長江干線武漢至安慶段6 m水深航道整治工程智慧工地建設研究

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、大數據、物聯網、人工智能、BIM(建筑信息模型)技術等先進信息技術的快速發展[1]，傳統的航道整治工程行業利用這些新技術，實現了三維設計精確設計和施工模擬[2]，圍繞施工過程管理，建立互聯協同、智能生產、科學管理的施工項目信息化生態圈，實現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從傳統行業向現代服務業的轉型升級。在建設智慧管控平臺與理論方面，李霞等[3]分析GIS與物聯網技術引入智慧工地，建立智慧工地綜合監管平臺，為文明施工和文明執法提供依據；吳威等[4]提出建立了設備感知、工地感知、現場管理和遠程監管4個層次的電網基建工程智慧工地總體框架；何洋等[5]將BIM技術運用到航道整治工程項目管理中，實現基于BIM模型的項目管控；黃凱等[1]研究應用基于智慧工地大數據管理平臺的新型管理方法，并以重慶約克北郡商業項目為工程背景，介紹城市大型總體項目智慧工地信息化數據平臺建設。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、物聯網、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，配套建設航標工程、生態建設工程[6-9]。航道建設等級為Ⅰ級，建設標準為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。本工程建設規模較大、點多線長、內容復雜：(1)建設內容多，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，建設環境復雜，管理難度大。

由于本工程建設規模大，建設管理要求高、施工人員相對較少、建設任務重，現場施工管理點多線長面廣，傳統現場管理方式極其困難，需采用信息化手段實現高品質管理。在全生命周期建設與使用過程中，項目通過開展基于BIM模型的智慧工地技術應用，提供工地現場管理信息化解決方案，以實現項目建設目標。

2 智慧工地總體架構

武安段工程智慧工地平臺通過物聯網、大數據、云計算、移動互聯網和BIM等現代化信息技術引入到工程實踐中，給傳統施工操作與管理安裝“智慧大腦”，使傳統施工流程進行優化和再造，從而提高工程管理質量和效率，增加經濟效益，提升管理層次。智慧工地平臺的總體架構由展示層、應用層、數據資源層、基礎環境層四個層級，以及信息化標準規范和信息化安全保障兩個保障體系構成。智慧工地總體架構圖詳見圖1。

圖1 智慧工地總體架構圖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。

應用層：是整個系統架構的基礎，主要由武安段工程智慧工地管控平臺BIM系統應用等構成。其中武安段智慧工地管控平臺包括遠程視頻監控、車船監控與調度指揮、用電安全、環境監測、水位水情、項目信息等；基于BIM模型的項目管控系統主要包括項目質量、安全、進度、投資管理；水位上報系統主要包括：水位站管理、上報人員管理、水位上報及水位信息展示功能。

數據資源層：由結構化數據和非結構化數據以及數據接口三部分構成。其中結構化數據包括：項目數據、車船數據、水位數據、環境數據、用電數據等構成，非結構化數據包括：地理位置數據、統計數據、系統管理數據、設計數據、BIM數據等構成。其中部分數據通過數據接口的形式進行獲取。

基礎環境層：包括主機存儲系統、網絡系統、感知監控設備等基礎設施，其中服務器及存儲、應用軟件和安全系統等是信息化建設的根基；通信網絡是信息傳遞和服務支撐的橋梁，需要基于現有的基礎設施資源情況，充分利用通信網絡體系，滿足系統的功能應用；感知監控設備通過傳感器采集施工現場的安全、質量、人員數據，通過數據分析和過濾，實現施工現場安全、質量的監測與預警。

3 建設方案

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技術應用等功能。

(1)智慧工地展示平臺。展示工程概況、工程基本情況等有關內容。

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

(3)智慧工地集成平臺。集成水位水情監測、船舶用電安全監測和環境監測監控平臺、排體搭接質量監測等終端數據采集與監測，遠程視頻監控，車船定位調度監控，實現工程管理的現場實時指揮、調度、監控與質量控制等功能，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技術的項目管理

在工程項目管理方面，開發BIM施工管控平臺，結合施工管理和行業規范要求對設計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構(WBS)和施工組織設計進行深化設計，并利用二次開發專業工具對模型進行編碼(MBS)，最后將編碼完成的施工深化BIM模型發布BIM施工管控平臺。基于BIM施工管控平臺，實現基于最小施工單元BIM模型的質量、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的質量管理。基于施工深化BIM模型的WBS編碼結構，與質量檢驗的QBS編碼結構關聯，提供BIM模型可視化質量管理方面的咨詢服務，實現施工現場數據采集、審批流程合理化，實現原材料、人員、船機設備數據管理信息化，通過質量管理數據與BIM模型關聯等技術手段達成原材料可追溯、施工質量可追溯。質量管理BIM應用流程見圖3。

圖3 質量管理BIM應用流程Fig.3 Quality control of BIM application flow

(2)基于BIM的安全管理。基于BIM模型，通過智能安全帽、船舶定位、BIM模型結合、地形水位分析等技術手段，實現人員實時定位、船舶定位、作業水位分析等，進行智能可視化安全管理。

(3)基于BIM的進度管理。結合施工組織設計方案，將BIM模型與進度計劃、人材機計劃等信息關聯，利用BIM模型進行施工推演模擬，優化方案；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，施工技術人員根據現場施工進度賦予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，根據工程量信息自動計算施工產值動態掌握項目形象進度，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聯，為用戶提供進度計劃編制、施工進度模擬、進度計劃調整審批、施工進度BIM動態顯示、施工進度BIM動態分析、進度報表定制化輸出、進度可視化數據統計等業務功能。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。基于施工合同的工程量清單，將合同、計量支付管理與BIM模型、現場施工相結合，將計量精細度細化到施工單元，通過與進度管理和質量管理模塊聯動，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、構件屬性等不同維度查詢工程費用，精細化、可視化展現合同和計量支付進度，實現多維度費用對比分析，發現異常時及時糾偏。BIM施工管控平臺的計量支付管理界面見圖5。

(5)施工技術、安全技術交底。建立基于BIM模型的三維施工技術交底、安全技術交底知識庫，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交底、安全技術交底，改變常規施工技術交底方式，更好的滿足現場作業人員的學習培訓。

3.3 終端數據的自動采集與監測

(1)水位監測與變化分析。航道整治工程施工受水位影響大，密切關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，實現武漢至安慶段各施工區域水位數據的自動采集與傳輸，結合歷年水位數據，科學預測水位變化趨勢，指導項目施工。

(2)施工區環境監測。在施工現場配備自動監測環境儀器，對施工現場的風速、風向、能見度、溫度、PM值等環境要素進行實時監測，通過移動網絡數據信息傳輸至監測平臺，顯示各環境要素，當設定的各環境要素作業限制條件超標時自動報警。

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

(4)排體搭接質量監測。水上鋪排的搭接質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備，將聲吶檢測數據實時傳輸至智慧工地監控平臺，實現排體搭接數據的量測、監控，并根據搭接情況實時控制調整船位，確保鋪排施工質量。

3.4 車、船定位監控調度

車船定位監控調度由車、船載終端、無線移動網絡和自有地圖服務平臺三部分組成。車、船載終端通過無線移動網絡將位置信息傳送至自有地圖服務平臺，實現對車、船位置的監控[11-12]。

(1)車、船載終端。相關工程人員、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絡傳送至自有地圖服務平臺，現場管理人員可實時查看其位置信息，實現一鍵聯系指揮調度。

(2)自有地圖服務平臺。以自有地圖服務平臺為底圖，疊加制作的專題工程區、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、空間量測等基礎操作，查看選定人員、車輛、船舶的運動軌跡；設定車輛、船舶運動電子圍欄范圍、運行路線等，實現超范圍活動或偏航的自動報警。船舶動態管理模塊界面見圖6。

3.5 遠程視頻監控

遠程視頻監控主要由前端監控攝像頭、傳輸鏈路、監控中心構成。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平臺中心，實現對工地及周邊監控，包括視頻查看、圖像存儲、錄像回放、違規抓圖、報警聯動等功能。

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

由于航道工程施工范圍點多線長，監控的重要區域比較分散，網絡傳輸由通訊專網提供，以滿足視頻數據高質量傳輸。在監控中心，通過疊加地圖和工程布置圖為底圖，標識攝像頭安裝位置，實時查看某監控范圍內的施工動態，有效查看操作人員作業是否規范等。

監控攝像頭的類型選擇要根據現場實際情況來選擇，確保視頻清晰穩定、數據完整不失貞、重要區域全方位覆蓋，同時要方便操作等；監控施工作業區域的攝像頭，應具備特定抓拍功能，當出現施工人員違規操作時，自動對焦抓拍保存數據傳輸至服務平臺，便于管理人員的現場監管。

4 結語

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，基于物聯網、大數據、云計算、移動互聯網和BIM等信息化技術，構建了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、數據資源共享利用、項目管理協同高效的智慧工地管控平臺，實現了基于BIM技術的大型航道整治工程的質量、安全、進度、投資管理、水位、環境等終端數據的自動采集與監測，車、船定位監控的實時調度等功能，使得航道整治工程項目管理更加智慧，減輕了現場管理過程中對人的依賴，大幅度提高了管理效率，節約大量人力、材料、水電等資源，提高工程施工質量、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。