基于物聯網的智慧工地集成系統構建

張昊天

（香港科技大學工學院，香港 999077）

0 引言

智慧工地是指利用信息技術（例如物聯網、大數據、機器學習等）圍繞工程管理全過程建立相互協作，智能管控的項目信息系統，以此實現工程建設的可視化和智能化管理，提高參建各方交互的效率、清晰度、靈活性和響應速度。

1 基于物聯網的智慧工地集成系統框架

智慧工地集成系統的物聯網架構基于感知層、網絡層和應用層三個層次進行設計搭建，各層采用信息資源共享和協同運行的架構形式。感知層通過各類型的傳感器、RFID標簽及相應的讀寫設備等獲取建筑的有關信息，例如沉降、傾斜、關鍵鋼筋的形變及應力大小。網絡層通過Zigbee、LoRaWAN、NB-IoT等通信技術把物與物從物理上進行連接通信，通信協議則負責設備通過互聯網進行數據交換及通信，建立通信的規則和統一格式，常見的有REST/HTTP、MQTT等。應用層是在各種物聯網通信協議的支持下，對物聯網形成的數據在智慧工地管理平臺上進行分析并反饋到感知層執行特定控制功能，包括控制物與物之間的協同，例如建筑機器人搭接鋼筋；物與環境的自適應，例如根據環境調節混凝土的養護溫度及濕度；人與物的協作，包括塔吊危險預警、基坑沉降預警等。

建立可推廣的智慧工地集成系統，需對各個構件模塊化進行生產。由各個建設項目按照各自需求進行組合拼裝，采用統一架構，統一信息接入輸出端口，對異構的應用數據進行建模，并將其轉化為通用的數據格式；在具有通用數據格式的不同模型間進行數據映射，并建立不同模型間的數據映射關系，實現數據互通；打通與BIM軟件之間的聯系，將關鍵數據進行可視化展示，并分析處理；實現各個智慧工地管理系統間聯動，全面整合系統信息，共享調度各類施工資源。

2 智慧工地布置

智慧工地有別于傳統建筑工地，在建過程中集成了各類先進技術，包括各類傳感器、自動識別裝置、網關、路由器、服務器等設備及軟件技術平臺相關集成設施，以此實現勞務管理數字化，安全監控常規化，資料教育信息化，推動建設工程高質量發展，提高施工現場管理水平。

2.1 勞務管理

在工地增設智能化門禁（見圖1），保障并提高務工人員的積極性、安全性。閘機的設置應當便于安裝，免安裝布線，免終端運維。識別準入采用人臉+超高頻RFID技術保證準確性，能通過重新綁定進行修正；通過“智能網關”，對接各種硬件設備。在基建施工條件下，手工繪制電子考勤區域，通過GPS、藍牙等技術，實現線性工程的移動考勤，并支持在冊工人數、在場工人數、日累計進場數、現場實時人數、現場工人工種分布等分析和統計功能。同時，系統對班組長進行權限設置，方便班組長對工人進行退場、考勤等操作。通過差異化的數據分析，從靜態拓展到項目進展、預測、管控等。建設項目實名制登記流程為：供應商資格預審登記→項目部維護→項目部管理人員維護→管理人員入場登記→分包分供單位維護→勞務班組登記→勞務人員入場登記→勞務人員退場登記。

圖1 智能化門禁

2.2 環境監測管理

建筑在施工過程中，會產生大量粉塵，破壞空氣環境。集成系統可實現對工地的24小時連續自動監測，并上傳到數據平臺。監測數據包括溫度、濕度、風力、噪音、PM2.5、PM10等，同時加入噴淋控制，當檢測到施工現場環境實時值超出許可時，噴淋控制系統自動開啟，對現場環境進行霧化噴淋降塵。本系統可提供對工程建設現場的實時監控，方便項目部、公司、政府進行統一管理與數據調用。

2.3 智慧監控管理

系統的智慧監控可覆蓋工地各個方位，項目管理人員在監控室即可對整個工地狀況進行管理。監控攝像頭宜布置在工地出入口清洗設備處、施工現場、辦公區、生活區大門及工人食堂，物料加工棚，高危作業區域，重點作業面及塔吊上，場區內十字路口等位置，做到場區內監控無盲點，拍攝數據通過互聯網傳輸和統一接口協議上傳到系統平臺，通過RFID技術對違規人員身份信息進行識別，并上傳至企業系統后臺。企業管理人員根據后臺信息對相關人員采取相應的懲罰措施，實現企業對文明施工的智慧管控。

2.4 智慧物資管理

部分施工企業物資管理流程不規范，庫存管理與材料計劃落實不到位，材料短缺而停工的現象時有發生，施工進度計劃無法得到有效的保證，容易造成非常大的建設資源浪費。智慧物資管理利用物聯網技術，在工地物資進場時，即對物料進行分類編碼，稱重計量，并上傳到系統平臺。管理人員通過移動設備點驗，并自動生成電子物資臺賬。工人可通過手機端APP提出領用申請，后臺自動更新庫存臺賬?，F場廢料也可進行統計分析，建立臺賬，對浪費點管理人員、多次浪費人員提供警告標記。

2.5 智慧塔機管理

塔機、升降機由于施工作業面較高，如果發生故障，極易造成群死群傷。通過對塔吊司機實行 IC 卡/人臉識別/指紋識別實名制管理，進行有效監管。在塔機和升降機的使用中，應用物聯網技術，在塔機吊鉤處安置高清攝像頭，以便在塔機操作室實時顯示吊鉤圖像，杜絕盲吊和降低隔山吊安全隱患。安裝重量傳感器，進行智能力矩監控，自動采集每吊重量，在司機室內實時顯示每吊重量，司機隨時可看。每塔均安裝防碰撞監控設備，對塔吊作業狀態（轉角、半徑、塔高等）進行實時監控，塔吊具備智能識別和判斷碰撞危險區域的功能。大臂進入碰撞危險區域時，系統立即開始聲光預警，距離越近，報警越急，及時提醒塔吊司機停止危險方向的操作。

2.6 深基坑支護智能監測

深基坑工程施工事故一旦發生，后果十分嚴重，極易造成大規模傷亡。究其原因，主要是施工方大多數開挖時不按設計工況開挖，或者未及時排水進行超挖，各種安全預控措施不到位。應用各類監測傳感器，對支護進行24小時連續變形監測，防止這一事故的發生。

2.7 BIM集成信息化

BIM 技術可以集成工程項目生命全周期數據，并直觀展示。它是一種基于三維數據建筑模型的建設工程信息集成和管理技術，能夠全方面描述工程特性。運用BIM技術將建設、管理及運維階段的各種建筑參數、結構參數、設備參數等進行一體化整合，并進行可視化3D展示。在初始階段，施工方可利用BIM技術進行虛擬施工演示并優化各項工法步驟，將最終方案進行可視化交底，讓業主方更加直觀地了解；另一方面，利用BIM技術結合物聯網技術實現對勞務、機械、成本、進度、安全、質量等的施工信息集成化管理，并繪制柱狀圖、餅狀圖，3D模型等直觀表達，方便監管者實時3D化查看各類數據。

3 結束語

現階段，基于物聯網的建筑工地智慧化施工仍處于探索與試點應用階段。它的推廣和應用受到很多限制。一是數據交互和系統集成的程度，各類傳感器、各個施工企業采用的數據標準，數據接口規范和傳輸協議各不相同，亟需政府提供標準化的智能建造規范。其次，智慧工地的技術研發，系統平臺建設和設備采購將提供工程的建設成本，一定程度上影響了企業應用物聯網技術的動力。因此，政府對物聯網、施工企業等的補貼模式探索也是十分重要的一項課題。