基于物联网技术的智慧工地

崔志诚，马 胜

(河北华北石油工程建设有限公司 电气仪表工程分公司，河北 任丘062552)

0 引言

随着石油管道工程的规模逐渐加大，功能、构造的复杂程度不断提高，工程项目的管理难度也不断加大。 在石油管道建设过程中，由于传统建造模式协作方众多、作业分散独立、施工环境复杂，工地存在管理模式落后、工作效率较低、资源浪费严重等诸多问题。 在数字化、网络化、智能化的时代背景下，工地管理模式迫切需要由传统的粗放式管理向可视化、信息化、智能化的高效管理转变。 与此同时，物联网、大数据、云计算、人工智能等新技术日趋成熟，并已经逐步融入施工现场管理[1-2]。通过对新技术的综合应用，使施工现场具备感知能力，实现数据互联互通，实时监控施工过程各要素，在必要时根据现场实际情况进行智能决策，最终实现工地管理智能化[3-4]。在此背景下，智慧工地应运而生。目前，物联网等新技术在石油管道工程中正在不断得到应用，并取得了一些可观的成果。在某些石油管道工程上已经利用物联网技术开展了施工现场可视化、施工现场电子标签扫码互联、施工过程数据存储及实时传输等应用[5]，但应用广度和深度还不够，仅停留在某些单项业务领域。因此，构建智慧工地架构的需求越来越迫切。

1 工地管理问题分析及需求分析

1.1 工地管理问题分析

本文根据石油管道工程工地特点，对工地管理中存在的问题进行梳理、归纳、分析、总结，并绘制石油管道工程工地管理问题分析图，如图1 所示。 在目前的管理模式下，工地存在整体管控难度大、信息化无有效数据支撑、安全环保监管难度大、人员管理难度大、材料管理混乱、设备监管难度大等几方面重点问题。

1.2 工地管理需求分析

图1 石油管道工程工地管理问题分析

针对以上突出问题对工地管理需求进行梳理，然后针对不同问题的共性需求进行整理，最终确定石油管道工程工地有集成分散化应用系统、 提升信息化管理水平、强化施工现场监管、加强人员管理、改进材料管理方式、加强设备管理的需求，需求分析过程如图2 所示。

1.3 智慧工地的必要性

智慧工地是指利用先进的信息技术，使施工现场具备感知功能， 并将采集到的数据进行数据挖掘分析，逐渐形成企业数据资源库，提供过程趋势预测，辅助管理者进行决策，从而改变传统工作方式，为项目各参与方提供全新的信息交互方式， 进而彻底转变工地管理模式，推进工地管理的标准化、科学化和智慧化。智慧工地的建成可以提高工地信息化管理水平，实现施工现场可视化智能管理，为工程的各参与方提供完整的工地管理方案，实现绿色建造和生态建造，保证工程目标的达成。

2 智慧工地架构

以石油管道工程工地管理需求为主导，构建智慧工地架构如图3 所示。 该架构发挥物联网技术的优势，强化工程信息感知的广度与深度，综合应用互联网、移动网络、云计算、大数据、人工智能、建筑信息模型(BIM)等前沿技术，搭建智慧管理平台，对数据库、管理界面、业务流程、工程目标实行集成管理，实现施工现场远程监控，提高各项业务的处理速度和处理能力[6-7]。感知层全面采集人员、设备、材料等工程信息及施工活动信息；网络层通过各种通信技术和传输介质实现数据实时、准确、可靠的传输；应用层利用数据开展业务分析与应用，提供工程问题解决方案，为管理者提供决策依据[8-9]。

2.1 感知层

感知层主要由传感器及传感器网络、RFID 标签及识读器、身份识别装置、定位装置、视频图像采集装置组成，该层级是智慧工地的基础，是数据采集全面性、准确性、及时性的保障。

感知层具有感知信号的功能。 由于石油管道工程空间跨度大且作业地分散，因此需要在各个工地设立数据采集分站。 工地内各个节点将传感器信号(如压力、温度、位移、应力等）、射频识别信号(如人员信息、设备信息、材料信息)、生物识别信号(如人脸识别、指纹识别)及视频信息、位置信息等通过工地内网传输至数据采集分站，再由数据采集分站统一上传，实时、准确地反映工地状况。 通过嵌入在现场设备、工具及环境敏感点中的感应元件和可识别现场人员、设备、材料的电子标签可以得到大量、实时、准确的数据。利用云计算技术对所得数据进行整合和存储，利用大数据技术从多角度、多层面对所得数据进行动态分析，结合具体业务挖掘数据潜在价值， 实现施工工艺的优化和施工风险的预防预控，确保工地安全、高效地开展施工活动。

图2 石油管道工程工地管理需求分析

图3 智慧工地架构

感知层具有标识物体的功能。 射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)通过无线射频方式进行非接触式数据通信，从而达到自动识别目标的目的。 随着对智慧工地的不断探索与实践，RFID 技术已经在多种智慧工地解决方案中得到应用。例如，通过贴有RFID 芯片的安全帽、手环、工作证等对工人位置信息和身体健康信息实时采集，分析安全隐患，并及时预警；利用RFID 技术读取和录入工程材料的采购信息、物流信息、检测报告，实现对材料的全过程追踪，提高材料验收效率；通过RFID 标签进行施工设备的操作权限管理、定位、调度等。

2.2 网络层

网络层主要完成感知层数据在不同终端、子系统、应用主体间的可靠传输。 该智慧工地架构主要利用蓝牙、ZigBee、RFID、Wi-Fi、4G/5G 等 通 信 技 术 和 电 缆、光纤等通信装置，通过接口、协议进行感知层数据的传输与交换。

2.3 应用层

应用层的作用是通过云计算、大数据、BIM 等前沿技术对感知层采集到的数据进行存储、计算、处理和挖掘分析，进而实现工地各要素实时监控、工程目标集成管理、各参与方协同作业和科学决策。

3 智慧工地的应用价值

智慧工地并不是全盘否定传统工地管理模式，而是与物联网等新技术的有效结合，实现数据自动采集、施工现场实时监控、管理模式优化改进等，主要体现在以下四个方面：

(1)数据采集的实时性、准确性和多样性。 物联网技术实现了各类数据自动、及时、准确地采集和传输，并且扩展了数据的多样性，满足了工地多维度、可视化管理的需求。

(2)数据有效存储及处理。由于石油管道工程的空间跨度较大，该架构建立了多区域数据中心，形成分布式存储云。 基于云计算的智慧工地管理系统采用分级结构，在各个工地分别设立数据中心，针对本工地的数据和任务，执行实时数据处理和数据存储。此外，还设立了数据总中心，负责宏观调控各数据中心的数据处理结果及数据存储。 各工地配备一台服务器，用于存储该工地的数据备份，当网络故障无法连接到云数据中心时，在该工地可直接进行就地操作。

(3)施工现场监督管理的灵活性。管理人员可以不受时间、空间的限制，利用计算机、手机等终端设备实现施工过程中关键工序、关键工艺的远程监控，施工人员、设备、材料信息的透彻感知，以及安全防护和环境监督等。

(4)业务分析和决策更加及时准确，提升了集成管理和智慧决策水平。

①在物联网技术和人工智能的支持下，管理人员可获取大量、实时、准确的数据，及时得到工地对自身状况的全面反馈。 针对风险和隐患信息，通过综合分析得出准确可靠的评价结果，提前预知施工现场潜在的风险，有针对性地制定应急预案，提高业务处理能力。

②云计算平台可完成数据的归集、整合、存储及融合，借助该平台可省去数据的前端预处理，降低后续的数据处理强度，在提高数据处理速度和系统可靠性的同时降低投资成本和维护成本。

③针对不同的业务需求，运用大数据技术从多角度对数据进行分析和挖掘，从而实现数据关联分析、指导施工、风险预测、决策优化等，加强对施工现场的把控能力，预测施工过程潜在风险，提前采取预知性的应对措施，提升智慧决策水平。

④在BIM 模型中整合施工过程中的数据信息，工程各参与方可以基于BIM 模型进行协同工作，实现工程目标(进度、成本、质量、安全)的统一管理和控制，实现更高效、更节能、更经济的智慧工地管理模式。

4 结论

本文基于现有石油管道工程工地管理需求，构建了基于物联网技术的智慧工地架构，该架构实现了数据的智能采集和处理、施工过程实时监测、施工过程可视化展示和各参与方高效协同作业。 通过云计算技术归集、整合、存储多类数据，大数据技术多角度分析、挖掘数据价值，BIM 技术集成各类信息，协同多方人员工作，从而达到信息互通、数据共享、任务协同的目的，在多种新技术的加持下，智慧工地转变了现有工地的管理模式，提高了经济效益，推进现有工地逐步向科学化、智慧化迈进。