基于物聯(lián)網(wǎng)的信息化技術(shù)在市區(qū)建設(shè)工程管理中的應(yīng)用

王 濤

（珠海市金灣區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測站 珠海 519090）

0 引言

近年來，隨著城市化建設(shè)的快速推進(jìn)，建設(shè)工程大量涌現(xiàn)，安全事故時(shí)有發(fā)生，各類復(fù)雜的工程場景為安全監(jiān)測監(jiān)管帶來了全新的挑戰(zhàn)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019 年，全國共發(fā)生房屋市政工程生產(chǎn)安全事故773起、死亡904人，比2018年事故增加39起、死亡人數(shù)增加64人，分別上升5.31%和7.62%［1］，安全形勢十分嚴(yán)峻。另一方面，隨著現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)、新一代通信和云計(jì)算等技術(shù)的不斷發(fā)展，許多以人工為主導(dǎo)的測量模式逐漸向自動(dòng)化轉(zhuǎn)變，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能及云存儲(chǔ)為核心的自動(dòng)化監(jiān)測開始應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、工程監(jiān)測、礦山安全生產(chǎn)監(jiān)測及城市環(huán)境監(jiān)測等眾多領(lǐng)域。

基于上述工程安全形勢和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合珠海金灣的區(qū)域特點(diǎn)，本文探索利用自動(dòng)化、智能化的管理手段對區(qū)內(nèi)建設(shè)工程的深基坑工程安全進(jìn)行管理，并通過應(yīng)用監(jiān)測云平臺等手段顯著提高現(xiàn)場生產(chǎn)及工程管理效率，守護(hù)城市安全。

1 工程背景

金灣區(qū)地處廣東省珠海市西南部（見圖1）。近年來，隨著區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，大量重點(diǎn)工程項(xiàng)目同時(shí)開工。僅在2020年，以金灣區(qū)為牽頭責(zé)任主體的市重點(diǎn)項(xiàng)目達(dá)64項(xiàng)，其中建設(shè)項(xiàng)目61項(xiàng)，預(yù)備項(xiàng)目3項(xiàng)，最終完成年度投資235.54億元；列入省重點(diǎn)項(xiàng)目4 項(xiàng)，最終完成年度投資27.87 億元?；娱_挖深度、面積越來越大，基坑周邊環(huán)境越來越復(fù)雜，這些施工特點(diǎn)都對工程安全管理提出了較高的挑戰(zhàn)。

圖1 珠海市金灣區(qū)地理位置Fig.1 Geographical Location of Jinwan District，Zhuhai City

金灣區(qū)土層以未完全固結(jié)的軟土為主，平均厚度24.2 m，最厚處可達(dá)到50.4 m［2］。分布廣泛而深厚的軟土給金灣區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)帶來一定的安全隱患。深厚軟土區(qū)域進(jìn)行基坑開挖施工難度較大，具體體現(xiàn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)變形更大，周邊環(huán)境影響范圍更廣，容易發(fā)生建（構(gòu)）筑物的整體沉降、不均勻沉降和開裂變形等工程事故。

金灣區(qū)全區(qū)海陸面積1 600 km2，其中陸地面積447.6 km2，海域面積1 000 多km2，受臺風(fēng)等惡劣天氣的影響嚴(yán)重。2020 年，金灣區(qū)經(jīng)受了“森拉克”、“浪卡”和“海高斯”3個(gè)臺風(fēng)，其中臺風(fēng)“海高斯”更是直接在金灣區(qū)登陸［3］。臺風(fēng)等惡劣天氣是對建設(shè)工程安全的巨大考驗(yàn)，極易遭受安全事故。

綜上所述，在建設(shè)量激增、地質(zhì)條件差和災(zāi)害天氣頻發(fā)的三大影響因素下，金灣區(qū)的建設(shè)工程安全管理面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)新形勢下的工程安全管理，急需引進(jìn)信息化技術(shù)提升工程安全管控力度。

2 建設(shè)工程信息化

2.1 研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

信息化是指培養(yǎng)、發(fā)展以計(jì)算機(jī)為主、智能化工具為代表的新生產(chǎn)力，并使之造福于社會(huì)的歷史過程［4］。具體到建設(shè)工程領(lǐng)域，信息化管理涵蓋的范圍十分廣泛，它不僅包括施工過程中的生產(chǎn)管理，還包括質(zhì)量、安全、物料、技術(shù)、合同、數(shù)據(jù)分析等等多個(gè)方面，可以說是全流程、全方位的管理手段［5］。

近年來，信息化管理手段在工程領(lǐng)域已經(jīng)有多類研究和應(yīng)用。徐曉冬等人［6］提出一種以大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)為應(yīng)用主線，用云端數(shù)據(jù)庫作為紐帶，同時(shí)輔以三維建模、數(shù)值模擬等多種輔助手段的云平臺，達(dá)到測-模結(jié)合的展示效果。肖軍等人［7］研究了基于NB-IoT 的煤礦瓦斯監(jiān)測云平臺系統(tǒng)搭建，實(shí)現(xiàn)了瓦斯氣體監(jiān)測的敏感響應(yīng)。劉飛飛等人［8］設(shè)計(jì)了一種基于Zig Bee 紫峰的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)云平臺，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件的可靠性與實(shí)用性。張鵬海等人［9］搭建了一種基于Java 的輕量級框架Spring Boot 及地理信息系統(tǒng)軟件SuperMap 的礦山巖土體破壞失穩(wěn)預(yù)警云平臺，并將云平臺應(yīng)用于了某鐵礦，為該礦區(qū)災(zāi)害防控提供了理論依據(jù)。陳杰等人［10］利用傳感器和PLC 控制器、GPRS 和應(yīng)用程序構(gòu)成感知基坑水位變化的監(jiān)測云平臺，應(yīng)用效果表明該平臺具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，滿足工程需要。

以上的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀表明，借助多種信息化、智能化、自動(dòng)化手段，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場景的綜合管理，已成為建設(shè)工程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

2.2 金灣區(qū)建設(shè)工程信息化管理思路

為切實(shí)提升金灣區(qū)建設(shè)工程管理的質(zhì)量和效率，針對區(qū)域內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目較多較集中、地質(zhì)條件較差較復(fù)雜、氣候影響較嚴(yán)重的特點(diǎn)，總結(jié)了解決這些問題的信息化管理思路。

⑴建設(shè)項(xiàng)目較多較集中。金灣區(qū)目前處于“大開發(fā)”階段，區(qū)內(nèi)各類基坑工程眾多，且分布廣泛，有的區(qū)域工程開發(fā)較為密集。采用一種統(tǒng)一管理、自動(dòng)化管理的手段，將各類工程的各類信息有序化、電子化、圖表化，方便監(jiān)管人員進(jìn)行高效管理。

⑵地質(zhì)條件較差較復(fù)雜。金灣區(qū)的土層以未完全固結(jié)軟土為主，特點(diǎn)是原始地貌軟土露頭，或經(jīng)新近人工填土覆蓋。較差較復(fù)雜的地質(zhì)條件顯著增加了區(qū)內(nèi)基坑發(fā)生事故的可能性。因此，采用自動(dòng)化監(jiān)測手段實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集對整個(gè)施工過程進(jìn)行全覆蓋，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理異常情況，及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

⑶氣候影響較嚴(yán)重。金灣區(qū)臨海，各類惡劣天氣時(shí)有發(fā)生。特別在夏天，雷電、暴雨、臺風(fēng)等常常對建設(shè)工程造成嚴(yán)重影響，尤其在發(fā)生的前后，人工監(jiān)測因環(huán)境原因無法進(jìn)行測量，造成最危險(xiǎn)階段信息缺失。自動(dòng)化監(jiān)測手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)不間斷采集，突破時(shí)間、區(qū)域、環(huán)境的限制，較好地解決危險(xiǎn)天氣情況下數(shù)據(jù)缺失的問題。

綜合上述分析，解決以上3 個(gè)問題需要的信息化系統(tǒng)應(yīng)具備如下特征：自動(dòng)化測量、傳輸、解算、數(shù)據(jù)發(fā)布、智能預(yù)警等，根據(jù)目前廣州、深圳等地的應(yīng)用情況，工程監(jiān)測云平臺正是一種較好的選擇。

3 監(jiān)測云平臺的應(yīng)用

3.1 云平臺概述

建設(shè)工程監(jiān)測監(jiān)管云平臺可提供基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測全流程服務(wù)［11-12］。具體分為前端、中端、后端3個(gè)部分，云平臺技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 云平臺技術(shù)路線Fig.2 Technology Road-map of Cloud Platform

⑴前端?；庸こ态F(xiàn)場的人工和自動(dòng)化監(jiān)測傳感器采集的數(shù)據(jù)可通過手機(jī)APP、串口、PC端等多種形式利用標(biāo)準(zhǔn)的通訊和傳輸協(xié)議，自動(dòng)、及時(shí)、準(zhǔn)確真實(shí)地上傳至云平臺，云平臺將自動(dòng)接收并儲(chǔ)存這些信息。

⑵中端。云平臺收到監(jiān)測數(shù)據(jù)后，將對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行識別、分裝和儲(chǔ)存。結(jié)合平臺自帶算法，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解析，并將最終結(jié)果按照其分類存放于不同區(qū)域。

⑶后端。云平臺的數(shù)據(jù)展示模塊將調(diào)用已處理好的各類信息，按照用戶需求進(jìn)行信息輸出和展示，包括數(shù)據(jù)圖表、三維模型和監(jiān)測報(bào)告等。

3.2 解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

⑴技術(shù)先進(jìn)：鑒于目前自動(dòng)化技術(shù)的局限性和經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)場采用傳統(tǒng)人工監(jiān)測和自動(dòng)化監(jiān)測協(xié)同作業(yè)方式，從而達(dá)到技術(shù)先進(jìn)性和成本經(jīng)濟(jì)性。

⑵規(guī)范管理：從施工現(xiàn)場到數(shù)據(jù)展示，實(shí)現(xiàn)工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的全流程信息化管理，大大提高了行業(yè)的規(guī)范度。所有相關(guān)人員都可以通過相應(yīng)權(quán)限登入網(wǎng)頁端或者利用手機(jī)APP 取得現(xiàn)場所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)及安全評估信息，云平臺主界面如圖3所示。

圖3 云平臺主界面Fig.3 Main Interface of Cloud Platform

⑶提升效率：在云平臺中，實(shí)時(shí)自動(dòng)“一鍵生成”帶有詳實(shí)數(shù)據(jù)的各類監(jiān)測報(bào)告，并結(jié)合相關(guān)算法，在報(bào)告內(nèi)對當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行評估，輔助管理者及時(shí)決策。該功能上手簡單易操作，顯著降低內(nèi)外業(yè)操作門檻，提高工作效率。

⑷降低風(fēng)險(xiǎn)：當(dāng)結(jié)構(gòu)或周邊環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，并通過APP 推送、短信、電話等多種方式將相關(guān)信息及時(shí)傳遞給相關(guān)管理人員，將可能發(fā)生的事故風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

3.3 工程應(yīng)用實(shí)例

某深基坑工程地下室基坑長130 m，寬約65 m，平面形狀近似為矩形，設(shè)計(jì)開挖深度10.3 m，采用排樁加混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)方式，基坑設(shè)計(jì)使用年限為1 年，安全等級為1 級?；游鞅眰?cè)和東北側(cè)為道路，東南側(cè)為居民樓，西南側(cè)為一期建筑，基坑紅線外有眾多管網(wǎng)線路。經(jīng)專家論證分析，需對該基坑坡頂水平及豎向位移、立柱沉降、內(nèi)支撐軸力、基坑周邊深部土層位移、周邊建筑物沉降及傾斜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并輔以人工監(jiān)測核準(zhǔn)、巡查的方式對該基坑安全進(jìn)行整體的把控。

監(jiān)測監(jiān)管云平臺于2020 年8 月起正式應(yīng)用于該基坑工程項(xiàng)目，目前仍處于正常服務(wù)階段。監(jiān)測結(jié)果匯總?cè)鐖D4所示，從往期監(jiān)測效果來看，云平臺總體運(yùn)行穩(wěn)定，各傳感及系統(tǒng)設(shè)備都能保持正常工作狀態(tài)。在該項(xiàng)目的整個(gè)監(jiān)測過程中，各監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)變化圖表均可在系統(tǒng)中清晰展示，這些曲線很好地反映了監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的情況，特別是數(shù)據(jù)異常情況較以往顯著減少（見圖5）。

圖4 監(jiān)測結(jié)果匯總展示Fig.4 Summary and Display of Monitoring Results

圖5 多種監(jiān)測參數(shù)的時(shí)程曲線Fig.5 Time-history Curve of Different Kinds of Monitoring Parameters

2021 年6 月1 日，云平臺發(fā)出有效警報(bào)（見圖6），發(fā)布數(shù)據(jù)異常信息。報(bào)警內(nèi)容顯示：當(dāng)日9∶19∶31，坡頂水平位移監(jiān)測中2個(gè)測點(diǎn)的累計(jì)值分別達(dá)到66 mm和53.1 mm，遠(yuǎn)超控制值50 mm，需及時(shí)處理。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況的第一時(shí)間通過APP 推送、短信推送和網(wǎng)頁端推送告知相關(guān)方。接到報(bào)警后，管理方立即啟動(dòng)應(yīng)急流程，組織專家召開評審會(huì)議。在經(jīng)專家評審和各方緊急應(yīng)對處理后，危險(xiǎn)得到有效排除。

圖6 有效報(bào)警Fig.6 Effective Alarm

在近2 年的應(yīng)用過程中，由于云平臺的存在和支持，自動(dòng)化監(jiān)測手段得以大量應(yīng)用于該基坑工程中，顯著降低了人力物力成本，作為長期監(jiān)測手段具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，從管理角度來看，監(jiān)管部門對項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了更快捷、更有效、更具體的管理；施工單位則可利用變形、受力監(jiān)測成果，更有針對性地調(diào)整施工計(jì)劃來指導(dǎo)現(xiàn)場施工、保證工程進(jìn)度；而所有建設(shè)工程的參與單位都可以更充分參與項(xiàng)目建設(shè)管理之中，實(shí)現(xiàn)信息互通、資源共享。

4 不足與展望

云平臺目前已廣泛應(yīng)用于金灣區(qū)的各大建設(shè)工程中。在應(yīng)用過程中暴露出一些不足，結(jié)合相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用情況，具體總結(jié)如下：

⑴自動(dòng)化監(jiān)測發(fā)展不足。由于監(jiān)測傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和平臺內(nèi)置算法的精準(zhǔn)度不足，部分?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性仍有優(yōu)化空間，偶爾還是會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)異常變化的情況，依然需要人工介入。建設(shè)工程依然需要更加精準(zhǔn)的預(yù)警信息為防災(zāi)減災(zāi)工作提供保障。

⑵信息集成度不足。從各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況來看，部分平臺僅僅可實(shí)現(xiàn)較少參數(shù)的采集與監(jiān)控，還不足以從更宏觀的層面實(shí)現(xiàn)行業(yè)的整體信息化管理。另外，信息來源較為單一會(huì)導(dǎo)致考慮不全面，無法實(shí)現(xiàn)決策的最優(yōu)選。

⑶各類云平臺冗雜，存在行業(yè)壁壘。因缺少統(tǒng)一的國家或地方標(biāo)準(zhǔn)，目前各類云平臺眾多，冗雜度較高，且各平臺存在行業(yè)壁壘，無法進(jìn)行資源的互通，這也就產(chǎn)生了較多重復(fù)工作，造成一定的資源浪費(fèi)。

未來，在監(jiān)測設(shè)備精度不斷提高、平臺內(nèi)置算法不斷完善、功能設(shè)置不斷豐富的情況下，基于云平臺的建設(shè)工程管理模式將得到進(jìn)一步推廣和發(fā)展，其前景十分廣闊。

5 結(jié)語

針對當(dāng)前工程領(lǐng)域內(nèi)信息化管理的發(fā)展趨勢，結(jié)合珠海市金灣區(qū)工程項(xiàng)目范圍較廣、周期較集中、地質(zhì)條件較差較復(fù)雜、氣候影響較大較嚴(yán)重的實(shí)際，本文介紹了在金灣區(qū)利用自動(dòng)化、智能化的手段進(jìn)行建設(shè)工程監(jiān)測全流程管理的實(shí)踐探索。管理手段通過搭建云平臺等方式，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)上傳，保證結(jié)果的真實(shí)可靠，顯著提高工程管理效率，最大程度地保障施工安全。

現(xiàn)階段，金灣區(qū)共有20多個(gè)建設(shè)工程項(xiàng)目使用該云平臺進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控，內(nèi)容涉及5 大項(xiàng)21 個(gè)監(jiān)測參數(shù)，共計(jì)有效報(bào)警68 次，最大程度地避免了安全事故的發(fā)生，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。雖仍有一些不足，但通過未來不斷的優(yōu)化和完善，該手段在建設(shè)工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。