基于云邊協同架構的交通行業建管養一體化平臺探究

李鑫

（甘肅紫光智能交通與控制技術有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 研究背景

隨著計算機網絡的深入普及，信息化開始成為國民經濟快速發展的一個重要助推器。5G、云計算、物聯網、大數據、區塊鏈、人工智能等新型信息化技術兩化融合，改變了諸多行業，其覆蓋范圍涵蓋了行業的管理模式甚至規范標準，打破了不少行業壁壘，加速行業競爭朝著新的方向發展。而在工程建設領域，新型信息化技術不僅對工程建設本身有著不同層面的影響，更加速了行業間的融合及技術間的優化組合，讓工程從前期設計、中期施工建設到后期數據資產共享，實現了工程全生命周期一體化、智慧化管理。

工程行業是一個安全事故多發的高危行業，隨著我國新基建建設的不斷推進，如何加強施工現場管理、降低事故發生頻率、杜絕各種違規操作和不文明施工、提高建筑工程質量，仍將是擺在各級政府部門、業界人士和廣大學者面前的一項重要研究課題。為落實政府各監管部門對施工現場安全、質量、進度、綠色環保的監管要求，提高項目精細化管理水平，保障工地現場正常運行，圍繞施工工地現場人、機、料、法、環5個方面，開展工地云邊協同信息化建設，實現工程建管養一體化。平臺研究使工程施工數字化、智能化、無人化建設管理成為可能，大大提高了我國建筑企業的核心競爭力，帶動相關產業發展；建設成果可提高建筑企業的現代化管理水平，為打造風險預控、優化管理、遠程診斷、安全、協同、共享、高效的智慧工地奠定基礎。

2 框架體系構建

通過5G、云計算、大數據、物聯網、區塊鏈和人工智能等新型成熟技術與業務的深度融合，產品提供統一接口平臺，解決了實際應用中系統平臺眾多、缺乏統一的運維入口、各平臺互斥無法整合的問題。通過區塊鏈數據安全技術，保證系統數據安全，通過智能合約來確保特定交易在特定條件得到滿足。利用大數據存儲海量數據能力對系統數據集中存儲，采用大數據為系統的并行查詢、存儲提供性能上的提升，達到統一項目管理平臺、統一項目管理標準、綜合項目信息共享的目標，實現了項目管理手段信息化，提升了項目質量安全監管力度，起到了為項目建設服務的作用，有力助推了各種交通項目品質工程建設。

加強工程建設、運維、養護大數據共享、區塊鏈防篡與人工能智能分析系統間聯動，從源頭上實現基建工程數字化，盤活處于休眠狀態的海量數據資產，有利于進一步提升系列基礎設施社會治理水平，包括工程質量、工程安全、工程投資和工程效率等方面。整體架構可分為5個邏輯層次，主要包括視圖層、應用層、中間層、數據采集層和物聯感知，如圖1所示。

圖1 總體框架圖

2.1 總體體系

2.1.1 “三網融合”云邊協同體系

通過研究“三網融合”（物聯網、高精度定位網、5G/互聯網）的相互補充，其中物聯網、高精度定位網提供邊緣端設備的接入和控制，5G/互聯網面向云端平臺，真正實現了整個系統從數據采集、數據分析到決策管理的流程化管控。為了適應不同工程環境，平臺涵蓋近距離無線傳輸、有線傳輸、移動蜂窩網絡等多種通信接口，實現了傳感器數據的Zigbee、串口/總線、NB-IoT等方式上傳，保證系統的普適性。高精度定位網利用北斗/GPS為人員、工程車輛的定位提供保障，對動態及靜態要素開展不同級別定位。最后，通過5G網絡，利用其低時延、高穿透的特點，將邊緣端的物聯網數據傳輸到云端平臺。

2.1.2 全要素邊緣工程施工數據采集系統

在“三網融合”體系下，數據采集系統作為底層支撐，將采集工程施工過程中的全要素數據，包含人員管理類的人臉、定位、射頻識別；設備管理類的定位、車輛統計；施工安全類的塔吊監控、能耗監控、遠程視頻、隧道健康監測等；施工環境類的揚塵監測、有害氣體監測。此外，通過無人機傾斜攝影采集重合度較高的影像照片，生成帶有原地貌紋理和高程的三維模型。

2.1.3 基于大數據+區塊鏈技術的工程質量監控系統

大數據+區塊鏈技術的工程質量監控系統是通過分布式微服務架構的設計方式對原有預應力、張拉、拌和站系統進行分析整合，通過分部分項將每個業務系統關聯起來。包含接口開放平臺、拌和站管理、預應力管理及系統權限管理等業務模塊，對上游和下游系統的接口進行聚合管理、方便第三方對接，并通過拌和站、預應力的基礎數據及多項規則、自動計算超標數據、統計分析、最終形成報表等可用的功能模塊。

2.1.4 基于BIM技術的工程信息管控系統

通過BIM工程信息管控系統，包括工程建設施工進度、質量管理、信息集成與三維展示功能模塊，全面展示施工地質情況和實時進度質量數據，實現施工可視化、過程信息實時共享、施工風險預警預報和工程數據分析借鑒等功能，為計算機用戶、移動終端、大屏幕等施工過程可視化展示應用開發及項目管理人員會商決策提供信息化工具支撐，保障施工質量和安全。

2.1.5 工程建管養一體化云端平臺搭建

工程建管養一體化云端平臺通過一體化集成服務平臺將工程建設綜合管理系統、項目行政管理系統、工程養護管理系統集成在一起。

一體化集成服務平臺：在一體化集成服務平臺下，實現建、管、養信息系統數據共享、數據交換、統一身份認證、統一門戶入口等一體化管理。

工程建設綜合管理系統：建成項目公司統一的工程建設管理系統，實現所有建設工程的進度、質量、安全、成本全方位監管。

項目行政管理系統：針對公司內務建設財務、OA協同辦公、人力資源等信息化管理系統。

工程養護管理系統：建成統一的工程養護管理系統，實現工程養護的計劃、巡查、施工、考核過程管理。

2.2 分項體系

2.2.1 一體化集成服務平臺

一體化集成服務平臺由統一門戶信息集成系統、統一安全身份認證系統、數據交換調度服務系統、GIS服務系統、BIM服務系統五大部分組成，通過一體化集成服務平臺將公路建設綜合管理系統、項目公司行政管理系統、養護管理系統、決策運營管理系統集成在一起。

2.2.2 BIM服務

依托建設方施工管理需求，整合全工程施工管理數據，并集成全景三維模型展現施工過程實時數據和分析成果數據，開發工程建、管、養的三維典型應用功能，結合Unity3D三維引擎研發工程全景展示、輔助決策系統。實現過程包括各類工程，地形地質三維模型制作，包含工程施工和監控量測數據集成、動態數據整理和分析、數據庫設計的后臺管理系統開發，最后完成虛擬現實場景搭建、用戶交互設計、施工過程管理研究等三維展示系統開發工作。

圖2 一體化集成服務平臺關系圖

2.2.3 基于大數據+區塊鏈技術的工程質量監控

依托施工技術標準及數據采集過程控制原則，實時采集混凝土拌和站、穩定土拌和站、瀝青混合料拌和站、橋梁預應力張拉壓漿、竣工資料等過程生產數據，并跟蹤監控每條數據，系統根據各工程環節填寫的信息生成數字簽名（附加在數據單元上的一些數據，或是對數據單元所作的密碼變換）。這種數據或變換允許數據單元的接收者用以確認數據單元的來源和數據單元的完整性并保護數據，防止被人（例如接收者）偽造。可有效解決部分標準滯后、數據采集不規范、過程管控不強等問題，保證數據的安全性。

2.2.4 邊緣端數據采集系統建設

拌和站監測系統：用于監測、收集、存儲拌和站生產數據，通過對拌和站所有生產活動信息、痕跡的全天候實時監控，實時把拌和站生產情況采集到項目數據庫中分析，實現對拌和站生產情況的質量監管。

試驗機數據采集監控：用于監控、收集、存儲試驗過程中試驗數據，同時根據標準自動判斷試驗數據合格情況，針對不合格的數據，以頁面提醒或手機短信等方式自動報警。利用二維碼識別技術實現對試驗檢測中的各類試件進行標示和確認，確保試驗檢測過程中試件的真實性，提高工程原材料和構件的質量管控。

預應力智能張拉、壓漿監測：實現對預應力張拉、壓漿數據的采集、上傳、分析和報警，通過業主、監理、施工單位的信息互聯，實時管控設備施工過程，對張拉、壓漿過程全程實時監控，數據不落地上傳，實現對張拉及壓漿工藝的質量監控。

運輸車輛監控：收集、存儲車輛行駛軌跡、裝料時間、運輸時間、卸料時間等多重數據信息，記錄材料的運輸周期，具備混合料溯源和運輸監控作用。

人員定位：利用北斗/GPS，實現勞務人員在指定區域實現移動人臉識別考勤，管理人員可遠程實時查看和監控施工主要人員及監理考勤記錄和情況，并分類統計，移動人臉識別考勤支持在線考勤和離線考勤兩種模式。

隧道健康狀態監測：用于監測、存儲隧道掌子面加裝各類空氣檢測類傳感器數據及安全布局。實現對隧道內的粉塵及有害氣體的不間斷實時監控，并將監測數據實時展示在洞外LED大屏，實現對監測結果的實時播報及對超限數據的報警提醒。

關鍵部位安全視頻監控：主要對工程的施工過程和工程安全開展全方位遠程視頻監控，提高監管的效率、真實性和有效性，可遠程調用項目辦或施工標段存儲的視頻數據。

無人機數據采集：在施工現場采集的數據經軟件分析后，其分析結果通過網絡實時傳輸到系統服務器，可在后臺網站、手機App端直接對工程質量、工程進度、施工安全開展巡查管理，無人機直播和BIM應用系統對接，若某項目數據結果異常，可通過信息系統預警。

3 特色場景應用

3.1 模型自動生成及多模型支持

結合施工過程產生的分部分項數據，自動生成對應三維模型，可精確到單獨構件，并能根據不同的工程類型生成橋梁、隧道、路基三類模型，做到施工進度可視化。

圖3 三維施工模型

3.2 輕量化與多終端支持

支持h5、PC端、移動端等多終端運行。可嵌入已有系統，在豐富系統功能與展示效果的同時做到低入侵、輕量化展示。

3.3 構件詳情展示

對各個構件的“名稱”“樁號”等靜態屬性，以及“質量”“進度”等動態信息進行詳細展示，可實時同步構件施工信息，方便管理單位掌握構件的基本情況及整體施工進度，與真實施工進度保持一致。

3.4 構件拆分

支持完整工程模型的“打散”操作，方便查看各個構件的細節、構件之間的連接情況及工程的總體組成部分。

3.5 構件質量展示

以單個構件為單位，展示施工過程中各構件的質量情況，方便嚴格把控施工質量，實時記錄跟進構件的質量信息，對施工過程中的問題構件做到一目了然。

3.6 施工進度展示

以不同顏色標識各個構件的施工進度，方便精確地把控施工的整體進度、局部區域進度乃至單個構件進度，合理安排施工周期。

4 結束語

在工程建設領域，新型信息化技術不僅對工程建設本身有著不同層面的影響，更加速了行業間的融合及技術間的優化組合，讓工程從前期設計、中期施工建設至后期數據資產共享，均實現了工程全生命周期一體化、智慧化管理。目前行業主要存在建筑企業管理效率偏低、施工現場存在安全隱患、邊緣端與云端數據協同等問題。對應的主要解決措施包括研究涉及施工、養護過程中的人機料法環全要素管理，同時集成行政管理，整合全工程施工管理數據，并集成全景三維模型展現施工過程實時數據、分析成果數據，開發工程建、管、養的三維典型應用功能，提升建筑企業管理效率；研究重點解決施工過程中的主要部位監控、安全數據監測和關鍵環境數據采集，同時具備報警功能，保證施工現場的安全性；利用5G技術高速率、低時延、大連接特點，通過云邊協同工程管理平臺，充分發掘數據價值。

圖4 項信息化管理平臺

圖5 構件詳情展示

圖6 構件拆分

圖7 構件質量展示

圖8 施工進度展示