基于空天地一體化監(jiān)測的道路土方智能化施工服務(wù)平臺

陳維亞， 姜雨田， 彭 剛， 竇全禮， 黎 嬈， 劉 穎

(1. 華中科技大學(xué) a. 土木與水利工程學(xué)院; b. 人工智能與自動化學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2. 山推工程機(jī)械股份有限公司， 山東 濟(jì)寧 272073； 3. 濰柴動力股份有限公司， 山東 濰坊 261061)

在現(xiàn)代化城市建設(shè)與發(fā)展中，道路施工過程中土方工程為基礎(chǔ)環(huán)節(jié)也是工程量最大的環(huán)節(jié)，如何應(yīng)對道路工程信息管理、測量復(fù)雜、土方計算量大、機(jī)械不易管理等問題，做好道路工程土方施工管理工作是當(dāng)下研究熱點之一[1]。

近年來，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+工程建筑”平臺的興起，數(shù)字化、智能化道路土方施工服務(wù)平臺存在著巨大的行業(yè)需求和研究空白，因此能夠針對性解決道路土方施工管理問題的智能化施工服務(wù)平臺尤為重要[2]。目前，不少研究已經(jīng)實現(xiàn)將互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺和智能移動終端結(jié)合，形成施工現(xiàn)場人員等綜合管理[3]。國內(nèi)外研究者為了推進(jìn)建筑工程的發(fā)展，起到引領(lǐng)和示范的作用，進(jìn)行了以BIM(Building Information Modeling)技術(shù)、共性平臺、應(yīng)用示范三個實施層面的技術(shù)研究[4]。季明闡述了道路施工對云計算的體系架構(gòu)和應(yīng)用優(yōu)勢，探討分析基于云服務(wù)的BIM應(yīng)用模式的可行性[5]。目前的研究仍然停留在單一的云平臺系統(tǒng)，本文創(chuàng)新性地將空、天、地進(jìn)行一體化整合應(yīng)用，形成云平臺-指揮邊-機(jī)械端一體化的智能化施工服務(wù)平臺，如圖1所示。

圖1 空天地一體化系統(tǒng)

本文介紹了一種基于空天地一體化的道路土方智能化施工服務(wù)平臺，實現(xiàn)“云平臺-指揮邊-機(jī)械端”一體化的服務(wù)模式，形成將工程基礎(chǔ)信息管理、無人機(jī)掃描三維實景建模與模型輕量化展示、土方量自動計算與結(jié)果可視化、工程機(jī)械改造與升級、優(yōu)化機(jī)械實時定位與監(jiān)測預(yù)警管理等集成的系統(tǒng)化管理界面。該智能化施工服務(wù)平臺不僅能夠形成可視化場景建模提高道路施工管理的交互性，自動精確計算土方量減輕人員工作量，還能夠完成土方無人機(jī)械改造與升級、優(yōu)化機(jī)械實時定位以及監(jiān)測預(yù)警管理，達(dá)到道路土方施工過程可視化、信息化、智能化管理，降低管理成本，提高管理效率。

1 空天地一體化監(jiān)測技術(shù)

“空天地”中的“空”是指利用無人機(jī)這一低空飛行平臺搭載相應(yīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備實現(xiàn)對道路土方施工現(xiàn)場的三維場景建模[6]，“天”是指利用北斗衛(wèi)星對現(xiàn)場施工機(jī)械進(jìn)行定位，“地”是指利用地面指揮車進(jìn)行信息通訊傳輸。利用空天地一體化形成云平臺-指揮邊-機(jī)械端一體化的操作模式，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(以下簡稱北斗系統(tǒng))是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，自主建設(shè)運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠提供全天候、高精度的定位和導(dǎo)航[7]。無人機(jī)系統(tǒng)主要完成通過既定航線的無人機(jī)拍照將地面建筑模型進(jìn)行掃描，形成三維模型。地面指揮機(jī)械通過接收北斗定位系統(tǒng)針對現(xiàn)場施工機(jī)械的位置數(shù)據(jù)，進(jìn)行土方施工機(jī)械的準(zhǔn)確定位，進(jìn)一步將機(jī)械的運行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街悄芑┕し?wù)平臺，空天地一體化系統(tǒng)能夠獲取道路土方施工場地、土方量、施工機(jī)械等信息。

該智能化施工服務(wù)平臺除了完成工程基礎(chǔ)信息管理，還在基于北斗衛(wèi)星和無人機(jī)定位標(biāo)點進(jìn)行無人機(jī)掃描三維實景建模、土方量自動測量，在空、天和地面基站的統(tǒng)一配合下，掌握實時的現(xiàn)場土方施工機(jī)械位置以及運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，達(dá)到工程機(jī)械改造升級、工程機(jī)械定位管理的目的。

2 智能化施工服務(wù)平臺架構(gòu)設(shè)計

2.1 需求設(shè)計

隨著人工智能和5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，利用終端感知獲取數(shù)據(jù)，邊緣進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸控制，云端計算進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的“云-邊-端”系統(tǒng)架構(gòu)模式成為了發(fā)展潮流[8]。根據(jù)道路土方工程施工的特點以及智能化施工的要求，同時為了更好地將場地實景建模、土方計算、機(jī)械改造、機(jī)械定位監(jiān)測預(yù)警等功能需求形成系統(tǒng)化管理界面，本文結(jié)合空天地一體化技術(shù)體系，設(shè)計了一套道路土方工程施工的智能化服務(wù)平臺，充分利用云邊端融合的模式，完成數(shù)據(jù)的規(guī)模化部署，提供更具性價比的服務(wù)。

2.2平臺架構(gòu)設(shè)計

該智能化施工服務(wù)平臺利用云邊端融合的系統(tǒng)架構(gòu)，根據(jù)云計算-邊緣傳輸-終端感知的概念形成云平臺-指揮邊-機(jī)械端一體化的服務(wù)平臺，以現(xiàn)場的土方施工機(jī)械或者無人機(jī)作為終端節(jié)點，安裝在機(jī)械上的傳感器將掃描數(shù)據(jù)或者機(jī)械運行數(shù)據(jù)通過終端的數(shù)據(jù)存儲和傳輸，完成對關(guān)鍵施工場景以及施工步驟的識別和數(shù)據(jù)化輸入，指揮邊可完成機(jī)械終端數(shù)據(jù)的存儲和初步計算，經(jīng)過邊緣計算的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_，充分利用平臺的云計算進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，完成三維實景模型的自動化生成與展示、土方施工工程量計算以及機(jī)械定位信息、運行姿態(tài)信息的獲取，最終將云計算結(jié)果形成的機(jī)械控制指揮信息通過指揮邊的通訊傳輸?shù)浆F(xiàn)場機(jī)械終端，控制機(jī)械行走以及鏟刀運行姿態(tài)，達(dá)到指揮現(xiàn)場施工機(jī)械的目的，如圖2所示。云邊端一體化的系統(tǒng)操作平臺達(dá)到在共享數(shù)據(jù)和智能化服務(wù)的同時，降低價格成本，提高該智能化施工服務(wù)平臺的個性化自然交互能力、邊端計算能力的同時，也擴(kuò)展了智能化平臺云端的規(guī)模化處理。

圖2 平臺架構(gòu)設(shè)計

2.2.1 機(jī)械端

機(jī)械端是道路土方智能化施工服務(wù)平臺系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是感知采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的來源終端。機(jī)械端對應(yīng)空天地一體化系統(tǒng)中的“地”，具體指現(xiàn)場土方施工的機(jī)械，是進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的前提。

機(jī)械端除了提供工程機(jī)械裝備型號、類型等機(jī)械基本信息外，在機(jī)械端配備有深度相機(jī)和激光雷達(dá)等環(huán)境感知融合模塊(見圖3)、設(shè)備運行監(jiān)控與報警模塊、施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控模塊、作業(yè)軌跡跟蹤與控制模塊、定位與障礙物檢測和安全保護(hù)模塊，將采集到的定位信息、設(shè)備運行信息、施工作業(yè)質(zhì)量信息、作業(yè)軌跡信息等機(jī)械數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸接口上傳至指揮邊，并由指揮邊進(jìn)一步傳輸?shù)皆破脚_。

圖3 機(jī)械感知數(shù)據(jù)

此外，機(jī)械端還可以接收云計算平臺通過指揮邊傳輸來的機(jī)械行走控制指令、鏟刀操作指令，及時調(diào)整行走機(jī)構(gòu)參數(shù)、鏟刀姿態(tài)、油氣電水液等其他參數(shù)(見圖4)，進(jìn)行后續(xù)的機(jī)械設(shè)備定位管理與障礙物監(jiān)測和安全保護(hù)、設(shè)備運行監(jiān)控與報警管理、施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控、作業(yè)軌跡跟蹤與控制，達(dá)到監(jiān)控施工機(jī)械的目的。

圖4 機(jī)械控制指令部署

2.2.2 指揮邊

指揮邊是道路土方工程智能化施工服務(wù)平臺中連接機(jī)械端與云平臺的橋梁，主要完成機(jī)械端采集數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，在該智能化施工服務(wù)平臺中具體體現(xiàn)是在無人機(jī)實地掃描采集數(shù)據(jù)形成地形圖和三維模型的基礎(chǔ)上，將通過北斗定位系統(tǒng)與地面機(jī)械端配合獲取到的施工現(xiàn)場土方機(jī)械的位置以及運行姿態(tài)信息，形成地理空間數(shù)據(jù)、技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及動態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過有線以太網(wǎng)和無線WiFi鏈路傳輸?shù)皆朴嬎闫脚_，再將云平臺形成的場景模型、土石方工程量以及機(jī)械定位管理等信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場施工的機(jī)械端，達(dá)到指揮土方施工的目的。

數(shù)據(jù)傳輸與通訊模塊的實現(xiàn)主要通過CAN(Controller Area Network)通訊、TCP/IP通訊兩種方式。TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)通訊方式是將機(jī)械端T-Box板上采集的鏟刀施工數(shù)據(jù)通過Demo程序?qū)?shù)據(jù)上傳至云平臺并存儲，同時也可以查詢云平臺數(shù)據(jù)庫，將云平臺根據(jù)施工任務(wù)形成的鏟刀控制指令等工作信號傳輸至機(jī)械端，指揮控制機(jī)械施工，再將機(jī)械狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋至云平臺，反復(fù)循環(huán)達(dá)到指揮機(jī)械施工的目的。CAN通訊總線除了能夠?qū)崿F(xiàn)TCP/IP通訊的功能，還可以完成機(jī)械端的車載ECU(Electronic Control Unit)上的行走機(jī)構(gòu)、鏟刀機(jī)構(gòu)控制數(shù)據(jù)傳輸，如圖5所示。

圖5 指揮通訊數(shù)據(jù)流圖

2.2.3 云平臺

云平臺是道路土方工程智能化施工服務(wù)平臺的核心，是最終價值體現(xiàn)和功能應(yīng)用展示的窗口。智能化施工服務(wù)平臺利用經(jīng)過完善的算法完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的交換和處理[9]，包含形成場景建模模塊、土石方計算模塊、模型輕量化模塊、工程基礎(chǔ)信息模塊、施工數(shù)據(jù)監(jiān)控預(yù)警模塊，最終形成可視化的系統(tǒng)功能展示圖。

工程基礎(chǔ)信息管理不僅能夠完成工程項目集合、工程項目庫、工程項目地圖、項目機(jī)械信息、項目模型文件管理等工地管理，組織關(guān)系類型管理、組織管理、人員管理、計量單位、數(shù)據(jù)字典、省份城市等基礎(chǔ)信息管理，還可以進(jìn)行工程機(jī)械庫、工程機(jī)械綜合查詢、工程機(jī)械裝備類型、工程機(jī)械裝備型號、電子圍欄、保養(yǎng)預(yù)警等工程機(jī)械管理，如圖6所示。該云平臺的工程基礎(chǔ)信息管理模塊一方面建立工程機(jī)械庫，為施工任務(wù)管理與施工方案智能生成提供數(shù)據(jù)支撐，另一方面通過數(shù)據(jù)接口接受其他模塊的數(shù)據(jù)，從工地、機(jī)械兩個維度對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行管理。

圖6 工程基礎(chǔ)信息管理功能

施工數(shù)據(jù)實時監(jiān)測預(yù)警功能包含設(shè)備運行狀態(tài)報警、施工數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計分析、施工作業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測、施工作業(yè)數(shù)據(jù)計算、施工作業(yè)數(shù)據(jù)查詢，如圖7所示，研究施工數(shù)據(jù)實時檢測預(yù)警方案，實時監(jiān)測工程機(jī)械運行數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)等，并進(jìn)行統(tǒng)計分析，提供智能預(yù)警。

圖7 施工數(shù)據(jù)實時監(jiān)測預(yù)警功能

3 智能化施工服務(wù)平臺應(yīng)用實例

3.1 項目背景

該道路土方智能化施工服務(wù)平臺為山東省某一新建市政道路土方施工提供服務(wù)，全長15 km，其道路路基寬度約為23.5 m。通過應(yīng)用該智能化施工服務(wù)平臺創(chuàng)建自有項目可以完成場景建模展示、土石方計算，進(jìn)行工程項目基礎(chǔ)信息的管理、施工任務(wù)智能化管理、施工方案智能生成、施工數(shù)據(jù)實時監(jiān)測預(yù)警，實現(xiàn)管理過程可視化、信息結(jié)果可查詢，提高施工現(xiàn)場的管理效率。

3.2 功能效果

3.2.1 工程基礎(chǔ)信息一體化管理

道路土方智能化施工服務(wù)平臺中提供了工程基礎(chǔ)信息管理功能，包括工地管理、基礎(chǔ)信息管理、工程機(jī)械管理。工地管理界面通過輸入工程項目名稱等基本信息創(chuàng)建工程項目集合，并建立工程項目庫，將工程項目地圖和項目機(jī)械信息進(jìn)行存儲，方便管理者查詢，如圖8所示?；A(chǔ)信息管理界面主要完成組織類型、人員、組織管理和計量單位、數(shù)據(jù)字典、省份城市的查看，如圖9所示。

圖8 工地管理系統(tǒng)界面

圖9 基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)界面

道路土方智能化施工平臺在此基礎(chǔ)上建立了工程機(jī)械庫，對工程機(jī)械類型、型號查詢等施工機(jī)械信息進(jìn)行管理，實現(xiàn)了工程基礎(chǔ)信息的統(tǒng)一化管理。在全面協(xié)調(diào)可持續(xù)的管理原則上，達(dá)到提取項目有效信息，減少信息處理的工作量，提高管理效率[10]。

3.2.2 三維實景建模與模型輕量化

為了更好地掌握道路施工現(xiàn)場的施工進(jìn)度情況，除了可以利用施工設(shè)計圖紙進(jìn)行BIM三維設(shè)計模型的創(chuàng)建(圖10)，該智能化施工服務(wù)平臺還提供了無人機(jī)進(jìn)行場地掃描(圖11)和三維重建得到的網(wǎng)格模型。首先根據(jù)勘察環(huán)境選擇合適的無人機(jī)，在建模最優(yōu)飛行高度制定建模最優(yōu)航線，調(diào)整重疊率和相機(jī)角度之后，按照操作說明完成場地掃描，并將BIM模型與三維重建模型通過基準(zhǔn)點的更新和迭代，進(jìn)行模型對齊、校對和融合，完成模型的精確匹配，最終形成可視化的場景模型。智能化施工服務(wù)平臺提供的場地實景建模服務(wù)能夠完善建模的準(zhǔn)確度，大大提高了實景建模的精度。

圖10 BIM設(shè)計模型 圖11 無人機(jī)掃描

智能化施工服務(wù)平臺可以將已建立的實景模型使用二次誤差測度(Quadric Error Metrics，QEM)算法對三角網(wǎng)格進(jìn)行簡化，使網(wǎng)格在不丟失精細(xì)度的情況下具有更少的頂點和面，將實景模型簡化15倍，大大降低了模型占用空間，實現(xiàn)模型輕量化，提高交互效率和模型的兼容性，同時實景建模模型的輕量化導(dǎo)出為土方量準(zhǔn)確計算打下了基礎(chǔ)。

3.2.3 土方工程量計算與結(jié)果可視化

對于土方工程量計算復(fù)雜，工作量大等情況，道路土方智能化施工服務(wù)平臺可以實現(xiàn)道路土方工程量自動化計算，保證工程量計算準(zhǔn)確度的同時減輕了人員工作量。在道路土方智能化施工服務(wù)平臺提供的實景建模功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行選定區(qū)域的尺度恢復(fù)，可以將選定區(qū)域的模型轉(zhuǎn)化為點云模式，在匹配的場景模型下，通過斷面法、等高線法和網(wǎng)格法自動進(jìn)行體積差計算，自動完成挖填土方工程量的計算和統(tǒng)計，同時將計算可視化的結(jié)果保存并導(dǎo)出，如圖12所示，為形成土方分布示意圖、土方平衡表、施工方案提供數(shù)據(jù)支持，方便后期進(jìn)行土方調(diào)度。

圖12 土方計算可視化效果

3.2.4 工程機(jī)械改造與升級

利用智能化施工服務(wù)平臺完成了機(jī)械的改造與升級，進(jìn)行了包括T-Box硬件與軟件的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計，如圖13所示，實現(xiàn)CAN通訊與TCP/IP通訊，達(dá)到施工數(shù)據(jù)的正確顯示。智能化平臺在機(jī)械上完成了施工路徑ROS仿真、3D激光雷達(dá)障礙物檢測、深度相機(jī)3D視覺障礙物檢測、高性能計算平臺軟件設(shè)計、完善了無人推土機(jī)行走控制邏輯，實現(xiàn)了無人土方施工機(jī)械的升級。

圖13 機(jī)械T-Box主界面

3.2.5 優(yōu)化機(jī)械定位與監(jiān)測預(yù)警管理

道路土方智能化施工服務(wù)平臺不僅提供建立工程機(jī)械信息庫，對工程機(jī)械裝備類型、型號信息進(jìn)行維護(hù)等機(jī)械管理服務(wù)，實現(xiàn)機(jī)械的系統(tǒng)化分類管理，還優(yōu)化了機(jī)械定位并形成了可視化的變色預(yù)警界面，完成了機(jī)械的監(jiān)測預(yù)警。

道路土方智能化施工服務(wù)平臺的機(jī)械定位功能是在北斗定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用場景三維重建模型，通過機(jī)械端的配合，實現(xiàn)智能化施工服務(wù)平臺從機(jī)械端實時接收回傳的機(jī)械環(huán)境感知、設(shè)備運行監(jiān)控與報警、施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控、作業(yè)軌跡跟蹤與控制、定位與障礙物監(jiān)測和安全保護(hù)等數(shù)據(jù)，完成土方施工中的機(jī)械定位信息獲取與管理以及機(jī)械行走、鏟刀等指令的操控，順利回傳施工任務(wù)數(shù)據(jù)給機(jī)械端。良好地解決了該項目道路土方施工中的機(jī)械定位不明確、機(jī)械進(jìn)場以及工作路徑規(guī)劃等問題，實現(xiàn)了機(jī)械定位，如圖14所示。

圖14 機(jī)械定位系統(tǒng)界面

道路土方智能化施工服務(wù)平臺主要針對道路土方施工中機(jī)械設(shè)備提供管理服務(wù)，能夠接收工程施工機(jī)械實時機(jī)械參數(shù)、位置信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對工程機(jī)械工作狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)、定位信息、報警信息等內(nèi)容的綜合查詢，實現(xiàn)機(jī)械預(yù)警變色，不僅能夠查詢工程機(jī)械報警信息的效果，還使得預(yù)警信號更加醒目直觀(見圖15)，優(yōu)化工程機(jī)械管理，提高管理效率。

圖15 機(jī)械預(yù)警變色系統(tǒng)界面

4 結(jié) 語

為了實現(xiàn)道路工程土方施工的信息化、智能化管理，本文主要針對道路工程土方施工中的重復(fù)性、低效性等問題，設(shè)計了一套基于空天地一體化的道路土方智能化施工服務(wù)平臺，并應(yīng)用于山東某在建道路實際項目中。通過云平臺-指揮邊-機(jī)械端一體化的模式，實現(xiàn)了工程基礎(chǔ)信息管理、三維實景建模及模型的輕量化展示，土方工程量計算及結(jié)果可視化，優(yōu)化了機(jī)械定位與監(jiān)測預(yù)警管理等功能。提升了道路土方施工效率與準(zhǔn)確率，使得整個施工過程更加科學(xué)高效，完成了土方施工的可視化、信息化、智能化管理。