数字建造中的关键技术

文/图 湖南中交京纬信息科技有限公司 刘建华 黄学源 北京中交京纬公路造价技术有限公司 王贵平 魏雄奎

公路工程数字建造是在新一轮科技革命大背景下，数字技术与工程建造系统融合所形成的工程建造创新发展模式。即以BIM为核心，利用人工智能、物联网等现代信息技术，通过规范化建模、全要素感知、网络化分享、可视化认知、高性能计算及智能化决策支持，实现数字链驱动下的工程项目立项策划、规划设计、施(加)工、运维服务的一体化协同，进而促进公路工程价值链提升和产业变革。

公路工程数字建造路径

与制造业相比，公路工程数字建造应走一条以BIM为核心，自上而下形成“面、线、点”，三者同步推进的数字化发展道路。

企业层面的“面”

以管理为驱动、经济效益为核心目的，基于数据集成与管理协同，充分满足企业在项目管理过程中的办公需求，融入PDCA等管理体系，实现企业的集约化经营与科学决策。但企业信息化部署要想在各个项目中得到确切地落实，就要求管理决策吸纳项目全过程、全要素的大量基础数据，并将其作为重要支撑。

项目层面的“线”

项目是驱动，BIM是载体，业务流程是核心。通过技术、生产、业务的综合，实现业务流程高度协同，从而消除项目各方之间的沟通障碍，大幅度提高项目协同办公效率，协助管理人员作出运营决策。但目前，公路工程企业在数字化建设过程中，依然因受到人为采集、录入数据所造成的数据失真、数据滞后，甚至数据缺失影响，依然无法解决数据采集和录入难题。

岗位层面的“点”

以数据为驱动、以工序数字化为核心，打通项目中与人员、机械、材料、法律、环境、安全等密切相关各生产环节间产生出的大量信息和数据，通过物联网等技术手段实现数据微循环，实现工程施工作业整个过程的数据控制和驱动，从而达到管理企业生产经营活动、调节企业生产流程及优化企业生产要素资源的目标，同时在工序流程标准化基础上，形成统一口径的业务管理数据链，使之全力支持工地、项目、企业综合应用与数据分析。

公路工程数字建造目标

工程实体的数字化

通过BIM技术实现工程实体数字化，根据设计、施工、养护等不同阶段的应用需求进行分解与划分，以满足其数据集成与协同的要求。

管理过程的数字化

通过工程管理台账实现进度、成本、质量安全等业务管理过程中的数字化与标准化，形成企业大数据平台，以支撑合同分析以及过程生产管理、指标管理、成本分析和控制等工作。

生产要素的数字化

通过物联网技术实现“人、机、料、法、环、安”等要素的数字化与集成，实现IT与OT端到端灵活组网，打造万物智联的工程互联网网络基座，让数据“上得来”、算力“下得去”。

图1.数字建造工程管理目标

公路工程数字建造关键技术

基于BIM技术的工程管理数据集成与协同

图2.基于BIM技术的公路工程管理模式

BIM是数字建造最合适的信息载体，其真正价值不只局限于可视化呈现，而应成为数字化建设中沟通交流、信息存储、流程管理、工程平台交易的数据集成与管理协同载体，贯穿于公路工程全生命周期。BIM的本质并不只是模型，而是全体参与单位和人员交互、信息交互的一体化办公平台，随着云端建模的应用普及，未来将能够实现工程建设实体与模型间互为映射，即数字孪生。

基于BIM技术的数字建造，可通过平台化方式实现“产业链垂直融合、价值链横向整合、端到端的撮合”，从而打破企业边界、地域边界、阶段边界的限制，进而改变原有产业链割裂、孤立、低效的问题。其最大价值在于数据集成与管理协同，是形成数字建造平台生态新体系的基础。

以安九铁路湖北段BIM协同管理平台整体应用为例，建设方基于BIM模型，通过EBS编码体系，实现了工程管理最小单元与BIM模型的深度融合，以及对图纸、技术资料、质检资料、计划进度、计量信息的动态深度管理。通过BIM模型结合数字化项目管理体系，使建设过程的各项信息动态集成、BIM模型动态更新，为BIM模型的数字交付提供了有力基础。

基于管理台账数字技术的公路工程管理流程化与标准化

图3.基于管理台账数字技术的公路工程管理流程

公路工程管理过程自下而上的数据链就是要以工程管理台账为手段，把施工成本、工艺工法、生产步骤、生产标准等提高到工业级的精细化管理水平，做到任务管理到位，同时以施工计划、工艺工法库、工料机定额库等细化至工序级任务包为基础，在最细单元打通数据微循环，才能真正实现全过程数字化管理闭环。

图4.工程管理台账数字标准化与数字化

以湖南G320湘潭绕城线项目为例，建设方通过建立项目的0#台账、试验台账、测量台账、质检台账、安全台账等各项基础台账数据，确保各参与单位基于工程实际开工情况动态生成各项工作任务，以数据驱动各项工作有序开展，为项目各项工作的协同开展及工期把控提供了有力保障。

基于物联网的数字工地生产要素管控与集成

工地是公路工程建造活动的主要场所，将数字技术与施工工地作业有机结合，构建基于工程物联网数字工地，可以全面、及时、准确地感知工程建造活动的相关要素信息。

物联网是支撑工程建设与工业化、信息化深度融合的基础技术体系，包含硬件、软件、网络、云平台等一系列感知、通信、分析及控制技术。在实施基于物联网技术的数字工地生产要素管控与集成的过程中，通过工程要素泛在感知与连接，能够实现建造工序协同优化、建造环境快速响应、建造资源的合理配置。

因此，依托5G、互联网及物联网传感器等技术，围绕着“人、机、料、法、环、安”六大工程建设生产要素，有效加强企业对工程现场人员、物资、设备的实时管理，实现数据实时自动采集与控制，从而最终可实现终端智能化、感知融合化、连接泛在化、计算边缘化、网络扁平化、服务平台化的数字工地与智慧工地建设。

基于BIM可视化管理平台，山西昔榆高速项目在建设过程中，结合现场的物联网“人、机、料、法、环”等要素，使模型能够在空间环境中快速收集人员动态定位，考勤、机械设备动态定位，油量消耗，以及材料动态过磅和检测等各项信息数据，现场环境信息则通过地理图层，动态显示在可视化管理平台中。通过“BIM+GIS”技术的整合应用，实现了全要素“一张图”管理，从而为各项施工资源的指挥、调度决策提供依据。

基于人工智能的大数据分析与决策

正如马云所说，“人类正从IT时代走向DT时代”，数据逐渐成为企业管理与业务协同的核心。数据能够帮助企业管理者更加敏锐地感知市场变化，更加深刻地洞察到客户与合作伙伴的行为和变化趋势，更加精准地优化企业运营。

作为道路工程建设全面数字化的基础，基于人工智能技术的BIM通过将海量工程信息数据进行多维度分析、处理，挖掘各要素之间的内部联系，形成项目数据库、资源库、知识库，从而实现对管理过程的趋势预测、智能预警、辅助决策、数据赋能。

图5.数字建造下区块链技术应用目标与内容

作为投资、建设、运营的综合大型国有企业，山西路桥集团通过融合各项业务管理子系统的各项分析指标和过程数据，建立了大数据决策指挥平台。该平台不仅能动态反映当前项目的各阶段执行和运行状况，还可结合关键指标作出预警分析，为企业宏观决策和管理提供依据。

基于区块链的数据安全存储与合约管理协同

当前，平台系统的信息安全性与隐私保护问题，逐渐受到公路工程建设企业重视。由于道路工程项目需要多方参与，大家在一个平台系统中协同办公，往往会出现担心数据泄露损害企业利益，而不敢将企业业务和数据信息置于平台系统中的情况。

区块链作为新一代信息通信技术的重要演进，是一种分布式的网络数据管理技术，具有去中心化，以及数据不可篡改、透明可追溯等特性，正成为解决产业链参与方互通互信，打造信用价值网络的重要媒介，未来必将在全球经济复苏和数字经济发展中发挥越来越重要的作用。

不同于传统信息化技术以提高技术效率为主要目标，区块链着重解决信任与验证的问题，将其应用在BIM中，可形成多云跨云BaaS服务、开放联盟链，进而成为公路工程数字建造的重要技术。

基于联盟链，底层采用Conflux技术，将区块链的智能合约技术应用于公路建设的合同管理，将区块链的共识机制应用于公路建设质量监督，将联盟链的隐私保护机制应用于公路工程项目信用评价的共享；基于区块链的去中心化，可建立一个多方信任机制，开展区块链技术在公路建设的过程质量监管中的应用，记录构件的质检、工料机、预制、安装等建造过程各环节数据，实现过程数据传递和可追溯，提升工程建设数据的监管水平。

针对现有工程数据尚不完善的共享机制，开展联盟链的链上数据交换机制，可达到数据共享的目的；再利用区块链的去中心化、不可篡改和多私钥规则等特性，能够建立数据交换的标准，提升工程数据的共享水平。

数字时代的到来，云计算、物联网、移动互联网、大数据、人工智能、BIM等新技术为基本建设领域转型升级带来无限可能，对于中国道路工程企业来说，必须立足国情，遵循工程规律，探索一条适合本地化发展的创新道路。而真正的数字建造不仅局限于数字技术的提升，更是经营理念的转变、建造方式的变革、企业发展的转型以及产业生态的重塑。