BIM、AR等辅助技术在建筑工程机械自动化中的运用

丁灵华

摘要： 自动化技术对推进人类的进步、发展起到了一个助推作用，而建设工程中的机械自动化，从经济和安全的角度上看效益是非常大的。我国在实现工程机械自动化的道路上，是一个漫长的过程。要想实现工程机械全面的自动化，对科学技术游刃有余的运用是很有必要的。本文在阐述我国工程机械自动化现状后，对现有的科学辅助技术进行解释，如BIM（Building Information Modeling）、AR（Augmented Reality），最后将科学辅助技术应用在机械工程中，提高施工现场安全性能、生产效率，为提供更优的生产环境以及工程领域全面自动化规划蓝图。

Abstract： Automation technology has played a boost role in promoting the progress and development of mankind. In the construction automation of machinery， the benefit is very large from an economic and safety point of view. China has a long process in realizing the automation of construction machinery. In order to achieve full automation of construction machinery， it is necessary to make the best use of science and technology. After elaborating the current situation of construction machinery automation in our country， this paper explains the existing science aided technologies such as Building Information Modeling （BIM） and AR （Augmented Reality）， and finally applies the science aided technology in mechanical engineering to improve the safety performance and production efficiency of the construction site， so as to provide a better production environment and a comprehensive automation project planning blueprint.

关键词： BIM、AR技术；工程机械；可持续发展；自动化

Key words： BIM，AR technology；engineering machinery；sustainable development；automation

中图分类号：TU17 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）12-0148-03

0 引言

随着科学技术不断在建筑产业中的运用，我国建筑工程机械自动化程度越来越高。随着社会日益增长的物质需求以及精神需求，传统大量手工式生产、监测存在很大的弊端，所以人们对机械在建筑工程中的自动化要求也随之增长。在未来的大背景下，先新的科学技术会潜在替代大量的人工，将是以工程机械更加智能的方式体现。

自动化技术可以有效促进建筑工程产业的生产，但也需要根據各类机械的特性，有针对性地融入相应的科学技术[1]。进而要对科学技术尽可能全面的了解，使得在工程机械的运用上游刃有余。当前BIM技术在建筑工程中掀起了一股热潮，经过大量的时间检验，将来的建设工程都将会运用BIM。还有诸如RFID（射频识别技术）、AR（增强现实）等技术的运用在后文详细提及。

当前自动化技术实现的较大瓶颈是技术和设备的集成。由于最终的系统包含的内容繁杂，使得创建系统的过程也繁杂。就我国施工机械当前现状而言，我们需要做的就是在施工现场将现有且适用的科学技术合理的运用在运转的机械中。机械自动化技术的成熟运用，不仅可以减少人员伤亡事件，也能给生产者带来较好的收益，所以必须要不断地完善和改进才能提高自动化技术在工程机械中的广泛运用。

1 我国工程机械自动化技术的运用及存在的问题

相较国外工程机械自动化技术的运用，我国还处于追赶阶段。但还是稍许有些较成熟的应用，如Liu将各种设备传感器放置在压实机上，并通过无线通讯技术，实时检测天津某条公路的压实度，取得了较好的监测效果[2]。我国在工程机械发展过程中困难重重，遇到的问题也较多，实际得出较理想的结果也是在数次实验下的结果，此道路任重而道远。

1.1 我国工程机械技术的应用

作为发展中国家的我国，大部分企业已经实现了自动化生产模式，不同的企业自动化程度有所不同[3]。而工程机械自动化技术仍处于底层，可知我国还处于最初级的发展阶段，但另一方面反应出具有较大的发展空间。机械自动化技术包括集成自动化和智能自动化[4]。集成自动化主要的目的在于提高机械生产的效率，从而增强集成功能。智能自动化技术的核心是人工智能和神经网络，目前利用深度学习较为普遍。其主要的作用是降低了人力，提高了整体的生产力，能够较好地应对临时问题。而自动化技术在工程机械中的呈现形式，则有检测、预警等功能。智能自动化技术将会成为工程机械未来的发展趋势，所以必须要加强对智能自动化技术的开发和利用。总的来说工程领域自动化的应用，多是借鉴了其他交叉学科的基础知识，在建设工程安全方面起到了巨大的作用，使看不见的盲区转化为看得见可控制的形式。

1.2 我国工程机械存在的问题

若工程机械没有和自动化技术相结合，则显得生产方式非常单一：由人控制机械，一切的生产安全问题都要由人去考虑，在工作时精神必须绷紧。从整体的角度考虑，这种情况实际上花费成本更高，将以工人更长的休息时间作为代价。单用机械进行工作，工艺流程显得有些枯燥，相对而言效率也较为低下。要想改变机械只是机械这个认知，必须增加智能因素，而拥有了智能因素后，机械将被赋予更沉重的使命。

即使有现成的技术运用在工程机械中，人才是机械工程发展的关键。在发展机械自动化技术的同时，也要培养相应的技术运用者以及管理者。教育环节的缺失造成理论与实践之间的产生脱离，高校在工程机械自动化领域培养的人才较少，导致我国自动化技术和管理高级人才不多。但在应用过程中依然存在诸多问题。首先资金研发的趋向在机械自动化领域还是较少的，开发人员虚有其名，造成信息化、自动化技术在我国工程领域是一种概念。在自动化技术研讨这个方面，虽然现有的技术很多，但多停留在概念阶段，没有拿的出手的科技高水平的成果，研究水平仍然有一定限制。

2 现有科学辅助技术

2.1 AR技术

AR（现实增强技术），是一种将现实体现在计算机并进行交流互动的技术，主要强调实时校准两个场景的目标位置[5]。AR技术具有三维立体展示功能，可以让使用者直观地看到真实物体的构造，也可以进行360度观看。例如在比较深层的位置，用实物工具测量较困难，则可以运用AR技术比较构件安装的位置偏差大小是否满足要求。谭嫄嫄看到智能手机发展快速的趋势，将AR技术开发成手机APP应用，为文物做一个展示移动平台[6]。AR还具有跟踪定位与标定技术，可以对位置与方位进行检测，将数据回馈给主控制器，从而实现跟踪对象现实坐标与虚拟世界中的坐标对应。AR在工业机械上的应用，可以弥补虚拟现实的一些不足，使其可以通过显示设备在真实环境中评审、仿真、分析产品模型。

2.2 单目摄像

单目摄像相对于双目较为简便，但是精度也较低。单目摄像技术的基理是图像预处理，初步得到有用信息。再利用形态学的一些知识要点，进而达到研究成果。测量图像中点与点之间的距离是当前较简单的研究，首先利用单目摄影机拍摄所要的图像，利用数学形态学方法进行图像预处理，再利用图像特征提取技术得到实际中所要求的距离。这一系列的处理过程，可通过编程实现。周剑等人提出了一种单目运动摄像机对点状运动物体的三维定位方法[7]。较为简单的方式是在机械相对驾驶位的盲区放置单目摄像机，测量物体与物体之间的距离，提出预警，从而避免碰撞。在建设工程中对单目摄像的要求不是很高，刚入门的技术就可以解决工程领域较深层次的问题，所以对建筑行业从事者来说性价比是很高的。

2.3 BIM模型

BIM（建筑信息模型）为项目的建成提供了无限的想象空间。对于工程机械设备来说，BIM可作为一个简单的辅助工具，在道路上检测竣工验收情况。BIM把设计者脑中的数据、图片、文字三维化，使后面的工作的成果先前展示。BIM本身是由许多的信息化管理工具集成的，不是简单地将数字进行集成，而是对数字信息的应用。在对BIM有这些认知后，可以在项目实施过程中进行管理，提高生产率、节约成本和缩短工期。BIM也可为建设工程全过程提供可靠的造价依据，提供数据提取、存储、分析以及共享等功能。BIM技术在城市综合体项目全寿命周期风险控制中的应用可圈可点，城市综合体建筑规模大，功能要求多，而BIM技术具有参数化建模功能和施工模拟功能，在前期进行投资风险的应用，具有重要的研究价值。

由二维CAD（Computer Aided Design：计算机辅助设计）到三维BIM的转变，整个建设工程的质量的到了很大的提升。BIM贯穿在建设工程的每个实施步骤上。而想要在BIM上展开一系列活动，其基礎有BIM模型的工程组件。BIM可以将建筑、结构、水电的设计管理、施工管理、成本管理放在一个平台上去管理，有助于提高管理效率、缩短工期并降低投资风险。可以实现建设单位模拟真实项目的实施，使得对工程技术专业实践和管理更加实用和高效，更加符合目前建筑业市场的需求。

2.4 GPS、RFID、PDA

GPS（Global Positioning System：全球定位系统）在现实生活中运用广泛，在科研中，对精度要求小的项目，也可以利用GPS进行定位。配合GPRS的传输功能，可以把需要的数据传输到服务器上进行更深刻的数据处理。GPS技术可以检测桥梁局部位置是否发生变形，在建设工程测量发展的空间也非常的大。RFID（Radio Frequency Identification：射频识别）技术，通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。RFID技术可以结合GPS在车辆工程中产生更加精确的定位。PDA（Personal Digital Assistant：个人数据助手）是简便移动设备的一类总总称。在建设工程中运用最多的是手持简易储存信息和读取信息形式的设备。对储存功能要求较高，通信功能要求不高，带有简单的定位功能。这些技术，都是实现自动化不可或缺的，虽然不是最重要的，但是少了某个环节，数据将不能完整的、实时的传输并且处理。

3 辅助技术在工程机械中应用范围

能够建造高质量的路基路面，对于路面建设来说，将直接影响工程的建设质量，影响道路的使用寿命和使用效率，路基路面的检测和质量控制就是道路的生命线，要确保路基路面的质量，首先要确保其施工工艺的规范性，更为重要的是要有权威的质量检测系统，实时的确保道路质量是否达标。工程机械在现场作业数量的增多，随之增加是的管理机械人员的数量。对工程机械装配碰撞预警系统，将能实时的检测物与物之间的距离，起到防止碰撞的效果。目前，工程机械在施工作业上能够的定位、追踪与远程监控，较好地满足了建设工程对施工作业实时监管的应用需求。但是对较危险的施工作业，单独由机械完成的例子还较少，需要通过编程的手段实现规划路径的行走。本文的辅助技术在工程机械中的应用范从路面质量检测、碰撞距离预警识别以及路径运行轨迹模拟上展开。

3.1 质量检测

在城镇道路的建设上，对每个结构层厚度的控制显得尤为重要，因为关系到路面长期使用的耐久性。现有的手动测量局限性很大，人力花费大，样本测量误差大[8]。为了全面评估路面的压实质量，可以提出一套监测系统结合压实机，实时的对道路压实过程质量控制。在压实机滚筒部位安置好加速度计、CMV装置，在车顶安装GPS，对压实机定位。通过CMV装置测得需要处理的压实数据，数据通过GPRS和互联网传输到数据库和应用服务器，并对其进行进一步处理。然后将得到的结果和标准比较，再反馈到控制中心，对压实的结果做出相应的控制。如果有哪块区域压实质量没达标，可以即时重新压实，避免了返工造成的浪费，同时建设工期也没有耽误。质量监测系统和压实机的结合，使得机械更加的智能化，不仅仅只做一些机械工作，同时发挥出智能的价值。在有关的桥梁工程中，对桥路面的质量检测，也可以利用此系统。

3.2 预警识别

对于较大的建设工程项目，机械设施的数量是很多的，包括搅拌机的进出场、挖掘机挖土石方、塔吊旋转作业、材料运输车辆不间隔的进出场等。在机械身上装备碰撞报警系统，是很有必要的，也可以考虑在机械设施活动较频繁的区域装备碰撞报警系统。报警系统的组成要素有很多，最为核心的集中在距离测算系统，设定的指标是两物体在什么距离范围是安全的，缩小到一定范围就需要停车，避免两物体之间发生碰撞。一般可在机械的四个角段放置检测设备，这样就实现了机械自动报警作用，而不需要增加工作人员指挥现场机械的秩序。预警系统的使用，营造了良好的工程机械生产环境，保证了机械设备运行的安全性，从减少人员管理的角度完善了机械安全管理制度[9]。可以借鉴行车中的近距离报警系统，也许要考虑制造成本问题，可适当把精度降低。

3.3 运行轨迹模拟

在建设工程中，对一些危险性作业，必须由机械来完成。而当前机械的运转也许要靠人来操控，但未来会有更加危险的作业以至于减量避免人的参与，这就需要更加智能的机械来独立完成，前提是机械跟着人类预先设定好的代码来行走、作业。在危险的挖石方作业中，机器挖掘机可以有效地进行挖方作业。交叉耦合预补偿法结合非线性比例积分控制器应用于液压机器挖掘机中，可以减少机器挖掘机运动时错误的发生，如跟踪措施和轮廓跟踪错误[10]。相比于机器人的运用，仅靠编程就能控制机器挖掘机的运行轨迹，可以说是非常经济的措施。此项技术成熟的运用在工程危险作业中，可以大大提高工程的经济效益，减少人员危险作业存在的风险。实现机器路径跟踪，属于自动化技术较深层次的部分，是完全的由自动的机械完成一系列工程作业。因为技术难攻克所以现实情况的运用还是有很大的局限性，技术未成熟，局部小范围区域试验即可，若处理不当，造成的后果及其损失将不可估量。

4 结论及展望

在建筑工程领域逐年来安全事故增加的背景下，工程机械自动化的道路又加急了推进的步伐。自动化技术已经成为工程機械中一道靓丽的风景线，在渐入佳境的同时，要培养专项人才。在工程机械自动化发展的道路上，建议遵循以下原则：先有技术，再有使用渠道；先找到需要解决的问题，再对症下药；不要为了机械自动化而自动化，重点落实研究机械自身以外不具有的功能，经济实用后再全面推广。当前在工程机械自动化发展的过程中，在积累自动化技术更好应用于工程机械领域的同时实现工程机械数字化、智能化方向的发展，取得建筑工程领域整体综合效益的保证与提升。

我国的机械自动化技术尚未成熟，相关领域还需进一步探索和研究，我国工程机械自动化发展的经验，在大力发展自我技术的同时，多和国外研究机构合作，多学科领域借鉴，融合国外的自动化经验技术，在交流上产生创新点。随着科学技术的快速发展，不断有先进的科学技术应用到机械工程中，从而为自动化技术的运用提供了技术支持和理论基础。机械自动化在建设工程行业的应用，是现代化建设的必经之路，也是绿色可持续生产的必然趋势。总的来说，只有不断地加强自动化技术在建设工程机械中的运用，才能为我国工程机械的长远发展创造条件，才能为建设工程现场营造一个安全的氛围。

参考文献：

[1]李琰琰.机械工程中自动化技术的运用[J].硅谷，2014（12）.

[2]Liu Donghai，Wu You，Li Shuai，Sun Yuanze.A real-time monitoring system for lift-thickness control in highway construction[J].Automation in Construction，2016（63）：27-36.

[3]郭建顺.探析自动化技术在机械工程中的具体运用[J].河南科技，2015（23）.

[4]解开宏.浅析自动化技术在机械工程中的运用[J].商品与质量，2017（13）.

[5]戴文鹏，杨涛，张柯杰.基于 BIM、AR 与本体工程的临时设施质量控制研究[J].城市建筑，2016（26）.

[6]谭嫄嫄，彭玉元.基于AR技术的文物展示移动平台APP开发[J].电脑编程技巧与维护，2014（20）.

[7]周剑，尚洋，朱宪伟.一种单目运动像机对点状运动物体的三维定位方法[J].光学技术，2011，37（4）.

[8]Liu Donghai，Lin Min，Li Shuai.Real-Time Quality Monitoring and Control of Highway Compaction[J].Automation in Construction，2016（62）：114-123.

[9]詹美娟，徐缘.促进机械安全的措施探究[J].商品与质量，2016（49）.

[10]Wang Dongyun， Zheng Lijuan， Yu Hongxiang. Robotic excavatormotion control using a nonlinear proportional-integral controller and cross-coupled pre-compensation[J].Automation in Construction，2016（64）：1-6.