基于物联网技术的施工现场管理深度应用研究.docx

基于物联网技术的施工现场管理 深 度 应 用 研 究任江钟崇光郭娜( 中国航空规划建设发展有限公司，北京100011)【摘 要】近年来物联网迅猛发展，其在智能建筑中有较广泛的应用，但在施工现场管理方面深度应用却很少。本文首先回顾了物联网及其在施工阶段的应用发展现状，然后以公司在建的新办公楼项目为依托详细阐述了施工现 场管理的需求及具体的物联网技术施工解决方案，最后展望了物联网与 BIM 融合的未来。【关键词】物联网; 施工现场; 监控; 物资管理;进度管理【文章编号】1674 7461( 2013) 05 0040 05【中图分类号】TU7; TP87【文献标识码】A传感 / 控制网。( 2) 互联网协议栈，包括连接传感网和通信网的接入网、TCP / IP 网 络 平 台、互 联 网 应 用 协议等。( 3) 基于 Web 浏览器应用，包括中间件和 企业应用解决方案。感知层、联接层和应用层构成 了物联网的应用架构。1物联网技术的发展现状1 1物联网概述物联网是通过传感设备、控 制 设 备，按 约 定 协 议，将物件信息或物件间的互动信息与互联网连接 起来，进 行信息交换和通信，实现智能化识别、定 位、跟踪、监控和管理等功能的一种应用架构。在物联网中存在两类网络协议: 互联网协议和 传感 / 控制 网 协 议1。其包括了三层 内 容: 物 联 网 是在互联网基础上延伸扩展的应用架构; 物联网的 用户终端面向物件，实现物物之间的信息交换和通 信; 以及人与物的联系。本文论述的物联网技术是基于 FID 的。FID 是物体带有唯一性信息特征 的“身 份 证”，FID 是 物体的“生命”，通过信息接收设备与互联网相互联 系，就构成了人物、物物相连的 物 联 网2。FID 是 一种信息采集工具，它由三部分组成: 标签、耦合元 件及芯 片 组 成，是 唯 一 的 电子编码且附着于物体 上，标识目标对象、阅读器、读取或写入标签信息的 设备，有固定 式 和 手 持 式; 天线在标签和阅读器间 传递射频信号。物联网的典型架构主要由以下三部分组成，如 图 1 所示: ( 1) 物件通过传感和执行设备连网，构成1 2物联网在中国的发展现状目前，中国的无线通信网络已 经 覆 盖 了 城 乡， 无线网络是实现“物联网”必不可少的基础设施，安 置在动植物、物件和设备上的电子介质产生的数字 信号可 随时通过无处不 在的无线网络传送出去。 “云计算”技术的运用，使数以亿计的各类物品的实 时动态管理成为可能。为了满 足 IP 地 址 需 求 量 的 空前提升，下一代互联网协议 IPv6 网络的快速应用 发展也为 物 联 网 的发展提供很好的基础。物 联 网 应用，主要以公众无线网 络 为 载 体，大 多 使 用 2G、3G 网络来实现远程通信，同时也有部分应用采用了【作者简介】 任江( 1973 ) ，男，技术质量安全部副部长、网络信息中心主任。主要从事建筑信息化建设、IT 和云安全方面的研究。基于物联网技术的施工现场管理深度应用研究41固定光纤接入方式。在近距离通信领域，主流技术也开始 支 持 IPv6，常 用 的近距离无线通信技术有 802 11b、802 15 4( ZigBee) 、Bluetooth、UWB、FID、IrDA 等3。中科院早在 1999 年就启动了传感网研究，该院 研究团队在无线智能传感器的网络通信技术、传感 器端机、微型 传 感 器、移动基站等方面取得重大进 展，目前已拥 有 从 材 料、技 术、器 件、系 统 到 网 络 的 完整产业链4。在传感网领域，中国与美国、德国、韩国一起，成为国际标准制定的主导国之一。有专家表 示，我国不仅在技术 上 领 先，而 且 我 国是世界 上 少 数 能实现产业化的国家之一。中 科院无锡微纳传感网工程技术研 发中心是国内目前 研究物联网的核心单位。2009 年 8 月，温家宝总理在江苏无锡调研时，对微纳传感器研发中心予以高度关注，温家宝总理指出 “在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”，“尽快建立中国的传感信息 中心，或者 叫感 知 中 国 中 心 ”4。2010 年 初，无锡物联网产 业 研 究 院 iParkII-江 苏 软 件 外 包 产 业 园 正式 揭 牌; 3 月，上海物联网中心在上海嘉 定 区 揭牌; 同年 6 月，中国物联网标准联合工作组在北京成 立。我国工信部也把物联网发展设定成 为 2010 年 我国信息产业三大发展目标之一; 工信部和国家标准化委员 会 成 立 了物联网标准联合工作组。三 大电信运营商、国家广电总局等纷纷制定了物联网的 发展规划。据 称，中 国 已 规 划 在 2020 年 之 前 投 入3 86 万亿元资金用于物联网研发。网是继互 联 网 后 的第四次计算模式。第 一 次 计 算模式是终端主机模式，第二次是 微 机服 务 器 模 式，第三次是互联网模式，第四次就是物联网模式。 Tridium 公 司 推 出的开源软件编程开放平台 TridiumSedona 架构，包括 Sedona 编程语言、工具包、虚拟机、编 译 器、图形化开发调试工具等。它 是 控 制网成为物联网形态一种软件体体系架构，目的是 把现场总 线 上 的 物 理 设 备 形 成 Sedona 设 备，通 过 B / S 访问模 式 对 Sedona 设 备 进 行 管 理 和 监 控。中国也有厂家 跟 Tridium 合作研发自己的产品，推 动 物联网架构的发展。2物联网在建筑施工阶段的应用现状2 1物联网技术用于监控管理通过物联网技术实现对事物和作业的不间断 监测，及 时响应突发事件 是物联网的一项重要应 用。具有灵敏度高、体积小、易于敷设、对被检测场 无干扰、抗电 磁 干 扰 能 力 强、能够进行分布测量等 特点的光纤传感器在建筑智能 化中将发挥越来越 大的作用。而 且 还 可以设计一些通过提供工作活 动必须的实时信息来帮助工作 人员的有过程意识 的智能工具，如以压缩空气为动力的气动路面破碎 机，具有效率 高、可 靠 性 强、反 冲 力 小、经 久 耐 用 等 优点。能高 效完成钢筋混凝土、岩 石、沥 青 的 破 碎 工作，适宜桥梁、道路、建筑物、电力、自来水管网的 养护、抢修及拆除的施工作业6。利用物联网技术可以预知高 层 建 筑、桥 梁、隧道、水坝等主 体 结 构局部的载荷及状况，并 对 突 发 状况进行 紧 急 响 应。光纤光栅传感器可以贴在结 构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击 检测、形状控 制 和 振动阻尼检测等，以 监 视 结 构 的 缺陷情况。2 2 物联网技术用于施工安全管理在施工过 程 中，施工安全隐患 无 处 不 在，这 也 成为各承 包 商 和 相关部门关注的头等大事。基 于 BIM 技术的物联网应用可以大大改善这一情况: 如 使用无 线射频识别标识 在 临 边 洞 口、出 入 口 防 护 棚、电梯井口 防 护 等 防 护 设 施 上，并在标签芯片中 载入对应编 号、防 护 等 级、报警装置等与管理中心 的 BIM 系统相对应，达到实时监控的效果。同样也 可以对高空 作 业 人 员 的 安 全 帽，安 全 带，身 份 识 别 牌进行相应的无线射频识别，同样在 BIM 系统中精1 3物联网在国外的发展1995 年，比尔盖茨在未来之路中已提及物联网，看准了物与物之间联系的广泛性。2005 年，国际电信联盟 ( ITU) 发布物联网报告，预 测 物 联 网 的 建立将带来万亿以上的传感器需求，是下一个万亿级信息产业 引 擎，也 是 继 计 算 机、互联网后的第三 次信息产 业 浪 潮5。它 将比互联网的人与人联系 要广泛很多，将会形成庞大的产业链。美国权威信息咨询机构预测: 到 2020 年，世界上物物互联的业务是人与人相互联系的 30 倍。2009 年，奥巴马就任总统后，与 美 国 工 商 业 领 袖举行了一次圆桌会议，IBM 的现任首席执行官提 出“智慧地球”概念，而物联网是其变为现实的重要组成部分。IBM 前任首席执行官曾提出一个重要观点，他认为计算模式每隔 15 年发生一次变革，物联确定位，如操 作 作 业未符合相关规定，身 份 识 别 牌与 BIM 系统中相关定位同时报警，使管理人员精准 定位隐 患 位 置，迅 速 采 取 措施以避免安全事故的 发生。60m。地下四至 二 为 车 库、机 房，地下一层为餐厅、厨房、设备机房。地上一至三层为公共区域、会议、 机房部分。十 二 至 十五层为公司管理部门和领导 办公区域。四层至十一层为实体院办公。地下每层 建 筑 面 积 4 699m2 ，形状如一个横着 的 7，挖坑时实际应该比建筑面积 再 大 一 些。在 即将开始的基坑施工现场管理中，我们准备引入物联 网技术，若效 果 显 著，在以后的运维中也将融入物 联网。从而实现以下预期目标: 1) 提升管理效率和 管理水平; 2 ) 控制施工质量和进度，以 事 实 和 数 据 为依据，进行量化管理; 3) 保障施工安全，降低和杜 绝安全事故，消除隐患; 4) 实现施工现场自动化、标 准化; 5) 实现施工进程精准管理。物联网拟应 用 方 面: 施 工 安 全 ( 人 员 和 设 备) 、施工现场实时监控、物料管理。在基坑开挖 阶 段: ( 1 ) 用若干摄像头实时监控 施工现场，视频抓拍等，随时掌握工程进度，控制系 统可远程 访 问。( 2 ) 在 人 员 进出口方面进行控制， 安全帽和人 员 配 套，增 强 安 全 性。( 3 ) 拟 用 传 感 器 监控基坑四周的压力形变，并记录分析，避免危险。施工阶段: 物 料 管 理，对 重 要 的 材 料 设 备 在 厂 商生产的时 候 就 植 入 FID 芯片或贴上标签，方 便 物流、仓库 管 理，保 证 材 料 质 量。方便装配好后的 三维设计 模 型 与 实际施工的比对检验。在 施 工 时 已建好的层 可 不 考 虑，这样设备可以复用，也 减 少 系统负荷。物联网技术用于技术质量管理在施工过程中经常需要对隐蔽工程进行抽样 检验以确保工程质量，这样的弊端在于不可能全面 地检测所 有 的 隐 蔽 工 程。此外部分隐蔽工程的检 测通常采取的是破坏性检测，对质量本身就会造成 比较大的 影 响。利 用物联网技术对隐蔽工程部位 放置的反映质量参数的传感器进行信息采集，再结 合 BIM 系统的三维信息即可 以精准定位到每个隐 蔽工程的关键部位，从而检测质量状况是否达到相 应要求。一套 感 应器采集系统加上 BIM 系 统 的 三 维信息技术的报警系统，可以将工程质量损失降到 最低。2 4物联网技术用于成本控制工程施工发生实际工程量及工程返工是造成 工程成本变 化 的 重 要 因 素。利 用 BIM 技 术 和 物 联 网技术的结 合 可 以 根 据 时 间，部 位，工 序 等 维 度 进 行条件统计，制 定 详细的物料采购计划，并 对 物 料 批次标注无线射频标签来控制 物料的进出场时间 和质量状 况。避 免 出现因管理不善造成的物料损 耗增加和因物料短缺造成的停工或误工。在复杂钢结构装配工作中，基于 BIM 技术的物 联网技术应用应运而生: 首先通过无线射频识别技 术将芯片分门别类地安装在每一个钢结构构件中， 再将对应的读 取 器 设 置 在 BIM 信息模型中与之对 应。装配过程 中 保证所有的构件必须与 BIM 中 的对应代码相匹配，否则以警报的形式提醒工程技术 人员，从而避免装配错误的情况出现。2 3( 1)在车辆进出口采用视频抓拍的方式记录;( 2) 用若干摄像头实时监控施工现场，视频抓拍等，随时掌握工程进度，控制系统可远程访问;( 3)在人员进出口方面进行控制，安全帽和人员配套，增强安全性;( 4) 对 一 些 重 要 设备也与人一起加到物联网 中，进行定位及状态监测。3施工现场管理的需求建筑施工行业是国内在管理技术应用上相对 落后的行业，由于行业特殊性，参与角色众多，在施 工过程中安全、进度、质量等问题都是不容忽视的，存在迫切需要解决的管理和协同配合问题。中航科研综合楼的整个工程的定位和目标是: 能够满足 使 用 要 求，采 用 成 熟 技 术，具 有 节 能、经 济、美观、示范作用的科研综合楼。建筑概况: 建筑 地上面积 3 万 m2 ，地下 1 7 万 m2 ，地下室部分停车 位 287 辆。建筑地上十五层，地 下 四 层，建 筑 高 度4物联网技术实施架构随着建筑行业人力和施工成本的不断升高，如何使用 管理手段配合新 技术和自动化设备，从 安 全、进度控制、效 率 和管理上对整个施工过程进行 管理，从而提高建筑施工质量，提高施工效率，缩短 工期，是建设 市 场 及施工企业都面临的问题，本 文 提出的建设行业一体化解决方案，从角色和流程等 多个角度，为所有角色解决问题提出方案。42技 术 研 究基于物联网技术的施工现场管理深度应用研究43通过使用视频监控技术、物 联 网 技 术 和 FID标签，能够很好地实现对施工现场的人、施工机械、物、设备进行管理与控制。结合施工现场人员经验和对管理流程优化的 成果，形成可交付执行的高度集成计划表格、文档、 报告和集 成 软 件。下面是物联网技术实施方案及 架构的描述，整体网络拓扑结构如图 2 所示。是否进行正确安全防护。4)反馈结果自动将处理结果反馈给控制门闸，门闸自动放行或提示错误、告警。5)a) b) 查询。信息记录、查询自动记录当前人员信息到服务器;根据筛选条件、如人员编号、时 间 段 等 进 行5基于物联网技术的施工现场解决方案下边我们分人员车辆管理、施 工 监 控、实 时 追踪、物资管理和施工进度管理几个方面谈一下物联 网技术在施工现场管理深度应用的具体解决方案。5 1人员车辆管理1)数据初始化a) 为现场管理、施工人员和其他临时进出施工现场人员发放制作好的人员身份卡;b)为常驻车辆发放车辆身份卡;c) 给工地用安全装备，如安全帽，贴上 FID 识别标签。施工监控5 21)布设网络摄像头2)a)数据采集当施工人员或车辆进入现场时，系统自动采在基坑的适当位置上布设网络摄像头。2) 布设传感器a) 在指定位置布设压力或松动、透 水 传 感 器， 当压力或湿度或水分值达到临界点时，自动向后台 发送信息，并警报;b) 记录压力变化便于分析。集施工人员的身份信息，和安全帽信息;b)3)抓拍图像。数据校验系统自动 进 行 校 验，判 断 人 员 是 否 允 许 进 出，生产日期和构 件 尺 寸，而 这 些 可 以 从 BIM 中 获 取，BIM 详细记录了建筑物的构件和设备的所有信息，这样 BIM 与 FID 正好互补。通过接收装置和互联网传输到信息中心进行 信息处理。可 对 FID 发出的信号进行信 息 跟 踪， 如通过终端远程获取施工现场 和建筑物内外的复 杂情 况。构件的状况通过 FID 的 信 息 收 集，形 成 了 BIM 模型的 4D 模拟，施工进度、隐蔽工程等通过 FID 信息传递把现场资料自动记录到 BIM 模型的 对应位置上，管理人员对现场发生的情况就能实时5 3实时追踪1)预构模型将建筑整体区域分布在系统内构建。2)a)b)3) a) b) c)在各楼层出入口布设控点采集楼层出入数据;实时监控。图表显示根据 ID 选择显示路径;根据控点查看路径信息;远程桌面展示。9把控。5 4物资管理1) 入库工程项目可在 BIM 模型中建立构件的与 FID信息一致的唯一编号，那么这些构件的状态就可以 通过 FID、智能手机、互联网技术在 BIM 模型中实 时地表示出来。BIM 和 FID 两者融合是未来建筑 业信息化的发展方向，BIM 带来的信息处理的高效a)数据初始化: 为所有入库的物资进行数据初始化( 低价值单元化管理、高价值单品管理) ;b)c)对比;d)处理。2)a) b) c)对比;d)处理。自动采集数据: 自动采集入库产品数据;数据 比 对，将 采集到的数据跟入库单进行 6性共享性，FID 技术解决信息采集及时性 问 题。总之，BIM 在物联网上应用前景广阔，且在施工现场管理中能发挥更大的作用。反馈结果，根据对比的结果执行入库或异常出库根据项目施工计划领用材料;自动采集数据，自动采集出库物料数据;数据 对 比，将 采集到的数据跟出库单进行 参考文献1 张公忠 物联网与智能建筑J 智能建筑与城市信息，2011，1( 170) : 14-172 International Telecommunication Union，“The Internet of Things，”7th Edition，International Telecommunication U- nion Internet eportsC，20053 D Bandyopadhyay，J Sen Internet of Things: Applications and Challenges in Technology and Standardization J Wireless Pers Commun 2011，58: 49 694 物 联 网，通 信 百 科，2012-10-07 http: / / baike c114net / view asp? id = 19963-137CDA3E5 H Grindvoll，O Vermesan，T Crosbie，etc A wireless sen- sor network for intelligent building energy management based on multi communication standards a case studyJ Journal of Information Technology in Construction，2012，17: 43-626 何关培，李刚 那 个 叫 BIM 的东西究竟是什 么M 北 京: 中国建筑工业出版社，20117 娄华东，崔小 永 李伯虎院士谈物联网: 前 景 光 明 任 重 道远J 中国航天，2010，11: 38-448 茅洪斌 BIM 与物联网融合 的 价 值 分 析2012-10-09http: / / cnbim org /1218 html9 任江，钟 崇 光 物 联网技术在智能建筑中的应用研究 J 智能建筑，2013，2: 65-68( 下转第 62 页)反馈结果，根据对比的结果执行出库或异常施工进度管理5 51)录入施工进度计划;2) 自动将每日采集到的人员数据、物资数据进行收集、解析、处理转换为工作进度;3)根据当日进度实时进行反馈报警和预警。6物联网与 BIM 融合的未来BIM 技术应 用为工程设计领域带来了继 CAD技术之后的第二次革命，是从二维图纸到三维设计 和建造的革命。BIM 提供建筑物全部信息 的 模 型，是完整的建筑信息库，物联网应该基于 BIM 才可以充分发挥它的作用6。BIM 与物联网可通过安装 FID 来 实 现 融 合7。BIM 是 虚 拟 的 建 筑，是实体建筑的真实再 现。FID 则是射频识别技术，对物 体 的 管 理8，但 它无法进一步获取物体的更详细信息如生产厂家、44技 术 研 究The Establishment and Application of Safety Index System forConstruction Engineering IndustryWan Yongmei1 ，Wang Ting2( 1 Pinghai Construction Development Co，Ltd，Wenchang 571339，China;2 School of Civil and Architectural，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)Abstract: The purpose of establishing safety index system is to evaluate the quality of architectural engineering construction throughout building lifecyle management and faciliate the safety management in construction engin- erring industry Through the comprehensive research of quality evaluation of Shanghai AEC projects，the auther crea- ted the safety index system based on three levels of data including the index，the factor，and the coefficient to define the safety level of building engineering Based on the theory，the calculation model of safety index is built Further- more，the safety index system of construction engineering industry is demonstrated to be a ideal tool to define and compare the building quality quantitatively and dynamicly By studying key data，the internal factors of safety varia- tion can be discovered and imporved，hence the project management can be upgrated onto a controllable and quanti- tative levelKey Words: C