移动计算在建筑工程信息管理中的应用研究

陈 远 林基础

(郑州大学土木工程学院,河南郑州 450001)

信息技术(ICT)的发展和广泛利用,使土木工程信息化战略在建筑工程领域被大范围的推广和实施。从工程设计单位到施工单位,甚至再到施工现场办公室,都可以得到信息技术的支持。但是施工现场以纸张为基础的信息交流模式,极大的限制了信息管理和信息处理能力,离“数字化工地”的概念还有很大的距离。

近年来,随着移动计算技术的发展和成熟,使“数字化工地”的实现成为可能。为了让建筑企业和相关领域的研究人员了解和接受这项技术,首先必须对移动计算的概念以及移动计算技术在建筑工程领域的应用做一一介绍,其次要详细分析移动计算技术在建筑工程领域应用的潜力、优势和所面临的挑战,最后要对这一研究领域的发展趋势作出合理的预见。

1 移动计算(Mobile Com puting)的概念

在讨论移动计算技术在建筑工程领域的应用之前,必须对移动计算的概念与定义有一个清楚的阐述。移动计算的概念有三个重要的组成部分:移动计算机,无线网络和移动应用软件[1]。移动计算机是指用户能够在室内或室外并且在移动中使用的计算机,其中包括平板电脑(Tablet PC),掌上电脑(Palmtop),个人数字助理(PDA),可穿戴计算机(Wearable PC)等。无线网络是指包括有线网络以外的所有类型的计算机网络,并且能够为移动中的设备提供接入支持。无线网络包括的类型有:无线广域网(WWAN),无线局域网(WLAN),无线个人局域网(WLAN),和卫星通信等。移动应用软件是指支持移动计算机和无线网络,并且能够对用户所进行的工作过程提供支持的计算机应用软件。

图1给出了一个基于移动计算技术的施工现场信息管理结构。在施工现场,建筑管理人员通过使用各种移动计算机和相应的建筑信息管理软件,包括移动 CAD软件,移动数据采集软件,移动项目管理软件等,通过无线网络与服务器进行实时数据传输。

2 移动计算技术在建筑工程领域的应用

2.1 移动计算技术

图1 基于移动计算技术的建筑信息管理构架

将研究重点集中在移动计算技术的研究可以被称为“技术推动型研究”。这种类型的研究通过对移动计算技术的评估和测试来证明它能够提供什么样的技术支持,从而能够解决什么样的目前存在的建筑信息管理问题。目前对于移动计算技术研究的热点包括:

◦ 移动 IP电话(Mobile IPTelephony)。在施工现场,建筑施工人员通常使用对讲机等传统方法来进行信息交流。而移动 IP电话的出现为增强施工现场信息交流的效率提供了一个很好的选择。Beyh和 Kagioglou[2]设计了一个将移动 IP电话整合到施工工地信息交流系统中的理论模型,并且通过现场测试,探索了使用移动 IP电话所获得的优势。这些优势包括使用一个网络传递所有类型的信息(语音、数据、传真和视频等),提供一个可以运行多种计算机应用软件的平台,降低了语音线路租用费、网络租用费以及其它各种信息技术相关的花费等,提高了施工管理的效率。

◦ 可穿戴计算机(Wearable Computer)。这种计算机是一种小型的可移动计算机,通常被整合到用户所穿工作服上或者捆绑到用户身上。可穿戴计算机集成了许多其它先进技术,包括语音识别系统、无线网络、触摸屏、先进的人机接口技术、头盔式显示器以及手腕键盘等。可穿戴计算机在施工工地通常被用来帮助工程管理人员来检查施工进度、监控工程质量以及解决施工问题[3-4]。

◦ 条形码技术(Bar-coding Technology)。条形码技术是一种自动识别技术,可以增加物品识别和数据获取的效率。一台整合了条码识别器的移动计算机具有强大的数据收集、分析和管理能力,可以融合到施工过程中,提高信息管理的效率。条形码技术在建筑工程领域可以用来管理建筑材料和建筑构件[5],跟踪和管理建筑设备[6],与 PDA相结合增加整个工程项目供应链管理的效率[7]。

◦ 无线感应器技术(Wireless Sensor)。无线感应器是一种小的感应装置,用来感应外部的物理信号。而无线感应器网络是由中心服务器、远程服务器以及多个感应器组成。在建筑工程领域,Lee和 Kang[8]建立了一个使用无线感应器网络的大体积混凝土温度监控系统,用来监控刚浇筑的大体积混凝土。通过对一系列个案的研究,Domdouzis等[9]总结了在施工工地应用无线感应网络的好处,其中包括增加追踪和管理建筑材料和设备的能力、保护施工人员远离危险区域、追踪施工车辆的行径路线、以及合理分配劳动力资源等。

2.2 移动计算系统

除了对技术的关注,更多的研究人员关注整个移动计算系统,包括移动计算机、无线网络以及移动软件的整合,探索将移动计算系统应用到某个具体的建筑过程当中去,或者将移动计算系统整合到现有的信息系统框架中去。目前被应用到工程项目中移动计算系统包括:

◦ 施工现场信息收集系统。由于移动计算技术的可移动及无线传输的特点,用户可以使用移动计算机在施工现场收集数据,并通过无线网络将数据实时传输到服务器终端进行数据分析及处理。例如 SHERPA系统[10],它主要应用移动计算机在施工现场收集桩基工程信息,并通过在工地架设的无线局域网将信息传输到项目数据库,使其它用户可以实时共享数据信息。

◦ 移动建筑信息管理系统。移动建筑信息管理系统主要被用来在施工现场来管理建筑信息。例如 Kimoto等[11]开发的系统包括四个子系统:验收检查子系统、清单索引子系统、定位子系统、以及进度控制子系统。用户可以通过前端的移动计算机输入信息,信息通过无线网络传输到后台的服务器,服务器负责分析数据及输出结果。

◦ 施工现场问题解决系统。施工管理人员在施工现场经常会碰到不可预见的施工问题或施工事故,而对于问题的解决效率和准确性将直接影响到工程项目的实施。而施工现场问题解决系统通过无线计算技术,使施工管理人员可以在施工现场和其他地方的设计人员或专家直接交流,来解决施工现场问题[12]。

◦ 施工验收检查系统。由于移动电脑的灵活性,施工验收检查被认为是移动计算技术潜在的应用领域。Sunkpho等[13]提出,为了给施工检查人员检查工程项目的时候提供有用的和实际性的计算机支持,施工验收检查系统必须了解施工验收的实际背景,系统功能必须符合每一项施工验收项目的要求。施工验收检查系统的设计必须要满足用户的实际需求。

◦ 施工活动移动支持系统。COSMOS[14]系统整合了多种无线网络和移动应用软件,来为施工活动提供支持。此系统在施工工地为用户提供无线局域网支持,而在施工工地与企业总部之间的信息交流则由卫星通信负责传输数据。通过此系统,施工管理人员和技术人员可以在施工现场的任何地方通过移动计算机接入总部服务器,进行信息更新、信息搜索以及信息浏览等。

3 移动计算在建筑工程领域应用的潜力、优势和所面临的挑战

虽然移动计算技术具有改进施工现场信息管理效率的优势,但是移动计算在建筑工程领域的应用潜力并没有被充分发掘,还没有被建筑企业广泛接受。因此研究人员必须清晰辨别和归纳出哪些建筑工程领域适合移动计算技术的应用,以及怎样应用这些技术。

3.1 移动计算在建筑工程领域的应用范围

通过对比同一施工任务使用和不使用移动计算技术的差别,Saidi等[15]辨别出了哪些任务适合应用移动计算技术来管理信息以及哪些任务不适合。总体来说,适合应用移动计算技术的建筑信息管理任务包括获取和阅读文字信息(建筑规范、施工方法、质量要求等),查看小尺寸的设计详图(钢结构中的部件链接图等),输入简单的数据(回答“是/否”的问题、只需要打勾的核对表等),输入表格数据(填写施工安全表格、设备使用表格、建筑材料消耗表格等),通过无线网络传递简单信息等。而不适合应用移动计算技术的领域包括:查看整个 CAD图纸,查看包含复杂数据的文档,需要手工输入大量数据的任务,以及某些危险或复杂施工环境等。

由于整个施工过程非常复杂,而可以使用的移动计算技术又非常多,因此有必要对于一个具体的施工过程指明具体的可以应用的移动计算技术。ARUP研究小组[16]从施工现场信息交流、施工现场数据收集和身份识别三个方面,指出了哪些移动计算技术适用于哪些具体的施工过程。例如,对于设计人员与施工技术人员的信息交流可以应用的移动计算机技术包括 PDA、智能电话、无线广域网等。对于施工现场的设备管理可以使用 PDA、条形码技术、GPS定位技术、平板电脑和无线网络等。

3.2 移动计算在建筑工程领域的应用优势

移动计算技术如果要被广泛的应用到施工工地建筑信息管理当中去,首先要确保投资报酬率(ROI)要超过使用移动计算技术所需软件、硬件和网络的投资总和。Olofsson和 Emborg[17]通过对三个建筑施工任务(设备安装和维护、道路工程和混凝土运输)的调研,分析了每一项任务使用移动计算技术的投资报酬率。他们得出的结论是:通过使用移动计算技术,降低了工程项目的施工时间,能够使相关人员在工地更有效率的使用工程项目信息,增强了施工工作的质量,因此在施工任务中使用移动计算技术的投资报酬率将要大于所有硬件、软件和网络的花费。具体来说,到底移动计算技术应用到施工工地信息管理中能带来什么好处,通过多个个案研究,Bowden等[18]归纳出的移动计算技术的应用优势包括:增强信息管理效率,增强信息管理精确度,降低建筑时间与建筑成本,降低施工错误率,降低事故率,改进工地施工安全性,降低施工浪费,以及增强项目管理人员的判断和决策能力。

3.3 移动计算在建筑工程领域的应用所面临的挑战

尽管移动计算在建筑工程领域的应用领域和优势已经被许多研究人员讨论过,但是移动计算技术要被建筑工程领域广泛接受,还要更进一步研究这种技术应用到建筑工程领域的困难是什么,以及所面临的挑战又是什么。总体来说,在施工现场应用移动计算技术面临的困难包括下面两个方面[19]:

◦ 移动计算机自身的局限性。例如:PDA或手持电脑由于屏幕尺寸有限,在显示设计图纸的时候造成用户很难找到自己所需要的设计信息或设计细节。另外由于施工现场通常是在露天环境中,在太阳光照射下,移动计算机是否有足够的亮度能够显示屏幕上的信息。一般移动计算机处理器的运算功能都非常有限,很难支持高强度的运算要求。最后,由于用户是在移动中使用计算机,这就造成了用户输入数据的困难,在选择输入方法的时候不能够使用普通键盘,需要使用一些特殊的输入设备,例如触摸屏、语音识别技术等。

◦ 建筑工程项目自身的特点。由于建筑工程领域所独有的一些特点,造成了应用移动计算技术的一些困难。例如,施工工地的环境恶劣(露天、灰尘、易受天气影响、移动计算机容易坠落等),非常不适合电子设备在施工现场工作,这就需要移动计算机具有一定的抵抗恶劣环境的防护功能。另外,施工人员的安全性也必须得到保障,这就要求在工地使用移动计算技术的时候要考虑到用户的安全性,使用户能够非常方便地输入信息和获取信息。最后,一个工程项目通常包含有许多建筑单位、私人公司以及各种相关人员等,这就必须考虑在使用移动计算技术的时候,将每个用户的移动终端整合起来,融合到现有的工程项目信息管理系统中去,使所有用户能够协同工作在一个信息平台中。

总体来说,使用移动计算技术的目的是:通过使用移动计算技术使在建筑工地的用户可以得到信息技术的支持,可以远距离的获得所需要的工程项目信息。而要达到这个目标,目前所面临的挑战包括[20]:

◦ 复杂的移动应用软件的开发。由于移动硬件的多样性、无线网络的多样性以及网络协议的多样性,开发移动应用软件必须要考虑兼容性、数据传输标准、信息安全和通用性等因素。这就造成了移动应用软件开发的复杂性。

◦ 辨别用户需求。应用移动计算技术的主要目的是要帮助用户在工地管理信息,移动计算系统的设计首先要了解施工现场信息管理的背景,以及用户的实际需求。

◦ 与现有系统的整合。移动计算技术不应该被孤立的应用到施工过程当中去,而是应该整合到现有的建筑信息管理系统中,使信息可以流动到施工现场,达到信息共享的目的。

◦ 建筑信息内容的适应性。由于大部分移动计算机的屏幕尺寸有限,在显示设计图纸或大量文字的时候会造成用户查看信息的困难。因此在设计移动应用软件的时候,要考虑到移动计算机的特点,使建筑信息根据需要自动调整显示的内容,以适应不同尺寸的计算机屏幕。

◦ 无线网络的选择。目前能够使用的无线网络种类繁多,包括无线局域网(WiFi、IEEE802.11等),无线广域网(3G、GPRS等)。这就要求在开发移动软件的时候,要考虑网络的覆盖范围、网络带宽、网络租费、网络安全等因素,根据需要选择相应的无线网络。

4 移动计算在建筑工程领域的应用研究趋势

移动计算技术是近几年刚刚发展起来新的信息技术,它本身还处于发展阶段,离技术成熟阶段还有很大的距离,因此移动计算技术在建筑领域大规模的应用,还有很长的路要走。通过对目前这一领域研究状况的分析,可以看出这一领域以后的研究趋势包括下面几个方向:

◦ 无线网络的异构。在移动计算的概念中,无线网络(Wireless Network)起到了支持数据传输的关键作用。然而无线网络种类繁多(例如无线个人网 WPAN、无线局域网 WLAN、以及无线广域网WWAN等),标准各异 (IEEE802.11、IEEE802.16、GPRS、UTMS、EDGE、HSUPA等 ),每一种网络的数据传输速率有高有低,网络的覆盖范围从几十平方米(无线局域网 WLAN)到一个城市甚至一个国家(无线广域网 WWAN)。另外由于施工工地的地理位置不同(市区、城郊、郊区等),施工项目的多样性(民用、工厂、道路交通等),施工建筑的多样性(高层、地下等),就造成了为一个移动信息管理系统选择一种或几种无线网络的困难。并且由于各种无线网络覆盖范围的不同,造成了移动计算机只能在一种无线网络的有限范围内获得信息系统的支持,而在不同网络之间的转换,就会产生信息流动的断裂。通过对计算机科学领域无线网络技术发展的跟踪和研究,发现属于第四代移动通信系统(4G)概念中的异构无线网络(HeterogeneousWireless Network)可以将各种无线网络整合起来,在不同的无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线数据服务。这就使建筑人员在一个或多个施工现场,在不同的地理环境中,在不同种类的无线网络覆盖范围之间,获得无缝信息流动的服务成为可能。

◦ 建筑业务流程再造。在建筑领域使用计算机技术并不是孤立的离散的,它需要被整合到不同的建筑业务流程当中去,对建筑领域的信息管理模式提出了一个更高的要求。这就需要改变旧的业务流程,将移动计算技术融入到新的流程当中去,提高整个流程的信息管理自动化程度,提高信息管理的效率,降低信息管理的出错率。

◦ 整合设计和施工。设计和施工是建筑工程项目全生命周期中的两个重要环节,设计阶段不仅需要业主需求的输入,更需要项目施工情况的反馈,这就提出了在项目实施过程中整合设计和施工的要求。整合设计和施工的核心需要施工现场和设计单位之间迅速快捷的信息交流。然而,到目前为止建筑行业却还没有找到合适的方法来解决施工现场和设计单位之间的信息交流问题。在施工现场,施工人员接收和传递的工程项目信息大部分都是以纸张为基础的文件,这种以纸张为基础的信息传递极大的限制了施工工地与设计单位之间信息交换的效率,从而易造成建筑人员对施工现场突发事件反应的延迟以及做出正确决定的困难。移动计算技术的出现,为建筑行业解决设计单位和施工单位之间的信息交流问题,整合设计和施工,提供了很好的解决办法。随着施工人员使用移动计算机,无线网络覆盖整个施工现场,各种移动应用软件的大规模应用,施工人员能够根据自己的需要,在施工工地的任何地方任何时间获取或传递项目设计信息,也使施工人员能够随时与设计人员进行沟通,来解决施工当中遇到的实际问题。这样,在解决了施工现场和设计单位之间信息交流的障碍以后,就能够使设计单位与施工单位紧密联系起来协同工作、共同决策,将设计和施工整合起来。

5 结论

移动计算由移动计算机,无线网络和移动应用软件三个重要部分组成。目前在建筑工程领域对于移动计算技术的研究包括移动 IP电话、可穿戴计算机、条形码技术、无线感应器技术等。将移动计算机、无线网络以及移动软件整合起来,可以解决工程项目具体问题的移动计算机系统有施工现场信息收集系统、移动建筑信息管理系统、施工现场问题解决系统、施工验收检查系统、施工活动移动支持系统等。使用移动计算技术管理施工现场建筑信息,可以增强信息管理效率,增强信息管理精确度,降低建筑时间与建筑成本,降低施工错误率,降低事故率,改进工地施工安全性,降低施工浪费,以及增强项目管理人员的判断和决策能力。目前移动计算技术本身还处于发展阶段,离技术成熟阶段还有很大的距离,将移动计算技术应用到建筑工程领域还需要解决的问题以及以后的研究方向包括无线网络的异构、建筑流程再造和整合设计和施工等。

[1]Rebolj D,Menzel K.Mobile computing in construction(Editorial)[J].Electronic Journal of Information Technology in Construction,2004,(9):281-283

[2]Beyh,S,Kagioglou,M.Construction sites communications towards the integration of IP telephony[J].Electronic Journal of Information Technology in Construction,2004,(9):325-344

[3]Reinhardt J,Garrett J JH.,Scherer,R J.The Prelim inary Design of a Wearable Computer for Supporting Construction Progress Monitoring[C].Internationales,Kolloquium uber die Anwendung der Informatik und der Mathematik in Architektur und Bauwesen,Weimar,Germany,2000

[4]Garrett JH,Sunkpho J.Issues in delivering mobile IT system to field users[C].Proc.Int.Kolloquium usber die Anwendung der Informatik und Mathematik in Architektur und Bauwesen(IKM),Weimar,2000

[5]McCu lloch BG,Luepraser L.2D bar code applications in construction[J].Journal of Construction Engineering and Management,1994,120(4):739-53

[6]Wirt D,ShowalterW E,Crouch G..Integrating permanent equipment tracking with electronic operations andmaintenancemanuals[J].Durability of Building Material and Component 8:Information Technology in Construction,1999,(8):2716-2723

[7]Tserng H P,Dzeng R J.Mobile construction supply chain management using PDA and bar codes[J].Computer-Ai-ded Civil and In frastructure Engineering,2005,20(4):242-264

[8]Lee U K,Kang K I..Mass concrete curing management based on ubiquitous computing[J].Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering,2006,21(2):148-155

[9]Domdouzis K,Anumba C,Thorpe A.Wireless sensor networking in the construction industry imp lementation scenarios[C].Innovation in Architecture,Engineering and Construction,Rotterdam,2005

[10]Ward M J,Thorpe A,Price A D F.SHERPA:Mobile wireless data capture for piling works[J].Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering,2003,18(4):299-312

[11]Kimoto K,Endo K,Iwashita S,Fujiwara M.The application of PDA asmobile computing system on construction management[J].Automation in Construction,2005,14(4),pp.500-511

[12]Magdic A,Rebolj D,Suman N.Effective control of unanticipated on-site events:a pragmatic,human-oriented problem solving approach[J].Electronic Journal of In formation Technology in Construction,2004,9(Special Issue Mobile Computing in Construction),pp.409-418

[13]Sunkpho J,James H,Garrett J.Java Inspection Framework:Developing Field Inspection Support Systems for Civil Systems Inspection[J].Journal of Computing in Civil Engineering,2003,17(4),pp.209-218

[14]Meissner A,Mathes I,Baxevanaki L.The COSMOS Integrated IT solution at railway and motorway construction sites-two case studies[J].Electronic Journal of Information Technology in Construction,2003,8,pp.283-291

[15]Saidi K S,Haas C T,Balli N A.The value of handheld computers in construction[C].International Symposium on Automation and Robotics in Construction,19th(ISARC),Gaithersburg,Maryland,2002

[16]ARUP.Construction Opportunities for Mobile IT(COMIT)[R],2003.

[17]Olofsson T,Emborg M.Feasibility study of field force automation in the swedish construction sector[J].Electronic Journal of Information Technology in Construction,2004,9(Special Issue Mobile Computing in Construction),pp.285-295

[18]Bowden S,Dorr A,Thorpe A,Anumba C.Mobile ICT support for construction p rocess improvement[J].Automation in Construction,2006,15(5),pp.664-676

[19]Saidi K S,Haas C T,Balli N A.The value of handheld computers in construction[C].International Sym posium on Automation and Robotics in Construction,19th(ISARC),Gaithersburg,Maryland,2002

[20]Anumba C,and Obonyo E A.Mobile Communications in Construction-Trends and Prospects[C].Developments in Architecture,Engineering and Construction,Millpress Science Pub lishers,Rotterdam,2003