運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械精細(xì)化管理

胡 綱 曹 陽 孫鵬飛 顏志杰 葉澤浩

蘇州二建建筑集團(tuán)有限公司 江蘇 蘇州 215122

在市政工程中，通常面臨工程機(jī)械數(shù)量多、作業(yè)面積大、作業(yè)區(qū)域分散、受周邊環(huán)境影響大等問題[1]，常規(guī)管理模式下，容易存在工程機(jī)械怠速時(shí)間長、機(jī)械安排飽和度不夠、人工統(tǒng)計(jì)工作量比較煩瑣等問題。所以，如何高效利用工程機(jī)械，減少管理人員不必要的精力浪費(fèi)，一直以來都是市政工程管理領(lǐng)域的痛點(diǎn)與難點(diǎn)。

信息化的飛速發(fā)展，促使我國在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)上的迅猛突進(jìn)。物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of Things）指的是利用各類傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的聲、光、電、位置等信息的采集，然后利用各類協(xié)議將這些信息聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能識(shí)別、感知與管理[2]。

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工程管理領(lǐng)域結(jié)合，已經(jīng)在多個(gè)方面，如信息平臺(tái)應(yīng)用[3]、安全管理[4]、材料養(yǎng)護(hù)[5]等領(lǐng)域有了諸多成效。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，改變傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)工作人員面對(duì)面的管理模式，將工程機(jī)械聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督，同時(shí)精細(xì)化記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中挖掘可改進(jìn)的管理方法，也是一個(gè)非常值得嘗試的方面。

鑒于傳統(tǒng)管理模式產(chǎn)生的問題，我單位與南京智鶴電子科技公司展開合作，采用了一套軟硬件相結(jié)合的工程機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)——機(jī)械指揮官，并在由我單位承建的蘇滁現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園2019年度第二批市政項(xiàng)目進(jìn)行試點(diǎn)，取得了良好的效果。

1 項(xiàng)目概況

試點(diǎn)項(xiàng)目位于安徽滁州蘇滁現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園，項(xiàng)目包含南北走向的湖州路約1.65 km，以及東西走向的子美路約1.75 km，整體項(xiàng)目呈T字形。

項(xiàng)目作業(yè)面積逾20萬 m2，含5個(gè)道路交叉口，數(shù)座小橋，2條道路的一側(cè)均配有駁岸工程。整個(gè)項(xiàng)目填方較多，土方作業(yè)量較大，整體如圖1所示。

該項(xiàng)目工程機(jī)械以包月租賃為主，由項(xiàng)目部直接管理，項(xiàng)目部負(fù)責(zé)燃油供給。除施工現(xiàn)場(chǎng)以外，距離施工區(qū)域2、3、7 km處，有2個(gè)出土場(chǎng)和1個(gè)卸土點(diǎn)也需配備相應(yīng)工程機(jī)械。

項(xiàng)目位置如圖2所示，其中，藍(lán)色線是7 km處的土場(chǎng)向施工現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)土，紅色線是7 km處的土場(chǎng)卸土，黃色線是2 km處的土場(chǎng)向施工現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)土。

圖2 項(xiàng)目位置示意及土方運(yùn)輸情況

2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署情況

“機(jī)械指揮官”硬件部分包含智能終端與油位監(jiān)測(cè)儀。終端固定于機(jī)械頂部，太陽能供電，內(nèi)置加速度傳感器、GPS和物聯(lián)網(wǎng)卡，可將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云端，通過算法判斷機(jī)械工作狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)、靜止、怠速），自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工時(shí)，記錄GPS，實(shí)時(shí)更新至管理員界面。油位監(jiān)測(cè)儀可采集實(shí)時(shí)油位，通過終端一并傳輸信息。軟件部分包含微信小程序端和網(wǎng)頁端，可供查看數(shù)據(jù)。軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程機(jī)械的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

試點(diǎn)項(xiàng)目共在挖掘機(jī)上安裝16套、推土機(jī)3套、壓路機(jī)1套，總計(jì)20套。2020年5月起，挖掘機(jī)與推土機(jī)的管理均借助該套物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)的工時(shí)統(tǒng)計(jì)功能中的有效工時(shí)（扣除怠速的工時(shí)）作為工程機(jī)械工作時(shí)長的計(jì)算依據(jù)。

3 案例分析

現(xiàn)根據(jù)實(shí)際使用過程中的6個(gè)典型案例，探討將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與工程管理結(jié)合后帶來的管理方式、管理思維轉(zhuǎn)變。

3.1 案例一：怠速時(shí)長判斷，減少無效工時(shí)

怠速是指工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)在無負(fù)荷的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。利用油位監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行一定試驗(yàn)后得出，小松等大功率挖掘機(jī)正常工作時(shí)油耗約19 L/h，怠速油耗可達(dá)13 L/h，相當(dāng)于小功率挖掘機(jī)正常工作時(shí)的油耗。所以管理機(jī)械的不合理怠速對(duì)節(jié)約燃油、減少不合理工時(shí)有很大意義。在未安裝物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，雖規(guī)定嚴(yán)禁無故怠速，但在實(shí)際實(shí)施過程中，難以有效監(jiān)督，主要依靠駕駛員的自覺性。

其次，怠速的管理也不能一刀切，需要考慮是否為合理怠速。機(jī)械工作中，不可能即開即用，也存在熱機(jī)，或者短暫的等待施工條件等情況。于是，經(jīng)過綜合考慮，項(xiàng)目部決定設(shè)置怠速狀態(tài)持續(xù)時(shí)間大于5 min后，軟件系統(tǒng)才會(huì)將其計(jì)入怠速。而在實(shí)際使用過程中，5 min的緩沖時(shí)間基本自動(dòng)排除了非合理怠速。同時(shí)，在出現(xiàn)怠速記錄后，項(xiàng)目部也會(huì)與現(xiàn)場(chǎng)工作人員核實(shí)，是否為合理怠速。

例如4號(hào)挖掘機(jī)負(fù)責(zé)修河道，有時(shí)需保持怠速狀態(tài)（20 min以上）更換不同大小的挖掘機(jī)鏟斗，8號(hào)挖掘機(jī)有時(shí)需吊裝模板以及配合混凝土澆筑，也會(huì)保持20 min以上不動(dòng)等，都屬于合理怠速。此類怠速基本只出現(xiàn)在特定機(jī)械上，極好分辨。但如果確實(shí)為不合理怠速，按項(xiàng)目部規(guī)定，月末統(tǒng)計(jì)工時(shí)時(shí)，怠速時(shí)長將不計(jì)入工作時(shí)間中，并且以50元/h進(jìn)行罰款。若有特別惡劣的怠速磨洋工現(xiàn)象，必將重罰甚至勒令退場(chǎng)。

系統(tǒng)投入第1天，在駕駛員尚不知情的情況下，發(fā)現(xiàn)11號(hào)挖掘機(jī)有明顯異常的50 min長怠速情況，如圖3所示。查詢其工作日志，上午的工作內(nèi)容為內(nèi)倒裝車。原定上午8：00開始，但環(huán)保車未按時(shí)到達(dá)，駕駛員便在原地怠速候車。現(xiàn)場(chǎng)工作人員同因環(huán)保車未至，未在該區(qū)域協(xié)調(diào)工作，故未直接觀察到11號(hào)挖掘機(jī)的怠速。

圖3 11號(hào)挖掘機(jī)某日工時(shí)統(tǒng)計(jì)

可見，實(shí)時(shí)記錄機(jī)械工作狀態(tài)可作為重要的管理依據(jù)，但同時(shí)也對(duì)管理人員提出了要求，需要其主動(dòng)使用該系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督。

3.2 案例二：工作狀態(tài)記錄，判定機(jī)械工作飽和度

系統(tǒng)試行后，部分司機(jī)反饋，為避免怠速，工作時(shí)被迫存在反復(fù)開關(guān)機(jī)的情況，會(huì)導(dǎo)致油門損傷松動(dòng)?？紤]到項(xiàng)目部已經(jīng)設(shè)置了5 min的怠速緩沖時(shí)間，如果在5 min內(nèi)駕駛員能接上工作就不會(huì)顯示怠速，因此，司機(jī)選擇關(guān)機(jī)則說明是工作銜接不上，工作狀態(tài)不飽和。

圖4是測(cè)試期2020年4月24—25日夜間土場(chǎng)作業(yè)挖掘機(jī)工時(shí)統(tǒng)計(jì)表，當(dāng)晚3臺(tái)挖掘機(jī)于土場(chǎng)裝車。

圖4 4月24—25日夜間土場(chǎng)作業(yè)挖掘機(jī)工時(shí)統(tǒng)計(jì)

可見，僅有1臺(tái)挖掘機(jī)處于滿負(fù)荷工作，余下2臺(tái)間歇性停機(jī)，該情況一直持續(xù)至25日凌晨01：00。顯而易見，凌晨01：00前挖掘機(jī)的數(shù)量安排偏多，導(dǎo)致另2臺(tái)工作未飽和，因此需要對(duì)施工組織進(jìn)行優(yōu)化。

在協(xié)調(diào)優(yōu)化環(huán)保車數(shù)量與運(yùn)輸?shù)攸c(diǎn)順序后，在4月28日開始嘗試新方案，情況如圖5所示。

圖5 4月28—29日夜間土場(chǎng)作業(yè)挖掘機(jī)工時(shí)統(tǒng)計(jì)

可見，當(dāng)晚機(jī)械不飽和現(xiàn)象獲得很大緩解，進(jìn)一步佐證合理機(jī)械工作安排的重要性。

3.3 案例三：工時(shí)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，減少管理成本

由于5月的天氣情況較好，5月下旬機(jī)械工時(shí)開始接近包月上限240 h，多調(diào)用工時(shí)還遠(yuǎn)未達(dá)到240 h的機(jī)械，可減少不必要的超時(shí)支出，實(shí)現(xiàn)利益最大化。

相比之前的管理模式，采用“機(jī)械指揮官”后可實(shí)時(shí)掌握各機(jī)械工時(shí)，機(jī)械定位，便于管理人員協(xié)調(diào)。現(xiàn)將安裝前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（均為工作滿1個(gè)月的機(jī)械），如表1所示。

表1 安裝前后工時(shí)統(tǒng)計(jì)均值與方差

在本案例中，方差越小就說明各機(jī)械的工時(shí)越平均。相比于安裝前而言，安裝后的挖掘機(jī)與推土機(jī)的工時(shí)、挖掘機(jī)的工時(shí)呈現(xiàn)的方差數(shù)值要明顯低于安裝前，這說明在安裝后，對(duì)機(jī)械安排的工時(shí)更加平均。

3.4 案例四：根據(jù)機(jī)械特性，合理安排工作

通過一段時(shí)間的使用，為各品牌機(jī)械的油耗情況提供了一定數(shù)據(jù)支撐。例如小松PC200-7型號(hào)的挖掘機(jī)，功率大，工作效率高，同時(shí)油耗也大。經(jīng)測(cè)試，其怠速油耗可達(dá)13 L/h。三一215、現(xiàn)代215c-9等韓國品牌，功率小于小松，怠速則在10 L/h。國產(chǎn)山重GC208的怠速則為7 L/h。所以對(duì)于吊裝重物、拆除模板對(duì)功率要求低的工作應(yīng)該傾向選擇山重牌等小功率挖掘機(jī)。

3.5 案例五：效率指標(biāo)化，管理數(shù)據(jù)化

判斷工作效率可借助一定的衡量指標(biāo)?，F(xiàn)在利用“機(jī)械指揮官”的工時(shí)統(tǒng)計(jì)功能與環(huán)保車運(yùn)輸趟數(shù)統(tǒng)計(jì)管理小程序“蘇州二建土方管家”的數(shù)據(jù)，擬定指標(biāo)化參數(shù)：裝車效率。通過計(jì)算，抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為示例，具體情況如表2所示。

通過數(shù)據(jù)比對(duì)，極大地方便項(xiàng)目管理人員判斷當(dāng)日工況。隨后可根據(jù)當(dāng)日裝車系數(shù)的高低總結(jié)吸取教訓(xùn)。經(jīng)過一段時(shí)間的使用，裝車效率最高時(shí)可達(dá)8.9車次/h，最低時(shí)只有6.3車次/h，二者相差接近30%[通過(8.9－6.3)/8.9=0.29計(jì)]。利用該指標(biāo)化系數(shù)，可直觀觀測(cè)施工效率，可見仍有很大的可改進(jìn)空間。

3.6 案例六：安裝前后對(duì)比，震懾作用顯著

通過對(duì)安裝前后機(jī)械油耗情況進(jìn)行分析。5月和6月（6月份有效工作日大約為10 d）已安裝系統(tǒng)，故直接獲取數(shù)據(jù)，3—4月的數(shù)據(jù)利用原機(jī)械工時(shí)臺(tái)賬與加油記錄單數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)得出，結(jié)果如圖6所示（僅展示裝有油位儀的機(jī)械）。

觀察上圖，除了4號(hào)和14號(hào)以外，其他所有挖掘機(jī)均為3—4月油耗最高，5月最低，6月有所增長?；谝陨蠑?shù)據(jù)，在項(xiàng)目部進(jìn)行了充分討論后，作出以下幾點(diǎn)解釋：

1）3—6月均處于土方工程階段，工作內(nèi)容無太大變化。5月份中下旬天氣逐漸炎熱，機(jī)械陸續(xù)開啟空調(diào)，在不考慮其他因素的影響下，5月油耗應(yīng)略大于3—4月，6月大于5月份，但是僅后者滿足數(shù)據(jù)表現(xiàn)。

2）需明確，怠速的減少在油耗上不會(huì)有很大的體現(xiàn)。每月長達(dá)40 h的怠速才會(huì)和正常工作模式下（0.5 h怠速）形成1.15 L/h的油耗差異。

在做出上述邏輯并進(jìn)行推理后，5月油耗相對(duì)于3—4月油耗而言應(yīng)上升才能滿足上述2個(gè)結(jié)論。但數(shù)據(jù)顯示5月挖掘機(jī)油耗卻不升反降。

3）在安裝完“機(jī)械指揮官”后，項(xiàng)目部有組織駕駛員會(huì)議，介紹了“機(jī)械指揮官”的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。因此推測(cè)，5、6月份油耗相比之前降低，很有可能是駕駛員們受到了一定威懾，在工作時(shí)都使用了合理的油門擋位。經(jīng)計(jì)算，圖6中5月油耗相比3—4月，總油耗下降了1.23 L/h，其中3—4月份挖掘機(jī)的平均油耗為16.50 L/h，相當(dāng)于下降了7.45%?？紤]到5月份中下旬天氣已經(jīng)較為炎熱，機(jī)械基本都開啟空調(diào)，所以實(shí)際上油耗下降可能更多，甚至可能達(dá)到10%以上。

4）4號(hào)和14號(hào)挖掘機(jī)是僅有的2臺(tái)與其他挖掘機(jī)油耗趨勢(shì)不同的機(jī)械。其中，4號(hào)挖掘機(jī)是公認(rèn)的技術(shù)及工作態(tài)度最好的駕駛員。所以推測(cè)在安裝“機(jī)械指揮官”前后，對(duì)于4號(hào)挖掘機(jī)駕駛員而言，他的工作狀態(tài)始終如一。其油耗變化完全符合推論1，進(jìn)而逐步增長。而對(duì)于14號(hào)挖掘機(jī)，是由于5月份工作內(nèi)容發(fā)生變化才引起油耗改變。

工程領(lǐng)域中不可控因素多，原因復(fù)雜，要想準(zhǔn)確分析出因果可能并不容易，但是僅從結(jié)果上來看，在保證效率一致的前提下，整體油耗確實(shí)有所下降。

4 問題與改進(jìn)

在產(chǎn)品的使用過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題。首先是該系統(tǒng)需投入一定精力學(xué)習(xí)與維護(hù)。每當(dāng)機(jī)械進(jìn)退場(chǎng)，都需要安裝和拆卸硬件套件，并同步軟件端操作。雖步驟不復(fù)雜，但考慮到一些年長的機(jī)械管理人員學(xué)習(xí)能力較弱，尤其涉及到軟件操作，需要更加年輕化的隊(duì)伍來使用這類新型設(shè)備。其次，加注燃油時(shí)，需人工填寫加注值對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。經(jīng)測(cè)試，油位監(jiān)測(cè)儀的準(zhǔn)確率一般大于95%，滿足一般的數(shù)據(jù)分析要求，但不可作為結(jié)算依據(jù)。同時(shí)一段時(shí)間內(nèi)不校正，誤差會(huì)增大。若能配套自動(dòng)讀取并錄入加注量的加油槍，整體的用戶體驗(yàn)將會(huì)更好，既可免去人工輸入，還可實(shí)現(xiàn)燃油自動(dòng)化結(jié)算。再者是設(shè)備信號(hào)問題，包括信號(hào)延遲及設(shè)備離線。為保證低功耗運(yùn)作，數(shù)據(jù)每5 min發(fā)送一次，信號(hào)不佳時(shí)，終端會(huì)保存這5 min的數(shù)據(jù)，在下次一并傳出。部分市政工程地處偏遠(yuǎn)，智能終端雖已配備三網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)卡，但免不了部分作業(yè)區(qū)域長時(shí)間無信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生半小時(shí)以上延遲。長期信號(hào)丟失會(huì)導(dǎo)致終端離線。實(shí)際上，離線原因諸多，如終端被損毀、終端被強(qiáng)行拆除等，無信號(hào)覆蓋僅是原因之一。所以每次發(fā)生離線，都需人為確認(rèn)，明確是否遭到破壞?？赡艿慕鉀Q方案是要求當(dāng)?shù)剡\(yùn)營商加裝基站，或由生產(chǎn)商提供額外的信號(hào)傳輸方式，并提供對(duì)應(yīng)的接收裝置安裝于施工現(xiàn)場(chǎng)。最后，項(xiàng)目部對(duì)所采集的數(shù)據(jù)深層挖掘能力有限。大部分管理人員都只是使用其最基礎(chǔ)的功能，例如查找定位、查詢工時(shí)、查看機(jī)械活動(dòng)狀態(tài)等。需要有更高素質(zhì)的管理人員加入團(tuán)隊(duì)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，產(chǎn)生更大效益。

5 結(jié)語

數(shù)據(jù)的高效準(zhǔn)確采集是實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械精細(xì)化管理的基礎(chǔ)。機(jī)械的精細(xì)化管理并非耗費(fèi)大量人力、物力，事無巨細(xì)地監(jiān)督機(jī)械工作，而是借助傳感器、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等手段進(jìn)行多維度、多角度的數(shù)據(jù)采集。與傳統(tǒng)管理方式相比，基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅能極大減少采集數(shù)據(jù)的重復(fù)勞動(dòng)，而且能通過技術(shù)手段獲取更多、更精確的數(shù)據(jù)。運(yùn)用這些技術(shù)將機(jī)械設(shè)備數(shù)字化，再利用數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，便可幫助管理人員做出更好的決策，節(jié)約管理成本，讓管理工作更有效率，并帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

本文一共挑選了6個(gè)案例，對(duì)測(cè)試該系統(tǒng)過程中的真實(shí)事件進(jìn)行概括分析。案例借助“機(jī)械指揮官”判定機(jī)械活動(dòng)狀態(tài)、工作時(shí)長、怠速時(shí)長、定位信息、油耗數(shù)據(jù)等功能，加上項(xiàng)目管理人員本身的經(jīng)驗(yàn)，“蘇州二建土方管家”微信小程序，以及之前積累的數(shù)據(jù)提煉總結(jié)而成。案例主要是將之前施工過程中，不易獲取的數(shù)據(jù)、信息等通過“機(jī)械指揮官”自動(dòng)化采集，并將之前需要借助煩瑣的電子表格實(shí)現(xiàn)的機(jī)械臺(tái)賬管理極大簡(jiǎn)化，節(jié)約管理成本，提高管理效率，讓管理人員能夠從多維度進(jìn)行觀察，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。除此之外，“機(jī)械指揮官”還具備一定威懾作用，督促機(jī)械駕駛員減少怠速，節(jié)省燃油，帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

雖然該系統(tǒng)仍然存在一些問題，但是總體來說已經(jīng)比較成熟。使用該系統(tǒng)后，在管理效率方面，節(jié)約了管理成本，提高了管理效率；在經(jīng)營業(yè)績(jī)方面，除了直接的支出節(jié)約，由管理效率提升帶來的經(jīng)濟(jì)效益將更為可觀；從人員素質(zhì)方面，新設(shè)備新技術(shù)將會(huì)沖擊管理人員的理念，促使其擁抱先進(jìn)科技；從增強(qiáng)企業(yè)品牌和社會(huì)影響力方面，表明了建筑企業(yè)積極采用新技術(shù)的決心，有勇氣推動(dòng)新技術(shù)與傳統(tǒng)土木的結(jié)合。