基于智慧工地标准文本分析的智慧工地内涵及系统架构*

陈 珂，余 璟，张芸菡,3，付赛娅

(1.华中科技大学土木与水利工程学院，湖北 武汉 430074；2.武汉市城市建设投资开发集团有限公司，湖北 武汉 430070；3.四川农业大学建筑与城乡规划学院，四川 成都 611830)

0 引言

加强施工现场管理，降低事故发生频率，提高建筑工程质量，是亟待解决的问题。在此背景下，住房和城乡建设部联合国家发展和改革委员会等13个部门印发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》[1]，大力推进智能设备及物联网技术的研发、制造和应用，全面提升建筑业信息化水平。智慧工地作为智能建造在施工阶段的具体表现，受到学术界和行业关注。

国内外研究人员探索计算机视觉[2]、环境传感器[3]、激光扫描[4]等技术在施工过程中的应用，为构建智慧工地提供方法和技术支撑。Zhou等[5]针对大型建筑项目提出智能施工现场管理模式，并以港珠澳大桥工程为例论证可行性。魏鸿斌等[6]结合智慧工地与边缘云，完成智慧工地在5G通信网络下的场景设想。当前研究多从具体业务着手，运用数字化、智能化技术手段科学规划施工进程、提高施工效率、提升质量安全水平[7]，但尚未明确智慧工地内涵，同时对智慧工地系统架构整体把握不足，影响智慧工地建设效果。

梳理分析现有标准，有助于明确智慧工地内涵及系统关键组件。鉴于此，本研究以我国部分省市、协会已发布的智慧工地标准文本为对象，采用文本分析法，明确智慧工地建设管理内容及要求。在此基础上，建立系统性的智慧工地系统架构，为智慧工地应用与发展提供参考。

表1 地方及协会标准、指南和指引发布情况

1 研究设计

1.1 研究对象

当前，我国尚未发布有关智慧工地的国家标准，因此本研究重点以各省市地方标准及团体标准为对象。通过搜索各级住房和城乡建设部门官方网站相关文件，找到关于智慧工地标准的公告，同时明确区分已发行实施的标准文件和拟定成型的标准征求意见稿，及具备标准规范性作用的相关指南与指引等不同类别文件。在筛选样本的过程中，标准内容服务范围不受限制，关键在于对建造方式智能化起规范和指导作用，如针对智慧工地建设过程中的安监工作、系统平台管理、技术应用等指南。为确保研究结果的严谨性，剔除尚未正式发行的标准文件征求意见稿，最终得到13份相关标准、指南和指引(见表1)。

1.2 分析方法

本研究采用的文本分析法属于无干扰研究，主要以语言、符号为媒介，以文字、符号、图像等为分析对象，根据研究目的进行系统、完备的比较、分析和归纳总结，进而提炼可信的评述性结果[8]。本研究重点梳理总结智慧工地内涵、管理系统等方面，根据不同内容板块，筛选标准文本并提取关键信息，在此基础上针对同一方面的相同点和不同点横向对比不同样本。最后，在全盘把握现有标准的基础上，明确系统架构和应用评价方法。研究内容框架如图1所示。

图1 研究内容框架

2 智慧工地内涵

现有标准文件对智慧工地内涵的诠释方式如下：①将智慧工地定义为“施工过程中应用智慧工地系统或智慧工地现场管理体系的工地”，再通过另起新词条介绍系统平台或管理体系的技术要素和管理内容等，如工地智能基础设施、物联网、建筑信息模型(BIM)等，将智慧工地内涵具体化；②未明确要求智慧工地需要的技术手段，而是提出智慧工地运用信息化智能技术需要达到的管理目标，如实现信息协同分享、决策科学分析等。本研究通过对比分析标准文件，从技术、管理、目标要素方面，归纳智慧工地内涵。

2.1 技术要素

智慧工地的核心是信息技术和建造技术的结合，具体功能的实现离不开信息化技术手段、工具和软件运用，因此智慧工地内涵需强调施工过程中运用的信息技术。不同标准对智慧工地建设要求的技术要素如表2所示。

通过统计智慧工地标准中涉及的技术要素，发现超过一半的标准文本强调智慧工地建设需运用传感技术、人工智能、BIM、互联网、GIS、物联网及大数据等技术，说明各省市地区普遍认同智慧工地建设管理需应用这些技术，即通过应用上述技术改变和升级建造管理方式[9]。

表2 智慧工地技术要素

2.2 管理要素

管理要素指智慧工地智能化应用针对的工程要素对象。管理要素组成是智能建造方式的实质落脚点，不同要素组成给智慧工地的建设内容带来差异，因此智慧工地的内涵与要素组成息息相关。对比不同标准中包含的管理要素，汇总得到不同省市智慧工地建设涵盖的主要内容(见表3)。

表3 智慧工地管理要素

2.3 目标要素

智慧工地的效果和作用，即智慧工地追求的建设目标是智慧工地重要性及推行意义的体现，也是智慧工地内涵的重要组成部分。不同标准文本均对智慧工地的成果提出具体要求，如重庆市地方标准指出，智慧工地应通过现代信息技术形成具有信息化、数字化、网络化、协同化的智能建造工地；河北省地方标准中提到，智慧工地管理系统需要实现“全面感知、泛在互联、安全作业、智能生产、高效协作、智能决策、科学管理”的施工过程。综合各省市的不同表述可知，智慧工地效用的体现离不开施工技术、信息管理、决策分析和风险管控等，尤其是要求数据与施工过程管理决策相结合，实现信息与管理的互联互通，为后续决策管理提供信息化支撑，提高决策科学性，实现管理智慧化。

2.4 内涵实质

在标准文本中，智慧工地的实质是工地还是管理模式的观点不尽相同。其中河北、宁夏等地方标准认为智慧工地的本质是工地，即智慧工地实质上是智慧化的工程建设现场，而北京和吉林等地方标准认为智慧工地是运用信息化手段的实施模式。本研究认为智慧工地不是简单地将部分信息技术应用于传统工地，而是综合运用人工智能、互联网、物联网、大数据等信息化技术手段，建立智慧管理系统，以施工过程高效科学、互联互通、生态环保为目标，在信息化基础上进行人、机、料、法、环、品等要素的智慧化管理模式。

3 智慧工地管理系统建设内容及要求

智慧工地的建设运行离不开智慧工地管理系统的支持。本研究分别归纳总结智慧工地管理系统中的信息基础设施、功能板块、设备要求和数据接口标准，明确智慧工地建设内容及要求。

3.1 信息基础设施

理想的智慧工地应实现数据感知、数据传输和智能决策为一体的信息化管理，因此信息基础设施的完善度是智慧工地建设的重要影响因素[10]。在收集的标准文本中，对智慧工地信息基础设施进行明确要求的共7个标准，包括6个地方标准(依次为湖北、湖南、宁夏、河北、重庆、北京)和CECS标准(见表4)。

表4 智慧工地信息技术设施

根据表4中的数据，信息基础设施主要包括采集设备、处理设备和应用终端。其中，采集设备主要包括各类监测传感器(如扬尘、噪声监测传感器等)，图像、声音采集设备(如视频监控设备、人脸识别设备等)，涉及传感器、计算机视觉和非接触式检测等感知技术；处理设备包括存储传输设备和管控平台，涉及有线、无线和新一代移动通信传输技术及云计算、边缘计算、人工智能等决策技术；应用终端则通过固定/移动终端，对现场进行识别、监测和控制等综合信息处理，并设置语音广播设备和电子屏幕用于信息发布。

表5 主要功能模块与技术要素

3.2 功能模块及相应设施要求

智慧工地标准中划分的“功能板块”描述运用信息技术进行智慧管理的具体应用，对不同建设管理内容需要的软硬件设施提出具体要求。基于对智慧工地信息基础设施的分析，对13份标准样本资料进行编码，共提取9个功能模块和24个关键技术要素及参数要求(见表5)。不同标准文件中功能模块划分虽不完全相同，但核心都是服务智慧工地的建设需求，并始终围绕施工现场的人、机、料、法、环、品等要素，以及信息技术应用中衍生的其他管理内容，如网络设施、系统运行维护等。

3.3 数据接口

智慧工地建设的另一重要内容是将各类功能系统及数据集成在管理平台上，供不同参与方使用。要实现这个目标，就需有相应标准化的数据格式及接口，方便数据对接和传输[11]。同时需建立平台间的对接标准，确定与外部系统平台(如政府监管平台)对接的数据格式，实现项目端与外部系统数据的互联互通。数据接口建设内容如下：①数据内容 至少包括项目基本信息、参建各方信息、BIM模型数据、地理空间数据、人员、设备、物料等施工要素管理信息，以及质量、安全、环境等工程监管数据；数据来源应支持从智慧工地现场采集，由具有权限的后台人员录入和从其他智慧工地管理系统平台共享同步；各类数据内容应具有唯一编码标识；②数据格式 数据交换应支持多种格式的传递，包括JSON，XML，YAML，文本等，符合国家和地方现行相关标准规定与技术要求；③传输方式 支持有线和无线数据传输方式，采用HTTP，Socket，WiFi，蓝牙，ZigBee，UWB等1种或多种通信协议进行网络传输；④系统集成 主要包括系统内部集成和系统外部集成。内部集成指集成管理平台与各子系统数据对接，实现业务互通互联、数据共享；外部集成指由政府监管部门等外部系统平台集成，因此智慧工地硬件设备及软件系统应为外部系统平台提供可访问的接口；集成方式包括URL集成、Iframe集成、Web Service集成和AIP等。

3.4 智慧工地评价机制

为提升智慧工地建设效果，部分标准对智慧工地建设内容提出要求，制定相应评价标准和评定机制。如重庆市标准分为建设方案评价和应用实施评价，其中建设方案评价主要评价项目采取的专项建设措施是否满足标准；应用实施评价针对实施效果进行评估。浙江省结合评价标准与智慧工地管理要素，评分由基本指标、一般指标和优选指标评价得分加权汇总得出。其中基本指标是评价要素必须满足的基本要求，一般指标和优选指标则对建设内容提出细化标准。江苏省将评价指标分为实施内容、项目集成和数据对接等5部分，针对不同管理内容分项打分后汇总得分。北京市在标准评价内容外辅以加分制度，鼓励自主结合项目实际增加其他智慧建设做法。

可以看出，不同标准中的评价方法不尽相同，但均以评分形式进行，关键在于确保评价内容的严谨完整和评价机制的公正，在此基础上还需关注信息技术的创新应用，保证评价内容灵活。

4 智慧工地系统架构与应用评价

智能化设备虽然可充分采集施工现场数据，但缺少完整的体系架构，不仅阻碍有效利用海量数据，且数据将成为用户的负担，无法对实际工程产生效益。本研究在明确智慧工地内涵及系统关键组件的基础上，参考不同标准中的管理系统层级，提出普适性的智慧工地系统架构，如图2所示。

图2 智慧工地系统架构

基础层主要由智慧工地信息基础设施包含的数据采集设备及边缘服务器构成，如监控摄像头、传感器等，具有身份识别、图像声音采集、环境监测、设备运行状态监测等功能，用于工地建设管理过程中捕捉和收集数据，并按照局域网、互联网、物联网的相应通信协议实现数据传递与归集。

平台层具有互联网协作、协同管理、移动互联、物联网接入、BIM、GIS等功能，实现对现场数据的整合、处理及不同业务管理模块的集成运作，为应用层提供应用支撑。

应用层聚焦施工阶段的生产管理工作。根据智慧工地管理系统划分的“功能板块”，如人员管理、机械设备管理、环境监测、视频监控、质量安全管理等，在应用层细分为不同子系统，通过对平台层的衍生分析实现智能决策。

用户层面向使用对象(如施工、监理等参建单位、从业人员、政府监管部门等用户)，展示从数据中得到的决策支持信息。应提供PC端和移动端展现手段，满足用户接入需求，并支持按业务管理范围分级分权限管理。

同时，智慧工地现场管理体系需对接政府综合信息管理平台等外部系统，相关政府监管部门具有对施工现场各要素进行远程监测、管理、统计分析等功能。共享数据应采取分级权限管理，建立安全共享机制，验证数据共享交换过程和对象，确保数据安全存储、传递和应用。另外，智慧工地评价应覆盖完整施工活动全过程，涵盖施工过程中的人、机、料、法、环、品等要素，以不同功能模块下包含的技术设施和管理要求及建造过程的智慧化管理效果为评价指标。同时评估智慧工地接入行业监管系统的数据安全性、合规性等，在实施过程中动态抽查数据真实性、时效性。在注重评价机制严谨客观的同时，保留智慧工地建设单位的施展空间，并采取加分等措施鼓励技术创新。

5 结语

1)智慧工地内涵主要包括技术、管理和目标构成要素，本质是综合运用人工智能、互联网、物联网、大数据等信息化技术手段，对人、机、料、法、环、品等要素进行智慧化管理。

2)智慧工地建设需重点关注系统中的信息基础设施、功能板块及数据接口标准。信息基础设施的完善度是智慧工地建设的重要影响因素，包括采集设备、处理设备和应用终端，涉及感知、传输和决策等关键技术。功能模块描述智慧工地运用信息技术进行智慧管理的具体应用，对不同建设管理内容需要的软硬件设施提出要求，核心内容需围绕施工现场的人、机、料、法、环、品等要素。标准化的数据格式及接口为各类功能系统的集成及数据对接和传输提供方便，建设内容包括数据内容、数据格式、传输方式及系统集成等方面。

基于对智慧工地内涵及管理系统关键组件的识别分析，本研究提出普适性的智慧工地系统架构，包括基础层、平台层、应用层和用户层，并以标准规范体系和信息安全体系作为支撑。