“智慧工地”在公路工程中應用的關鍵技術與路徑

張騁，房博文，徐照

（東南大學，江蘇 南京 210096）

近年來，信息技術快速發展，并在各行各業中得到了廣泛應用，對人們的生產和生活方式產生巨大影響，經濟社會逐漸進入智能、智慧時代。作為基建強國，我國的公路工程體量巨大，但項目管理手段和模式亟待創新。長期粗放式的發展，致使其面臨物資管理混亂、環境污染嚴重、人員管理失控等問題。此外，相比于一般的工程項目，公路工程還具有工藝復雜、施工人員多、露天作業場景多等特點，風險水平長期處于高位，質量和安全問題易發。同時，公路工程建設項目中參與方眾多，容易產生“信息孤島”現象，工作協同困難。但是傳統公路工程管理模式以人工為主，考勤、現場巡查、旁站等方式效率低下，精益化不足，嚴重制約著我國公路工程的轉型升級。

另一方面，基于新興信息技術的“智慧工地”快速發展。其能夠通過提升公路工程建設管理的信息化和智能化水平，來達到項目管理降本增效的目的。在此背景下，本研究首先分析了“智慧工地”在公路工程中應用的作用和意義，在此基礎上，進一步梳理公路工程“智慧工地”建設的關鍵技術，并闡述“智慧工地”在公路工程中的應用路徑。

1 “智慧工地”的應用意義

信息技術使工業時代逐步向數字時代邁進，諸多領域開始了“數字化”和“智能化”的轉變。在此背景下，融合BIM、大數據、物聯網、云計算等信息技術與工程建造技術的“智慧工地”應運而生。信息技術的引入，使“智慧工地”具有施工裝備智能化、項目管理要素實時動態感知、信息互聯互通與高效協同等優勢。

“智慧工地”帶動了整個公路工程領域管理模式的創新。其可以實時對公路工程質量、進度、安全、成本等信息進行采集、處理和分析，并能夠有效挖掘過去管理中不易發現的隱患，并能夠及時反饋至項目管理人員，從而顯著提高項目管理的精準性，避免工程事故的發生。同時，智慧工地還憑借即時信息傳輸的優勢，改善了以往公路工程項目管理過程中可能存在的“信息孤島”問題，促使各參與方之間信息協同、業務協作，助力公路工程建設高效化和規范化。

此外，“智慧工地”還在公路工程的全壽命周期項目管理中起到重要作用。“智慧工地”建成后，往往會建立專用的施工信息數據庫，使得后續管理人員可以隨時調取原始施工數據，為后續的施工作業及公路工程的監管養護提供相關依據。

2 “智慧工地”建設的關鍵技術

本研究借鑒制造業中智能建造的分類理念，從數字化技術、網絡化技術和人工智能技術三個方面，對智慧工地在公路工程應用中的關鍵技術進行梳理和闡述。

2.1 數字化技術

2.1.1 BIM 技術

BIM 技術，又稱建筑信息模型，起源于20世紀提出的建筑計算機模擬系統。與傳統的二維CAD 技術相比，其集成各種建筑信息參數，形成數字化、參數化的建筑信息模型，具有三維可視的特點。BIM 技術既可以實現構件模型與真實情況一一對應的直觀交互，又可以實現公路工程中建設方案的各項模擬和優化，為公路工程建設過程中各參建方的協同管理提供基礎。

2.1.2 大數據技術

隨著“數據驅動決策”理念的不斷深化，公路工程項目的數據處理任務呈現出總量增多、種類復雜的趨勢。公路工程項目本身數據復雜龐大（例如水文地質數據、工程特征數據、參建方人員管理數據），在BIM 技術應用以及數字化轉型的過程中，數據的總量和種類會進一步擴張，亟需利用大數據技術進行數據的收集、處理、存儲和應用。在公路工程施工過程中，可以利用傳感器等設備采集原始數據，進一步通過高速數據傳輸機制將數據傳輸到數據庫中進行集成管理，為之后的管理決策、業務流程優化等提供支撐。

2.2 網絡化技術

2.2.1 物聯網技術

物聯網是指將各種信息傳感器連接到互聯網上，實現人與物、物與物之間相互連接而形成的新型智能網絡。其采用智能數據處理和互聯技術，具有自動檢測、發現、跟蹤等功能，可以實現信息的實時采集和處理。由于公路工程施工現場環境條件的復雜多變，該技術可以通過傳感器設備而非人工的方式，有效感知施工現場的相關數據，能夠更加安全、高效地捕捉和監控公路工程施工現場的實時狀態。

2.2.2 云計算技術

云計算可以理解為提供廣泛計算資源的網絡。云計算技術的主要特征如下：動態可擴展、虛擬化、分布式、按需服務。云計算強大的數據處理能力，結合大數據、BIM 等技術，可對公路工程中的海量數據進行復雜性運算。此外，基于云計算可進一步構建云平臺，利用云平臺，所有項目利益相關者均可以在線上接收工程現場相關信息并做出決策，項目進度協調、質量安全管理、資源分配等多個應用場景也均可在云中完成，跨部門、跨專業協作的阻礙將被打破。

2.2.3 移動互聯網技術

移動互聯網將互聯網技術與移動通信技術相融合，實現移動設備之間的數據交換，具有隱私性、移動性、局限性、關聯性四大特征。在公路工程實施過程中，移動互聯網技術的應用能夠有效消除作業環境的空間及時間限制，響應管理人員對即時接收與處理信息的迫切需求。此外，隨著5G 網絡技術的進一步普及，移動互聯的信息傳輸能力和時效得到進一步增強，公路工程項目管理的效率也得以進一步提升。

2.3 人工智能技術

人工智能作為一門綜合性的技術，包括諸多細分領域，例如模式識別、計算機視覺、人工神經網絡、自然語音處理、機器學習等。在公路工程建設領域，該項技術的目的在于通過計算機模仿人類思考和學習的思維過程，處理相關數據，完成決策判斷，從而輔助人類工作。例如，在公路工程的現場安全管理中，可以綜合使用模式識別、機器學習相關技術，對現場人員的安全作業行為進行智能監管，彌補人工監管的不足，提高安全管理的時效性、精準度和覆蓋面。

3 “智慧工地”在公路工程中的應用路徑

在梳理“智慧工地”關鍵技術的基礎上，本研究進一步綜合應用相關技術，從公路工程施工前的人員培訓和施工中的現場管理兩個階段，對“智慧工地”在公路工程中的主要實踐路徑和應用場景進行分析。

3.1 施工人員培訓

3.1.1 施工質量培訓

公路工程施工技術內容主要通過標準化圖集等平面化方式進行呈現，但口頭敘述解釋困難，再加上部分施工交底人員表達能力欠佳，與施工一線人員難以進行有效的溝通，容易導致施工一線人員對技術內容理解有誤。

“智慧工地”中的BIM 技術為以上問題提供了解決途徑。其通過對公路工程的細部節點進行建模，能夠有效直觀地顯示拼接方式和部件的合理位置。在此基礎上，可以進一步與VR 智能設備相互結合，給相關人員帶來沉浸感和直觀感，利用沉浸式漫游，開展員工培訓，改善傳統施工教育“盲目接受”的弊端，幫助施工人員深度了解公路工程現場的實際情況，避免潛在的返工或拆除作業，在減少不必要的施工時間和人力資源損失的情況下，提高工程質量。

3.1.2 施工安全培訓

安全是公路工程項目管理中的重點對象。對于施工現場的人員管理，一線人員不僅需要具備相關的工程技能，還需要了解現場的危險源。針對這一問題，需要提前預測項目的潛在危險。但是，工程一線人員熟悉現場作業環境的過程是漸進的，在未知環境中的風險概率相對較高。

將傳統的公路工程安全培訓機制與“智慧工地”中的BIM 技術相互結合，可以充分發揮BIM 技術在仿真性強、3D 可視性高等方面的優勢，使一線人員能夠對實際工作環境做出準確、合理的判斷，并提前對施工過程中涉及的機械設備和工作流程有一定程度的掌握。因此，施工一線人員可以更加快速地熟悉現場作業環境，更直觀地總結項目現有的危險源，并根據危險源的特點提前制定適當的解決方案。

此外，針對公路工程復雜多變的特點，可以在“智慧工地”BIM 模型中定義不同的安全標志和措施，配合施工現場的安全管理制度，構建公路工程項目安全管理培訓體系，并沉淀為組織資產，為后續同類工程的安全培訓提供載體。

3.2 施工現場管理

3.2.1 智慧門禁管理系統

作為施工現場與外部環境之間的中轉站，施工現場門禁是防止外部干擾的第一道屏障。因此，基于實名制信息和移動終端的門禁管理便尤為重要。智慧門禁利用物聯網、大數據、計算機視覺等“智慧工地”建設手段，能夠實現自動化考勤、無權限人員安全預警和體溫檢測疫情防控等功能。

3.2.2 施工前方案優化

（1）設計驗證

通過無人機傾斜攝影測量真實地反映地面的客觀情況，建立三維場地模型，驗證設計測繪情況。

（2）三維場地布置

通過BIM 技術、人工智能技術，建立三維場地模型，進行漫游模擬，幫助公路工程施工現場合理規劃材料轉運路線、材料設備布局，為現場管理提供指導，并為合理設計施工安排提供支撐。

（3）預制構件優化

根據二維圖紙、三維圖紙及材料清單，結合現場安裝要求，利用云計算獲取各種預制構件信息，包含尺寸、長度、材質等所需信息，實現構件的精準下料。

（4）碰撞檢查

針對公路工程施工圖的設計進行三維模擬，檢查相應的碰撞情況，避免出現構筑物重疊、預埋件缺失和位移造成的拆卸、轉換和浪費等返工現象。

3.2.3 現場施工安全控制體系

利用“智慧工地”的物聯網、計算機視覺等技術，可以對公路工程施工現場的危大工程進行移動巡檢和流程追蹤。同時，運用多場景人工智能安全識別技術，可以設置安全帽佩戴識別、越界識別、人員聚集識別、煙霧識別等功能，以輔助現場安全管理。另外，還可以在智慧工地系統中針對建設、監理、施工單位等內置管理標準，形成安全措施標準化檔案云管控平臺，輕松實現各單位的清單式考核。

3.2.4 現場施工環保控制體系

通過物聯網、移動互聯等技術在現場布設相應的環境監測傳感器，通過環境信息的采集與分析，實現現場環境的動態監測與管理。同時，可與霧炮機等現場噴淋裝置建立互聯互動，無需人工操作即可實現現場內的自動降塵。

4 結語

隨著信息技術的進步，“智慧工地”快速發展，為公路工程建設管理的水平提升提供了有效工具。公路工程日趨復雜化，信息技術的引入創新了公路工程的施工工藝和流程，為員工培訓、設計方案檢查、現場實時監控提供了有力支撐。此外，“智慧工地”通過統一的信息化平臺，消除了公路工程不同參建方之間和不同工程階段之間的信息壁壘，有利于在公路工程中開展全壽命周期協同管理。綜合來看，“智慧工地”在公路工程中具有重要的推廣應用意義。但是，當前的“智慧工地”仍然面臨著概念研究深入、技術研發滯后，單項設備應用多、系統性場景應用少等不足，需要在產學研用深度合作、政策推廣支持等方面，進行進一步的探索與研究。