數(shù)字化技術下的智慧工地管理與科技展廳應用

張 弛, 章 誼, 鄭宏佶

(1.上海建工二建集團，上海 200080； 2.上海洵榮信息科技有限公司，上海 201500)

0 引 言

我國工業(yè)與城鎮(zhèn)化的進程中，傳統(tǒng)建筑業(yè)不僅為國家的發(fā)展提供了良好的基礎設施條件，也深刻地改變著人們的生活面貌。建筑行業(yè)在創(chuàng)造舉世矚目成就的同時，也面臨著前所未有的困難與挑戰(zhàn)。比如，在傳統(tǒng)管理模式下，工程人員安全意識較薄弱、管理協(xié)調(diào)困難、機械設備管控費時費力、安全質(zhì)量問題時有發(fā)生、施工進度實時追蹤不及時，以及工況工種過多引起的監(jiān)管困難。

與此同時，現(xiàn)代信息技術迅猛發(fā)展。新一代IT技術與傳統(tǒng)建筑業(yè)深度融合：基于BIM技術的建筑施工智能化[1]；基于PCA[2]、Tensor Flow[3]和Zigbee技術[4]的人臉識別的安防與定位系統(tǒng)；基于多屏協(xié)同的智能電視人機交互系統(tǒng)[5]；基于多屏互動的人機交互協(xié)同機制[6]，虛擬現(xiàn)實VR[7]技術，和激光掃描的三維虛擬建模仿真技術[8]……相信在不遠的將來，甚至會出現(xiàn)擁有“大腦”與“神經(jīng)系統(tǒng)”的建筑機器人[9]，加入到管理與施工的隊伍中來。

而當下，新興的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等數(shù)字化技術，共同構建了建筑工地現(xiàn)場的智能監(jiān)控和控制體系，彌補了傳統(tǒng)人為管理方法在監(jiān)管中的缺陷。

1 智慧工地

1.1 建設思路

通過總結現(xiàn)場管理中的痛點，依次選取數(shù)字化技術中的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能，來實現(xiàn)對工地現(xiàn)場的更高效的智能管理。減少安全隱患的同時，降低了人工成本，最終也提升了項目管理水平與整體形象。

1.2 平臺架構

在智慧工地的云平臺上，通過用戶層、業(yè)務層、平臺層、傳輸層，以及感知層這五個層面的建設，建立起管理支撐體系和安全保障體系。

1.3 應用場景

平臺架構中的感知層的設備直接布設在工地中，對應解決工地管理的痛點問題，大大提升了管理水準和安全水平。

數(shù)字化平臺的建設思路、云平臺的架構以及應用場景如圖1所示。

2 人物料管理

2.1 人員管理

2.1.1 勞務實名制系統(tǒng)

勞務實名制系統(tǒng)包括門禁功能、分析功能、統(tǒng)計功能與管理功能。門禁功能可以實現(xiàn)進出人員的實名制管理；分析功能可實時分析在場人數(shù)、工種與班組；統(tǒng)計功能包含數(shù)據(jù)同步上傳、更新與統(tǒng)計；管理功能包括分區(qū)管理、考勤記錄與工資發(fā)放。可以分別在生活區(qū)設置門禁通道實現(xiàn)人臉識別進出；在施工區(qū)設置人員考勤通道，實現(xiàn)人臉識別考勤，考勤數(shù)據(jù)可直接對接施工企業(yè)的云平臺、甲方管理平臺，以及政府管理平臺。

2.1.2 AI無感系統(tǒng)

AI無感系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多人同時識別。通過人臉識別，杜絕作弊，加強管控。無須排隊，快速通過。現(xiàn)場語音報警，發(fā)現(xiàn)異常立即處理。并且有歷史記錄，可以追溯查詢。

2.1.3 VR安全教育系統(tǒng)

通過沉浸式體驗，模擬現(xiàn)場施工的危險場景，實現(xiàn)安全教育。改變傳統(tǒng)培訓模式，強化工人安全意識。房屋建筑類項目的安全體驗場景實行實名制，要先通過安全教育，方可獲得施工區(qū)通行權限。在傳統(tǒng)教育模式下，工人缺乏學習主動性，培訓組織困難；傳統(tǒng)培訓方式枯燥；圖文模式下的培訓效果不理想。虛擬場景受訓過程無安全隱患，屏蔽外部干擾，學習效率高。有三套模式，分別適應項目的不同需求，可在不同場景應用。

2.1.4 無線WIFI教育系統(tǒng)

無線WIFI系統(tǒng)可應用在工人生活區(qū)。先答題后上網(wǎng)，能潛移默化地提高工人安全意識。拓寬工地安全教育渠道，提升項目整體形象。

2.1.5 人員定位系統(tǒng)

通過配備藍牙的智能安全帽，連接到藍牙基站，數(shù)據(jù)上傳至云平臺，再通過與電腦的數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)實時查看[圖2(a)]。 人員定位系統(tǒng)可實現(xiàn)實時定位；人員統(tǒng)計分析；和區(qū)域預警或時段預警。實時定位是指用分布式算法來精準定位，實時記錄行動軌跡。它可加強作業(yè)人員的現(xiàn)場管理，督促現(xiàn)場有序施工。同步后臺人員軌跡，分析人員熱度，呈現(xiàn)工程分布圖標，預警工作進度，以及合理配置勞動力。當進入危險或重點區(qū)域時，或在非工作階段進入工作區(qū)時，會觸發(fā)現(xiàn)場語音預警。同時，平臺同步提示，主動預防安全事故。

2.2 機械管理

2.2.1 塔吊輔助監(jiān)控系統(tǒng)

塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)自動監(jiān)測設備的運行、監(jiān)測負載性能、達到群塔作業(yè)防碰撞與區(qū)域保護；吊鉤可視化系統(tǒng)可實現(xiàn)大臂前端快速地自動跟鉤，實現(xiàn)畫面實時呈現(xiàn)至駕駛艙[圖2(b)]。塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)也可實現(xiàn)多種限位功能；區(qū)域保護功能；動態(tài)群塔防碰撞；駕駛員身份識別；吊鉤自動跟鉤，以及超高層施工上的特色應用。

圖2 人員與機械定位系統(tǒng)

2.2.2 塔吊安全監(jiān)控系統(tǒng)

塔吊安全監(jiān)控系統(tǒng)可以在用戶層，從地面實現(xiàn)對塔吊進行實時的遠程監(jiān)控，并做出綜合分析；也可以在塔吊的駕駛室內(nèi)設置監(jiān)控主機，在塔吊的各個部位設置各類型的傳感器。

2.2.3 履帶吊安全監(jiān)控系統(tǒng)

與塔機監(jiān)控系統(tǒng)相似，履帶吊安全監(jiān)控系統(tǒng)可自動采集機械運行過程中的實時狀態(tài)參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)包括起重量、力矩、高度、變幅、回轉(zhuǎn)角度、風速、吊鉤下降深度、視頻跟鉤，以及卷揚機與駕駛艙監(jiān)控情況。當檢測到超載、超力矩，或超幅時進行自動報警。

2.2.4 施工升降機監(jiān)控系統(tǒng)

施工升降機監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)測主機一端連接上下限位裝置、載重測量裝置、高度傳感器、顯示器，與人臉識別系統(tǒng)。另一側連接到云平臺。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)高度采集、駕駛員身份識別、載重檢測、人數(shù)識別、黑匣子記錄功能，與無線傳輸功能。其高階應用還包括：升降機高度及人數(shù)識別、效率與疲勞分析，以及認證清除模式(斷電、開門、延時)。

2.2.5 智能螺母

智能預警螺母安裝在高強螺母后，高強螺母松動退絲時觸動預警螺母背面的傳感器，預警螺母即啟動預警。監(jiān)控主機與智能預警螺母終端無線連接，預警螺母預警時，終端將報警信號傳輸給監(jiān)控主機。監(jiān)控主機啟動本地預警，并把預警信息上傳至平臺。

2.2.6 鋼絲繩監(jiān)測

鐵磁性構件無損探傷檢測技術可對鋼絲繩、鋼纜、斜拉索，以及軌道，進行精確的內(nèi)外部損傷及剩余載荷檢測。并結合IOT技術、AI技術和VR技術的應用，為智慧城市、智慧工地、人工智能、智慧生產(chǎn)提供全面的安全保障。

2.3 物料管理

應用自動計量子系統(tǒng)實現(xiàn)物料的數(shù)字化管理。對進場物料和出場垃圾等進行稱重。該系統(tǒng)可自定義磅單和報表格式；提供報表查詢打印和交易數(shù)據(jù)查詢打印；可在稱重過程中給司機語音提示；有現(xiàn)場稱重監(jiān)控和稱重圖像抓拍功能，視頻采集卡能把重量顯示在圖片里，實現(xiàn)系統(tǒng)防作弊。

3 現(xiàn)場與施工管理

3.1 現(xiàn)場管理

3.1.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程查看工地施工進度和措施落實情況。通過錄像回放，溯源問題原因。延時攝影是每隔一段時間抓取現(xiàn)場照片，自動形成視頻，展示工地整體進度情況。

3.1.2 視頻AI

視頻AI系統(tǒng)已廣泛應用在項目的多個方面：安全著裝管理、制高點巡檢、周界安防、車輛沖洗監(jiān)控、AI防疫、視頻AI、車輛出入管理系統(tǒng)、工地智能廣播系統(tǒng)，以及移動巡更系統(tǒng)。

3.2 施工管理

3.2.1 揚塵噪聲監(jiān)測系統(tǒng)

實時監(jiān)測，臨界預警。實時監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，視頻輔助實時記錄，數(shù)值超標預警，視頻抓拍留檔記錄。智能聯(lián)動，“監(jiān)測+治理”一體化管理，同步聯(lián)動降塵裝置，數(shù)據(jù)超標智能啟動。該系統(tǒng)可實現(xiàn)設備自動遠程聯(lián)動控制，提升環(huán)境整改效率。LED大屏實時反映環(huán)境數(shù)據(jù)，展現(xiàn)文明施工成果。

3.2.2 智能水電監(jiān)測系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水電計量新模式，可減少水電資源的浪費，降低安全隱患。自動遠程讀取水、電表數(shù)據(jù)；設置閾值，自動判斷異常情況；節(jié)約人力資源；節(jié)約水電。

4 安全與質(zhì)量管理

4.1 安全管理

4.1.1 臨邊防護監(jiān)測系統(tǒng)

便攜式臨邊防護監(jiān)測系統(tǒng)采用紅外對射技術，對靠近危險區(qū)域的人員進行應急報警，避免危險事故發(fā)生。繞線式防護欄狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測防護欄狀態(tài)，一旦破損或倒塌，及時現(xiàn)場報警，并推送信息至管理者，確保及時維護。

4.1.2 卸料平臺監(jiān)控系統(tǒng)

載物重量自動實時監(jiān)測，增加傳統(tǒng)卸料平臺的超載保護功能。語音與燈光報警功能，為施工作業(yè)人員預警報警，避免因超載而引起的坍塌事故。遠程監(jiān)控平臺記錄數(shù)據(jù)，查詢和分析卸料平臺進出料記錄。

4.1.3 配電箱監(jiān)測子系統(tǒng)

配電箱監(jiān)測子系統(tǒng)會預警剩余電流、過壓過流、箱體過溫、箱線過溫，以及實現(xiàn)三相不平衡時的報警。可實現(xiàn)施工現(xiàn)場臨電監(jiān)測，杜絕安全隱患。

4.1.4 高支模監(jiān)測系統(tǒng)

通過在高支模上設置無線傾角計、無線荷重計、綜合分析儀、終端控制儀、無線位移計，以及聲光報警器，使得無線監(jiān)測主機，可實時接收現(xiàn)場傳感器信號，并發(fā)送至云平臺。實現(xiàn)實時相應和超值報警。

4.2 質(zhì)量管理

4.2.1 實測實量系統(tǒng)

實測實量系統(tǒng)主要包括智能卷尺、智能靠尺、激光測距儀，和智能回彈儀等。可實現(xiàn)優(yōu)化質(zhì)檢測量流程；測量內(nèi)容自定義；現(xiàn)場高效測量與測量管理簡便化；自動計算合格率和測點覆蓋率。

4.2.2 大體積混凝土測溫

自動記錄混凝土溫度、混凝土濕度、環(huán)境溫度，以及溫度應變。當里表溫差和降溫速率超過設定閾值時立刻報警。在云服務器上，可通過GPRS與433M無線組合成多種工作模式。

5 科技展廳

5.1 科技展示

5.1.1 魔環(huán)互動

通過手勢識別，可在三維空間漫游。利用魔環(huán)互動，實現(xiàn)在BIM模型中的漫游[圖3(a)]。

5.1.2 沙盤展示

傳統(tǒng)的建筑沙盤在運用數(shù)字化技術后，已經(jīng)可以實現(xiàn)沙盤升降展示、沙盤單體投影、沙盤投影區(qū)域和旋轉(zhuǎn)炫彩沙盤等多種展示模式[圖3(b)]。

5.1.3 全息投影

以全息成像方式進行三維立體展現(xiàn)，通過實景拍攝和模型結合的方式，360°全景展示建筑鳥瞰圖、建筑建造趨勢和單體建筑等[圖3(c)]。

5.1.4 MR互動

利用MR的合并現(xiàn)實和虛擬世界而產(chǎn)生新的可視化環(huán)境。實現(xiàn)物理沙盤的實擬現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實的虛實相結合。通過背景墻的高分辨率大屏，融合出新的場景，營造出新的可視化環(huán)境。使物理和數(shù)字對象共存，并實時互動。結合工地人、機、料、法、環(huán)等五大要素，動態(tài)呈現(xiàn)工地日常工作的繁忙景象[圖3(d)]。

5.1.5 裸眼3D全息風扇

利用人類視覺暫留(POV)技術原理，通過超高密度LED燈帶高速旋轉(zhuǎn)成像，實現(xiàn)3D全息視覺的增強效應，空氣懸浮與全息立體的顯示效果。打破傳統(tǒng)平面顯示的局限，可進行實時同步、交互開發(fā)，引領商業(yè)全息顯示行業(yè)的新風尚[圖3(e)]。

5.1.6 球幕互動

球幕互動采用360度全圓屏幕，由多個投影儀的邊緣融合而成。全封閉式球形屏幕顯示了一幅超長跨度的寬畫面，有著全方位的立體效果。就像在天空中，整體覆蓋著觀眾區(qū)。觀眾可以在會場中心隨意觀看。加上全方位立體聲效果，可以產(chǎn)生強烈的沉浸感[圖3(f)]。

圖3 數(shù)字技術的科技應用

5.2 科技應用

5.2.1 3D打印

以3D打印數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體。3D打印可以驗證機械和材料堆場等擺放位置。

5.2.2 迎賓機器人

迎賓機器人具備語音識別、語音理解、傳感交互、人臉識別、室內(nèi)導航和情感分析等能力。可支持特定場景。可對機器人進行外觀和功能的特殊定制，為展廳講解和便民服務創(chuàng)造新的智慧科技體。

5.2.3 無人機

無人機，除了搭載相機外，還可以攜帶喊話器、拋投器、氣體探測器、探照燈等各類多功能掛載，以完成不同的行業(yè)任務。同時可具備大屏聯(lián)動實時圖像傳輸、無人機實時遠程探傷，和無人機AI巡檢等的深度應用[圖4(c)]。

5.2.4 AR可視化技術交底

通過計算機系統(tǒng)提供的信息，增加參與者對現(xiàn)實狀態(tài)信息的感知能力。并將計算機生成文本、圖像，及虛擬3D模型疊加到參與者所感知的真實情境中，提高參與者對真實場景信息的感知力。利用手機或平板電腦掃描二維碼，即可出現(xiàn)三維立體影像，并可與之交互，使工藝功法交底更直觀[圖4(d)]。

5.2.5 云平臺

在云平臺上，首先完成“人-機-料-法-環(huán)”的系統(tǒng)集成，再通過云平臺服務器進行數(shù)據(jù)記錄，最終在諸如大屏幕、手機，或電腦上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的前端展示[圖4(e)]。

圖4 數(shù)字技術的科技應用

6 結束語

數(shù)字化技術提供了智慧工地的解決方案，助力項目管理。同時，科技賦能智慧建造，助力數(shù)字化技術管理下的項目成為更高效、更環(huán)保、更安全、更文明的行業(yè)標桿。數(shù)字化技術的科技展示與科技應用也極大地助力智慧工地的建設。