施工現(xiàn)場智慧移動方艙設(shè)計與應(yīng)用*

孫 靜

(北京城建智控科技股份有限公司,北京 100075)

0 引言

傳統(tǒng)建筑行業(yè)屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè),粗放式的管理使工地的勞動力、材料、機械設(shè)備的利用都存在監(jiān)管問題。通過合理制定智慧施工現(xiàn)場解決方案,融入更多的信息集成技術(shù),可以更好地發(fā)揮智慧管理和項目建設(shè)的優(yōu)勢,提升現(xiàn)場施工環(huán)境的安全管控效果,更好地監(jiān)控和管理施工項目,有效監(jiān)管施工環(huán)境、機械、設(shè)備和施工人員。

本文提出的智慧移動方艙是一項整合施工現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控和智慧管理、項目管控、項目宣傳和展示于一體的項目級綜合管理中心,是針對傳統(tǒng)項目展廳和指揮中心生產(chǎn)裝修周期長、運行維護成本高、資金投入大等問題研發(fā)的創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案。著重論述了智慧移動方艙設(shè)計和應(yīng)用的指導(dǎo)思想、系統(tǒng)功能設(shè)計及運行實踐。通過對施工項目日常工作及項目管理的調(diào)查和研判,結(jié)合企業(yè)智慧工地項目管理的經(jīng)驗, 圍繞工地核心管理要素,以生產(chǎn)預(yù)制、模塊標準、安裝便捷、使用長效為目標,通過物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)手段,實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)、場景互聯(lián),打造集綠色工地、安全工程、互聯(lián)協(xié)同、智能管理于一體的現(xiàn)場級監(jiān)管中心。確立了自主創(chuàng)新的指導(dǎo)思想;集數(shù)據(jù)采集、處理分析、集中監(jiān)控和項目管理的綜合功能設(shè)計原則。圍繞智慧工地建設(shè)及評價標準,采用新信息技術(shù)提升施工質(zhì)量治理效能,實現(xiàn)項目質(zhì)量管理“智慧提質(zhì)”。

1 智慧移動方艙特點

參照國內(nèi)工地的項目模式和理念,結(jié)合智能建造中智慧工地管理實際需求及施工項目的管理經(jīng)驗,充分征求智慧工地試點項目的建議,依托公司技術(shù)優(yōu)勢,自主設(shè)計并研發(fā)了集計算機信息技術(shù)、智慧監(jiān)控技術(shù)、BIM技術(shù)為一體的創(chuàng)新型產(chǎn)品,主要特點如下。

1)集中人員、設(shè)備、物資、質(zhì)量、環(huán)境各類信息,深層次綜合管控

基于智慧移動方艙的管控中心,通過攝像頭、末端傳感器等設(shè)備,結(jié)合施工現(xiàn)場管理關(guān)鍵要素,接入工地各項數(shù)據(jù)并展示為數(shù)據(jù)圖表,項目各部門人員可通過平臺實時了解項目動態(tài),高效管控,做到協(xié)作執(zhí)行可追溯,管理信息零損耗。從而有效幫助項目實現(xiàn)智慧化管理、提高管理效率。

2)安裝便捷、部署靈活

智慧移動方艙只需要簡單地進行箱體吊裝安放、綜合布線對接即可,真正做到安裝便捷快速;方艙由標準化的箱體拼接,可根據(jù)項目工地靈活部署多個單元;預(yù)制生產(chǎn)的智慧移動方艙,現(xiàn)場進行箱體吊裝安放、綜合布線對接即可;移動方艙可與工地既有的外觀和尺寸活動箱房保持一致,可做到項目形象統(tǒng)一。

3)模塊標準化

除箱體的標準化,方艙內(nèi)部設(shè)計了綜合監(jiān)控指揮中心、數(shù)字化及智慧化體驗中心、企業(yè)及項目介紹、工程展示、實體沙盤等通用模塊,方艙的監(jiān)控系統(tǒng)、綜合布線、預(yù)留位置、裝修結(jié)構(gòu)、設(shè)備安裝均高度標準化。

4)循環(huán)可持續(xù)利用

智慧移動方艙采用了工廠預(yù)制生產(chǎn)、裝配式應(yīng)用的理念,在設(shè)計壽命周期內(nèi),除項目展示的內(nèi)容,結(jié)合各項目自定義二次加工外,其余結(jié)構(gòu)、布線、設(shè)備等均可重復(fù)利用。有效解決了以往項目展廳和管控指揮中心生產(chǎn)裝修周期長、運行維護成本高的問題。

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2 方艙設(shè)計實現(xiàn)方案

2.1 結(jié)構(gòu)及功能

2.1.1設(shè)計材質(zhì)及結(jié)構(gòu)

智慧移動方艙一方面作為項目生產(chǎn)管控的總指揮中心,另一方面也作為項目整體形象的展示中心。產(chǎn)品可與建設(shè)工地的現(xiàn)場施工項目指揮部的標準活動板房或箱房進行模塊單元拼接,搭建指揮部時,智慧移動方艙產(chǎn)品設(shè)置在1層,在智慧移動方艙產(chǎn)品的兩側(cè)和頂層均可拼接標準活動板房或箱房。智慧移動方艙滿足易安裝拆除、可重復(fù)利用的需求。

方艙外殼采用冷軋鋼板焊接、沖壓成型,主體結(jié)構(gòu)外觀表面采用工業(yè)兩底兩面噴漆工藝,顏色與標準活動板房或箱房的外觀顏色一致。方艙所有材料在加工過程中采用去毛刺工藝處理,所有外露的邊角及表面的突出物都采用圓弧光滑過渡,保證用戶在使用中不被劃傷。

設(shè)計定制化的結(jié)構(gòu)拼焊后組成4個模塊,由標準型材、扣件連接,組成整體移動方艙。智慧移動方艙可拼接擺放,可獨立擺放,如圖1所示。

圖1 移動方艙結(jié)構(gòu)全景Fig.1 The integrated structure of mobile shelter

2.1.2基本模塊構(gòu)成

針對工地智慧化管理現(xiàn)狀和展示觀摩的需求,方艙內(nèi)部功能區(qū)域的設(shè)計充分考慮了項目的實用性和可擴展性。智慧移動方艙室內(nèi)裝飾采用簡裝風(fēng)格,鋪設(shè)石塑地板和鋁格柵吊頂,在保證可靠性的前提下具備一定的美化效果。智慧移動方艙內(nèi)部由管控數(shù)字指揮區(qū)、宣傳展示區(qū)兩大區(qū)域組成。

1)管控數(shù)字指揮區(qū) 方艙內(nèi)設(shè)有簡易設(shè)備間,內(nèi)安裝有機柜,以部署邊緣計算資源。周邊設(shè)置拼接監(jiān)控大屏、多功能顯示器、配備計算機主機及顯示器的操作臺,結(jié)合邊緣設(shè)備及智慧工地平臺應(yīng)用,可實現(xiàn)現(xiàn)場人員、設(shè)備、環(huán)境等畫面的實時監(jiān)控及數(shù)據(jù)展示。

2.2 可靠性設(shè)計

智慧移動方艙出廠前通過了各種測試和驗證,如功能測試、性能測試和壓力測試,以確保系統(tǒng)能夠在不同的工作負載和環(huán)境條件下保持可靠性。

2.2.1系統(tǒng)可靠性

方艙室內(nèi)設(shè)備的輸入和輸出線纜采取了強、弱電纜嚴格分開的設(shè)計,并安裝了漏電保護裝置和防雷保護;各設(shè)備模塊的接地與移動方艙殼體可靠連接,與外部地線統(tǒng)一接到配電箱。

基于方艙的智慧工地平臺在遇到故障或錯誤時,仍能夠繼續(xù)正常運行或快速恢復(fù)。這可以通過使用冗余組件、備份系統(tǒng)和故障轉(zhuǎn)移等方法來實現(xiàn)。方艙內(nèi)布設(shè)用于智慧工地設(shè)備監(jiān)控和現(xiàn)場安全管控分析的邊緣智能設(shè)備,在實現(xiàn)本地化實時監(jiān)測的同時,關(guān)鍵數(shù)據(jù)同步上云,保證了系統(tǒng)的可靠運行,如圖2所示。

圖2 平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向Fig.2 Data flow of platform

2.2.2結(jié)構(gòu)可靠性

移動方艙外殼采用拼接焊接方式,外部焊縫經(jīng)精細打磨處理,內(nèi)部支撐連接件使用氣體保護焊工藝,保證焊縫強度質(zhì)量,內(nèi)部電器模塊安裝后的牢固性和耐久性不會因搬運或沖擊造成設(shè)備損傷。

方艙內(nèi)零部件主要采用沖壓成形、焊接、機械加工、注塑等制造工藝,殼體鈑金件主要采用數(shù)控沖床、數(shù)控折彎、激光切割機等先進設(shè)備加工,保證了制造精度;箱體在組裝過程中零部件的緊固嚴格按照GB/T3098.13—1996《緊固件機械性能螺栓與螺釘?shù)呐ぞ卦囼灪推茐呐ぞ毓Q直徑1～10 mm》執(zhí)行。

2.2.3可維護性

每個方艙單元在背面的頂部均設(shè)置有各單元獨立的標準供電航空插座及通信接口插座,便于現(xiàn)場組裝和拆卸。移動方艙內(nèi)部采用了合理化的設(shè)備布局,設(shè)備之間安裝無干擾、拆卸方便。緊固件為常規(guī)通用標準件,使用常規(guī)工具即可進行大部分模塊的拆卸與安裝,從而讓產(chǎn)品維護人員維護起來更加方便快速,有助于方艙的運維和周轉(zhuǎn)。

3 基于移動方艙的智慧化應(yīng)用場景

標準尺寸為12 m×8 m的智慧移動方艙已正式應(yīng)用于某大學(xué)通州校區(qū)項目的品牌展示、綜合監(jiān)控指揮等全過程。此次應(yīng)用在項目上的移動方艙一體化解決方案,采用集成化理念,將項目宣傳和項目智慧化管理相融合,打造集智慧展廳和指揮管控中心為一體的標準化、規(guī)范化、智慧化產(chǎn)品。采用了裝配式理念,以租賃形式交付給項目使用,運輸完畢后只需吊裝通電即可使用。有效解決了以往項目展廳和指揮中心生產(chǎn)裝修周期長、運行維護成本高、資金投入大等問題,實現(xiàn)了內(nèi)容設(shè)計定制化、設(shè)備生產(chǎn)效率化、現(xiàn)場安裝簡單化、設(shè)備使用長效化、客戶體驗精細化,如圖3所示。

圖3 移動方艙在工地項目的應(yīng)用Fig.3 Application of mobile shelter in a project

3.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

移動方艙布設(shè)邊緣計算資源所需的基礎(chǔ)模塊,通過有線、光纖、互聯(lián)網(wǎng)、ZIGBEE等通訊方式實現(xiàn)與現(xiàn)場的終端硬件互聯(lián)互通。終端傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對工地現(xiàn)場的環(huán)境溫度、PM2.5、關(guān)鍵設(shè)備運行狀態(tài)等進行監(jiān)測,攝像頭對人員出入、作業(yè)行為、安全隱患進行實時監(jiān)視。數(shù)據(jù)采集部分包括現(xiàn)場及設(shè)備內(nèi)部的各類傳感器,通過交換機、串口服務(wù)器、LoRa網(wǎng)關(guān)等集中實現(xiàn)對全工地區(qū)域內(nèi)塔式起重機、混凝土泵、腳手架等設(shè)備設(shè)施運行數(shù)據(jù)的采集、交換和存儲,如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控Fig.4 Data collection and monitoring

3.2 安全管理及預(yù)警

邊緣智能硬件是智慧移動方艙的核心大腦,可以接收傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行處理和分析。通過AI算法和機器學(xué)習(xí)技術(shù),智能硬件可以實現(xiàn)對建筑工地中各種數(shù)據(jù)的智能化分析和處理,如異常預(yù)警、質(zhì)量檢測、安全監(jiān)控等。

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)智能傳感技術(shù)對施工大型設(shè)備運行進行實時監(jiān)測,搭配設(shè)備檔案,充分體現(xiàn)“事先監(jiān)督管理、事中數(shù)據(jù)監(jiān)測、事后分析”;融合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能地磅,接通項目計劃、物料驗收、入出庫登記,形成完整的運行臺賬,全自動預(yù)警分析。設(shè)備在線監(jiān)測可以全方位確保作業(yè)安全,起到區(qū)域安全防范、防碰撞、超載等作用。通過使用AI盒子搭載算法結(jié)合攝像頭可以完成行為分析、精準定位、人員屬性分析、異常行為預(yù)警,將被動預(yù)防轉(zhuǎn)化為主動預(yù)防,避免事件升級。安全管理及預(yù)警應(yīng)用模塊如圖5所示。

圖5 安全管理及預(yù)警應(yīng)用模塊Fig.5 Application modules of safety management and early warning

3.3 數(shù)字化指揮中心

為使得施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等一系列硬件設(shè)備有效實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)貫通,方艙構(gòu)建了用于傳遞、展示、預(yù)警分析、存儲數(shù)據(jù)等功能于一體的“指揮中心”。指揮中心硬件設(shè)施構(gòu)建基于智慧工地平臺應(yīng)用、操作臺及拼接大屏構(gòu)成。

指揮大屏是智慧工地系統(tǒng)的核心交互窗口,為工程項目管理者提供多種交互模式,實現(xiàn)一張圖進行項目業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)全景查看(見圖6),包含工程概況、工程進度、設(shè)備管理、環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警信息,監(jiān)管人員可以隨時加載相應(yīng)的模塊進行聯(lián)動,查看相關(guān)模塊的詳細信息。工程概況直觀展示項目參與各方及項目重要信息;進度監(jiān)控以條形圖來展現(xiàn)實際進度與計劃進度差距,以便工作人員合理安排工作計劃;設(shè)備統(tǒng)計實時統(tǒng)計現(xiàn)場機械數(shù)量,進行設(shè)備管理;預(yù)警信息將各個功能模塊預(yù)警進行匯總。

圖6 數(shù)字化指揮平臺Fig.6 Digital command platform

3.4 智慧展廳

為了充分展示項目特色,切實做好安全教育工作,移動方艙特別打造了集“品牌文化及項目展示+安全體驗+信息處理”于一體的多功能智慧展廳,既可滿足項目內(nèi)容培訓(xùn)管理,又可以成為項目對外展示的窗口,滿足各方觀摩的需求。展廳提供了標準的展示模塊及豐富的展示模板,內(nèi)容涵蓋項目展示、企業(yè)文化介紹、質(zhì)量安全看板。數(shù)字化智慧展廳通過沉浸交互、增強現(xiàn)實等多媒體和數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用,可以讓參觀者直觀地感受到項目亮點、技術(shù)優(yōu)勢和危險源等內(nèi)容,在打造安全質(zhì)量工程方面發(fā)揮著積極作用,有助于樹立安全意識,提升品牌形象,給企業(yè)帶來更多地正向反饋。

1)VR體驗 基于VR設(shè)備把工地實景映射到虛擬場景中,可以直接體驗高空墜落、腳手架傾斜、火災(zāi)演練等效果。施工人員佩戴VR眼鏡、手握控制手柄,可體驗施工中可能發(fā)生的危險場景,直觀地感受違規(guī)操作帶來的危害,也可以通過虛擬場景模擬,學(xué)習(xí)掌握相應(yīng)的防范知識及應(yīng)急措施,有效避免安全事故。

2)數(shù)字沙盤 采用數(shù)字孿生技術(shù),結(jié)合BIM、物聯(lián)網(wǎng)、AI等,打造出全新的數(shù)字孿生式沙盤,可以實現(xiàn)項目進度、成本、質(zhì)量、安全的控制目標,從而實現(xiàn)工程效果直觀展示,更好地推動工程項目建設(shè)。

4 結(jié)語

本次智慧移動方艙在傳統(tǒng)箱房架構(gòu)設(shè)計上,創(chuàng)新性地以靈活拼接實現(xiàn)工地管理布局應(yīng)用,同時充分利用多種信息化技術(shù),滿足了工地項目智慧管理的需求。移動方艙采用模塊標準化、即裝即用的設(shè)計及實施理念,很大程度上減輕了項目定制化開發(fā)的壓力,縮短了智慧工地應(yīng)用及智慧化展廳上線周期,為項目帶來了良好的使用效果。

與此同時,智慧移動方艙產(chǎn)品依托集成的智慧工地平臺、AI分析、邊緣計算等技術(shù)手段,進而達到以施工安全為核心、智能服務(wù)為特色、數(shù)據(jù)多維度集成共享為標志的智慧工地服務(wù)。平臺的多項應(yīng)用均滿足政府及企業(yè)對智慧工地的建設(shè)要求和評價標準,為企業(yè)及項目創(chuàng)優(yōu)豎立了品牌形象。