基于BIM+AIoT的市政工程智慧工地平臺開發與應用

閆 濤

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

市政工程包括城市道路、橋梁、給排水、環境工程、地下結構等，作為城市的基礎設施，對施工現場的進度、質量、安全管控提出了很高的要求。同時由于市政工程專業的復雜性，受制于周邊環境的限制，不同工程的特點各不相同，施工標準化程度低，現場管理的難度大，風險高。傳統的項目管理手段單一、信息滯后，導致施工項目管理層反應遲鈍和主動控制能力的薄弱。在此背景下，隨著信息技術發展，特別是BIM、人工智能、物聯網等數字技術加速應用，智慧工地的建設已成為施工項目管理方提升自動化管理水平、保障工地施工安全文明的重要平臺和手段。

近年來，全國各地積極探索智慧工地建設，但還存在著系統集成度低、“信息孤島”現象較為突出、用戶端與監管層數據融通度不高、智慧工地應用點針對性不強，數據價值低等應用技術難點。大多數企業對智慧工地的應用尚處于初級階段，應用的業務板塊也各有不同，既需加強統一的頂層架構設計，又需針對項目實際的安全生產管理需求進行更具實用性、針對性的落地探索。

BIM 技術作為近年來建筑行業大力發展的新技術已經得到了廣泛的應用，在建設階段BIM 技術除可以進行施工模擬、工程量計算、施工場地布置等單點應用之外，還可以作為工程管理的數字基底，通過創建工程各專業BIM 模型、施工場地模型、周邊環境模型等，實現施工現場的三維數字化還原，施工項目管理數據、智能物聯感知數據可以通過BIM 模型基底為載體進行融合；AIoT 是AI+IoT 的簡稱，是人工智能和物聯網技術的融合應用，在智慧工地建設中，IoT 技術用于施工現場人、機、料、法、環各要素的數據感知，AI 技術可以將前端采集的數據進行實時計算，通過AI 算法的加持及時識別工地現場的安全風險，及時進行預警與反饋。

現介紹基于BIM+AIoT 的市政工程智慧工地平臺的總體架構、開發關鍵技術、各模塊功能以及在某市政工程中的實際應用情況，并對應用成效進行了總結，可為后續同類型項目的應用提供借鑒。

1 平臺總體架構

智慧工地平臺的總體架構應由感知層、傳輸層、平臺層、應用層四個部分組成，智慧工地的架構如圖1 所示。感知層包括施工現場安裝的信息采集、識別、控制的物聯設備。傳輸層指數據傳輸和通信技術和媒介，包括有線傳輸和WLAN、WiFi、GPRS/3G/4G/5G、藍牙等無線傳輸技術，實現現場采集數據的實時傳輸。平臺層指的是支持平臺基礎應用及集成的各類技術服務，如BIM 圖形引擎、數據存儲、智能分析、邊緣計算等技術，設備連接管理、應用集成、物聯設備集成、視頻流服務、基礎云服務等。應用層指的是為滿足用戶需求提供的具體應用服務，如安全管理、質量管理、環境管理、人員管理等，可以根據現場需求進行模塊化的功能配置，最后通過現場指揮大屏、Web 端、移動端APP 等用戶終端使用。

圖1 智慧工地平臺總體架構圖

2 平臺開發關鍵技術

平臺開發的關鍵技術主要包含以下四個方面：

（1）基于微服務的開發技術架構

智慧工地平臺需要能夠集成各專項子系統，同時在項目數量增加時要能夠快速進行部署，通過基于微服務的技術架構、前后端分離的開發模式可以使得平臺具備良好的拓展性并且能夠靈活部署。

（2）基于輕量化BIM 圖形引擎的數據可視化技術

基于OpenGL、WebGL 的三維圖形引擎可以實現通過瀏覽器無插件在線查看輕量化BIM 模型，通過BIM 模型實現多維數據的集成展示和聯動查詢。

（3）基于多種通訊協議融合的IoT 數據接入技術

智慧工地通過智能物聯設備實時采集工地的揚塵噪聲、視頻監控、人員定位、施工機械設備運行數據、安全監測等數據，不同的采集設備的采樣頻率、數據傳輸方式、通訊協議各不相同，平臺需要能夠支持多種協議的數據采集，并且對各類采集的數據進行統一存儲、處理和應用。

（4）基于視頻AI 的隱患識別技術

在通用圖像識別算法的基礎上結合工地實際應用場景進行AI 模型的訓練，將訓練好的算法部署到AI 服務器上，接入現場攝像頭采集的監控畫面對現場的安全隱患進行實時識別，將識別到的隱患進行通知告警，及時消除隱患，提高管理效率。

3 平臺功能介紹

3.1 人員管理

人員管理功能模塊內容應包括人員實名制登記、無感考勤系統、人員定位等功能。人員實名制登記模塊，在人員進場前通過移動端APP 對現場人員的身份證信息進行自動識別，并且通過AI 人臉對比算法將身份證照片與人員照片自動比對，確保人證匹配，在平臺中建立人員臺賬，對不同工種人員進行分類管理，對于超齡人員進行預警。

無感考勤系統通過在工地出入口設置人臉識別閘機，對接后臺人員數據庫，實現進出人員控制和考勤信息自動統計。

人員定位功能通過在安全帽上增加定位模塊實現工地現場人員位置信息的實時采集，人員位置信息可以通過BIM 模型在三維場景中實時展示人員位置信息，如圖2 所示。

圖2 基于BIM 的人員定位功能圖示

3.2 設備管理

設備管理模塊首先在平臺中建立機械設備臺賬，對機械設備基礎信息進行錄入，并對設備的檢定周期、維修保養建立數據庫動態管理。對于一些特種作業設備，例如塔吊、攪拌樁設備等可以通過加裝智能監測與控制系統，及時收集關鍵部位運行信息，發生異常時自動報警。

塔吊監測系統的監測內容包括：吊重、吊鉤高度、小車行進幅度、回轉角度、塔機傾斜角度等，還可以通過加裝視頻監控對實現吊鉤可視化和塔吊駕駛室監測，如圖3 所示。

圖3 塔吊運行監測功能圖示

攪拌樁監測通過安裝自動化在線制漿記錄儀，搭配稱重傳感器、視頻監控等，實時記錄攪拌樁各關鍵施工數據，并將采集的施工數據通過無線網絡上傳服務器。施工管理人員可以通過PC 端和手機實時查看現場施工情況，平臺功能包括實時數據查看、歷史記錄查詢、預警信息等。

3.3 基坑監測

基坑監測通過安裝相關基坑監測設備，將監測數據進行信息集成，在BIM 智慧大屏上實現可視化呈現，同時后臺進行數據分析，形成監測數據日變化量趨勢圖。對各項監測數據設置了預警值及報警值，當預警或報警時，對相關人員及時進行手機短信推送，并啟動相應基坑應急預案。

3.4 視頻監控

通過安裝視頻監控和AI 視頻識別設備，建立施工現場全方位視頻監控系統，在項目部通過監控大屏展示施工現場監控視頻的位置及監控畫面，實時監測施工現場安全生產措施的落實情況，主要包括視頻查看、圖像存儲、錄像回放、AI 識別、報警推送等功能。AI 視頻識別的功能包括安全帽、反光衣、區域入侵、吸煙、煙霧、明火等，如圖4 所示。

圖4 AI 視頻識別圖示

3.5 綠色文明施工

綠色文明施工模塊功能主要包括揚塵噪聲監測、用水用電監測等。通過安裝環境監測系統對施工現場的揚塵噪聲等環境數據進行實時監測，實現管理者對項目現場環境狀況的整體把控，支持對前端污染源的實時監控、在線預警、對歷史監測數據的查詢統計、報表分析等功能。設備終端可根據設定的環境監測閾值，與施工現場的噴淋裝置聯動，在超出閾值時自動報警并啟動噴淋裝置，以達到噴淋降噪的目的。通過安裝數字化電箱、水表、電表等硬件，將施工現場用水量及電箱的電量、電壓、電流、功率等監測數據實時反映至平臺上，并由平臺進行匯總分析數據，及時解決異常情況。

3.6 BIM 駕駛艙

BIM 駕駛艙將工程實體BIM 模型、施工場地模型、周報環境模型、施工機械模型等進行整合，建立工程全景三維模型基底，在此基礎匯聚各類物聯設備數據、工程管理數據等，綜合展示項目總體建設匯總數據指標，包括人員統計、設備統計、工程進度、安全監測、質量控制等不同主題、不同維度的統計數據，為工程指揮和調度提供決策依據，如圖5 所示。

圖5 BIM 駕駛艙示意圖

4 試點項目案例

4.1 項目概況

某水廠改擴建項目位于中心城區，工程是在原有水廠基礎上進行的擴建和深度處理改造，在改造期間需確保原有水廠供水不能間斷，對工程施工管理提出了很高的挑戰。該項目通過BIM+智慧工地的應用建立基于BIM 的智慧工地平臺，提升了工程管控的數字化、智慧化水平，為項目的順利交付提供了重要支撐。

4.2 應用成效

在該項目中，結合項目特點和實際需要，重點對人員定位、塔吊監測、攪拌樁監測、基于BIM 的施工交底等進行了應用。

為防止在施工期間，施工人員闖入原有水廠，影響水廠的安全運營，該項目引入了人員定位系統，實時掌握在場人員信息，并且通過劃定電子圍欄實現對人員越界的及時報警，取得了較好的效果，在安全風險大、人員管控要求高的項目中值得推廣應用。

通過安裝塔吊監測系統，對塔吊的幅度、高度、轉角、重量、傾角、風速進行監測，同時還設置了人臉識別模塊司機開啟塔吊時需要通過人臉或密碼驗證，防止非工作人員誤開。通過安裝吊鉤可視化體系，消除了塔吊司機的視野盲區，提升了塔吊作業的安全管控能力，如圖6 所示。

圖6 塔吊吊鉤可視化畫面

傳統攪拌樁質量管控過程主要依靠管理人員現場管理，具有一定局限性和管理盲區。在該項目中通過引入攪拌樁質量監測系統，對成樁深度、成樁時間、用漿量、鉆速、泥漿比重、施工流程、施工持續時間等進行實時監測，及時掌握關鍵施工數據，同時具備施工過程中關鍵參數監測報警功能。水泥攪拌樁質量監測系統可以有效輔助質量管理人員現場監督、檢查及旁站，替代部分現場管理工作，提高施工管理效率。

此外，在該項目中還通過將各單體構筑物BIM模型輕量化發布到平臺中，并通過平臺生成二維碼張貼在施工現場，施工人員可以通過手機掃描查看BIM 模型，基于模型開展施工交底，起到了指導施工的作用。

5 結語

在行業數字化轉型的大背景下，BIM 技術、物聯網技術、AI 技術的快速發展為智慧工地的建設提供了技術基礎，通過基于BIM+AIoT 的智慧工地平臺開發可以改變目前依賴人工管理的現狀，有效提升施工現場的精細化、數字化、智能化水平，提升項目安全水平，助力品質工程的創建。未來隨著BIM 技術和新一代信息技術的發展，基于BIM+AIoT 的智慧工地平臺有望在更多的工程建設項目中得到推廣應用，促進行業的高質量發展。