智慧工地在大型交通枢纽项目中的应用

高 瑞，武乐佳，刘渝琳，刘占省，彭小文，杨昌辉

(1.中铁建工集团第一建设有限公司，北京 100070； 2.北京工业大学，北京 100124；3.中国铁路广州局集团有限公司，广东 广州 510610)

0 引言

智慧工地充分利用互联网、物联网、人工智能、三维扫描、大数据等信息技术，对工地简单粗暴的管理模式进行变革，为施工企业提供系统的工地管理解决方案[1]。近年来多位学者对智慧工地的管理方法及应用展开研究，王灵子等[2-4]提出智慧建造的内涵特征，并设计包含感知层、网络层和应用层的系统架构。徐友全等[5-6]提出基于物联网的智慧工地总体框架体系，总结基于物联网的智慧工地安全管控体系架构。鹿焕然[7]在控制论与集成管理理论的支撑下进行智慧工地设计，并通过案例评价智慧工地管理效果。上述文章都搭建了智慧工地架构，从不同侧重点研究智慧工地的应用，本文结合大型铁路、地铁综合交通枢纽项目，运用BIM，5G、物联网等技术，从人、机、料、法、环施工管理要素出发，搭建基于信息技术的智慧工地系统，并对应用展开研究。

1 工程概况

新建常德-益阳-长沙铁路位于湖南省西北部，是渝长厦通道与呼南通道的重要组成部分，具有构建川渝至湘赣闽地区高速铁路主通道，华北、中原、鄂西至华南地区高速铁路主通道的地位。新建长沙西站位于长沙市西北部，是常益长铁路的重要组成部分，是长株潭城际铁路西延线终点站，项目效果如图1所示。站房中心里程为DK156+710.306—DK157+160.306，位于长沙市望城区南部金山桥街道和黄金园街道交界处，为长沙交通枢纽“三主五辅”主要客站。

图1 项目效果

长沙西站站台规模为12台22线，其中常益长高铁场6台11线，长株潭城际场6台11线(本次仅实施3台6线，3台5线预留站台工程)，其中站台长450m，站台宽12～18m。两侧分别设置综合监控与消防控制室、办公会议设备用房，办公区与设备区分开独立设置。

2 问题分析

2.1 重难点分析

1)工期紧张，施工任务重

本工程单体施工面积达40万m2，自2021年8月7日开工，工期紧张、施工任务重。同时，施工过程中需与长沙西站站前标段交叉施工，相互制约，对工期影响较大。

2)信息化、智能化要求高

本项目功能组成齐全，专业类型、系统多，信息化、智能化管理要求高，信息化先进、安全、实用、简便的要求对建设和管理智能化提出挑战。

3)施工过程安全风险高

本工程体量大、作业人员多、交叉作业多、大型机械设备多，且全程邻近运营线，施工过程安全风险高。如何利用智能化技术和方法对施工安全风险因素进行分析、预测、控制，是本项目一大难点。

4)质量标准高、创优目标要求高

本工程质量标准高、创优目标要求高，对项目管理提出更高标准。另外，目前疫情防控仍不能放松，需加强管理现场人员和环境。

2.2 解决思路

通过分析项目重难点可知，施工管理难度大。传统管理方法存在效率低、安全风险判断依赖人员经验、智能化程度低等问题，难以在保证质量的前提下如期完工。因此，结合信息技术与BIM，形成智慧工地管理平台，进行智能化管理。通过搭建5G基站、5G专属移动网络，采用基于5G的BIM+智慧工地管理平台，进行项目整体智慧建造协同管理，以BIM模型为基础，通过物联网技术关联模型与现场，实现基于BIM模型的全业务数字化管理模式[8-9]。基于BIM、物联网传感技术、5G传输网络形成智慧工地平台架构，如图2所示。

图2 智慧工地平台架构

感知层是基础，用于数据采集，为整个系统提供牢靠的信息保障，包括基于物联网的智能设备、施工机器人、无人机等传感设备。网络层用于数据传输，在智慧工地系统中起桥梁作用，采用5G基站，搭设5G专属移动网络，5G和WIFI信号的全覆盖可保障数据准确传输。数据层包括BIM模型数据、有限元模型数据、三维扫描模型数据，以及工程数据、环境数据、能耗数据，形成完整并持续更新的数据系统，便于实时应用与监管。算法层是智慧工地大脑所在，对数据进行处理，给出预测、指示，为不同任务提供解决方案。平台层是从施工管理人、机、料、法、环出发，针对质量、安全形成有效的管理模块，管理人员可在客户终端直接进行管理操作。

智慧工地以人员、机械设备、物资材料、工艺工法、周围环境作为主控要素，以安全生产管理作为重要工作对象，通过数字化终端进行监控管理。智慧工地结合物联网、云计算、大数据、移动互联网、人工智能、VR、AR、5G等技术，为项目管理提供技术手段，以构建工地智能监控和控制体系，变被动监管为主动监管，实现对人、机、料、法、环的全方位实时监控。根据各环节的实时状态进行风险管控，为管理人员在风险程度失控时提供决策建议和技术支持。

2.3 智慧工地平台模块设计

智慧工地平台模块设计主要根据管理对象、管理目标、管理方法建立，对施工现场管理对象进行梳理，由人、机、料、法、环施工现场管理要素，安全、进度、质量、成本方面构成。管理目标是对管理对象的预期管理效果，应用智慧工地是实现智能感知-辅助决策-持续应用-形成资产系统。智慧工地主要借助结合物联网、大数据、5G、人工智能和算法的智能监控及控制体系-行管理。经过分析，将智慧工地平台设计为人员管理模块、视频监控模块、施工环境管理模块、车辆管理模块、安全管理模块、质量管理模块、监测系统模块，如图3所示。

图3 智慧工地平台模块设计

3 智慧工地的应用

3.1 人员管理模块

施工现场人员管理可规避用工风险，保障人员合法权益，实现对现场人员的高效管理，在智慧工地平台上直接显示劳务人员每日统计信息，如在场人数、工种、年龄及单位情况、人员进出场情况、人员健康码状态等。使用现场实名制通道，不仅可准确查看考勤情况，还可对接上级单位平台及相关政府监管部门管理平台。在施工现场出入口安装红外线体温监视系统，实时监测进出场人员体温，对体温异常的人员给予实时报警提示，有效防止体温异常人员进入现场，对生产作业产生影响。对于高危工种所在的关键岗位，布置健康监测系统，实时采集关键岗位人员的运动步数、心率、血压等信息，并将健康监测历史记录储存在平台中，便于回溯。一旦检测出施工人员的心率、血压、体温异常，可按健康监测系统中的SOS键启动一键报警功能。此外，人员管理模块包含人员安全教育功能，可启动在线培训教育课程，并进行相应在线考试。在智慧工地中，人员安全培训可使用VR设备进行体验式教育和多人协同。对于在线考试考核不合格人员，将自动关联实名制闸机严禁入场，以对现场人员进行实际有效的安全教育。

3.2 基于AI的视频监控模块

AI(人工智能)技术凭借人脸识别、图像识别功能，在智慧工地系统中发挥优势。AI技术包括图像识别、语言识别、机器人等功能，除模拟人类思考，还具有强大的自学习、自适应能力[5，10]。将AI引入智慧工地，利用人脸识别功能可加强现场人员管控能力，利用图像识别、可辅助施工质量验收、管理现场车辆等。利用AI技术可设置全面的视频监控模块，包括安全帽识别、反光衣识别、安全带识别、无感考勤、区域入侵识别、人员徘徊检测、人员聚集检测、人员摔倒检测、吸烟识别、人员在岗检测、烟雾识别、疲劳识别、明火识别等功能。在重点管控区域布设摄像头，可实现监控画面实时查看、历史回放、定时抓拍，增加智慧AI分析功能，可实现违规行为快速识别、反馈、预警，实现人员、设备、物资、安全等全方位监管，有效提升信息化管理水平。

3.3 施工环境管理模块

为实现建筑施工中四节一环保的目标，应在智慧工地平台引入施工环境管理模块。该模块利用温湿度传感器、噪声传感器等采集现场环境数据，并通过物联网、信息管理技术进行实时监测和管理。选择智能算法处理检测数据，可预测现场环境发展趋势，进而提前进行控制、调节，实现对施工现场水电、扬尘、噪声等因素的智能化管控。该模块采用能耗自动监测控制系统，可自动采集、记录，并通过报表分析能源消耗，当监测数据异常时，可远程进行开关或定时启停。

3.4 车辆管理模块

施工现场人员通过面部识别进出，施工现场来往车辆种类繁多，在智慧工地平台车辆管理模块中将入场车辆进行分类，如将车辆划分为常驻车辆、来访车辆、黑名单车辆，对不同车辆采取不同管控方式。通过智慧工地车辆管理模块可追踪进场车辆轨迹信息，有效掌握车辆进出场时间、车牌、车辆类型、归属单位、影像等信息，进而掌握车辆定位、工作状态，实现对车辆的远程调度、安全管控，对车辆违规行为进行抓拍及报警，有效提高车辆管理效率。

3.5 安全管理模块

规模较大、工程复杂的项目存在大量交叉作业，增大现场安全隐患，导致安全事故时有发生。因此在智慧工地平台中设立安全管理模块，以统筹系统管理现场安全情况。除人员安全外，现场安全管理包括设备安全、重大危险源监测、群塔防碰撞、电路火灾安全等内容。针对具体安全管理内容，应匹配相应的安全管理方式，并建立分级预警、解决机制，实现对建筑工地全方位安全监督。将BIM、物联网、云计算、人工智能等信息技术融合到智慧工地平台，使用传感器采集数据并实时上传至智慧工地平台，进而进行监管和调控，及时控制安全隐患。

3.6 质量管理模块

本项目建立智慧工地质量管理模块，有效提升质量管理水平。利用信息化技术采集现场质量数据，并上传至云平台实测实量系统。管理人员可使用PC端或移动端查看质量问题数据的图表分析结果，便于及时整改、验收，也方便问题统计和一键查询。相关管理人员要掌握质量管理模块的操作内容，以保证质量检查结果准确无误。整改质量问题时，可直接在现场照片中标注质量不合格的位置，提高工作效率。平台质量管理模块主页会实时显示质量巡检、质量验收统计信息，滚动显示最新记录。在施工现场随时发现问题都可在手机APP端随拍上传，同时，质量巡检、验收、整改等功能也可一并在APP端操作，为质量管理提供便利。

3.7 监测系统模块

在智慧工地平台建立独立的监测系统模块，管理安全质量问题。本项目重点监测对象有塔式起重机、卸料平台、高支模、深基坑、临边防护、智能安全带、高强螺栓等。将监管放入智慧工地平台系统，可做到实时监控，及时排查安全隐患，确保设备正常运行。智慧工地监测系统模块如下：①塔式起重机安全监测系统 对碰撞、超载倾覆、小车限位制动、运行黑匣子、吊钩可视化、塔式起重机司机验证、塔式起重机工效大数据等进行实时监控、分析，并及时给出预警，确保塔式起重机安全运行；②卸料平台安全监测系统 将卸料平台主钢丝绳安装测力传感器，经主机进行实时监测分析，当承重超限时，制动发出声光报警，并以微信、短信形式通知相关责任人；③高支模安全监测系统 通过前端传感器对高支模沉降、位移、压力进行实时监测，并进行超限预警、危险报警；④深基坑安全监测系统 通过建立数学模型，监测基坑支护结构、地下水状况、基坑自动排水、基坑底部，及周边建筑、管线及设施、重要道路及其他监测对象，预防事故发生；⑤临边防护监测系统 将对射光栅布设在基坑临边、基槽、深沟及其周边、楼层临边、楼梯周边、平台或阳台边、屋面临边等位置；安装智能异动预警盒进行视频AI监控，对人为破坏、异动、拆除、翻越、坠落等事件，将发出声光语音报警，及时上传平台推送至管理人员；⑥智能安全带监测系统 对高空作业人员进行实时监测与提醒；与智能安全帽建立通信协议，最终传输至智慧工地平台(后台显示定位及状态，并自动记录、报警、推送)；⑦高强螺栓松动监测系统 通过传感器实时监测螺栓拉伸量、松动情况，保证螺栓预紧力可控，发生松动可及时预警，降低现场机械设备的维护工作量、维修成本，提高机械设备运行的可靠性、安全性；⑧履带式起重机安全监测系统 通过高精度传感器实时监控履带式起重机运行过程中的起重量、起重力矩、起升高度、下降深度、幅度、风速、回转角度、工作时间、累计工作时间、工作循环等参数，并可在吊点加装高清球机摄像头，使吊钩下方所钓重物的视频图像清晰呈现在塔式起重机驾驶舱内的显示器上，保证履带式起重机安全运行；⑨大体积混凝土无线测温监测系统 监测数据对接至智慧工地平台质量管理子系统，数据出现差异时，系统将自动干预并报警、推送。

4 结语

智慧工地是建筑业转型升级的关键技术手段，可改变施工现场粗放的管理模式，不仅能够提高施工智能化水平，还能智能监控项目，防范风险。智慧工地通过管理平台，可实现数据共享，通过信息感知-整合-处理、分析可对施工现场管理提供更科学的决策。本项目依靠智慧工地管理平台，解决了工期紧、任务重、智能化与信息化程度高、安全风险多、质量标准高等难题，实现对人、机、料、法、环的全面管控，提高安全质量管理水平。未来，智慧工地还应不断在实践中进行完善、发展，并不断提高管理平台可行性、实用性和综合性，以进一步推动智能建造发展和行业变革。