分布式物聯(lián)網(wǎng)在智能建造中的應(yīng)用

［摘 要］智能建造是工程建設(shè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要路徑之一，也是賦能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新質(zhì)生產(chǎn)力，隨著智能建造應(yīng)用越來(lái)越廣泛，作為智能建造關(guān)鍵技術(shù)之一的物聯(lián)網(wǎng)也發(fā)揮著重要作用。本文在對(duì)分布式物聯(lián)網(wǎng)的概念、整體架構(gòu)進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)上，分析了其在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警、智能調(diào)度與優(yōu)化、建筑運(yùn)維智能化等智能建造場(chǎng)景中的應(yīng)用情況，旨在促進(jìn)工程項(xiàng)目管理智能化水平的提升。

［關(guān)鍵詞］分布式物聯(lián)網(wǎng)；智能建造；工程項(xiàng)目管理

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2025.05.061

［中圖分類號(hào)］TP315 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］1673-0194（2025）05-0195-03

0" " "引 言

智能建造涵蓋了工程建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等階段，借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)集成，為全生命周期數(shù)字化管理提供支持。隨著工程建設(shè)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型逐步深化，智能建造已成為行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然趨勢(shì)。2020年7月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部（現(xiàn)簡(jiǎn)稱住房城鄉(xiāng)建設(shè)部）等部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》為智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展指明了方向。2023年10月住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《關(guān)于開展工程建設(shè)項(xiàng)目全生命周期數(shù)字化管理改革試點(diǎn)工作的通知》明確指出，“建立工程建設(shè)項(xiàng)目全生命周期數(shù)據(jù)匯聚融合、業(yè)務(wù)協(xié)同的工作機(jī)制，打通工程建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、運(yùn)維全生命周期審批監(jiān)管數(shù)據(jù)鏈條，推動(dòng)管理流程再造、制度重塑，形成可復(fù)制推廣的管理模式、實(shí)施路徑和政策準(zhǔn)體系，為全面推進(jìn)工程建設(shè)項(xiàng)目全生命周期數(shù)字化管理、促進(jìn)工程建設(shè)領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮示范引領(lǐng)作用”。作為智能建造的關(guān)鍵技術(shù)之一，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)感知、數(shù)據(jù)交互和智能化管理，為工程建設(shè)全生命周期的優(yōu)化提供了有力支持[1]。但是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能建造應(yīng)用中面臨物聯(lián)網(wǎng)終端多樣性，應(yīng)用長(zhǎng)尾化和碎片化，設(shè)備管理與通信難，數(shù)據(jù)智能高效采集與交互難等問(wèn)題。因此，為確保智能建造的順利實(shí)施，需要建立一套分布式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)物聯(lián)設(shè)備進(jìn)行安全統(tǒng)一高效的管理，動(dòng)態(tài)調(diào)配資源，提升多通信協(xié)議、多功能場(chǎng)景海量設(shè)備可信連接與管理能力，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目數(shù)字化、智能化管理。

1" " "分布式物聯(lián)網(wǎng)的概念與架構(gòu)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的物聯(lián)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，在智能家居、智慧交通、智慧城市等場(chǎng)景下發(fā)揮重要作用[2]。智能建造作為物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，伴隨物聯(lián)設(shè)備在智能建造中部署應(yīng)用的普及，對(duì)于設(shè)備采集的海量數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理的需求急劇增長(zhǎng)，分布式物聯(lián)網(wǎng)正是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。分布式物聯(lián)網(wǎng)是一套基于云邊協(xié)同分布式邊緣計(jì)算技術(shù)支持海量數(shù)據(jù)運(yùn)算與存儲(chǔ)，支持智能建造全生命周期異構(gòu)設(shè)備的管理和資源協(xié)調(diào)調(diào)度，支持個(gè)性化軟件應(yīng)用程序部署的能夠?qū)崿F(xiàn)海量物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)、任務(wù)統(tǒng)一調(diào)度、安全統(tǒng)一控制的服務(wù)系統(tǒng)[3-5]。

在智能建造領(lǐng)域，應(yīng)用分布式物聯(lián)網(wǎng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析，深入挖掘建造過(guò)程中的潛在問(wèn)題，為決策者提供有力的數(shù)據(jù)支持。設(shè)備統(tǒng)一管理和資源協(xié)調(diào)調(diào)度簡(jiǎn)化了管理工作，提高了建造效率。同時(shí)，個(gè)性化軟件應(yīng)用程序的部署滿足了各種特定需求。而且，在復(fù)雜環(huán)境中，分布式物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)云邊協(xié)同處理展現(xiàn)了強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性，確保建造過(guò)程的安全穩(wěn)定，大大提高了建造的智能化水平。

分布式物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)可以分為基礎(chǔ)層、核心層和應(yīng)用層三個(gè)層級(jí)。

基礎(chǔ)層主要保障物聯(lián)設(shè)備的管理與通信，可支持多種通信協(xié)議，包括但不限于MQTT/CoAP/TCP/HTTP/LwM2M/LoRaWAN等。通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入和管理，并采用多種通信協(xié)議自適應(yīng)的方式將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和交互。

核心層主要由分布式存儲(chǔ)引擎、分布式計(jì)算引擎、應(yīng)用執(zhí)行引擎三部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理和分析，以及數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證和訪問(wèn)控制等內(nèi)容，保護(hù)數(shù)據(jù)的安全和隱私。分布式存儲(chǔ)引擎根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的存儲(chǔ)能力，采用分布式存儲(chǔ)方式，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在離數(shù)據(jù)生成源最近的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中，或?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行備份。分布式計(jì)算引擎利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)算法，結(jié)合基礎(chǔ)層采集傳輸?shù)暮Ａ繑?shù)據(jù)，采用SparkML及Tensorflow等進(jìn)行算法模型的構(gòu)建、訓(xùn)練，生成智能建造業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)模型，如多模態(tài)時(shí)序信息融合的工程進(jìn)度識(shí)別模型、危險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)預(yù)警模型、人群異常聚集檢測(cè)模型等，對(duì)生成的人工智能模型進(jìn)行編排，導(dǎo)出模型API，并通過(guò)應(yīng)用執(zhí)行引擎供應(yīng)用層業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用。

應(yīng)用層是基于核心層的功能，根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景，開發(fā)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。例如，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警、智能調(diào)度與優(yōu)化、建筑運(yùn)維智能化等。這些應(yīng)用可以提供各種智能化的服務(wù)，如安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、能耗管理等。

在分布式物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)中，生態(tài)支持、應(yīng)用編排、應(yīng)用分發(fā)、應(yīng)用安全、資源管理、任務(wù)調(diào)度、遠(yuǎn)程調(diào)用、安全管理等功能貫穿于整個(gè)架構(gòu)，為分布式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的部署和監(jiān)控提供支持（見(jiàn)圖1）。

2" " "分布式物聯(lián)網(wǎng)在智能建造中的應(yīng)用

在工程建設(shè)領(lǐng)域，分布式物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目管理智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)，分布式物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用對(duì)智能建造水平的提升發(fā)揮重要作用，具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。借助分布式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工程項(xiàng)目的實(shí)時(shí)、全面監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并進(jìn)行預(yù)警，還能實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度與優(yōu)化，確保施工流程的高效順暢。此外，該技術(shù)還能顯著提升建筑運(yùn)維的智能化水平，為施工安全和工程質(zhì)量的雙重保障提供有力支持。以下將分別探討這些方面的具體應(yīng)用及其帶來(lái)的益處。

2.1" "實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警

工程項(xiàng)目管理過(guò)程中涉及大量的設(shè)備和人員，安全問(wèn)題至關(guān)重要。通過(guò)分布式物聯(lián)網(wǎng)對(duì)海量異構(gòu)設(shè)備的管理和資源協(xié)調(diào)調(diào)度實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，打破各類物聯(lián)設(shè)備信息孤立不共享的情況，構(gòu)建多元聯(lián)動(dòng)智能化綜合判斷的安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況或潛在的安全隱患，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出預(yù)警，提醒相關(guān)人員及時(shí)處理。這不僅大大提高了施工安全，還降低了因事故造成的損失。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警的典型應(yīng)用場(chǎng)景之一——智能安全監(jiān)控，通過(guò)分布式物聯(lián)網(wǎng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的人員、危險(xiǎn)源、設(shè)備運(yùn)行等各類數(shù)據(jù)信息的采集，綜合分析判斷安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，智能化保障生產(chǎn)安全。例如，在進(jìn)行金屬切割或焊接作業(yè)時(shí)，通過(guò)云邊協(xié)同專用設(shè)備內(nèi)置計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法識(shí)別切割或焊接時(shí)產(chǎn)生的火花，以及在一定范圍內(nèi)的易燃物品，一旦兩者同時(shí)被識(shí)別到，分布式物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)立即發(fā)出警報(bào)信息至相關(guān)人員及遠(yuǎn)程的指揮中心，使相關(guān)人員能夠進(jìn)行及時(shí)的處理，避免出現(xiàn)安全事故。

2.2" "智能調(diào)度與優(yōu)化

傳統(tǒng)的工程施工過(guò)程中，資源調(diào)度往往依賴人工經(jīng)驗(yàn)，效率低下且容易出錯(cuò)。而分布式物聯(lián)網(wǎng)采用云邊協(xié)同的分布式邊緣計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備端的運(yùn)算與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，對(duì)設(shè)備資源進(jìn)行實(shí)時(shí)的高效調(diào)度，解決數(shù)據(jù)的處理與傳輸延遲所帶來(lái)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)，以及數(shù)據(jù)移動(dòng)的成本問(wèn)題。并能夠?qū)崟r(shí)掌握施工進(jìn)度和資源使用情況，進(jìn)而優(yōu)化施工資源調(diào)度。通過(guò)智能化管理，可以實(shí)現(xiàn)工期、成本等方面的優(yōu)化控制，進(jìn)一步提高施工效率和質(zhì)量。

分布式物聯(lián)網(wǎng)的智能調(diào)度與優(yōu)化體現(xiàn)在對(duì)人、機(jī)、料等資源的協(xié)同調(diào)配上。通過(guò)分布式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)物聯(lián)設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與集成，將各類資源信息按照工程進(jìn)度精準(zhǔn)調(diào)配，在相應(yīng)的工程進(jìn)度下，安排合理的工種和數(shù)量，機(jī)械設(shè)備的進(jìn)場(chǎng)時(shí)間，物料采購(gòu)的數(shù)量與時(shí)間等。例如，一旦出現(xiàn)工程進(jìn)度延后的情況，將會(huì)進(jìn)行勞動(dòng)力與計(jì)劃是否偏差、勞動(dòng)力分布情況是否合理、物資庫(kù)存量是否充足、物資消耗強(qiáng)度是否有偏差、機(jī)械運(yùn)行的功效比是否合理、是否有惡劣天氣影響等多角度的綜合分析，有針對(duì)性地采取解決措施，以實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度與優(yōu)化。

2.3" "建筑運(yùn)維智能化

建筑運(yùn)維智能化是分布式物聯(lián)網(wǎng)在建筑運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的又一重要應(yīng)用。在建筑物的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，設(shè)備的維護(hù)和檢修是必不可少的。利用分布式物聯(lián)網(wǎng)與BIM技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和可視化故障預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)智能巡檢等功能，可以大幅提高運(yùn)維效率，降低運(yùn)營(yíng)成本。例如，在工程項(xiàng)目全生命周期，對(duì)運(yùn)維的人力成本投入比較大但安全風(fēng)險(xiǎn)卻并未顯著降低，而應(yīng)用分布式物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術(shù)的結(jié)合，通過(guò)可視化技術(shù)精細(xì)化地展示整體建筑物和局部構(gòu)件的運(yùn)行狀況，將物聯(lián)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析和存儲(chǔ)，并在指揮中心的大屏上實(shí)時(shí)顯示，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障即刻進(jìn)行報(bào)修維護(hù)，以可預(yù)見(jiàn)的方式解決安全隱患，從而大大降低運(yùn)維成本，提升管理效能。

3" " "結(jié) 論

隨著智能建造在工程建設(shè)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，深化分布式物聯(lián)網(wǎng)在智能建造中的應(yīng)用既能解決海量物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備管理的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)設(shè)備統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)、任務(wù)統(tǒng)一調(diào)度、安全統(tǒng)一控制，又能夠有效提升工程質(zhì)量、人員安全、項(xiàng)目管理水平，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目管理智能化。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，分布式物聯(lián)網(wǎng)將在智能建造領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，對(duì)工程建設(shè)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展產(chǎn)生更高的價(jià)值。

主要參考文獻(xiàn)

［1］陳珂，丁烈云. 我國(guó)智能建造關(guān)鍵領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略思考［J］. 中國(guó)工程科學(xué)，2021，23（4）：64-70.

［2］施鑫垚，王靜宇，劉立新. 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下分布式的隱私保護(hù)數(shù)據(jù)聚合方案［J］. 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2024（8）：2026-2033.

［3］陳楠，趙建軍，鐘平，等. 基于云原生的分布式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)架構(gòu)研究［J］. 電信科學(xué)，2022，38（7）：146-156.

［4］李江，曾惟艷，陳桓. 基于區(qū)塊鏈和邊緣計(jì)算的分布式物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)［J］. 電腦編程技巧與維護(hù)，2022（11）：43-46.

［5］魯昌其. 基于區(qū)塊鏈和邊緣計(jì)算的分布式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究［D］. 北京：北京郵電大學(xué)，2021.