基于BIM,的智慧工地在某限制性航道工程中的应用
时间：2023-03-03 14:10:05 来源：千叶帆 本文已影响人
刘鲁祎，郑 松，张京娥，洪 剑，牛作鹏
（1.嘉兴市港航建设开发有限责任公司，浙江嘉兴 314000；
2.嘉兴市港航管理服务中心，浙江嘉兴 314000；
3.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430071）
内河限制性航道工程作为大型综合类基建项目，与其他建筑工程行业在管理层面有很大不同，其水上作业各种复杂工况并存，对施工现场管理深度和维度提出了更高的要求。而智慧工地作为工程建设领域兴起的一种数字化管理手段，以围绕工程项目建设全过程，聚焦于人、机、物、环等关键要素，运用云计算、大数据、物联网、移动互联网、BIM 等软硬件信息技术，可大大提高施工现场的生产效率和管理水平，通过“智慧工地”的建设，可改进传统的施工现场管理工作方法，为项目的各参建单位提供全新的信息共享方式，实现工地的数字化、精细化和智慧化管理。
目前，智慧工地技术在内河限制性航道工程中的应用还处于起步阶段，多以应用GIS 和物联网等技术，将实时位置信息和现场监测数据进行融合，可一定程度上满足智慧化管理要求。本文将依托浙北某内河限制性航道工程，采用BIM、GIS 和物联网等技术提出智慧工地技术架构和技术路线，对项目实施过程中的多源异构数据信息进行感知、收集、传输、转换和分析，实现施工过程关键要素数据的可视化和实时监测预警，可为行业内河限制性航道工程建设管理新模式探索提供参考借鉴。
本文针对浙北某内河限制性航道工程施工管理特点和实际需求，以人员行为、船机设备、环境监测等关键要素作为出发点，采用BIM、GIS 和物联网等技术构建智慧工地集成系统，并统一标准化数据接入端口，在要素模型和生产数据之间建立映射关系，实现依托项目的智慧化管控。
1.1 系统技术架构
智慧工地系统技术架构基于WebGIS 和物联网技术，采用施工现场与项目部管控中心二级架构和云端部署方式。该系统由终端层、通信层、数据层和应用层组成。系统技术架构如图1 所示。
图1 智慧工地系统技术架构
1）终端层
终端层负责实现施工过程数据的采集，通过视频监控设备、定位终端、传感器等物联网设备实现施工现场人员行为数据、环境监测数据及船舶设备定位数据的采集、汇集。
2）通信层
通信层主要包括网络环境和通信协议两部分。由于水上作业离岸网络环境的特殊性，现场终端设备采用统一的局域网络传输，利用有线专线、信号台和无线通信完成终端监控监测数据的传输和调度控制命令的下达。通信协议支持HTTP、FTP 和MQTT 等协议，用于实现终端设备通过互联网进行数据交换及通信，完成施工现场采集数据的传输。
3）数据层
数据层包括BIM 模型、监控监测、位置信息等多源异构数据。数据集成的关键是在不改变各子系统原先数据存储方式的情况下，将各类数据源输出的格式进行统一，数据处理过程遵循统一制定的标准和数据类型对上述两类数据源传输的数据进行去噪、清洗和加工等操作，将有效数据进行集成存储。
4）应用层
应用层基于B/S 架构，用户通过Web 浏览器访问。浏览终端包括PC 端、移动端等，可直观展示人员违规行为和船机设备运行状况，并对船舶动态和水上施工过程进行实时管控。
1.2 技术路线
系统通过WebGIS 的方式调用相对应的物联网设备API 接口获取人员行为、船舶设备、环境监测等数据，经同步集成、数据分析后实现数据可视化展示，并可辅助人员、设备和环境的管理。技术路线如图2 所示。
图2 数据集成技术路线
1.3 技术标准
1）硬件标准
智慧工地建设工作的重点是基于物联网设备进行项目现场感知数据采集、集成，因此需要根据物联网设备型号、规格及功能，确定智慧工地建设所需物联网设备的硬件标准，以避免不同智慧工地项目中同一设备的采购、安装质量偏差较大，导致智慧工地效果存在差异。
（旅行社资质与风险应对能力/旅游合同与保险/导游业务素质与突发事件应对能力重要性：1=完全不严重；
2=不太严重；
3=一般；
4=有点严重；
5=非常严重。）
智慧工地硬件标准主要指物联网设备的数据传输方式和不同设备之间的数据接口接入协议。在智慧工地实际建设过程中，可以根据实际建设情况统一信号转换器和接口接入协议等，将相关物联网设备传输信号转换为统一的数字信号，可减少硬件设备对接工作及成本。
2）数据库标准
智慧工地系统数据库包括视频管理数据库、设备管理数据库、环境监测数据库、人员管理数据库、项目管理数据库和系统管理数据库等。视频管理数据库应包含视频通道配置和工地视频信息数据等；
设备管理数据库应包含设备备案信息、设备监控、预警和设备参数设置数据等；
环境监测数据库包含环境参数预警值配置、环境实时监测统计数据等；
人员管理数据库应包含人员管理、门禁设备管理、人员工时记录数据等；
项目管理数据库应包含项目信息、项目图表、项目资料数据等；
系统管理数据库应包含角色管理、用户管理、地域管理、各参加单位数据信息等。
智慧工地数据库标准应重点从数据存储和数据备份两方面定义，包括视频存储空间配置、视频数据存储时长及覆盖要求等。
3）数据接口标准
智慧工地系统数据接口包括三种类型，即基础服务接口、资源服务接口和管理服务接口。其中，基础服务接口是将资源服务接口和管理服务接口中基础性的操作封装形成的公共接口。这三种接口可实现智慧工地系统平台的发布功能、检索功能和管理功能等。
数据接口标准应包括Web Services 服务实现JSON 业务数据接入的HTTP 协议、数据交换支持的XML、JSON、YAML 等数据格式，及跨语言和跨系统的调用标准等。对于接收到的物联网设备数据转换为标准数据格式进行集成存储、计算分析和可视化展示；
根据物联网设备的型号、规格等制定相应的接入标准，如4G 网络、有线网络、WIFI 等。
智慧工地系统应提供统一的可视化标准和可视化展示方式。智慧工地可视化展示方式包括：PC端监控、移动终端监控和大屏端监控。
5）安全标准
智慧工地系统安全标准应从网络安全、数据安全、安全管理和安全运行机制功能等方面做出规定，包括机房动力、照明及供电安装要求等。
2.1 人员行为
由于施工船舶在水上作业过程中存在船机设备运转引起的现场声音嘈杂、甲板活动空间范围狭小、船上人员视野受限以及现场沟通协调困难等问题，导致船上人员在甲板作业时有一定风险隐患。可通过对作业区域内人员着装和行为实时监测，将人脸信息和行为状态进行识别匹配，对人员行为进行实时监控和分析，实现系统自动预警报警。
2.2 船舶设备
船舶作为内河航道施工主要设备，船舶设备管理也是不可缺少的一部分，是内河航道工程安全施工的重要保障。加强施工设备管理可降低生产成本，提高工作效率，减少工人劳动强度，最重要的是保障项目作业活动的顺利进行。
相比普通水域，靠近航道的施工水域附近往往存在更高的碰撞风险，可应用基于GIS 和GPS 的位置服务技术实现对船舶状态的实时监控，将船舶动态位置信息映射至船舶模型，通过三维可视化方式呈现在电子地图上，并通过设置电子围栏，将场内施工船舶位置信息实时反映至电子地图中，实现对施工船舶的实时管控和预警提醒。
2.3 环境监测
内河限制性航道工程施工场地周边往往存在大量居民区，针对航道工程施工线长、面广的特点，采用基于GIS 的施工环境监测系统对建筑工地固定监测点的扬尘、噪声、气象参数等环境监测数据的采集、存储、加工和统计分析，监测数据和视频图像通过有线或无线方式进行传输到后端平台。可帮助监督部门及时准确的掌握建筑工地的环境质量状况和工程施工过程对环境的影响程度，为生态保护提供环境信息支持和管理决策依据。
本文以浙北某内河限制性航道工程项目为例，对基于BIM 的智慧工地在内河限制性航道工程中的建设及应用进行研究。依托项目起自乍浦闸桥，途径乍浦镇区，终于嘉兴港区和平湖交界处，航道里程5.01 km，改造里程5.67 km，按内河限制性Ⅲ级标准实施，其中水深≥3.2 m（航道沿沿边坡加深至4.0 m），底宽≥45 m，弯曲半径≥280 m。
本文针对内河航道施工作业关键要素，采用BIM、GIS 和物联网等技术构建智慧工地集成系统，如图3 所示。系统统一标准化数据接入端口，在要素模型和生产数据之间建立映射关系，实现对依托工程实施过程中的人员行为、船舶设备及环境监测等多源异构数据信息集成管控，实现了施工全过程的可视化和实时监测预警。
图3 基于BIM 的智慧工地集成系统界面
3.1 人员行为管理
在陆地和水上关键作业区域安装人员行为识别分析系统，对船上作业人员安全行为进行定人、定量统计分析。对水上作业面工人不戴安全帽、不穿救生衣以及在作业过程中离开指定区域、攀高翻越等违规行为进行实时监控预警，并将违规人员与人脸信息进行精准匹配，对违规人员进行量化管理，有效规范了施工人员安全行为。如图4 所示。
图4 人员行为识别
3.2 船舶设备管理
本文通过智慧工地集成系统端对接、集成船舶GPS 定位数据（图5）和BIM 模型数据，并将其存入数据库中以实现不同数据调度共享，参考通航标准、施工标准拟定多维预警模型便捷参数，获取实时船舶GPS 定位数据经过多维预警模型嵌套计算后，将适航区域、安全施工区域（图6）以及预警信息存储至数据库，同时反馈给WebGIS 端，实现信息的BIM 三维场景的展示，呈现给用户实时动态的船舶设备信息，如图7 所示。
图5 数据库中船舶GPS 定位数据
图6 基于BIM 的安全施工区可视化界面
图7 船舶设备管理BIM 界面
3.3 环境监测管理
环境监测管理是建设工程扬尘噪音可视化系统数据监测和报警展示的平台端与监测设备端。通过环境监测设备，对护岸沿线施工现场的气象、扬尘以及噪音等关键参数指标进行24 小时不间断实时监测（图8），并将监测采集到数据进行集中展示并传回至服务器中进行处理，最后接入基于BIM的智慧工地集成系统进行远程展示，从而实现对工程施工现场环境污染监控的远程化、可视化，如图9 所示。
图8 环境监测管理
图9 基于BIM 的环境监测管控
3.4 应用成效
智慧工地技术的研究主要体现在工地的设备和信息系统上，本文通过对BIM、物联网、移动应用等先进技术进行综合应用，实现依托项目施工作业关键要素实时、全面、智能的监控和管理，有效支持了现场作业人员、项目管理者各层协同和管理工作，大大提升现场作业人员的工作效率。
针对内河限制性航道工程水上施工作业，本文基于BIM、GIS 和物联网等信息化手段构建智慧工地集成系统，实现依托项目施工作业关键要素实时、全面、智能的监控和管理，并依托浙北某内河限制性航道工程进行智慧工地技术应用，提升了项目施工管控效率及智能化水平，具有较强的工程应用价值。
目前行业对于智慧工地的研究还主要集中于整体架构设计及关键技术适用性方面，后期智慧工地还需进一步加强大数据、BIM、智能化、云计算、物联网等信息技术的集成和应用，建成一体化监管服务平台，提升建筑业数据资源利用水平和能力。
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