎng)絡(luò)資源，為兩個端系統(tǒng)的會話層之間，提供建立、維護和取消傳輸連接的功能，負責(zé)端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

(3)數(shù)據(jù)層

采用企業(yè)私有云服務(wù)方式，用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和GIS空間數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)與關(guān)系數(shù)據(jù)，可以有效地實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和集成。由于空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)都以數(shù)據(jù)表或視圖的形式存貯，可以方便的采用數(shù)據(jù)庫逆向工程的方法自動提取元數(shù)據(jù)，因此，易于實現(xiàn)基于元數(shù)據(jù)信息資源管理。平臺的元數(shù)據(jù)除管理業(yè)務(wù)公用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外，還要管理各個部門業(yè)務(wù)功能可以共享數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成提供服務(wù)。

(4)應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層包含“智慧工地一張圖”平臺、項目私有云平臺及大數(shù)據(jù)平臺三個平臺作為系統(tǒng)支撐。

大數(shù)據(jù)平臺，將分散、異構(gòu)的應(yīng)用和信息資源進行聚合，通過統(tǒng)一的訪問入口，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)資源、非結(jié)構(gòu)化文檔和互聯(lián)網(wǎng)資源、各種應(yīng)用系統(tǒng)跨數(shù)據(jù)庫、跨系統(tǒng)平臺的無縫接入和集成，提供支持信息訪問、傳遞、以及協(xié)作的集成化環(huán)境，實現(xiàn)個性化業(yè)務(wù)應(yīng)用的高效開發(fā)、集成、部署與管理。

“智慧工地一張圖”平臺為應(yīng)用支撐層的核心內(nèi)容，是GIS、BIM、LiDAR、傾斜攝影、施工現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)、項目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等多源信息的集合，全方位立體化展示并能動態(tài)更新及時準確反映項目施工情況，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供詳實數(shù)據(jù)。

項目私有云平臺，主要支撐各個應(yīng)用系統(tǒng)的運行，為數(shù)據(jù)層提供足夠的云存儲空間，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)運行提供高效率的云計算環(huán)境。云存儲和云計算的資源均可按照項目的數(shù)據(jù)量和計算能力進行實時調(diào)整。

(5)應(yīng)用層

以企業(yè)管理層、項目經(jīng)理、現(xiàn)場施工人員等平臺用戶的業(yè)務(wù)需求為依據(jù)，構(gòu)建系統(tǒng)應(yīng)用模塊，主要包括項目全系看板、項目信息管理、人員實名制管理、施工機械監(jiān)控管理、物流運輸管理、視頻監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)控、重點區(qū)域監(jiān)控、質(zhì)量與安全、移動應(yīng)用平臺。N個應(yīng)用模塊，根據(jù)角色劃分權(quán)限，為工地勞務(wù)人員管理、運輸車輛及大型機械管理、物料運輸管理及施工現(xiàn)場遠程監(jiān)控等業(yè)務(wù)提供規(guī)范化、標準化、高效化的管理。

(6)展示層

展示層擔當用戶界面展現(xiàn)與業(yè)務(wù)邏輯之間的橋梁，將用戶交易請求轉(zhuǎn)換成具體的后臺服務(wù)調(diào)用，并將服務(wù)調(diào)用執(zhí)行結(jié)果生成到用戶界面中。為了滿足公司不同職能人員的使用需求，本系統(tǒng)展示層包括展示大屏、PC終端、平板電腦、智能手機、語言廣播等。

(7)用戶層

面向路橋類公司管理層、項目經(jīng)管理人員、施工現(xiàn)場管理人員(工程師、技術(shù)員、工長、生產(chǎn)經(jīng)理)、系統(tǒng)運維人員等不同用戶角色與職責(zé)，劃分為不用用戶權(quán)限并采用不同終端展示方式。

(8)保障體系

法律法規(guī)與標準規(guī)范體系、信息安全與運行保障體系兩大保障體系為“智慧工地”綜合監(jiān)管云平臺建設(shè)提供法律法規(guī)、標準規(guī)范、信息安全及運行提供保障。智慧工地綜合監(jiān)管云平臺的推廣和穩(wěn)定運行，必須借助企業(yè)規(guī)章制度和標準規(guī)范的支持。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲

針對交通建設(shè)項目道路施工及固定場所施工相結(jié)合的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀，主要針對人員、車輛定位，大型機械設(shè)備智能化施工、重要區(qū)域遠程監(jiān)控及勞務(wù)實名制管理等功能設(shè)計平臺網(wǎng)絡(luò)拓撲圖。

3 功能開發(fā)

3.1 智慧工地一張圖平臺

智慧工地一張圖平臺以GIS電子地圖為基礎(chǔ)，通過圖層疊加點云數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、工地施工專題數(shù)據(jù)及遙感數(shù)據(jù)，并結(jié)合環(huán)形圖、柱狀圖、儀表盤圖、線形圖等來展示綜合項目統(tǒng)計信息，用于領(lǐng)導(dǎo)層決策。

3.2 智慧工地項目綜合監(jiān)管平臺

項目監(jiān)管云平臺，是對單個項目施工工地的施工過程智能化、信息化管理，用于施工業(yè)務(wù)監(jiān)管和統(tǒng)計。

3.3 移動APP

移動APP，兼具項目現(xiàn)場監(jiān)管、巡檢、上報和項目信息可視化看板等功能，主要方便用戶移動便攜式辦公和管理。

4 結(jié) 論

(1)公路工程智慧工地建設(shè)的總體架構(gòu)及功能設(shè)計。

(2)能夠提供基于地理信息服務(wù)應(yīng)用的良好基礎(chǔ)，能降低地理信息技術(shù)應(yīng)用門檻和資金門檻、縮短開發(fā)周期，節(jié)約交通地理信息系統(tǒng)建設(shè)開發(fā)成本，避免重復(fù)建設(shè)。

(3)對工程安全、質(zhì)量、進度、成本等加強監(jiān)控，保證工程進度計劃順利完成，避免出現(xiàn)長時間窩工、停工狀態(tài)，減少資源浪費。

隨著交通建設(shè)工程自動化智能化的推進，智慧工地也將隨之升級，以適應(yīng)新的技術(shù)及新的應(yīng)用環(huán)境。智慧工地的推廣，能夠使交通建設(shè)項目更加高效穩(wěn)定，為交通建設(shè)智慧化發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。