高速公路建设进度智慧化管理效果评价

王艳彤 ， 苏义坤*， 苏伟胜， 何廷全

(1.东北林业大学土木工程学院， 哈尔滨 150040； 2.广西新发展交通集团有限公司， 南宁 530000； 3.广西新恒通高速公路有限公司， 南宁 530000)

高速公路建设项目具有长距离，多标段的建设特点，多经过山川、河流且地势复杂，其中桥梁、隧道、高边坡等是其重要组成部分。高速公路建设过程中，限有的人员、设备对于施工现场的状态、数据管控困难，导致进度信息传递不及时，进而引发工程信息遗漏，这些因素严重阻碍进度管理的有效实施[1-2]。为了推进进度管理智慧化、可视化发展，中外研究学者[3-6]已经将建筑信息模型(building information modeling, BIM)、无人机、物联网等新兴技术引入到建筑项目进度管理中。通过对项目进度中关键性问题进行多角度量化评价与研究，使无人机、BIM、物联网新兴技术在高速公路进度管理发挥最大优势。因此实施进度智慧化管理效果评价对于指导管理人员进行进度可视化管理，推动新兴信息技术实施有重要意义。

目前，中国学者针对实施效果评价已经开展了大量的研究工作。其中BP(back propagation)神经网络法、模糊综合评价法、灰色关联度分析等方法，多用于政策、应用能力、治理方案等效果评价方面[7-9]。杨蕾等[10]以京珠高速公路高边坡项目为例，通过分析、总结每次边坡滑动的影响因素，在竣工后根据边坡稳定性的计算结果对加固措施实施效果进行评价，缺少系统性的过程分析。张国庆[11]运用BIM技术对项目进度实施管控，依据管理制度从运营、财务管理和最终的交付成果三个方面确定进度管理效益评价指标。马国丰等[12]针对进度管理过程中的不确定且多因素的动态环境，提出柔性管理的概念，通过总结柔性评价的研究成果，建立了进度管理柔性的评价指标体系。朱建国等[13]通过界定精细化管理在高速公路建设中的应用范围，主要从进度、质量、成本等9个方面选取评价指标，并利用Spearman等级相关系数组合赋权法避免了单一赋权的弊端。武乾等[14]将影响施工管理的主要因素作为项目进度控制的评价指标，利用编码分析及现场调研的方法，导致指标的选取不够客观。纵观现有文献，关于以无人机技术为核心的进度智慧化管理的评价的研究较少，且缺乏合适的定性与定量相结合的评价方法。

基于此，凭借BIM、无人机倾斜摄影航测、物联网等多元信息深度融合技术的显著优势，现从进度智慧化管理过程中信息传递的效率、数据采集的精确度、物质条件的必要性、可产生的效益等角度分析并构建进度智慧化管理效果评价指标体系，以贺巴高速公路(来宾至都安段)为例，采用灰色聚类法对其进度管理的实施效果进行分析评价，以期进一步推进智慧化管理在线性工程项目进度管理上的应用。

1 高速公路进度智慧化管理效果评价

1.1 高速公路进度智慧化管理效果评价指标构建

为了推进数字管理到智慧管理的发展，将信息技术应用到高速公路等线性工程进度管理中，实现对建设过程、工程进度和人员设备的高效管控[6]。高速公路进度智慧化管理是在进度管理理论的基础上，以BIM、无人机倾斜摄影航测技术、物联网、大数据等新一代信息技术为基本手段，以全面感知、实时传送和智能处理为基本运行方式，将高速公路全建设周期内的物理空间与虚拟空间进行深度融合，通过搭建进度智慧化管理信息平台，管理人员可在客户端实现实际进度与计划进度对比分析与调整、进度风险预警等操作，建立动态精细化可控制、可分析、可感知的智慧化管理运行体系[15-18]。因此，对于高速公路进度智慧化管理的实施效果评价，应立足于系统性和整体性，同时兼顾过程性和结果性。由于贺巴高速公路的建设难度和管理要点具有代表性，为了确保评价指标的可靠性，邀请3位进度管理方面的专家、2名某交通运输企业的智慧化管理咨询讲师，以及2名企业合作高校的管理科学与工程的专家，组成专家团队。专家团队在考虑贺巴高速公路项目的难点及智慧化管理优势的基础上，结合相关研究对高速公路进度管理评价指标进行汇总与筛选[11,14,19-20]，得到出现频次比较高的评价指标包括资金充足率、进度计划合理度、工期节约率、施工过程中进度管理情况等；通过借助无人机技术等信息化手段，在高速公路进度管理效果评价过程中重点分析进度智慧化管理需要具备的前提条件，实施进度智慧化管理期间参与各方协调情况和对整体效果产生的影响，以及管理过程中达到的监管能力情况，和项目最终所产生的效益等这几个方面出发，在对比传统高速公路进度管理效果确定出的评价指标基础上，对上述指标体系的框架模型进一步优化整理，形成一套关于高速公路进度智慧化管理效果评价指标体系。如表1所示。

表1 进度智慧化管理效果评价指标体系Table 1 Progress intelligent management effect evaluation index system

1.2 高速公路进度智慧化管理效果评价指标的解释与说明

1.2.1 智慧化资源供应水平

为改变传统中，单一且粗犷的进度管理方式，利用多元信息融合建立进度智慧化管理信息平台，对高速公路全寿命周期各个阶段的进度情况，实现智慧化、可视化管理。智慧化资源条件是实现高速公路进度智慧化管理的前提条件，其供应水平的高低直接影响进度管理的效率，包括先进软硬件条件、进度智慧化管理平台的成熟度、智慧化操纵人员的技术水平、智能设备的选型以及资金的供应情况。

1.2.2 组织管理及智慧文化

智慧化管理活动是在人-机-环境系统中展开的，人员既是进度智慧化管理的主体，也是项目管控的执行者。在高速公路进度管理过程中不可避免会有多座桥梁，隧道，路基填挖方等同时进行，在参与方众多、进度数据繁杂的情况下，良好的智慧文化氛围，对于一个企业项目能否按时完工主要取决于高效的组织管理。而对于组织管理水平主要体现在各级人员管理职责是否明确到位以及信息传达的渠道。为确保进度智慧化管理的有效实施，只有培养企业人员智慧文化，提高各参与方信息交流的及时高效性，才能实现进度管理智慧化的转变。因此，在组织管理及智慧文化方面，选取各参与方信息交流效率、职责分工明确度、各级人员的智慧文化素养、信息化技术的覆盖率、上下级信息接收的及时性等指标。

1.2.3 进度智慧化管理效益水平

高速公路项目长期以来存在“粗放式”管理现象，为提高进度管理效率通常投入大量的人力、物力往往适得其反。将无人机倾斜摄影航测等新兴先进应用到进度管理中，可发挥巨大的经济效益。在施工前对施工场地获取三维实景模型、提前完成施工进度模拟，可规避施工中不可预见的难题，减少设计变更次数；其次在高速公路进度管理过程中由于高边坡、桥梁承台人为检测质量问题危险性大，利用无人机航测技术可以实现在线实时监测，提升进度管理效率，进而缩短工期，使建设参与方获取更大的收益。由于企业项目进度管理效益考虑的内容庞杂，通过团队专家，选取工期节约率、进度计划变更次数、智能设备投资回报率、利益相关方的满意度、高边坡、承台桥台检测过程事故发生率等指标。

1.2.4 进度智慧化监管预警能力

高速公路进度管理中由于缺乏创新理念、管控水平低以及管理下达时效性差造成的进度窝工现象严峻，将无人机倾斜摄影技术与BIM技术结合实时还原现场进度原貌，并对现场采集的进度数据进行精细化处理，指导管理人员按计划施工，做到进度管理实时追踪；面对高速公路里程长，施工环境复杂，在进度管理过程中难以及时掌握现场动态；需要的周转材料如钢筋混凝土模板等不能及时应；对工程部位进行施工监测时存在不易到达、不易观察的区域，容易出现管理盲区；只能查看到局部工点的安全、进度状况，难以做到全局总控、科学决策、适时调整。因此，在进度智慧化监管预警能力方面，选取现场进度原貌三维还原的精确度、材料供应的状态、现场监控能力、实际进度填报与追踪情况等指标。

1.3 评价指标权重的确定

由于高速公路进度智慧化管理效果评价体系包含定性与定量指标，评价者根据自身的经验与观点，在确定权重过程中受主观因素影响较大。为避免权重确定的片面性和缺少说服力，因此应用熵权法，通过专家打分的方式确定进度智慧化管理效果评价指标权重，分析步骤如下。

(1)构造进度智慧化管理效果评价决策矩阵A。根据从事进度管理领域的专家对进度智慧化管理的物质条件一级指标下B11～B16二级指标的重要程度进行打分构造决策矩阵A=(aij)m×n，其中aij为第i位专家对第j项指标的打分值，m为专家人数，n为指标数。

(2)消除指标间的量纲差异，对决策矩阵A进行归一化处理得到标准矩阵为

(1)

式(1)中：aij为第i位专家对第j项指标的打分值；rij为标准化后的打分值。

(3)计算进度智慧化管理效果评价指标B11～B44的信息熵ej为

(2)

(4)确定进度智慧化管理效果评价指标B11～B44的权重wj为

(3)

2 基于灰色聚类法的进度智慧化管理效果评价模型

2.1 划分进度智慧化管理效果评分等级

灰类划分的详细程度由评价指标的复杂程度决定。参考相关文献[20]和专家咨询意见将评价对象分为5个等级，据此将二级指标的取值范围也划分为5种灰类，具体量化采用10分制。如表2所示。

表2 灰类评分等级与分值范围Table 2 Grey grade and score range

2.2 混合中心点三角白化权函数的构造

按照进度智慧化管理评价要求划分灰类分别为差、低、中、良、优5个等级。因此，相应的评价灰类设为5个，设进度智慧化管理效果评价指标的各灰类等级向量为K=(k1,k2,k3,k4,k5)=(差，低，中，良，优)，相应的白化权函数如表3所示。

表3 各灰类等级白化权函数Table 3 Whitening weight function of each gray grade

2.3 计算综合聚类系数

k=1,2,3,4,5

(4)

式(4)中：xij为一级指标i下各二级指标j的得分；ηij为一级指标i下各二级指标j的权重。

2.4 计算综合评价系数

基于无人机系统的进度智慧化管理效果综合评价系数τk计算公式为

k=1,2,3,4,5

(5)

式(5)中：ηi为一级指标i的权重。

3 高速公路进度智慧化管理实施效果实证分析

广西贺州至巴马高速公路来宾至都安段项目起于来宾市，路线由东到西，终于河池市，总长144 km，是贺巴高速公路网重要经济路段。本项目位于广西中西部，具有局部地形复杂，桥隧工程量较大；区域不良地质发育，且隐蔽性大；沿线经过较多的山川且线路起伏大，交叉作业多；施工条件复杂，有效作业天数有限，工期压力大等特点，建设难度和管理要点具有代表性。广西贺州至巴马高速公路来宾至都安段作为项目试验区，在进度管理实施过程中利用无人机倾斜摄影技术、BIM、物联网相结合发挥智慧化管理新优势。高速公路建设过程中施工地理环境复杂多变，利用无人机倾斜摄影技术获取高分辨图像，经过处理检查后导Virtuoso3D建立三维实景模型，通过结合BIM软件系统形成可编辑的三维数字信息模型。在此基础上将施工现场与设计、施工方案等信息融合并输入到进度智慧化管理平台。管理人员可直接在客户端操作，包括对实际进度与计划进度对比分析与调整、工程现场施工进度实时监控，如路基清表、桥墩和涵洞开工情况做到全方位进度管控。基于此，通过引进无人机等新兴先进技术实现数据采集与集成、实时监控、模拟分析、虚拟建造等对进度管理的实施效果进行分析评价。

3.1 确定指标权重

邀请5名专家根据指标重要性等级标准对各级指标的重要程度进行打分，如表4所示。以此构造高速公路进度智慧化管理效果评价各级指标权重的决策矩阵。将智慧化资源供应水平的指标权重决策矩阵归一化处理后得到矩阵B为

表4 指标重要性等级标准Table 4 Index importance grade standard

得到各二级指标的相对权重，结果如表5所示。同理，可以得到各级指标的权重。高速公路进度智慧化管理效果评价指标体系综合权重如表6所示。

表5 智慧化资源供应水平各二级指标相对权重Table 5 Relative weight of secondary indicators of smart resource supply leve

表6 高速公路进度智慧化管理效果评价指标权重Table 6 Evaluation index weight of Expressway schedule intelligent management effect

3.2 灰色聚类评价

通过将BIM、无人机倾斜摄影技术、物联网等信息技术集成应用到进度管理中与传统进度管理方法对比分析，并邀请专家，从智慧化资源供应水平、组织管理及智慧文化、实施效益水平、监管预警能力等方面分析各级指标对进度产生的效果影响程度。根据影响程度对各个因素对应的二级指标进行打分，取专家打分的平均值作为各个指标的观测值xij。

3.2.1 计算中心点三角白化权函数

将观测值xij代入白化权函数中，计算各个指标的中心点三角白化权函数值。

3.2.2 计算综合聚类系数

各一级指标关于5个灰类的综合聚类系数如表7所示。

表7 各指标的中心点三角白化权函数值Table 7 Triangular whitening weight function value of the center point of each index

3.2.3 计算综合评价系数

3.3 评价结果分析

根据灰类划分最大原则，将新兴信息技术与传统进度管理方法理论相结合，在高速公路进度智慧化管理中可以达到较好的管理效果。同时根据综合权重的占比，可以得出决定高速公路进度智慧化管理效果的关键因素为现场进度原貌三维还原的精确度B41、现场监控能力B43、实际进度填报与追踪情况B44、智能设备投资回报率B33、工期节约率B31、智能设备选型(续航能力、稳定性)B15，这6个指标在提高高速公路进度智慧化管理具有重要作用。在后期工程的信息化技术应用中，管理人员可以借助进度智慧化管理信息平台对进度计划合理编制，同时各参与方可以对自己需要的信息进行实时更新或查询，并结合自身的实际经验进行讨论，优化进度。使高速公路建设全过程可视化、精细化和低碳化，从而达到进度智慧化管理的目的。

4 结论

(1)在现有的进度管理评价理论方法的基础上，运用BIM、无人机倾斜摄影航测、物联网等新兴先进技术，结合贺巴高速公路(来宾至都安段)项目特点以及进度管理的难点，从智慧化资源供应水平、组织管理及智慧文化、实施效益水平、监控预警能力4个方面对进度智慧化管理效果进行评价。结果表明该方法科学合理，验证了高速公路等线性工程进度管理措施具有一定的实用性，也为后续研究提供了理论支持。

(2)进度智慧化管理信息平台是依托物联网、BIM、无人机、大数据等多元信息技术融合的综合性云平台且贯穿于高速公路进度管理全寿命周期。本文在选取智慧化资源供应水平评价指标的过程中，考虑所需的信息化技术、平台等方面不够全面，在后续研究实践过程中需结合更多的高速公路等线性工程项目加以完善，使指标选取更具有说服力。