智慧工地管理系統設計及應用

摘要：為應對目前種類繁雜的工地智慧化需求，文章設計實現了一種能夠在具有人員、環境、特種設備等應用場景中適用的智慧工地管理系統。該系統前端基于物聯網技術實現數據采集，后端通過云平臺支持各類上網終端應用，系統經過某工地輕量化試用，試用效果初步分析顯示該系統能明顯中斷多個中、重危險源發展，運行穩定，經濟性好。

關鍵詞：智慧工地；物聯網；ZigBee；經濟性

中圖分類號：TP18

文獻標志碼：A

0 引言

工地管理既涉及工地安全，也直接影響到工程質量、進度，以及經濟效益。《中國建筑施工行業信息化發展報告（ 2017）智慧工地應用與發展》^［1］即基于我國智慧工地應用情況探討了工地管理的數字化、精細化和智慧化。住建部發布的《綠色建造技術導則（試行）》^［2］指出結合實際需求，有效采用BIM、物聯網、大數據、云計算、移動通信、區塊鏈、人工智能、機器人等相關技術，整體提升建造施工手段信息化水平，促進跨學科融合、跨專業融合、跨領域融合方向快速發展。借助大數據、云計算、物聯網、人工智能、區塊鏈等信息技術在信息處理方面的優勢，有效實現工程數據信息的價值，促進智慧工地體系的構建。本文基于物聯網技術，設計了一種智慧工地管理系統，同時通過一個試用場景對其經濟性進行了概要性分析。

1 智慧工地管理系統概念

建筑工地的管理中，傳統的管理手段在遇到一些棘手問題時，常常會無力處理或處理得不夠圓滿，比如：

（1）勞務用工管理：缺少為勞資糾紛提供直接解決的證據；不便于分析排隊存在的作業安全隱患、簡化復雜的現場人員管理、提高后勤保障能力。

（2）無法解決實時施工中工地各類參數監控，實現工程現場遠程監控管理和工程結構健康監控技術。

（3）不能把零星的、局部的、分散的工人進出考勤管理、塔吊作業及工地情況實時監視、車輛監管等統一起來，并提出工器具使用率，以確保維保及時、使用安全。

（4）無法實現全方位特種設備監管，以防止車、大型特種設備等的碰撞風險、實時指揮不易、傾倒危險。

（5）不能有效解決材料清點難題，更無法防止手工清點造成的虛報、錯報以及人為清點誤差。

（6）不能實時進行工地情況全監控，以實現動火作業危險源監控、高空作業危險區域監視、工作重點區域人工巡檢。

（7）不能實現工地環境監測，主要依靠人工目測或視頻監視且不能定量檢測與記錄，也無法防止出現超規揚塵、噪聲擾民、污水違規排放等環境問題。

（8）不具備標準數據連接口，無法與單位OA辦公系統、ERP生產管控系統等連接以變為主管理模塊或其它系統的功能單元。

智慧工地一般指管理人員借助信息化手段，提升管理工作開展的有效性。具體的實現方式則在于搭建相關的決策平臺、信息共享平臺以及安全監控平臺。這些平臺所起到的作用則是實時監督、后期維護以及預警等^［3］。智慧工地管理系統則指對智慧工地的數據體系化采集、處理、展示、決策、分析、可視化，是基于“互聯網+”的整體管理平臺。

2 智慧工地管理系統設計

本文所設計的智慧工地系統總體框架如圖1所示。

2.1 智慧工地系統物聯網設計

智慧工地系統基于目前最新的物聯網技術，主體采用ZigBee自組網構成網絡節點，分散完成信息采集、網絡接入、數據傳輸以及邊緣計算、數據存儲等功能。ZigBee終端節點基于TI公司的CC2530芯片實現^［4］，該芯片內置增強型8051 CPU核心，配置充足的ROM和RAM，具備主動、空閑、PM1、PM2、PM3共5種運行模式，同時支持關閉不必要的功能部分來實現節能目的，運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗，這些特征使得它尤其適應超低功耗要求的系統。

CC2530的開發可以基于TI公司提供的業界領先的ZigBee 協議棧^［4］（Z-Stack）進行。該協議棧提供了一個強大和完整的ZigBee 解決方案，提供了物理層和媒介訪問控制層中的所有資源，能夠為開發者直接使用，從而加速應用開發過程。

采用CC2530作為終端節點，其典型結構如圖2所示。

研發的節點具有小巧節能、易于布置應用的特點，其長寬高外形僅60 mm×30 mm×20 mm，內置紐扣電池能夠在日不超過192個數據包的前提下實現5～10年工作期（不對外供電），加上成本低（每點成本約46元），非常適合智慧工地批量部署。

通過ZigBee節點，智慧工地現場能夠將各類移動終端、各類施工機械（如升降機、塔式起重機等）連接起來，通過自組織的ZigBee物聯網，將作業產生的實時動態參數、工地內外監測參數、施工對象參數以及工地內的人、機、料、法、環涉及的參數信息，均能及時上傳給智慧工地綜合管理平臺。平臺在結合工地視頻識別、各可視化管理子系統、各起重機械及重大型設備的安全運行監管子系統等系統完成對工地監測信息的采集，最終完成對智慧工地全場景的孿生再建，有力提高工地的智慧化和管理水平。

2.2 智慧工地系統云平臺管理功能

研發的智慧工地管理系統SmartSitSystem運行在阿里云平臺，支持網絡化的分布式應用，終端可以為服務器、臺式計算機、平板電腦及手機端，能夠在實時監測考勤數據、視頻監控、物料運轉、安防狀態、電能數據、環境氣象等參數的同時，實施管理與控制功能，實現全工地全場景動態管理。

SmartSitSystem能夠支持的主要的5大功能有：

（1）人員管理子系統。建設全體用工人員實名制管理，形成入場人員的身份信息、合同信息、安全教育信息、進出場信息、工種權限及技能描述等信息及黑名單的數據庫，同時智慧工地考勤管理系統依托信息通信技術，結合先進的物聯網架構，輔以指紋、人臉、射頻卡等識別技術，對建筑工地工作人員信息進行多維采集，以達到幫助建筑管理方提高施工企業勞務用工管理水平，保障建設工程質量安全的目標。

（2）施工環境監測子系統。配置空氣質量在線監測系統，具有中國標準合理化的結構設計，主要監測粉塵、噪聲、溫度、濕度等參數。粉塵監測儀采用激光散射原理測量粉塵濃度，確保對粉塵濃度的實時在線監測；噪聲監測儀采用了先進的數字檢波技術，具有可靠性高、穩定性好、動態范圍寬、無需量程轉換等優點。主機監測參數還可任意添加粉塵、噪聲、溫濕度、風速風向、負氧離子、大氣壓力、氣體等。

（3）工地實時視頻子系統。除滿足一般視頻監控基本功能外，為了適應“智慧城市”的發展，達到“智慧安全”的目標，本子系統還具備了基于人工智能識別的智能視頻分析、第三方接口、預案聯動、電子地圖、語音功能、資源分權限共享等功能。

（4）特種設備監管子系統。對工地上的特種設備提供完整的監測與管理，這些特種設備包括但不限于塔式起重機、工地運輸涉及的運輸車輛和人員等。

（5）工地材物管理子系統。該子系統涵蓋了全面的材料管理功能，包括材料品類、進出單、驗收、保管、領用等模塊，也包含了對材料的采購計劃流程中涉及的合同管理、資產管理、供應商管理等功能，同時也能夠和內部財務系統對接，實現工地中的材料流、資金流和業務流三流合一。

2.3 智慧工地系統特點說明

SmartSitSystem系統特點：

（1）統一管理平臺。統一的公司級應用的可視化智能工地監管平臺，預留多系統接口，系統可逐步升級。

（2）多系統接入。多子系統對建設工程安全質量關鍵要素進行智能感知和云計算接入。

（3）對接政府監管。通過系統接口，可以無縫融入政府監管服務，為向政府網的數據上報和接收監管指令提供了信息化支持。

（4）管理流程再造。數據共享融合，可為多個公司部門提供監管決策支撐。

（5）實現中心化項目監管。項目從開工到竣工被納入系統實時監控，通過實時現場安全和質量監控數據獲取與解析，并結合傳統的監管模式，提升科學管理水平。

3 試用場景及應用分析

SmartSitSystem設計完成后，首先在某地綜合管廊項目的弱電分項工程中進行了試用。

該綜合管廊項目的弱電分項共有消防系統設備分項、監控及報警設備分項，合同額為310萬元。

按照既定工期（見表1），將人員投入、機械投入、材料投入等均導入SmartSitSystem，由SmartSitSystem完成智慧工地管理。

在整個試運行過程中（實際工期72天，含因疫情導致的停工14天），SmartSitSystem總計給出7次重大報警，分別為3次空氣質量檢測（均為CO₂超標，同時啟動了聯動的通風系統）、2次重大人員安全隱患（由視頻識別給出人員進入非授權危險區域）、1次重大機構操作流程錯誤、1次工地材料進出不符。

以上7次重大報警，根據事故分析得出挽回可能損失達185.6萬元，如表2所示。

以上損失共計185.6萬元，而以上險情發現后基本通過溝通或即時改正即可解除，其除險成本幾近為0。

試用中產生的中等險情計37次，一般警告52次，這些處理在一定程度上也及時中止了現場險情的發展，及時糾正使其向安全方向轉移，初步估算這些險情可能造成的損失超過300萬元。

SmartSitSystem的使用也給人員管理（含人員聘用流程、現場考勤等）帶來信息化的便利，特種設備、工地材物等的信息管理既提升了公司管理水平，也提高了管理的質量。經公司財務部門和人力資源分析，SmartSitSystem的應用減少了至少3名現場人員和至少1人的公司管理工作量，累計4人按2個月計，也將為公司節省人力資源成本近10萬元。

智慧工地系統的使用對公司形象提升等帶來的隱性影響，也是明顯且有益的。可見無論應用的社會效益還是經濟效益，都是非常明顯的。

4 結語

工地的管理是件非常復雜的工作，引入信息化是其必經之路，尤其近幾年隨著BIM、物聯網、大數據、云計算、移動通信、人工智能、電子信息工程技術等相關技術的發展，實現更智慧化的工地成為可能，國內外推出智慧化工地管理系統的公司及科研機構也呈爆發性增長。

本文實現的智慧化管理系統屬輕量化級別，能夠快速部署在一些對人員、設備、材料、視頻、環境監測等有管理需求的工地上，經過某小型項目的工地試運行，表明該系統穩定可靠，能有效識別預定義的各類危險源并作出報警和處理建議，具有明顯的社會效益和經濟效益。

目前該系統已在商業化推廣，同時設計團隊也在積極分析基于路橋施工、大樓宇建筑施工等場景的智慧工地需求，并有望在本設計的基礎上實現相應的中大型智慧工地綜合管理系統。

參考文獻

［1］中國建筑施工行業信息化發展報告（2017）：智慧工地應用與發展［M］．北京：中國建材工業出版社，2017.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部.綠色建造技術導則（試行）［EB/OL］.（2021-04-15）［2022-12-12］.https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-04/15/content_5599673.htm.

［3］馮瑩瑩.智慧工地管理中物聯網技術應用的有效性探究［J］.電子元器件與信息技術，2020（3）：30-32.

［4］QST青軟實訓.ZigBee技術開發：Z-Stack協議棧原理及應用［M］.北京：清華大學出版社，2016.

（編輯 李春燕）

Design and application smart construction site management system

Xiao Yumei^{1， 2}， Zhao Xuelian^1，2， Liu Tieying³， Zhang Chao⁴

（1.China University of mining and technology， Xuzhou 221008， China; 2.Xuzhou Liangwei Intelligent

Technology Co.， Ltd.， Xuzhou 221116， China; 3.Jiangsu Xuzhou Higher Vocational School of

economics and trading， Xuzhou 221004， China; 4.Xuzhou Weiser Water Affair Science amp; Technology Co.， Ltd.， Xuzhou 221006， China）

Abstract： In order to meet the needs of various kinds of intelligent construction sites at present， this paper designs and implements an intelligent construction site management system that can be applied in the application scenarios with personnel， environment， special equipment， etc. The front end of the system is based on the Internet of Things technology to achieve data collection， and the back end supports various Internet terminal applications through the cloud platform. The system has undergone lightweight trial on a construction site， and the preliminary analysis of the trial results shows that the system can significantly interrupt multiple medium Focus on the development of hazard sources， with stable operation and good economy.

Key words： smart construction site; internet of things; ZigBee; economy