智慧工地集成化综合应用技术研究

崔堃鹏，王 剑，王凤亮，宁占金，王建伟，冷 强

(1. 中国消防救援学院，北京 102201；2. 中国建筑第八工程局有限公司，上海 200112)

建筑工程往往面临规模庞大、安全管理难度大、监管不到位、质量管理范围广、可追溯性差、绿色施工技术手段单一、劳务纠纷多、项目管理软件功能单一、信息孤岛严重、数据价值发掘难等诸多问题，特别是超高层建筑，面临参与方多、信息交互量大、外部接口多、项目管理复杂和协调难度大的问题尤为突出[1-8].

新光大中心，坐落在北京城市副中心的商务核心区，紧邻地铁M6号线和规划R1线通州北关站，俯瞰五大河(大运河、通惠河、温榆河、运潮减河、小中河)交汇之处，也是京杭大运河终点处，相望北京国际环球影城和新市政府所在地，以及运河岸边的千年燃灯佛舍利古佛塔.北京市通州区运河核心区IV-03、05号多功能用地项目属于新光大中心开发核心项目，分别是一座275 m和一座190 m高度的超高层建筑，03地块项目建成后将是通州第一高楼，项目定位为首都副中心发展龙头，北京未来商务枢纽，依托运河核心区景观资源及地铁交通便利，形成地标性城市节点.

为满足社会主义新时代施工现场管理要求，施工过程中采用了云筑智联平台三大项，共计十三个子项目的智慧工地实施项，具体包括：1) 智能监控技术，具体包含子项技术有：群塔作业协同监管应用技术、全景视频实时监控技术、养护室温湿度实时监控技术、人员管理在线监控技术；2) 智慧监测技术，具体包含子项技术有：环境监测及降尘除霾联动应用技术、智能防火监测技术、无线能耗监测及节能控制技术、污水排放监测技术；3) 智慧工地管理技术，具体包含子项技术有：智慧工地智联体系应用技术、VR体验技术、全息体验技术、全景影像技术、智能化自主采购技术.

该综合应用技术开发的智慧工地集成化管理云平台通过利用自主研发的无线物联技术和物联网感知及控制设备对现场各智慧工地子系统数据进行采集和集中管理，可以应用移动端和PC端软件，实现集成化实时监控、管理和展示，并为施工管理提供决策依据；创新应用的施工安全智慧化管理关键技术实现了对吊篮、塔吊等特种设备及火灾、临边洞口等危险源的实时监控、预警，增进安全管理深度，保障安全施工；研究的工程质量智慧化管理关键技术实现了对工程材料及构配件质量管理的可追溯，提升了现场施工质量；研发的绿色施工智慧化管理关键技术降低了施工现场扬尘污染程度、实现了水电管理的精细化，减少浪费，节约了资源；研发的施工人员智慧化管理关键技术实现了施工人员的精益化管控，保障了工程施工安全，提高了工程质量，提升了管理效率[9-11].

1 智能监控技术

1.1 群塔作业协同监管应用技术

塔吊操作室加装了人脸识别装置，非塔吊注册驾驶员是无法启动的，避免了非专业专职人员的误操作.吊臂安装了重量传感器，可以实时监测吊重，计算出大臂各个位置的载重，防止超载.塔吊操作室内在原有硬件基础上增加了传感器和信号回传装置，实现防碰撞、盲区可视化、设备异常报警等诸多功能，项目管理人员通过手机APP就可实时监控塔机司机和塔机的实时运行情况，有异常信息会实时推送报警消息.

相邻塔吊之间实现了数据共享，位置发生干扰时会紧急制动，避免碰撞的发生.塔吊安装了球形摄像机，驾驶室屏幕实时显示吊钩及周围的情况，实现可视化.塔吊顶端安装了风速仪监测风速，超过规定风速阈值后自动报警.

云服务器可以实时记录塔吊运行状态信息来进行监测和报警；通过分析监测数据，可以判断出塔吊司机日常操作行为是否规范，进而给出评判和管理建议.

群塔作业协同监管技术的应用有效实现了塔吊运行状态的远程实时监控，帮助实现了智能塔吊的物联网、数字化的工地管理，很大程度上杜绝了盲吊、隔山吊等违章作业，保证塔机之间高效协同，大大减少了安全隐患.

1.2 施工电梯智能监控技术

在吊笼内安装吊笼人员和超载自动统计系统，实时记录吊笼内人员数量和载重量，防止超载.安装吊笼冲顶限位自动报警系统，吊笼上升到限位点时自动停止运行，施工电梯智能监控技术主要构成如图1所示.吊笼内安装驾驶员身份识别系统，避免闲杂人员进行操作施工电梯，电梯内安装实时数据远程监控，管理人员可以随时掌握电梯运行状况.

图1 施工电梯智能监控技术主要构成Fig.1 The main components of construction elevator intelligent monitoring technology

通过本技术的实施，可以有效监测施工电梯的运行状态，实现了施工电梯的实时监控管理，可以在手机APP、工作站及服务器上随时查看施工电梯的使用情况和设备当前指标，极大的保障了施工电梯的使用安全.

1.3 卸料平台智能监控技术

卸料平台报警系统在原有的卸料平台的基础上加装了传感器、显示器、报警器，当压力超过限定阈值，系统会立即发生报警并推送现场管理人员消息，现场施工人员可以立刻采取措施，消除安全隐患，如图2所示.

图2 卸料平台安全控制系统Fig.2 Unloading platform safety control system

通过本技术的实施，解决了卸料平台超载问题，保障了卸料平台的使用安全，提升效果明显.

1.4 吊篮施工综合监控技术

5A商务办公楼等3项(通州区运河核心区IV-05号多功能用地项目)共包含1栋超高层、1栋配套裙房，裙房部分采用天然地基，基础采用平板式筏基；塔楼部分采用桩筏基础.主楼地上40层，地上结构最高点为173 m，钢结构屋面造型最高点为190 m，地下室一共4层，裙房屋面最高点结构标高25 m，本工程塔楼周长248 m，裙楼周长320 m.装饰施工阶段，塔楼和裙楼均使用吊篮进行外立面的装饰施工，为保证吊篮施工的安全性，本工程引进了吊篮施工监测技术.智能吊篮如图3所示，利用多种传感器、无线通信等设备，实现对吊篮状态的智能监控，包括配重块的监测、超载监测、钢丝绳断股监测、吊笼速度监测、安全锁监测、测距等.主要技术包括如下板块：

数据采集模块：智能吊篮系统内部数据采集模块的设计主要是针对系统架构展开，分别对内含的各模块进行设计，分为总控制器和六大功能模块.

图3 智能吊篮Fig.3 Smart gondola

吊篮配重块质量监测：通过在各个配重块下安装压力传感器，对配重块的重量信息进行采集，通过ZigBee传输，当重量变化范围超过预设范围时，系统会发出警报，及时提醒施工人员及管理人员进行查看，防止出现因配重块重量问题而发生安全事故.

吊笼超载监测：在吊篮的钢丝绳上加装应力传感器，根据钢丝绳的张力情况，换算为重量数据，若出现超载情况，将通过语音报警提醒施工人员已超重，且吊篮暂停电机运作，排除超重隐患后，吊篮才能正常运行.

钢丝绳断股监测：采用基于LC谐振电路，根据不同数目的钢丝在线圈内产生的电感不一样的原理进行设计，监测电路产生14 KHz的监测信号，利用监测钢丝绳的磁性差异进行判断钢丝绳是否存在断股.

安全锁监测：利用RFID技术，当工人进入吊篮RFID发射器进行人数识别，电磁感应锁扣检测施工人员是否扣好安全锁，检查无误后电机才能正常启动.

通讯：现场信息采集器采用CAN BUS通信，通过物联网智能设备采集到的信息整理传输至智联应用体系，形成闭合的管理流程.

通过吊篮施工综合监测技术的实施，有效解决了吊篮配重不足、吊篮超载运输、钢丝绳损坏不易检测、安全锁监测、安全问题反馈困难等技术问题，大大减轻了管理人员的管理难度，保障了吊篮施工的安全.

2 智能监测技术

2.1 环境监测及降尘除霾联动应用技术

环境监测及降尘除霾联动系统由监测系统、数据显示传输系统、环境预警干预系统三部分组成，如图4所示，可对工地现场的温度、湿度、PM2.5、PM10、风力、风向、噪音、有害气体等环境项目进行实时监测并将数据传输至云平台存储分析，该技术由多种传感设备集成，具体包括：设备集成温湿度传感器、PM2.5传感器、PM10传感器、风速传感器等近十几种的感知元件、数据传输模块、摄像头、LED显示屏、中央处理器等设备.联动控制情况是通过以下方法实现的：后台通过对采集到的环境数据进行实时监测采集分析，系统设定评判标准，进行自主判断，如果空气中污染物数值大于智联体系模块中的预设阈值，自动喷淋联动开启.

该技术的实施降低了施工现场扬尘及噪声污染，大大改善了施工工地作业环境.

2.2 智能防火监测技术

防火监测技术主要采取两种措施防止火灾的发生：一是利用能耗监测系统，对办公生活区的用电状态进行实时监测，及时发现不合理的用能状况，对发现的问题进行报警，在紧急状态下切断供电电源；二是利用烟雾和温度传感器对发生的火灾进行报警.

智能防火监测系统由8盘位SVR、硬盘、红外热成像摄像设备、防雷POE和信号传输设备组成.防火测温型红外热成像摄像机通过云平台在设定的预置位置之间不停切换，实现对所有预置位置之间的轮流监视，同时呈现可见光画面和热成像画面.在热成像画面上设置危险温度，一旦监控画面中有超过危险温度的区域，监控就会显示其当时温度并发出警报，从而将火灾扼杀在萌芽状态，如图5所示.

图5 智能防火监控照片Fig.5 Smart fire monitoring photos

在红外热成像监控服务器设置报警温度及自动巡视路线，摄像机会在动在巡视位置中循环巡视，当监视画面中检测到的温度超过设定值时，系统会自动报警提醒相关人员，另外本系统也支持移动端查看情况.

2.3 无线能耗监测及节能控制技术

无线能耗监测及节能控制技术主要是指能耗管理数据化，进行能耗数据分析，包含能耗总量走势分析、历史能耗分析、能耗排名分析、能耗指标分析、单位能耗指标分析、能耗同比对比分析等.通过对数据的对比分析，可以得出水电能源主要消耗的时间、区域、工作性质，风险预警以及故障分析报警.

无线能耗监测及节能控制技术无线传输：采用无线设备采集水电量，分时、分量、分阶段进行智能限电，监测系统如图6所示.

2.4 雨水回收联动屋面智能降温技术

雨水回收及屋面降温智能控制技术是针对工人生活区夏季高温季节炎热的问题，根据屋内温、湿度传感器采集到的数据，利用屋面布置的喷洒降温装置，将收集的雨水经过净化处理后对现场板房屋顶进行智能喷水降温，既能有效的降低屋内温度又可以达到节约水资源的目的[9-10].

图6 监测系统Fig.6 Monitoring System

本技术通过室内布置温度传感器，与屋面喷淋降温系统自成体系，采用智能控制器进行控制，室内温度达到设定温度后，屋面喷淋系统自动工作，达到节能降耗目的；通过智能控制器可以设定喷淋量与喷淋时间，雨水回收系统原理如图7所示.

图7 雨水回收系统原理图Fig.7 Schematic diagram of rainwater recovery system

雨水循环系统增设雨水回收设备，屋面喷淋完全采用雨水，设置雨水循环系统与屋面降温控制系统组合一起，可以实现节水的目的.

2.5 施工人员精准定位技术

工地施工对人员的管理是非常重要的一项工作，劳务管理人员要准确掌握施工人员的工作时间，以作为报酬发放依据；现场管理人员要基本掌握人员的分布，人员的大概位置，避免人员出现在危险的区域，同时也可以间接的反应人员的劳动状态.

对施工人员进行精确定位，可以利用可穿戴设备与布设在工地中检测基站进行通信，利用有源无线测距和无源被动检测技术感知人员的存在位置.利用WSN技术实现对工地内的施工人员进行定位，定位精度小于3 m，系统原理图如图8所示.

通过在建筑物内布设临时感应器感知人员的存在，不但能做到人员的劳动时间考核，而且做到人员的基本位置确定.将感应器数据与闸机系统进行数据整合后，可以将一个人全天的劳动时间以及在工地内的轨迹进行自动统计，増加了人员监控的详细程度，减少了管理难度.

图8 系统原理图Fig.8 System schematic diagram

3 智慧工地管理技术

3.1 无线巡航技术

无线巡航技术是通过设定无人机飞行航线，让无人机采集现场影像资料，用于进度把控、安全隐患监测，工作人员戴上飞行眼镜后，可实现以无人机第一视角去巡视现场[11]，无人机航拍示意如图9所示.该技术主要包括航行路线设定：根据项目特点，设定无人机巡航路线，飞行高度不宜超过最高点20 m；数据传输：利用无人机自带数据传输平台，将拍摄的画面和视频及时传输到终端，可通过查看移动终端对现场状况进行掌握.

图9 无人机航拍示意图Fig.9 Drone aerial photography diagram

通过无线巡航技术的实施，管理人员可以更快的对现场施工进度情况和存在的安全隐患进行掌握，可以更直观的对生活区、办公区及施工现场实时状况进行把控，在第一时间将现场安全隐患进行消除.

3.2 智慧工地智联体系应用技术

智慧工地智联体系应用技术以物联网智能设备监管为核心，制定了统一的物联总线接口标准，采集各智能设备的安全、生产数据，进行实时的监控及管理；该系统可以融合项目施工过程数据，稳步实现了施工过程生产、监控、管理、服务的智慧化，形成智慧工地智联体系，主要体系构成如图10所示.智慧工地智联体系由应用层、云端服务层、网络协议层、感知层(物联网)四大部分组成.通过感知层(物联设备)收集施工现场数据，以项目为单位汇总至网络层，之后由网络层上传至云端层数据库，通过应用层的各种渠道进行展示应用.

图10 智联体系平台系统Fig.10 Intelligent Connected Platform System

感知层主要由各类智能测量元器件构成，由此获取的数据这是整个智联体系的首要一环.

网络层首先通过设定智能设备数据模式标准(模数转换标准)：确定设备的硬件标准，重点需要确定设备的信号传输方式或设备的接入协议；根据实际情况的应用统一信号转接器，智能设备信号传输模式可转换为统一的数字信号来进行处理.然后设定物联总线接入标准(即标准API接口)，对于接收到设备的数据，将转换标准数据格式进行存储、计算和展示.

云端层在云端进行统一管理、集中配置，实现不同功能模块的集成.

应用层实现项目管理可视化，为调度、指挥提供辅助决策.

该技术实施效果主要有：1) 聚焦施工一线生产活动，实现信息化技术与生产工作深度融合，提高施工质量、保障安全、改善环境，提升施工管理信息化、精益化水平；2) 打通信息壁垒、提高各部门协同工作效率；3) 综合分析数据，为领导层科学决策提供依据；4) 解决信息孤岛、管理碎片化，提供高效、便捷的工作环境.

3.3 沉浸式VR体验技术

沉浸式VR体验技术不仅包含常规VR套装，并且利用融合投影技术将VR头盔的3D影像投影到屏幕上，参观者带上普通3D眼镜即可体验各种安全场景，比如高坠、物体打击、逃生、坍塌、灭火等，施工现场可以利用此技术进行安全体验、精装效果体验、三维技术交底等.

沉浸式VR体验技术突破了常规VR只能单人去体验的壁垒，此系统可以让多人同时去体验内置的场景.升级系统的场景端口是具有开放性的，所有基于U3、U4平台的场景，都可以被植入进去.沉浸式VR体验技术的实施，使得多人可以同时进行体验场景，大大提高了安全体验馆的利用率.

3.4 智能化自主采购技术

智能化自主采购技术将无人智能仓库投放于项目施工现场，项目管理人员提前做好采购计划，结合历史数据筛选出适合备货的商品，适时存放在无人仓内，可以根据不同的项目阶段和物料消耗情况及时调整商品种类和库存，不仅可以确保满足客户的紧急采购需求，又能保障现货物料的快速交付，极大提高了物资采购效率.

这种智能化自助采购模式在施工现场的应用，供应商不仅可以提前对采购数据进行分析，调整备货商品种类和数量，采购商还可以通过云筑智仓平台来查看库内可售商品的价格和库存量等详情，自助完成在线下单，并凭借订单二维码进入无人仓内，按照智能提示进行自助的领料，方便快捷地完成订单采购.

通过智能化自主采购技术的实施，降低了采购成本，施工现场可以根据现场需求以销定供、提前备货效率，逐步推动了行业运作模式的变革，实现了高效智能化采购，避免了因材料供应不及时导致工期延误的现象.

4 结论

本研究以建筑施工管理过程控制为研究对象，持续开展研究，将物联网、云计算、大数据及可视化发展产生的新技术、新工艺、新设备应用于施工管理，形成了一整套有助于降低安全隐患，改善施工环境、提升工程质量及管理效率的综合应用新技术.本技术成果成功应用在北京市通州区运河核心区IV-03、05号多功能用地项目，通过三大项，十三子项的综合实施，解决了一系列难题，消除了一系列安全隐患，创造了良好的管理效果和经济效益，有一定的创造性与先进性.智慧工地集成化应用综合技术适用范围广，适用于大多数综合体量较大的工程和超高层建筑工程，适用范围较为广泛.

然而本系统属于集成应用，除自主研发外，必须采用智慧工地服务商的一体化服务，导致一方面专业化程度受限于服务商，另一方面与既有资源和功能重复，因此各系统端口的开放性、兼容性是制约本系统成功实施的重要因素，也是进一步深化研究的方向[12-15].