长江干线武汉至安庆段6 m水深航道整治工程智慧工地建设研究

叶志伟，方佳敏，田 栋，肖 衎

(1.长江航道局，武汉 430010；2.长江宜昌航道工程局，宜昌 443008)

近年来，随着云计算、大数据、物联网、人工智能、BIM(建筑信息模型)技术等先进信息技术的快速发展[1]，传统的航道整治工程行业利用这些新技术，实现了三维设计精确设计和施工模拟[2]，围绕施工过程管理，建立互联协同、智能生产、科学管理的施工项目信息化生态圈，实现工程施工可视化智能管理，以提高工程管理信息化和精细化水平，推动了长江航道工程建设从传统行业向现代服务业的转型升级。在建设智慧管控平台与理论方面，李霞等[3]分析GIS与物联网技术引入智慧工地，建立智慧工地综合监管平台，为文明施工和文明执法提供依据；吴威等[4]提出建立了设备感知、工地感知、现场管理和远程监管4个层次的电网基建工程智慧工地总体框架；何洋等[5]将BIM技术运用到航道整治工程项目管理中，实现基于BIM模型的项目管控；黄凯等[1]研究应用基于智慧工地大数据管理平台的新型管理方法，并以重庆约克北郡商业项目为工程背景，介绍城市大型总体项目智慧工地信息化数据平台建设。本文以长江干线武汉至安庆段6 m水深航道整治工程为依托，针对目前项目管理存在的问题，提出利用BIM技术、物联网、人工智能等建立航道整治工程智慧工地管控平台，提升航道整治工程信息化、自动化管理水平。

1 工程概况

长江干线武汉至安庆段6 m水深航道整治工程(以下简称武安段工程)上起武汉天兴洲长江大桥、下迄安庆皖河口，全长约386.5 km。自上而下整治湖广—罗湖洲、沙洲、戴家洲、鲤鱼山、张家洲、马当、东流等7个碍航滩段，建设护滩带24道、护底带4道，坝体5道，高滩守护15.4 km，护岸加固13.3 km，基建疏浚477万m3，配套建设航标工程、生态建设工程[6-9]。航道建设等级为Ⅰ级，建设标准为6.0 m×200 m×1 050 m(水深×航宽×弯曲半径)，部分重点碍航滩段航宽不低于110 m，设计最低通航水位年保证率为98%，批复概算37.44亿元。本工程建设规模较大、点多线长、内容复杂：(1)建设内容多，主要有护岸工程、护滩与护底工程、筑坝工程、疏浚与吹填工程、航标工程以及生态工程等；(2)工程点多线长，涉及到湖北、江西、安徽等三省七市的7个滩段，建设环境复杂，管理难度大。

由于本工程建设规模大，建设管理要求高、施工人员相对较少、建设任务重，现场施工管理点多线长面广，传统现场管理方式极其困难，需采用信息化手段实现高品质管理。在全生命周期建设与使用过程中，项目通过开展基于BIM模型的智慧工地技术应用，提供工地现场管理信息化解决方案，以实现项目建设目标。

2 智慧工地总体架构

武安段工程智慧工地平台通过物联网、大数据、云计算、移动互联网和BIM等现代化信息技术引入到工程实践中，给传统施工操作与管理安装“智慧大脑”，使传统施工流程进行优化和再造，从而提高工程管理质量和效率，增加经济效益，提升管理层次。智慧工地平台的总体架构由展示层、应用层、数据资源层、基础环境层四个层级，以及信息化标准规范和信息化安全保障两个保障体系构成。智慧工地总体架构图详见图1。

图1 智慧工地总体架构图Fig.1 Overall architecture of the smart construction site

展示层：是整个平台的展示形式，主要通过WEB大屏或手机端对武安段工程智慧工地平台进行展示。

应用层：是整个系统架构的基础，主要由武安段工程智慧工地管控平台BIM系统应用等构成。其中武安段智慧工地管控平台包括远程视频监控、车船监控与调度指挥、用电安全、环境监测、水位水情、项目信息等；基于BIM模型的项目管控系统主要包括项目质量、安全、进度、投资管理；水位上报系统主要包括：水位站管理、上报人员管理、水位上报及水位信息展示功能。

数据资源层：由结构化数据和非结构化数据以及数据接口三部分构成。其中结构化数据包括：项目数据、车船数据、水位数据、环境数据、用电数据等构成，非结构化数据包括：地理位置数据、统计数据、系统管理数据、设计数据、BIM数据等构成。其中部分数据通过数据接口的形式进行获取。

基础环境层：包括主机存储系统、网络系统、感知监控设备等基础设施，其中服务器及存储、应用软件和安全系统等是信息化建设的根基；通信网络是信息传递和服务支撑的桥梁，需要基于现有的基础设施资源情况，充分利用通信网络体系，满足系统的功能应用；感知监控设备通过传感器采集施工现场的安全、质量、人员数据，通过数据分析和过滤，实现施工现场安全、质量的监测与预警。

3 建设方案

3.1 智慧工地集成平台

武安段智慧工地集成平台通过高分辨率大屏幕进行工程信息展示、各类功能集成、BIM技术应用等功能。

(1)智慧工地展示平台。展示工程概况、工程基本情况等有关内容。

(2)基于BIM模型的项目管控平台。利用BIM技术，实现基于BIM模型的项目质量、安全、进度、计量与支付等管控、三维施工技术交底、安全技术交底、BIM施工模拟等功能[10]。

(3)智慧工地集成平台。集成水位水情监测、船舶用电安全监测和环境监测监控平台、排体搭接质量监测等终端数据采集与监测，远程视频监控，车船定位调度监控，实现工程管理的现场实时指挥、调度、监控与质量控制等功能，智慧工地集成平台展示见图2。

图2 智慧工地集成平台展示Fig.2 Integrated platform presentation of the smart construction site

3.2 基于BIM技术的项目管理

在工程项目管理方面，开发BIM施工管控平台，结合施工管理和行业规范要求对设计BIM模型进行施工深化，通过细化模型或增加模型施工信息，形成施工阶段BIM模型，然后按照施工单位的工作划分结构(WBS)和施工组织设计进行深化设计，并利用二次开发专业工具对模型进行编码(MBS)，最后将编码完成的施工深化BIM模型发布BIM施工管控平台。基于BIM施工管控平台，实现基于最小施工单元BIM模型的质量、安全、进度、计量与支付，提高项目管理的精细化和信息化管理水平。

(1)基于BIM的质量管理。基于施工深化BIM模型的WBS编码结构，与质量检验的QBS编码结构关联，提供BIM模型可视化质量管理方面的咨询服务，实现施工现场数据采集、审批流程合理化，实现原材料、人员、船机设备数据管理信息化，通过质量管理数据与BIM模型关联等技术手段达成原材料可追溯、施工质量可追溯。质量管理BIM应用流程见图3。

图3 质量管理BIM应用流程Fig.3 Quality control of BIM application flow

(2)基于BIM的安全管理。基于BIM模型，通过智能安全帽、船舶定位、BIM模型结合、地形水位分析等技术手段，实现人员实时定位、船舶定位、作业水位分析等，进行智能可视化安全管理。

(3)基于BIM的进度管理。结合施工组织设计方案，将BIM模型与进度计划、人材机计划等信息关联，利用BIM模型进行施工推演模拟，优化方案；以施工深化BIM模型为载体，将施工进度计划细化至最小施工单元，施工技术人员根据现场施工进度赋予BIM模型实际施工时间和工程量信息，管理人员可以通过BIM模型直观查看施工进度情况，根据工程量信息自动计算施工产值动态掌握项目形象进度，并利用施工计划和实际施工时间信息进行动态分析，为项目管理决策提供支撑。通过BIM模型将时间、工程量等施工进度信息关联，为用户提供进度计划编制、施工进度模拟、进度计划调整审批、施工进度BIM动态显示、施工进度BIM动态分析、进度报表定制化输出、进度可视化数据统计等业务功能。BIM施工管控平台的进度管理界面见图4。

(4)基于BIM的合同、计量支付管理。基于施工合同的工程量清单，将合同、计量支付管理与BIM模型、现场施工相结合，将计量精细度细化到施工单元，通过与进度管理和质量管理模块联动，筛选已施工并且已验收合格的施工单元，自动汇总形成计量工程量，可基于BIM模型按时间、构件属性等不同维度查询工程费用，精细化、可视化展现合同和计量支付进度，实现多维度费用对比分析，发现异常时及时纠偏。BIM施工管控平台的计量支付管理界面见图5。

(5)施工技术、安全技术交底。建立基于BIM模型的三维施工技术交底、安全技术交底知识库，分别对护岸施工、护滩与护底施工、筑坝施工等20余种常用的施工工艺制作三维施工技术交底、安全技术交底，改变常规施工技术交底方式，更好的满足现场作业人员的学习培训。

3.3 终端数据的自动采集与监测

(1)水位监测与变化分析。航道整治工程施工受水位影响大，密切关注工程河段的水位变化十分重要。通过工程河段临时水位站和已有的自动水位站，实现武汉至安庆段各施工区域水位数据的自动采集与传输，结合历年水位数据，科学预测水位变化趋势，指导项目施工。

(2)施工区环境监测。在施工现场配备自动监测环境仪器，对施工现场的风速、风向、能见度、温度、PM值等环境要素进行实时监测，通过移动网络数据信息传输至监测平台，显示各环境要素，当设定的各环境要素作业限制条件超标时自动报警。

(3)船舶安全用电监测。通过电流互感器、温度传感器和电气火灾探测器等智能终端，对施工船舶用电和项目部引发电气火灾的主要因素进行实时在线监测，数据跟踪与统计分析，及时掌握线路动态运行存在的用电安全隐患，对出现的异常能及时通过预警方式提醒管理人员。

(4)排体搭接质量监测。水上铺排的搭接质量控制是航道整治工程重难点，本工程通过在铺排船安装声呐设备，将声呐检测数据实时传输至智慧工地监控平台，实现排体搭接数据的量测、监控，并根据搭接情况实时控制调整船位，确保铺排施工质量。

3.4 车、船定位监控调度

车船定位监控调度由车、船载终端、无线移动网络和自有地图服务平台三部分组成。车、船载终端通过无线移动网络将位置信息传送至自有地图服务平台，实现对车、船位置的监控[11-12]。

(1)车、船载终端。相关工程人员、车辆和船舶配备北斗等定位终端，将其位置信息通过移动网络传送至自有地图服务平台，现场管理人员可实时查看其位置信息，实现一键联系指挥调度。

(2)自有地图服务平台。以自有地图服务平台为底图，叠加制作的专题工程区、工程河段电子航道图图层，实时显示所有车辆、船舶位置，为工程船舶、车辆位置提供高效的可视化环境信息。

工程管理人员在平台上进行缩放浏览、定位查询、空间量测等基础操作，查看选定人员、车辆、船舶的运动轨迹；设定车辆、船舶运动电子围栏范围、运行路线等，实现超范围活动或偏航的自动报警。船舶动态管理模块界面见图6。

3.5 远程视频监控

远程视频监控主要由前端监控摄像头、传输链路、监控中心构成。前端摄像头主要安装在施工船舶、岸基等重要位置，将采集的图像信息传送到服务平台中心，实现对工地及周边监控，包括视频查看、图像存储、录像回放、违规抓图、报警联动等功能。

图6 船舶动态管理模块界面Fig.6 Modular interface of the ship dynamic management

由于航道工程施工范围点多线长，监控的重要区域比较分散，网络传输由通讯专网提供，以满足视频数据高质量传输。在监控中心，通过叠加地图和工程布置图为底图，标识摄像头安装位置，实时查看某监控范围内的施工动态，有效查看操作人员作业是否规范等。

监控摄像头的类型选择要根据现场实际情况来选择，确保视频清晰稳定、数据完整不失贞、重要区域全方位覆盖，同时要方便操作等；监控施工作业区域的摄像头，应具备特定抓拍功能，当出现施工人员违规操作时，自动对焦抓拍保存数据传输至服务平台，便于管理人员的现场监管。

4 结语

本文以武安段工程为依托，研究归纳了航道整治工程智慧工地的特点和总体架构，基于物联网、大数据、云计算、移动互联网和BIM等信息化技术，构建了BIM模型的项目管控平台、智慧工地集成平台，形成具有自动化信息感知、数据资源共享利用、项目管理协同高效的智慧工地管控平台，实现了基于BIM技术的大型航道整治工程的质量、安全、进度、投资管理、水位、环境等终端数据的自动采集与监测，车、船定位监控的实时调度等功能，使得航道整治工程项目管理更加智慧，减轻了现场管理过程中对人的依赖，大幅度提高了管理效率，节约大量人力、材料、水电等资源，提高工程施工质量、安全管理水平，为航道整治工程项目管理提供了新理念和新思路。