“智慧工地”在公路工程中应用的关键技术与路径

张骋，房博文，徐照

（东南大学，江苏 南京 210096）

近年来，信息技术快速发展，并在各行各业中得到了广泛应用，对人们的生产和生活方式产生巨大影响，经济社会逐渐进入智能、智慧时代。作为基建强国，我国的公路工程体量巨大，但项目管理手段和模式亟待创新。长期粗放式的发展，致使其面临物资管理混乱、环境污染严重、人员管理失控等问题。此外，相比于一般的工程项目，公路工程还具有工艺复杂、施工人员多、露天作业场景多等特点，风险水平长期处于高位，质量和安全问题易发。同时，公路工程建设项目中参与方众多，容易产生“信息孤岛”现象，工作协同困难。但是传统公路工程管理模式以人工为主，考勤、现场巡查、旁站等方式效率低下，精益化不足，严重制约着我国公路工程的转型升级。

另一方面，基于新兴信息技术的“智慧工地”快速发展。其能够通过提升公路工程建设管理的信息化和智能化水平，来达到项目管理降本增效的目的。在此背景下，本研究首先分析了“智慧工地”在公路工程中应用的作用和意义，在此基础上，进一步梳理公路工程“智慧工地”建设的关键技术，并阐述“智慧工地”在公路工程中的应用路径。

1 “智慧工地”的应用意义

信息技术使工业时代逐步向数字时代迈进，诸多领域开始了“数字化”和“智能化”的转变。在此背景下，融合BIM、大数据、物联网、云计算等信息技术与工程建造技术的“智慧工地”应运而生。信息技术的引入，使“智慧工地”具有施工装备智能化、项目管理要素实时动态感知、信息互联互通与高效协同等优势。

“智慧工地”带动了整个公路工程领域管理模式的创新。其可以实时对公路工程质量、进度、安全、成本等信息进行采集、处理和分析，并能够有效挖掘过去管理中不易发现的隐患，并能够及时反馈至项目管理人员，从而显著提高项目管理的精准性，避免工程事故的发生。同时，智慧工地还凭借即时信息传输的优势，改善了以往公路工程项目管理过程中可能存在的“信息孤岛”问题，促使各参与方之间信息协同、业务协作，助力公路工程建设高效化和规范化。

此外，“智慧工地”还在公路工程的全寿命周期项目管理中起到重要作用。“智慧工地”建成后，往往会建立专用的施工信息数据库，使得后续管理人员可以随时调取原始施工数据，为后续的施工作业及公路工程的监管养护提供相关依据。

2 “智慧工地”建设的关键技术

本研究借鉴制造业中智能建造的分类理念，从数字化技术、网络化技术和人工智能技术三个方面，对智慧工地在公路工程应用中的关键技术进行梳理和阐述。

2.1 数字化技术

2.1.1 BIM 技术

BIM 技术，又称建筑信息模型，起源于20世纪提出的建筑计算机模拟系统。与传统的二维CAD 技术相比，其集成各种建筑信息参数，形成数字化、参数化的建筑信息模型，具有三维可视的特点。BIM 技术既可以实现构件模型与真实情况一一对应的直观交互，又可以实现公路工程中建设方案的各项模拟和优化，为公路工程建设过程中各参建方的协同管理提供基础。

2.1.2 大数据技术

随着“数据驱动决策”理念的不断深化，公路工程项目的数据处理任务呈现出总量增多、种类复杂的趋势。公路工程项目本身数据复杂庞大（例如水文地质数据、工程特征数据、参建方人员管理数据），在BIM 技术应用以及数字化转型的过程中，数据的总量和种类会进一步扩张，亟需利用大数据技术进行数据的收集、处理、存储和应用。在公路工程施工过程中，可以利用传感器等设备采集原始数据，进一步通过高速数据传输机制将数据传输到数据库中进行集成管理，为之后的管理决策、业务流程优化等提供支撑。

2.2 网络化技术

2.2.1 物联网技术

物联网是指将各种信息传感器连接到互联网上，实现人与物、物与物之间相互连接而形成的新型智能网络。其采用智能数据处理和互联技术，具有自动检测、发现、跟踪等功能，可以实现信息的实时采集和处理。由于公路工程施工现场环境条件的复杂多变，该技术可以通过传感器设备而非人工的方式，有效感知施工现场的相关数据，能够更加安全、高效地捕捉和监控公路工程施工现场的实时状态。

2.2.2 云计算技术

云计算可以理解为提供广泛计算资源的网络。云计算技术的主要特征如下：动态可扩展、虚拟化、分布式、按需服务。云计算强大的数据处理能力，结合大数据、BIM 等技术，可对公路工程中的海量数据进行复杂性运算。此外，基于云计算可进一步构建云平台，利用云平台，所有项目利益相关者均可以在线上接收工程现场相关信息并做出决策，项目进度协调、质量安全管理、资源分配等多个应用场景也均可在云中完成，跨部门、跨专业协作的阻碍将被打破。

2.2.3 移动互联网技术

移动互联网将互联网技术与移动通信技术相融合，实现移动设备之间的数据交换，具有隐私性、移动性、局限性、关联性四大特征。在公路工程实施过程中，移动互联网技术的应用能够有效消除作业环境的空间及时间限制，响应管理人员对即时接收与处理信息的迫切需求。此外，随着5G 网络技术的进一步普及，移动互联的信息传输能力和时效得到进一步增强，公路工程项目管理的效率也得以进一步提升。

2.3 人工智能技术

人工智能作为一门综合性的技术，包括诸多细分领域，例如模式识别、计算机视觉、人工神经网络、自然语音处理、机器学习等。在公路工程建设领域，该项技术的目的在于通过计算机模仿人类思考和学习的思维过程，处理相关数据，完成决策判断，从而辅助人类工作。例如，在公路工程的现场安全管理中，可以综合使用模式识别、机器学习相关技术，对现场人员的安全作业行为进行智能监管，弥补人工监管的不足，提高安全管理的时效性、精准度和覆盖面。

3 “智慧工地”在公路工程中的应用路径

在梳理“智慧工地”关键技术的基础上，本研究进一步综合应用相关技术，从公路工程施工前的人员培训和施工中的现场管理两个阶段，对“智慧工地”在公路工程中的主要实践路径和应用场景进行分析。

3.1 施工人员培训

3.1.1 施工质量培训

公路工程施工技术内容主要通过标准化图集等平面化方式进行呈现，但口头叙述解释困难，再加上部分施工交底人员表达能力欠佳，与施工一线人员难以进行有效的沟通，容易导致施工一线人员对技术内容理解有误。

“智慧工地”中的BIM 技术为以上问题提供了解决途径。其通过对公路工程的细部节点进行建模，能够有效直观地显示拼接方式和部件的合理位置。在此基础上，可以进一步与VR 智能设备相互结合，给相关人员带来沉浸感和直观感，利用沉浸式漫游，开展员工培训，改善传统施工教育“盲目接受”的弊端，帮助施工人员深度了解公路工程现场的实际情况，避免潜在的返工或拆除作业，在减少不必要的施工时间和人力资源损失的情况下，提高工程质量。

3.1.2 施工安全培训

安全是公路工程项目管理中的重点对象。对于施工现场的人员管理，一线人员不仅需要具备相关的工程技能，还需要了解现场的危险源。针对这一问题，需要提前预测项目的潜在危险。但是，工程一线人员熟悉现场作业环境的过程是渐进的，在未知环境中的风险概率相对较高。

将传统的公路工程安全培训机制与“智慧工地”中的BIM 技术相互结合，可以充分发挥BIM 技术在仿真性强、3D 可视性高等方面的优势，使一线人员能够对实际工作环境做出准确、合理的判断，并提前对施工过程中涉及的机械设备和工作流程有一定程度的掌握。因此，施工一线人员可以更加快速地熟悉现场作业环境，更直观地总结项目现有的危险源，并根据危险源的特点提前制定适当的解决方案。

此外，针对公路工程复杂多变的特点，可以在“智慧工地”BIM 模型中定义不同的安全标志和措施，配合施工现场的安全管理制度，构建公路工程项目安全管理培训体系，并沉淀为组织资产，为后续同类工程的安全培训提供载体。

3.2 施工现场管理

3.2.1 智慧门禁管理系统

作为施工现场与外部环境之间的中转站，施工现场门禁是防止外部干扰的第一道屏障。因此，基于实名制信息和移动终端的门禁管理便尤为重要。智慧门禁利用物联网、大数据、计算机视觉等“智慧工地”建设手段，能够实现自动化考勤、无权限人员安全预警和体温检测疫情防控等功能。

3.2.2 施工前方案优化

（1）设计验证

通过无人机倾斜摄影测量真实地反映地面的客观情况，建立三维场地模型，验证设计测绘情况。

（2）三维场地布置

通过BIM 技术、人工智能技术，建立三维场地模型，进行漫游模拟，帮助公路工程施工现场合理规划材料转运路线、材料设备布局，为现场管理提供指导，并为合理设计施工安排提供支撑。

（3）预制构件优化

根据二维图纸、三维图纸及材料清单，结合现场安装要求，利用云计算获取各种预制构件信息，包含尺寸、长度、材质等所需信息，实现构件的精准下料。

（4）碰撞检查

针对公路工程施工图的设计进行三维模拟，检查相应的碰撞情况，避免出现构筑物重叠、预埋件缺失和位移造成的拆卸、转换和浪费等返工现象。

3.2.3 现场施工安全控制体系

利用“智慧工地”的物联网、计算机视觉等技术，可以对公路工程施工现场的危大工程进行移动巡检和流程追踪。同时，运用多场景人工智能安全识别技术，可以设置安全帽佩戴识别、越界识别、人员聚集识别、烟雾识别等功能，以辅助现场安全管理。另外，还可以在智慧工地系统中针对建设、监理、施工单位等内置管理标准，形成安全措施标准化档案云管控平台，轻松实现各单位的清单式考核。

3.2.4 现场施工环保控制体系

通过物联网、移动互联等技术在现场布设相应的环境监测传感器，通过环境信息的采集与分析，实现现场环境的动态监测与管理。同时，可与雾炮机等现场喷淋装置建立互联互动，无需人工操作即可实现现场内的自动降尘。

4 结语

随着信息技术的进步，“智慧工地”快速发展，为公路工程建设管理的水平提升提供了有效工具。公路工程日趋复杂化，信息技术的引入创新了公路工程的施工工艺和流程，为员工培训、设计方案检查、现场实时监控提供了有力支撑。此外，“智慧工地”通过统一的信息化平台，消除了公路工程不同参建方之间和不同工程阶段之间的信息壁垒，有利于在公路工程中开展全寿命周期协同管理。综合来看，“智慧工地”在公路工程中具有重要的推广应用意义。但是，当前的“智慧工地”仍然面临着概念研究深入、技术研发滞后，单项设备应用多、系统性场景应用少等不足，需要在产学研用深度合作、政策推广支持等方面，进行进一步的探索与研究。