基于物联网的信息化技术在市区建设工程管理中的应用

王 涛

（珠海市金湾区建设工程质量监测站 珠海 519090）

0 引言

近年来，随着城市化建设的快速推进，建设工程大量涌现，安全事故时有发生，各类复杂的工程场景为安全监测监管带来了全新的挑战。统计数据显示，2019 年，全国共发生房屋市政工程生产安全事故773起、死亡904人，比2018年事故增加39起、死亡人数增加64人，分别上升5.31%和7.62%［1］，安全形势十分严峻。另一方面，随着现代物联网、新一代通信和云计算等技术的不断发展，许多以人工为主导的测量模式逐渐向自动化转变，以物联网、大数据、人工智能及云存储为核心的自动化监测开始应用于地质灾害监测、工程监测、矿山安全生产监测及城市环境监测等众多领域。

基于上述工程安全形势和技术发展现状，结合珠海金湾的区域特点，本文探索利用自动化、智能化的管理手段对区内建设工程的深基坑工程安全进行管理，并通过应用监测云平台等手段显著提高现场生产及工程管理效率，守护城市安全。

1 工程背景

金湾区地处广东省珠海市西南部（见图1）。近年来，随着区内基础建设的不断发展，大量重点工程项目同时开工。仅在2020年，以金湾区为牵头责任主体的市重点项目达64项，其中建设项目61项，预备项目3项，最终完成年度投资235.54亿元；列入省重点项目4 项，最终完成年度投资27.87 亿元。基坑开挖深度、面积越来越大，基坑周边环境越来越复杂，这些施工特点都对工程安全管理提出了较高的挑战。

图1 珠海市金湾区地理位置Fig.1 Geographical Location of Jinwan District，Zhuhai City

金湾区土层以未完全固结的软土为主，平均厚度24.2 m，最厚处可达到50.4 m［2］。分布广泛而深厚的软土给金湾区的基础建设带来一定的安全隐患。深厚软土区域进行基坑开挖施工难度较大，具体体现为支护结构变形更大，周边环境影响范围更广，容易发生建（构）筑物的整体沉降、不均匀沉降和开裂变形等工程事故。

金湾区全区海陆面积1 600 km2，其中陆地面积447.6 km2，海域面积1 000 多km2，受台风等恶劣天气的影响严重。2020 年，金湾区经受了“森拉克”、“浪卡”和“海高斯”3个台风，其中台风“海高斯”更是直接在金湾区登陆［3］。台风等恶劣天气是对建设工程安全的巨大考验，极易遭受安全事故。

综上所述，在建设量激增、地质条件差和灾害天气频发的三大影响因素下，金湾区的建设工程安全管理面临更严峻的挑战。为适应新形势下的工程安全管理，急需引进信息化技术提升工程安全管控力度。

2 建设工程信息化

2.1 研究和应用现状

信息化是指培养、发展以计算机为主、智能化工具为代表的新生产力，并使之造福于社会的历史过程［4］。具体到建设工程领域，信息化管理涵盖的范围十分广泛，它不仅包括施工过程中的生产管理，还包括质量、安全、物料、技术、合同、数据分析等等多个方面，可以说是全流程、全方位的管理手段［5］。

近年来，信息化管理手段在工程领域已经有多类研究和应用。徐晓冬等人［6］提出一种以大数据和云计算技术为应用主线，用云端数据库作为纽带，同时辅以三维建模、数值模拟等多种辅助手段的云平台，达到测-模结合的展示效果。肖军等人［7］研究了基于NB-IoT 的煤矿瓦斯监测云平台系统搭建，实现了瓦斯气体监测的敏感响应。刘飞飞等人［8］设计了一种基于Zig Bee 紫峰的环境监测系统云平台，实验验证了监测系统软硬件的可靠性与实用性。张鹏海等人［9］搭建了一种基于Java 的轻量级框架Spring Boot 及地理信息系统软件SuperMap 的矿山岩土体破坏失稳预警云平台，并将云平台应用于了某铁矿，为该矿区灾害防控提供了理论依据。陈杰等人［10］利用传感器和PLC 控制器、GPRS 和应用程序构成感知基坑水位变化的监测云平台，应用效果表明该平台具有良好的稳定性和可靠性，满足工程需要。

以上的研究和应用现状表明，借助多种信息化、智能化、自动化手段，实现应用场景的综合管理，已成为建设工程领域的发展趋势。

2.2 金湾区建设工程信息化管理思路

为切实提升金湾区建设工程管理的质量和效率，针对区域内建设项目较多较集中、地质条件较差较复杂、气候影响较严重的特点，总结了解决这些问题的信息化管理思路。

⑴建设项目较多较集中。金湾区目前处于“大开发”阶段，区内各类基坑工程众多，且分布广泛，有的区域工程开发较为密集。采用一种统一管理、自动化管理的手段，将各类工程的各类信息有序化、电子化、图表化，方便监管人员进行高效管理。

⑵地质条件较差较复杂。金湾区的土层以未完全固结软土为主，特点是原始地貌软土露头，或经新近人工填土覆盖。较差较复杂的地质条件显著增加了区内基坑发生事故的可能性。因此，采用自动化监测手段实现连续、实时的数据采集对整个施工过程进行全覆盖，能及时发现并处理异常情况，及时发出预警。

⑶气候影响较严重。金湾区临海，各类恶劣天气时有发生。特别在夏天，雷电、暴雨、台风等常常对建设工程造成严重影响，尤其在发生的前后，人工监测因环境原因无法进行测量，造成最危险阶段信息缺失。自动化监测手段实现数据的连续不间断采集，突破时间、区域、环境的限制，较好地解决危险天气情况下数据缺失的问题。

综合上述分析，解决以上3 个问题需要的信息化系统应具备如下特征：自动化测量、传输、解算、数据发布、智能预警等，根据目前广州、深圳等地的应用情况，工程监测云平台正是一种较好的选择。

3 监测云平台的应用

3.1 云平台概述

建设工程监测监管云平台可提供基于物联网的监测全流程服务［11-12］。具体分为前端、中端、后端3个部分，云平台技术路线如图2所示。

图2 云平台技术路线Fig.2 Technology Road-map of Cloud Platform

⑴前端。基坑工程现场的人工和自动化监测传感器采集的数据可通过手机APP、串口、PC端等多种形式利用标准的通讯和传输协议，自动、及时、准确真实地上传至云平台，云平台将自动接收并储存这些信息。

⑵中端。云平台收到监测数据后，将对所有数据进行识别、分装和储存。结合平台自带算法，对所有数据进行处理和解析，并将最终结果按照其分类存放于不同区域。

⑶后端。云平台的数据展示模块将调用已处理好的各类信息，按照用户需求进行信息输出和展示，包括数据图表、三维模型和监测报告等。

3.2 解决的关键技术问题

⑴技术先进：鉴于目前自动化技术的局限性和经济性，现场采用传统人工监测和自动化监测协同作业方式，从而达到技术先进性和成本经济性。

⑵规范管理：从施工现场到数据展示，实现工程监测数据的全流程信息化管理，大大提高了行业的规范度。所有相关人员都可以通过相应权限登入网页端或者利用手机APP 取得现场所有的监测数据及安全评估信息，云平台主界面如图3所示。

图3 云平台主界面Fig.3 Main Interface of Cloud Platform

⑶提升效率：在云平台中，实时自动“一键生成”带有详实数据的各类监测报告，并结合相关算法，在报告内对当前状态进行评估，辅助管理者及时决策。该功能上手简单易操作，显著降低内外业操作门槛，提高工作效率。

⑷降低风险：当结构或周边环境的监测数据出现异常时，系统将进行自动报警，并通过APP 推送、短信、电话等多种方式将相关信息及时传递给相关管理人员，将可能发生的事故风险降到最低。

3.3 工程应用实例

某深基坑工程地下室基坑长130 m，宽约65 m，平面形状近似为矩形，设计开挖深度10.3 m，采用排桩加混凝土内支撑的支护方式，基坑设计使用年限为1 年，安全等级为1 级。基坑西北侧和东北侧为道路，东南侧为居民楼，西南侧为一期建筑，基坑红线外有众多管网线路。经专家论证分析，需对该基坑坡顶水平及竖向位移、立柱沉降、内支撑轴力、基坑周边深部土层位移、周边建筑物沉降及倾斜进行实时监测，并辅以人工监测核准、巡查的方式对该基坑安全进行整体的把控。

监测监管云平台于2020 年8 月起正式应用于该基坑工程项目，目前仍处于正常服务阶段。监测结果汇总如图4所示，从往期监测效果来看，云平台总体运行稳定，各传感及系统设备都能保持正常工作状态。在该项目的整个监测过程中，各监测参数的数据变化图表均可在系统中清晰展示，这些曲线很好地反映了监测数据随时间变化的情况，特别是数据异常情况较以往显著减少（见图5）。

图4 监测结果汇总展示Fig.4 Summary and Display of Monitoring Results

图5 多种监测参数的时程曲线Fig.5 Time-history Curve of Different Kinds of Monitoring Parameters

2021 年6 月1 日，云平台发出有效警报（见图6），发布数据异常信息。报警内容显示：当日9∶19∶31，坡顶水平位移监测中2个测点的累计值分别达到66 mm和53.1 mm，远超控制值50 mm，需及时处理。系统在数据出现异常情况的第一时间通过APP 推送、短信推送和网页端推送告知相关方。接到报警后，管理方立即启动应急流程，组织专家召开评审会议。在经专家评审和各方紧急应对处理后，危险得到有效排除。

图6 有效报警Fig.6 Effective Alarm

在近2 年的应用过程中，由于云平台的存在和支持，自动化监测手段得以大量应用于该基坑工程中，显著降低了人力物力成本，作为长期监测手段具有较好的经济效益。另一方面，从管理角度来看，监管部门对项目实现了更快捷、更有效、更具体的管理；施工单位则可利用变形、受力监测成果，更有针对性地调整施工计划来指导现场施工、保证工程进度；而所有建设工程的参与单位都可以更充分参与项目建设管理之中，实现信息互通、资源共享。

4 不足与展望

云平台目前已广泛应用于金湾区的各大建设工程中。在应用过程中暴露出一些不足，结合相关行业的应用情况，具体总结如下：

⑴自动化监测发展不足。由于监测传感设备的数据采集和平台内置算法的精准度不足，部分数据的准确性仍有优化空间，偶尔还是会发生数据异常变化的情况，依然需要人工介入。建设工程依然需要更加精准的预警信息为防灾减灾工作提供保障。

⑵信息集成度不足。从各行业领域的应用情况来看，部分平台仅仅可实现较少参数的采集与监控，还不足以从更宏观的层面实现行业的整体信息化管理。另外，信息来源较为单一会导致考虑不全面，无法实现决策的最优选。

⑶各类云平台冗杂，存在行业壁垒。因缺少统一的国家或地方标准，目前各类云平台众多，冗杂度较高，且各平台存在行业壁垒，无法进行资源的互通，这也就产生了较多重复工作，造成一定的资源浪费。

未来，在监测设备精度不断提高、平台内置算法不断完善、功能设置不断丰富的情况下，基于云平台的建设工程管理模式将得到进一步推广和发展，其前景十分广阔。

5 结语

针对当前工程领域内信息化管理的发展趋势，结合珠海市金湾区工程项目范围较广、周期较集中、地质条件较差较复杂、气候影响较大较严重的实际，本文介绍了在金湾区利用自动化、智能化的手段进行建设工程监测全流程管理的实践探索。管理手段通过搭建云平台等方式，可实现监测数据的自动上传，保证结果的真实可靠，显著提高工程管理效率，最大程度地保障施工安全。

现阶段，金湾区共有20多个建设工程项目使用该云平台进行系统监控，内容涉及5 大项21 个监测参数，共计有效报警68 次，最大程度地避免了安全事故的发生，带来显著的经济和社会效益。虽仍有一些不足，但通过未来不断的优化和完善，该手段在建设工程领域具有广泛应用前景。