数字化技术下的智慧工地管理与科技展厅应用

张 弛, 章 谊, 郑宏佶

(1.上海建工二建集团，上海 200080； 2.上海洵荣信息科技有限公司，上海 201500)

0 引 言

我国工业与城镇化的进程中，传统建筑业不仅为国家的发展提供了良好的基础设施条件，也深刻地改变着人们的生活面貌。建筑行业在创造举世瞩目成就的同时，也面临着前所未有的困难与挑战。比如，在传统管理模式下，工程人员安全意识较薄弱、管理协调困难、机械设备管控费时费力、安全质量问题时有发生、施工进度实时追踪不及时，以及工况工种过多引起的监管困难。

与此同时，现代信息技术迅猛发展。新一代IT技术与传统建筑业深度融合：基于BIM技术的建筑施工智能化[1]；基于PCA[2]、Tensor Flow[3]和Zigbee技术[4]的人脸识别的安防与定位系统；基于多屏协同的智能电视人机交互系统[5]；基于多屏互动的人机交互协同机制[6]，虚拟现实VR[7]技术，和激光扫描的三维虚拟建模仿真技术[8]……相信在不远的将来，甚至会出现拥有“大脑”与“神经系统”的建筑机器人[9]，加入到管理与施工的队伍中来。

而当下，新兴的互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能等数字化技术，共同构建了建筑工地现场的智能监控和控制体系，弥补了传统人为管理方法在监管中的缺陷。

1 智慧工地

1.1 建设思路

通过总结现场管理中的痛点，依次选取数字化技术中的互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能，来实现对工地现场的更高效的智能管理。减少安全隐患的同时，降低了人工成本，最终也提升了项目管理水平与整体形象。

1.2 平台架构

在智慧工地的云平台上，通过用户层、业务层、平台层、传输层，以及感知层这五个层面的建设，建立起管理支撑体系和安全保障体系。

1.3 应用场景

平台架构中的感知层的设备直接布设在工地中，对应解决工地管理的痛点问题，大大提升了管理水准和安全水平。

数字化平台的建设思路、云平台的架构以及应用场景如图1所示。

2 人物料管理

2.1 人员管理

2.1.1 劳务实名制系统

劳务实名制系统包括门禁功能、分析功能、统计功能与管理功能。门禁功能可以实现进出人员的实名制管理；分析功能可实时分析在场人数、工种与班组；统计功能包含数据同步上传、更新与统计；管理功能包括分区管理、考勤记录与工资发放。可以分别在生活区设置门禁通道实现人脸识别进出；在施工区设置人员考勤通道，实现人脸识别考勤，考勤数据可直接对接施工企业的云平台、甲方管理平台，以及政府管理平台。

2.1.2 AI无感系统

AI无感系统，可以实现多人同时识别。通过人脸识别，杜绝作弊，加强管控。无须排队，快速通过。现场语音报警，发现异常立即处理。并且有历史记录，可以追溯查询。

2.1.3 VR安全教育系统

通过沉浸式体验，模拟现场施工的危险场景，实现安全教育。改变传统培训模式，强化工人安全意识。房屋建筑类项目的安全体验场景实行实名制，要先通过安全教育，方可获得施工区通行权限。在传统教育模式下，工人缺乏学习主动性，培训组织困难；传统培训方式枯燥；图文模式下的培训效果不理想。虚拟场景受训过程无安全隐患，屏蔽外部干扰，学习效率高。有三套模式，分别适应项目的不同需求，可在不同场景应用。

2.1.4 无线WIFI教育系统

无线WIFI系统可应用在工人生活区。先答题后上网，能潜移默化地提高工人安全意识。拓宽工地安全教育渠道，提升项目整体形象。

2.1.5 人员定位系统

通过配备蓝牙的智能安全帽，连接到蓝牙基站，数据上传至云平台，再通过与电脑的数据对接，实现实时查看[图2(a)]。 人员定位系统可实现实时定位；人员统计分析；和区域预警或时段预警。实时定位是指用分布式算法来精准定位，实时记录行动轨迹。它可加强作业人员的现场管理，督促现场有序施工。同步后台人员轨迹，分析人员热度，呈现工程分布图标，预警工作进度，以及合理配置劳动力。当进入危险或重点区域时，或在非工作阶段进入工作区时，会触发现场语音预警。同时，平台同步提示，主动预防安全事故。

2.2 机械管理

2.2.1 塔吊辅助监控系统

塔机安全监控系统可实现自动监测设备的运行、监测负载性能、达到群塔作业防碰撞与区域保护；吊钩可视化系统可实现大臂前端快速地自动跟钩，实现画面实时呈现至驾驶舱[图2(b)]。塔机安全监控系统也可实现多种限位功能；区域保护功能；动态群塔防碰撞；驾驶员身份识别；吊钩自动跟钩，以及超高层施工上的特色应用。

图2 人员与机械定位系统

2.2.2 塔吊安全监控系统

塔吊安全监控系统可以在用户层，从地面实现对塔吊进行实时的远程监控，并做出综合分析；也可以在塔吊的驾驶室内设置监控主机，在塔吊的各个部位设置各类型的传感器。

2.2.3 履带吊安全监控系统

与塔机监控系统相似，履带吊安全监控系统可自动采集机械运行过程中的实时状态参数。状态参数包括起重量、力矩、高度、变幅、回转角度、风速、吊钩下降深度、视频跟钩，以及卷扬机与驾驶舱监控情况。当检测到超载、超力矩，或超幅时进行自动报警。

2.2.4 施工升降机监控系统

施工升降机监控系统由监测主机一端连接上下限位装置、载重测量装置、高度传感器、显示器，与人脸识别系统。另一侧连接到云平台。该系统可以实现高度采集、驾驶员身份识别、载重检测、人数识别、黑匣子记录功能，与无线传输功能。其高阶应用还包括：升降机高度及人数识别、效率与疲劳分析，以及认证清除模式(断电、开门、延时)。

2.2.5 智能螺母

智能预警螺母安装在高强螺母后，高强螺母松动退丝时触动预警螺母背面的传感器，预警螺母即启动预警。监控主机与智能预警螺母终端无线连接，预警螺母预警时，终端将报警信号传输给监控主机。监控主机启动本地预警，并把预警信息上传至平台。

2.2.6 钢丝绳监测

铁磁性构件无损探伤检测技术可对钢丝绳、钢缆、斜拉索，以及轨道，进行精确的内外部损伤及剩余载荷检测。并结合IOT技术、AI技术和VR技术的应用，为智慧城市、智慧工地、人工智能、智慧生产提供全面的安全保障。

2.3 物料管理

应用自动计量子系统实现物料的数字化管理。对进场物料和出场垃圾等进行称重。该系统可自定义磅单和报表格式；提供报表查询打印和交易数据查询打印；可在称重过程中给司机语音提示；有现场称重监控和称重图像抓拍功能，视频采集卡能把重量显示在图片里，实现系统防作弊。

3 现场与施工管理

3.1 现场管理

3.1.1 视频监控系统

视频监控系统可实现远程查看工地施工进度和措施落实情况。通过录像回放，溯源问题原因。延时摄影是每隔一段时间抓取现场照片，自动形成视频，展示工地整体进度情况。

3.1.2 视频AI

视频AI系统已广泛应用在项目的多个方面：安全着装管理、制高点巡检、周界安防、车辆冲洗监控、AI防疫、视频AI、车辆出入管理系统、工地智能广播系统，以及移动巡更系统。

3.2 施工管理

3.2.1 扬尘噪声监测系统

实时监测，临界预警。实时监测环境数据，视频辅助实时记录，数值超标预警，视频抓拍留档记录。智能联动，“监测+治理”一体化管理，同步联动降尘装置，数据超标智能启动。该系统可实现设备自动远程联动控制，提升环境整改效率。LED大屏实时反映环境数据，展现文明施工成果。

3.2.2 智能水电监测系统

基于物联网技术的水电计量新模式，可减少水电资源的浪费，降低安全隐患。自动远程读取水、电表数据；设置阈值，自动判断异常情况；节约人力资源；节约水电。

4 安全与质量管理

4.1 安全管理

4.1.1 临边防护监测系统

便携式临边防护监测系统采用红外对射技术，对靠近危险区域的人员进行应急报警，避免危险事故发生。绕线式防护栏状态监测系统，实时监测防护栏状态，一旦破损或倒塌，及时现场报警，并推送信息至管理者，确保及时维护。

4.1.2 卸料平台监控系统

载物重量自动实时监测，增加传统卸料平台的超载保护功能。语音与灯光报警功能，为施工作业人员预警报警，避免因超载而引起的坍塌事故。远程监控平台记录数据，查询和分析卸料平台进出料记录。

4.1.3 配电箱监测子系统

配电箱监测子系统会预警剩余电流、过压过流、箱体过温、箱线过温，以及实现三相不平衡时的报警。可实现施工现场临电监测，杜绝安全隐患。

4.1.4 高支模监测系统

通过在高支模上设置无线倾角计、无线荷重计、综合分析仪、终端控制仪、无线位移计，以及声光报警器，使得无线监测主机，可实时接收现场传感器信号，并发送至云平台。实现实时相应和超值报警。

4.2 质量管理

4.2.1 实测实量系统

实测实量系统主要包括智能卷尺、智能靠尺、激光测距仪，和智能回弹仪等。可实现优化质检测量流程；测量内容自定义；现场高效测量与测量管理简便化；自动计算合格率和测点覆盖率。

4.2.2 大体积混凝土测温

自动记录混凝土温度、混凝土湿度、环境温度，以及温度应变。当里表温差和降温速率超过设定阈值时立刻报警。在云服务器上，可通过GPRS与433M无线组合成多种工作模式。

5 科技展厅

5.1 科技展示

5.1.1 魔环互动

通过手势识别，可在三维空间漫游。利用魔环互动，实现在BIM模型中的漫游[图3(a)]。

5.1.2 沙盘展示

传统的建筑沙盘在运用数字化技术后，已经可以实现沙盘升降展示、沙盘单体投影、沙盘投影区域和旋转炫彩沙盘等多种展示模式[图3(b)]。

5.1.3 全息投影

以全息成像方式进行三维立体展现，通过实景拍摄和模型结合的方式，360°全景展示建筑鸟瞰图、建筑建造趋势和单体建筑等[图3(c)]。

5.1.4 MR互动

利用MR的合并现实和虚拟世界而产生新的可视化环境。实现物理沙盘的实拟现实与虚拟现实的虚实相结合。通过背景墙的高分辨率大屏，融合出新的场景，营造出新的可视化环境。使物理和数字对象共存，并实时互动。结合工地人、机、料、法、环等五大要素，动态呈现工地日常工作的繁忙景象[图3(d)]。

5.1.5 裸眼3D全息风扇

利用人类视觉暂留(POV)技术原理，通过超高密度LED灯带高速旋转成像，实现3D全息视觉的增强效应，空气悬浮与全息立体的显示效果。打破传统平面显示的局限，可进行实时同步、交互开发，引领商业全息显示行业的新风尚[图3(e)]。

5.1.6 球幕互动

球幕互动采用360度全圆屏幕，由多个投影仪的边缘融合而成。全封闭式球形屏幕显示了一幅超长跨度的宽画面，有着全方位的立体效果。就像在天空中，整体覆盖着观众区。观众可以在会场中心随意观看。加上全方位立体声效果，可以产生强烈的沉浸感[图3(f)]。

图3 数字技术的科技应用

5.2 科技应用

5.2.1 3D打印

以3D打印数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印可以验证机械和材料堆场等摆放位置。

5.2.2 迎宾机器人

迎宾机器人具备语音识别、语音理解、传感交互、人脸识别、室内导航和情感分析等能力。可支持特定场景。可对机器人进行外观和功能的特殊定制，为展厅讲解和便民服务创造新的智慧科技体。

5.2.3 无人机

无人机，除了搭载相机外，还可以携带喊话器、抛投器、气体探测器、探照灯等各类多功能挂载，以完成不同的行业任务。同时可具备大屏联动实时图像传输、无人机实时远程探伤，和无人机AI巡检等的深度应用[图4(c)]。

5.2.4 AR可视化技术交底

通过计算机系统提供的信息，增加参与者对现实状态信息的感知能力。并将计算机生成文本、图像，及虚拟3D模型叠加到参与者所感知的真实情境中，提高参与者对真实场景信息的感知力。利用手机或平板电脑扫描二维码，即可出现三维立体影像，并可与之交互，使工艺功法交底更直观[图4(d)]。

5.2.5 云平台

在云平台上，首先完成“人-机-料-法-环”的系统集成，再通过云平台服务器进行数据记录，最终在诸如大屏幕、手机，或电脑上实现数据的前端展示[图4(e)]。

图4 数字技术的科技应用

6 结束语

数字化技术提供了智慧工地的解决方案，助力项目管理。同时，科技赋能智慧建造，助力数字化技术管理下的项目成为更高效、更环保、更安全、更文明的行业标杆。数字化技术的科技展示与科技应用也极大地助力智慧工地的建设。