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数字化技术助力工程项目智慧建造

中铁四局集团有限公司

一、案例背景

(一)单位简介

中国中铁四局集团有限公司(以下简称“中铁四局”)是具有综合施工能力的大型建筑企业,是世界500强企业——中国中铁股份有限公司的“标杆”成员企业。目前共有子分公司35家,直属单位6家,年生产经营能力在千亿以上。

管理研究院成立于2015年10月,为中国中铁四局集团思想、战略、管理、技术、产业创新的集成化平台,下设BIM与信息化、先进建造技术、新型装备、管理创新4个专业研究室及资讯研究中心,聚焦现代企业、智慧企业、幸福企业开展前沿性研究。

(二)建设背景

当前,我国经济发展正从传统粗放式的高速增长阶段,进入高效率、低成本、可持续的中高速增长阶段。随着现代建筑的复杂度和体量等不断增加,施工现场管理的内容越来越多,管理的技术难度和要求在不断提高。传统的施工现场管理模式在速度、可靠性及经济可行性方面越来越不能适应现代化施工企业管理与发展要求。

数字化建造作为企业信息化建设的“细胞”,在数据的智能化采集、为管理流程赋能、辅助科学决策等方面,正变得越来越重要,而信息化的普及与应用促使具有智能化特点的智慧工地应运而生。目前智慧工地建设如火如荼,但现实情况是工程建设远还未达到智慧阶段,更多的是通过数字化手段实现信息化管理,当信息化管理所存储的有效数据达到一定量级,再加上成功的算法,形成了可智能判断、决策的“工程大脑”,那么智慧工地的时代将真正来临。

二、实施方法和内容

(一)建设思路

1.业务导向,服务管理

紧紧围绕“人、机、料、法、环”五个关键要素,以业务数据为基础,以智能采集技术为支撑,以提高工作效率、减轻管理负担为目标,切实满足项目管理者对建造过程的动态监管需要。

2.顶层设计,标准引路

由管理研究院牵头,自上而下地开展智慧工地建设工作。加强顶层设计,打造统一的智慧工地建设标准体系。

3.先易后难,分步推进

综合考虑企业信息化发展现状,业务系统全面整合难度极大,信息孤岛现象长期存在,现阶段重点完成以物联网为基础的数据智能采集,同步推进部分业务数据的互联互通。

4.重点突破,示范带动

以重难点工程先行先试为突破口,以提高信息管理平台、智能技术与智能设备的普及使用率为出发点,逐步拓展,以试点、示范带动企业智慧工地建设工作整体推进

(二)建设框架

智慧工地应用体系包含现场数据采集层、传输层、处理层、应用层等内容,同时接入企业既有的业务管理系统,实现数据的集中展示和分析,辅助科学决策,如图一。

图1 应用框架图

采集层:充分利用BIM、物联网等先进信息化技术手段,适应现场环境要求,解决施工现场数据采集效率低、不及时等问题,提高数据获取的实时性、准确性、真实性。

传输层:将既有各应用系统以部分集成管理和单点登录的方式接入平台,实现相关业务关键数据的抽取,并供处理层应用与分析。   

处理层:将抽取的业务数据、报表数据、物联网数据汇总、分析,形成可视化图表数据。

应用层:根据实际管理的维度和细度,将业务数据分类纳入不同的功能模块进行管理,便于用户查询和分析。

(三)建设内容

1. 生产指挥中心建设

建立企业级、项目级两级生产指挥中心,分级部署智慧工地管理平台,利用BIM、物联网、互联网等相关技术,将生产数据实时推送至项目生产指挥中心,后台数据分析、处理后,通过指挥大屏集中展示智慧工地管理平台各项生产数据和监控影像,指挥中心人员以此综合研判现场管理存在的问题,并通过数字指挥调度系统反馈至相关负责人,督促其整改完善,有效提高了项目后台管控水平。

图2 信息化中心蓝图

2. 智慧工地管理平台

在项目层面,建立统一的项目级智慧工地管理平台,通过物联网技术,将项目实际生产、安全监测和应用的各项数据集中、统一、关联和汇总到该平台上为项目日常办公、交班会议、管理分析、决策判断提供有力的信息化数据支撑和依据;基于BIM+GIS技术,以三维模型直观展示项目进度完成情况,配合进度计划滞后对比横道图提前预估施工进展情况,及早干预滞后风险项目,保障工程进度稳固完成;单点登录生产管理、安全监测、数字指挥、知识管理等各业务系统,解决多入口业务系统管理问题,提高工作效率与便捷性。

图3 项目级智慧工地管理平台

在企业层面,充分利用云计算、物联网、移动互联等现代化技术手段,规范数据接口标准,以企业施工项目业务管理为目标,整合、分析、汇总各项目级智慧工地管理平台生产数据,形成以呈现企业各项目总体生产、营销、分布等信息为对象的企业级信息化监管云平台,集中监管项目进度、产值完成情况,针对滞后项目由企业级直接进入项目级查看其详细生产数据,并通过数字指挥调度系统下达管理指令,加强企业对项目的管控力度。

图4 企业级信息化监管平台

3. 在线监测信息化平台

该系统作为施工项目统一的安全监测信息化平台,以构建具有开放性、集成性、协同性的信息化平台为目标,集成隧道围岩监测、桥墩沉降监测、深基坑监测、配电柜监测、钢支撑轴力伺服监测、塔吊安全监测等多种监测类型,实现多项目、多工点、多业务的安全监测模式。主要功能如下:

(1)利用物联网技术、云计算技术,实时收集现场各类物联网监测系统的重点监测数据,实现数据的自动采集、自动计算、智能预警,为安全生产提供数据支撑;

(2)通过统一数据接口格式,支持市面上主流的物联网设备厂家数据接入、解析计算,便于与市场成熟的第三方监测系统的集成、整合;

(3)兼顾传统测量方式,采用蓝牙技术、无线传输技术,后台实时读取全站仪、水准仪测量数据,并自动上传、计算、分析,保证测量数据的真实性、及时性,为安全决策提供依据。

图5 在线监测信息化平台

4. 视频监控系统

将视频监控系统集成至智慧工地管理平台,并标记在三维场景相应位置,通过模型直观了解监控点空间位置,并对重要监控点进行实时视频预览、云台控制、视频抓录、定时抓图与事件抓图等,确保施工生产情况了如指掌。

图6 视频监控系统

5. 环境监测系统

将扬尘监控终端、视频采集终端集成至智慧工地管理平台,通过平台可对施工现场扬尘、噪声、风速、风向、温湿度、PM2.5、PM10等环境数据实时查看监控,在环境数据超限时,自动联动雾炮降尘设备,保证现场施工环境绿色环保。

图7 环境监测系统

6. 劳务实名制管理

通过智慧工地管理平台接入现场门禁系统、实名制系统、定位系统等硬件设备数据,可在平台中实时了解现场人员工种与进出场等情况以及其相关身份详细信息,对未识别或未参与培训人员推送预警信息,实现对劳务人员数量统计、位置信息、状态信息、工种信息等的全面信息化动态监管,辅助现场生产管理。

7. 智慧食堂管理系统

通过智慧食堂管理系统,初步实现了食堂管理的数字化,员工可对食堂菜谱线上投票,就餐预约,菜品点赞、评论,根据结果统计分析推送至主厨进行改进完善,提升食堂品质,提高员工对日常就餐幸福生活指数;食堂菜品采购根据就餐人数、当日菜谱自动估算采购数量,菜品采买通过系统录入,自动统计分析收支情况,实现菜品采购、结算、分析电子化,节约食堂成本,全面推进“幸福企业”建设。

8. 数字指挥系统

以“加强信息沟通”为目的,通过集成智能语音引擎,实现生产调度指令快速定向发布,指令发布人与执行人关系明确,确保指令执行效率;系统实时追踪指令执行情况,通过图表统计方式显示指令总体完成与超时情况,直观展示指令执行状态,督促指令执行,提升项目执行力建设;与混凝土生产调度工作深度融合,实现搅拌站生产指挥、搅拌车辆任务分配、车辆信息监控、砼调度、生产过程责任到人,数据追溯可查;利用积累的项目生产工作执行数据,统计各部门项目生产工作完成效果,为项目生产工作优化部署提供数据支撑。

图8数字指挥系统

三、主要创新点及社会经济效益

1.智慧工地管理平台基于BIM、物联网、互联网技术,通过连接施工现场各类设施设备,不仅实现了物联网数据的实时采集,更是通过打通各业务系统间数据壁垒,实现业务数据的集成管理,确保项目管理者可利用多方数据科学决策;

2.提出生产指挥中心建设理念,将其作为项目生产管理的战情室,以中枢大脑的形态收集、分析、处理各项生产任务,并通过数字指挥系统一对一互动,确保指令到人,责任到人,极大地提高了项目后台管控能力;

3.试点应用过程中制定了企业级智慧工地建设标准,为下一步企业内推广应用提供依据。

四、总结及展望

通过智慧工地管理平台的研发与实践应用,已初步实现了企业部分生产数据的数字化管理,为智慧工地的落地应用提供了基础,为企业转型升级发展提供了动力。同时,随着工程体量的快速增长,建筑施工行业向更加集成统一管理、高效协同工作以及更加自动化和智能化的智慧化方向发展。未来,智慧工地应用体系还需从以下几个角度继续完善,做到与时俱进。

(一)提供一体化软硬件解决方案

研究应用系统与现场调度指挥体系间的联动技术,完善相关软硬件,形成数据准确、传递畅通、响应及时的智能指挥体系,向用户提供一体化的软硬件解决服务。从硬件配置、中心风格与布局、软件应用、人员配置、生产组织与日常管理行为规范等方面,建立统一的建设与运行标准。

(二)智慧工地管理平台快速定制技术研究

针对不同类型、不同规模的工程项目在管理方面的差异性,总结归纳其中的共性和个性内容,逐步固化为智慧工地管理平台上可独立配置的业务模块,实现灵活组合,满足不同项目的多样需求,提高智慧工地建设的前期准备效率。

(三)基于云服务的智慧工地管理平台框架研究

在当前智慧工地管理平台的框架基础上,为适应多项目集成应用、减少平台部署基础工作量,研究平台云部署相关技术,为后期企业级信息化管理平台数据统一和共享做好准备。

总的来说,项目工地是依托于整个产业而存在的。及时有效的上游资源供应是保质保量完成项目的前提。工地的各参与方都要积极参与到实践过程中来,实现各要素之间的良好协作和高效协同,这样实施工地才能成为真正的智慧工地。

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