智慧工地集成化綜合應用技術研究

崔堃鵬，王 劍，王鳳亮，寧占金，王建偉，冷 強

(1. 中國消防救援學院，北京 102201；2. 中國建筑第八工程局有限公司，上海 200112)

建筑工程往往面臨規模龐大、安全管理難度大、監管不到位、質量管理范圍廣、可追溯性差、綠色施工技術手段單一、勞務糾紛多、項目管理軟件功能單一、信息孤島嚴重、數據價值發掘難等諸多問題，特別是超高層建筑，面臨參與方多、信息交互量大、外部接口多、項目管理復雜和協調難度大的問題尤為突出[1-8].

新光大中心，坐落在北京城市副中心的商務核心區，緊鄰地鐵M6號線和規劃R1線通州北關站，俯瞰五大河(大運河、通惠河、溫榆河、運潮減河、小中河)交匯之處，也是京杭大運河終點處，相望北京國際環球影城和新市政府所在地，以及運河岸邊的千年燃燈佛舍利古佛塔.北京市通州區運河核心區IV-03、05號多功能用地項目屬于新光大中心開發核心項目，分別是一座275 m和一座190 m高度的超高層建筑，03地塊項目建成后將是通州第一高樓，項目定位為首都副中心發展龍頭，北京未來商務樞紐，依托運河核心區景觀資源及地鐵交通便利，形成地標性城市節點.

為滿足社會主義新時代施工現場管理要求，施工過程中采用了云筑智聯平臺三大項，共計十三個子項目的智慧工地實施項，具體包括：1) 智能監控技術，具體包含子項技術有：群塔作業協同監管應用技術、全景視頻實時監控技術、養護室溫濕度實時監控技術、人員管理在線監控技術；2) 智慧監測技術，具體包含子項技術有：環境監測及降塵除霾聯動應用技術、智能防火監測技術、無線能耗監測及節能控制技術、污水排放監測技術；3) 智慧工地管理技術，具體包含子項技術有：智慧工地智聯體系應用技術、VR體驗技術、全息體驗技術、全景影像技術、智能化自主采購技術.

該綜合應用技術開發的智慧工地集成化管理云平臺通過利用自主研發的無線物聯技術和物聯網感知及控制設備對現場各智慧工地子系統數據進行采集和集中管理，可以應用移動端和PC端軟件，實現集成化實時監控、管理和展示，并為施工管理提供決策依據；創新應用的施工安全智慧化管理關鍵技術實現了對吊籃、塔吊等特種設備及火災、臨邊洞口等危險源的實時監控、預警，增進安全管理深度，保障安全施工；研究的工程質量智慧化管理關鍵技術實現了對工程材料及構配件質量管理的可追溯，提升了現場施工質量；研發的綠色施工智慧化管理關鍵技術降低了施工現場揚塵污染程度、實現了水電管理的精細化，減少浪費，節約了資源；研發的施工人員智慧化管理關鍵技術實現了施工人員的精益化管控，保障了工程施工安全，提高了工程質量，提升了管理效率[9-11].

1 智能監控技術

1.1 群塔作業協同監管應用技術

塔吊操作室加裝了人臉識別裝置，非塔吊注冊駕駛員是無法啟動的，避免了非專業專職人員的誤操作.吊臂安裝了重量傳感器，可以實時監測吊重，計算出大臂各個位置的載重，防止超載.塔吊操作室內在原有硬件基礎上增加了傳感器和信號回傳裝置，實現防碰撞、盲區可視化、設備異常報警等諸多功能，項目管理人員通過手機APP就可實時監控塔機司機和塔機的實時運行情況，有異常信息會實時推送報警消息.

相鄰塔吊之間實現了數據共享，位置發生干擾時會緊急制動，避免碰撞的發生.塔吊安裝了球形攝像機，駕駛室屏幕實時顯示吊鉤及周圍的情況，實現可視化.塔吊頂端安裝了風速儀監測風速，超過規定風速閾值后自動報警.

云服務器可以實時記錄塔吊運行狀態信息來進行監測和報警；通過分析監測數據，可以判斷出塔吊司機日常操作行為是否規范，進而給出評判和管理建議.

群塔作業協同監管技術的應用有效實現了塔吊運行狀態的遠程實時監控，幫助實現了智能塔吊的物聯網、數字化的工地管理，很大程度上杜絕了盲吊、隔山吊等違章作業，保證塔機之間高效協同，大大減少了安全隱患.

1.2 施工電梯智能監控技術

在吊籠內安裝吊籠人員和超載自動統計系統，實時記錄吊籠內人員數量和載重量，防止超載.安裝吊籠沖頂限位自動報警系統，吊籠上升到限位點時自動停止運行，施工電梯智能監控技術主要構成如圖1所示.吊籠內安裝駕駛員身份識別系統，避免閑雜人員進行操作施工電梯，電梯內安裝實時數據遠程監控，管理人員可以隨時掌握電梯運行狀況.

圖1 施工電梯智能監控技術主要構成Fig.1 The main components of construction elevator intelligent monitoring technology

通過本技術的實施，可以有效監測施工電梯的運行狀態，實現了施工電梯的實時監控管理，可以在手機APP、工作站及服務器上隨時查看施工電梯的使用情況和設備當前指標，極大的保障了施工電梯的使用安全.

1.3 卸料平臺智能監控技術

卸料平臺報警系統在原有的卸料平臺的基礎上加裝了傳感器、顯示器、報警器，當壓力超過限定閾值，系統會立即發生報警并推送現場管理人員消息，現場施工人員可以立刻采取措施，消除安全隱患，如圖2所示.

圖2 卸料平臺安全控制系統Fig.2 Unloading platform safety control system

通過本技術的實施，解決了卸料平臺超載問題，保障了卸料平臺的使用安全，提升效果明顯.

1.4 吊籃施工綜合監控技術

5A商務辦公樓等3項(通州區運河核心區IV-05號多功能用地項目)共包含1棟超高層、1棟配套裙房，裙房部分采用天然地基，基礎采用平板式筏基；塔樓部分采用樁筏基礎.主樓地上40層，地上結構最高點為173 m，鋼結構屋面造型最高點為190 m，地下室一共4層，裙房屋面最高點結構標高25 m，本工程塔樓周長248 m，裙樓周長320 m.裝飾施工階段，塔樓和裙樓均使用吊籃進行外立面的裝飾施工，為保證吊籃施工的安全性，本工程引進了吊籃施工監測技術.智能吊籃如圖3所示，利用多種傳感器、無線通信等設備，實現對吊籃狀態的智能監控，包括配重塊的監測、超載監測、鋼絲繩斷股監測、吊籠速度監測、安全鎖監測、測距等.主要技術包括如下板塊：

數據采集模塊：智能吊籃系統內部數據采集模塊的設計主要是針對系統架構展開，分別對內含的各模塊進行設計，分為總控制器和六大功能模塊.

圖3 智能吊籃Fig.3 Smart gondola

吊籃配重塊質量監測：通過在各個配重塊下安裝壓力傳感器，對配重塊的重量信息進行采集，通過ZigBee傳輸，當重量變化范圍超過預設范圍時，系統會發出警報，及時提醒施工人員及管理人員進行查看，防止出現因配重塊重量問題而發生安全事故.

吊籠超載監測：在吊籃的鋼絲繩上加裝應力傳感器，根據鋼絲繩的張力情況，換算為重量數據，若出現超載情況，將通過語音報警提醒施工人員已超重，且吊籃暫停電機運作，排除超重隱患后，吊籃才能正常運行.

鋼絲繩斷股監測：采用基于LC諧振電路，根據不同數目的鋼絲在線圈內產生的電感不一樣的原理進行設計，監測電路產生14 KHz的監測信號，利用監測鋼絲繩的磁性差異進行判斷鋼絲繩是否存在斷股.

安全鎖監測：利用RFID技術，當工人進入吊籃RFID發射器進行人數識別，電磁感應鎖扣檢測施工人員是否扣好安全鎖，檢查無誤后電機才能正常啟動.

通訊：現場信息采集器采用CAN BUS通信，通過物聯網智能設備采集到的信息整理傳輸至智聯應用體系，形成閉合的管理流程.

通過吊籃施工綜合監測技術的實施，有效解決了吊籃配重不足、吊籃超載運輸、鋼絲繩損壞不易檢測、安全鎖監測、安全問題反饋困難等技術問題，大大減輕了管理人員的管理難度，保障了吊籃施工的安全.

2 智能監測技術

2.1 環境監測及降塵除霾聯動應用技術

環境監測及降塵除霾聯動系統由監測系統、數據顯示傳輸系統、環境預警干預系統三部分組成，如圖4所示，可對工地現場的溫度、濕度、PM2.5、PM10、風力、風向、噪音、有害氣體等環境項目進行實時監測并將數據傳輸至云平臺存儲分析，該技術由多種傳感設備集成，具體包括：設備集成溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、PM10傳感器、風速傳感器等近十幾種的感知元件、數據傳輸模塊、攝像頭、LED顯示屏、中央處理器等設備.聯動控制情況是通過以下方法實現的：后臺通過對采集到的環境數據進行實時監測采集分析，系統設定評判標準，進行自主判斷，如果空氣中污染物數值大于智聯體系模塊中的預設閾值，自動噴淋聯動開啟.

該技術的實施降低了施工現場揚塵及噪聲污染，大大改善了施工工地作業環境.

2.2 智能防火監測技術

防火監測技術主要采取兩種措施防止火災的發生：一是利用能耗監測系統，對辦公生活區的用電狀態進行實時監測，及時發現不合理的用能狀況，對發現的問題進行報警，在緊急狀態下切斷供電電源；二是利用煙霧和溫度傳感器對發生的火災進行報警.

智能防火監測系統由8盤位SVR、硬盤、紅外熱成像攝像設備、防雷POE和信號傳輸設備組成.防火測溫型紅外熱成像攝像機通過云平臺在設定的預置位置之間不停切換，實現對所有預置位置之間的輪流監視，同時呈現可見光畫面和熱成像畫面.在熱成像畫面上設置危險溫度，一旦監控畫面中有超過危險溫度的區域，監控就會顯示其當時溫度并發出警報，從而將火災扼殺在萌芽狀態，如圖5所示.

圖5 智能防火監控照片Fig.5 Smart fire monitoring photos

在紅外熱成像監控服務器設置報警溫度及自動巡視路線，攝像機會在動在巡視位置中循環巡視，當監視畫面中檢測到的溫度超過設定值時，系統會自動報警提醒相關人員，另外本系統也支持移動端查看情況.

2.3 無線能耗監測及節能控制技術

無線能耗監測及節能控制技術主要是指能耗管理數據化，進行能耗數據分析，包含能耗總量走勢分析、歷史能耗分析、能耗排名分析、能耗指標分析、單位能耗指標分析、能耗同比對比分析等.通過對數據的對比分析，可以得出水電能源主要消耗的時間、區域、工作性質，風險預警以及故障分析報警.

無線能耗監測及節能控制技術無線傳輸：采用無線設備采集水電量，分時、分量、分階段進行智能限電，監測系統如圖6所示.

2.4 雨水回收聯動屋面智能降溫技術

雨水回收及屋面降溫智能控制技術是針對工人生活區夏季高溫季節炎熱的問題，根據屋內溫、濕度傳感器采集到的數據，利用屋面布置的噴灑降溫裝置，將收集的雨水經過凈化處理后對現場板房屋頂進行智能噴水降溫，既能有效的降低屋內溫度又可以達到節約水資源的目的[9-10].

圖6 監測系統Fig.6 Monitoring System

本技術通過室內布置溫度傳感器，與屋面噴淋降溫系統自成體系，采用智能控制器進行控制，室內溫度達到設定溫度后，屋面噴淋系統自動工作，達到節能降耗目的；通過智能控制器可以設定噴淋量與噴淋時間，雨水回收系統原理如圖7所示.

圖7 雨水回收系統原理圖Fig.7 Schematic diagram of rainwater recovery system

雨水循環系統增設雨水回收設備，屋面噴淋完全采用雨水，設置雨水循環系統與屋面降溫控制系統組合一起，可以實現節水的目的.

2.5 施工人員精準定位技術

工地施工對人員的管理是非常重要的一項工作，勞務管理人員要準確掌握施工人員的工作時間，以作為報酬發放依據；現場管理人員要基本掌握人員的分布，人員的大概位置，避免人員出現在危險的區域，同時也可以間接的反應人員的勞動狀態.

對施工人員進行精確定位，可以利用可穿戴設備與布設在工地中檢測基站進行通信，利用有源無線測距和無源被動檢測技術感知人員的存在位置.利用WSN技術實現對工地內的施工人員進行定位，定位精度小于3 m，系統原理圖如圖8所示.

通過在建筑物內布設臨時感應器感知人員的存在，不但能做到人員的勞動時間考核，而且做到人員的基本位置確定.將感應器數據與閘機系統進行數據整合后，可以將一個人全天的勞動時間以及在工地內的軌跡進行自動統計，増加了人員監控的詳細程度，減少了管理難度.

圖8 系統原理圖Fig.8 System schematic diagram

3 智慧工地管理技術

3.1 無線巡航技術

無線巡航技術是通過設定無人機飛行航線，讓無人機采集現場影像資料，用于進度把控、安全隱患監測，工作人員戴上飛行眼鏡后，可實現以無人機第一視角去巡視現場[11]，無人機航拍示意如圖9所示.該技術主要包括航行路線設定：根據項目特點，設定無人機巡航路線，飛行高度不宜超過最高點20 m；數據傳輸：利用無人機自帶數據傳輸平臺，將拍攝的畫面和視頻及時傳輸到終端，可通過查看移動終端對現場狀況進行掌握.

圖9 無人機航拍示意圖Fig.9 Drone aerial photography diagram

通過無線巡航技術的實施，管理人員可以更快的對現場施工進度情況和存在的安全隱患進行掌握，可以更直觀的對生活區、辦公區及施工現場實時狀況進行把控，在第一時間將現場安全隱患進行消除.

3.2 智慧工地智聯體系應用技術

智慧工地智聯體系應用技術以物聯網智能設備監管為核心，制定了統一的物聯總線接口標準，采集各智能設備的安全、生產數據，進行實時的監控及管理；該系統可以融合項目施工過程數據，穩步實現了施工過程生產、監控、管理、服務的智慧化，形成智慧工地智聯體系，主要體系構成如圖10所示.智慧工地智聯體系由應用層、云端服務層、網絡協議層、感知層(物聯網)四大部分組成.通過感知層(物聯設備)收集施工現場數據，以項目為單位匯總至網絡層，之后由網絡層上傳至云端層數據庫，通過應用層的各種渠道進行展示應用.

圖10 智聯體系平臺系統Fig.10 Intelligent Connected Platform System

感知層主要由各類智能測量元器件構成，由此獲取的數據這是整個智聯體系的首要一環.

網絡層首先通過設定智能設備數據模式標準(模數轉換標準)：確定設備的硬件標準，重點需要確定設備的信號傳輸方式或設備的接入協議；根據實際情況的應用統一信號轉接器，智能設備信號傳輸模式可轉換為統一的數字信號來進行處理.然后設定物聯總線接入標準(即標準API接口)，對于接收到設備的數據，將轉換標準數據格式進行存儲、計算和展示.

云端層在云端進行統一管理、集中配置，實現不同功能模塊的集成.

應用層實現項目管理可視化，為調度、指揮提供輔助決策.

該技術實施效果主要有：1) 聚焦施工一線生產活動，實現信息化技術與生產工作深度融合，提高施工質量、保障安全、改善環境，提升施工管理信息化、精益化水平；2) 打通信息壁壘、提高各部門協同工作效率；3) 綜合分析數據，為領導層科學決策提供依據；4) 解決信息孤島、管理碎片化，提供高效、便捷的工作環境.

3.3 沉浸式VR體驗技術

沉浸式VR體驗技術不僅包含常規VR套裝，并且利用融合投影技術將VR頭盔的3D影像投影到屏幕上，參觀者帶上普通3D眼鏡即可體驗各種安全場景，比如高墜、物體打擊、逃生、坍塌、滅火等，施工現場可以利用此技術進行安全體驗、精裝效果體驗、三維技術交底等.

沉浸式VR體驗技術突破了常規VR只能單人去體驗的壁壘，此系統可以讓多人同時去體驗內置的場景.升級系統的場景端口是具有開放性的，所有基于U3、U4平臺的場景，都可以被植入進去.沉浸式VR體驗技術的實施，使得多人可以同時進行體驗場景，大大提高了安全體驗館的利用率.

3.4 智能化自主采購技術

智能化自主采購技術將無人智能倉庫投放于項目施工現場，項目管理人員提前做好采購計劃，結合歷史數據篩選出適合備貨的商品，適時存放在無人倉內，可以根據不同的項目階段和物料消耗情況及時調整商品種類和庫存，不僅可以確保滿足客戶的緊急采購需求，又能保障現貨物料的快速交付，極大提高了物資采購效率.

這種智能化自助采購模式在施工現場的應用，供應商不僅可以提前對采購數據進行分析，調整備貨商品種類和數量，采購商還可以通過云筑智倉平臺來查看庫內可售商品的價格和庫存量等詳情，自助完成在線下單，并憑借訂單二維碼進入無人倉內，按照智能提示進行自助的領料，方便快捷地完成訂單采購.

通過智能化自主采購技術的實施，降低了采購成本，施工現場可以根據現場需求以銷定供、提前備貨效率，逐步推動了行業運作模式的變革，實現了高效智能化采購，避免了因材料供應不及時導致工期延誤的現象.

4 結論

本研究以建筑施工管理過程控制為研究對象，持續開展研究，將物聯網、云計算、大數據及可視化發展產生的新技術、新工藝、新設備應用于施工管理，形成了一整套有助于降低安全隱患，改善施工環境、提升工程質量及管理效率的綜合應用新技術.本技術成果成功應用在北京市通州區運河核心區IV-03、05號多功能用地項目，通過三大項，十三子項的綜合實施，解決了一系列難題，消除了一系列安全隱患，創造了良好的管理效果和經濟效益，有一定的創造性與先進性.智慧工地集成化應用綜合技術適用范圍廣，適用于大多數綜合體量較大的工程和超高層建筑工程，適用范圍較為廣泛.

然而本系統屬于集成應用，除自主研發外，必須采用智慧工地服務商的一體化服務，導致一方面專業化程度受限于服務商，另一方面與既有資源和功能重復，因此各系統端口的開放性、兼容性是制約本系統成功實施的重要因素，也是進一步深化研究的方向[12-15].