基于云邊協(xié)同架構的交通行業(yè)建管養(yǎng)一體化平臺探究

李鑫

（甘肅紫光智能交通與控制技術有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 研究背景

隨著計算機網(wǎng)絡的深入普及，信息化開始成為國民經(jīng)濟快速發(fā)展的一個重要助推器。5G、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能等新型信息化技術兩化融合，改變了諸多行業(yè)，其覆蓋范圍涵蓋了行業(yè)的管理模式甚至規(guī)范標準，打破了不少行業(yè)壁壘，加速行業(yè)競爭朝著新的方向發(fā)展。而在工程建設領域，新型信息化技術不僅對工程建設本身有著不同層面的影響，更加速了行業(yè)間的融合及技術間的優(yōu)化組合，讓工程從前期設計、中期施工建設到后期數(shù)據(jù)資產(chǎn)共享，實現(xiàn)了工程全生命周期一體化、智慧化管理。

工程行業(yè)是一個安全事故多發(fā)的高危行業(yè)，隨著我國新基建建設的不斷推進，如何加強施工現(xiàn)場管理、降低事故發(fā)生頻率、杜絕各種違規(guī)操作和不文明施工、提高建筑工程質量，仍將是擺在各級政府部門、業(yè)界人士和廣大學者面前的一項重要研究課題。為落實政府各監(jiān)管部門對施工現(xiàn)場安全、質量、進度、綠色環(huán)保的監(jiān)管要求，提高項目精細化管理水平，保障工地現(xiàn)場正常運行，圍繞施工工地現(xiàn)場人、機、料、法、環(huán)5個方面，開展工地云邊協(xié)同信息化建設，實現(xiàn)工程建管養(yǎng)一體化。平臺研究使工程施工數(shù)字化、智能化、無人化建設管理成為可能，大大提高了我國建筑企業(yè)的核心競爭力，帶動相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展；建設成果可提高建筑企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平，為打造風險預控、優(yōu)化管理、遠程診斷、安全、協(xié)同、共享、高效的智慧工地奠定基礎。

2 框架體系構建

通過5G、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈和人工智能等新型成熟技術與業(yè)務的深度融合，產(chǎn)品提供統(tǒng)一接口平臺，解決了實際應用中系統(tǒng)平臺眾多、缺乏統(tǒng)一的運維入口、各平臺互斥無法整合的問題。通過區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)安全技術，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全，通過智能合約來確保特定交易在特定條件得到滿足。利用大數(shù)據(jù)存儲海量數(shù)據(jù)能力對系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中存儲，采用大數(shù)據(jù)為系統(tǒng)的并行查詢、存儲提供性能上的提升，達到統(tǒng)一項目管理平臺、統(tǒng)一項目管理標準、綜合項目信息共享的目標，實現(xiàn)了項目管理手段信息化，提升了項目質量安全監(jiān)管力度，起到了為項目建設服務的作用，有力助推了各種交通項目品質工程建設。

加強工程建設、運維、養(yǎng)護大數(shù)據(jù)共享、區(qū)塊鏈防篡與人工能智能分析系統(tǒng)間聯(lián)動，從源頭上實現(xiàn)基建工程數(shù)字化，盤活處于休眠狀態(tài)的海量數(shù)據(jù)資產(chǎn)，有利于進一步提升系列基礎設施社會治理水平，包括工程質量、工程安全、工程投資和工程效率等方面。整體架構可分為5個邏輯層次，主要包括視圖層、應用層、中間層、數(shù)據(jù)采集層和物聯(lián)感知，如圖1所示。

圖1 總體框架圖

2.1 總體體系

2.1.1 “三網(wǎng)融合”云邊協(xié)同體系

通過研究“三網(wǎng)融合”（物聯(lián)網(wǎng)、高精度定位網(wǎng)、5G/互聯(lián)網(wǎng)）的相互補充，其中物聯(lián)網(wǎng)、高精度定位網(wǎng)提供邊緣端設備的接入和控制，5G/互聯(lián)網(wǎng)面向云端平臺，真正實現(xiàn)了整個系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析到?jīng)Q策管理的流程化管控。為了適應不同工程環(huán)境，平臺涵蓋近距離無線傳輸、有線傳輸、移動蜂窩網(wǎng)絡等多種通信接口，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的Zigbee、串口/總線、NB-IoT等方式上傳，保證系統(tǒng)的普適性。高精度定位網(wǎng)利用北斗/GPS為人員、工程車輛的定位提供保障，對動態(tài)及靜態(tài)要素開展不同級別定位。最后，通過5G網(wǎng)絡，利用其低時延、高穿透的特點，將邊緣端的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫似脚_。

2.1.2 全要素邊緣工程施工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在“三網(wǎng)融合”體系下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為底層支撐，將采集工程施工過程中的全要素數(shù)據(jù)，包含人員管理類的人臉、定位、射頻識別；設備管理類的定位、車輛統(tǒng)計；施工安全類的塔吊監(jiān)控、能耗監(jiān)控、遠程視頻、隧道健康監(jiān)測等；施工環(huán)境類的揚塵監(jiān)測、有害氣體監(jiān)測。此外，通過無人機傾斜攝影采集重合度較高的影像照片，生成帶有原地貌紋理和高程的三維模型。

2.1.3 基于大數(shù)據(jù)+區(qū)塊鏈技術的工程質量監(jiān)控系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)+區(qū)塊鏈技術的工程質量監(jiān)控系統(tǒng)是通過分布式微服務架構的設計方式對原有預應力、張拉、拌和站系統(tǒng)進行分析整合，通過分部分項將每個業(yè)務系統(tǒng)關聯(lián)起來。包含接口開放平臺、拌和站管理、預應力管理及系統(tǒng)權限管理等業(yè)務模塊，對上游和下游系統(tǒng)的接口進行聚合管理、方便第三方對接，并通過拌和站、預應力的基礎數(shù)據(jù)及多項規(guī)則、自動計算超標數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析、最終形成報表等可用的功能模塊。

2.1.4 基于BIM技術的工程信息管控系統(tǒng)

通過BIM工程信息管控系統(tǒng)，包括工程建設施工進度、質量管理、信息集成與三維展示功能模塊，全面展示施工地質情況和實時進度質量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)施工可視化、過程信息實時共享、施工風險預警預報和工程數(shù)據(jù)分析借鑒等功能，為計算機用戶、移動終端、大屏幕等施工過程可視化展示應用開發(fā)及項目管理人員會商決策提供信息化工具支撐，保障施工質量和安全。

2.1.5 工程建管養(yǎng)一體化云端平臺搭建

工程建管養(yǎng)一體化云端平臺通過一體化集成服務平臺將工程建設綜合管理系統(tǒng)、項目行政管理系統(tǒng)、工程養(yǎng)護管理系統(tǒng)集成在一起。

一體化集成服務平臺：在一體化集成服務平臺下，實現(xiàn)建、管、養(yǎng)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)交換、統(tǒng)一身份認證、統(tǒng)一門戶入口等一體化管理。

工程建設綜合管理系統(tǒng)：建成項目公司統(tǒng)一的工程建設管理系統(tǒng)，實現(xiàn)所有建設工程的進度、質量、安全、成本全方位監(jiān)管。

項目行政管理系統(tǒng)：針對公司內務建設財務、OA協(xié)同辦公、人力資源等信息化管理系統(tǒng)。

工程養(yǎng)護管理系統(tǒng)：建成統(tǒng)一的工程養(yǎng)護管理系統(tǒng)，實現(xiàn)工程養(yǎng)護的計劃、巡查、施工、考核過程管理。

2.2 分項體系

2.2.1 一體化集成服務平臺

一體化集成服務平臺由統(tǒng)一門戶信息集成系統(tǒng)、統(tǒng)一安全身份認證系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換調度服務系統(tǒng)、GIS服務系統(tǒng)、BIM服務系統(tǒng)五大部分組成，通過一體化集成服務平臺將公路建設綜合管理系統(tǒng)、項目公司行政管理系統(tǒng)、養(yǎng)護管理系統(tǒng)、決策運營管理系統(tǒng)集成在一起。

2.2.2 BIM服務

依托建設方施工管理需求，整合全工程施工管理數(shù)據(jù)，并集成全景三維模型展現(xiàn)施工過程實時數(shù)據(jù)和分析成果數(shù)據(jù)，開發(fā)工程建、管、養(yǎng)的三維典型應用功能，結合Unity3D三維引擎研發(fā)工程全景展示、輔助決策系統(tǒng)。實現(xiàn)過程包括各類工程，地形地質三維模型制作，包含工程施工和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)集成、動態(tài)數(shù)據(jù)整理和分析、數(shù)據(jù)庫設計的后臺管理系統(tǒng)開發(fā)，最后完成虛擬現(xiàn)實場景搭建、用戶交互設計、施工過程管理研究等三維展示系統(tǒng)開發(fā)工作。

圖2 一體化集成服務平臺關系圖

2.2.3 基于大數(shù)據(jù)+區(qū)塊鏈技術的工程質量監(jiān)控

依托施工技術標準及數(shù)據(jù)采集過程控制原則，實時采集混凝土拌和站、穩(wěn)定土拌和站、瀝青混合料拌和站、橋梁預應力張拉壓漿、竣工資料等過程生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并跟蹤監(jiān)控每條數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)各工程環(huán)節(jié)填寫的信息生成數(shù)字簽名（附加在數(shù)據(jù)單元上的一些數(shù)據(jù)，或是對數(shù)據(jù)單元所作的密碼變換）。這種數(shù)據(jù)或變換允許數(shù)據(jù)單元的接收者用以確認數(shù)據(jù)單元的來源和數(shù)據(jù)單元的完整性并保護數(shù)據(jù)，防止被人（例如接收者）偽造?？捎行Ы鉀Q部分標準滯后、數(shù)據(jù)采集不規(guī)范、過程管控不強等問題，保證數(shù)據(jù)的安全性。

2.2.4 邊緣端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設

拌和站監(jiān)測系統(tǒng)：用于監(jiān)測、收集、存儲拌和站生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過對拌和站所有生產(chǎn)活動信息、痕跡的全天候實時監(jiān)控，實時把拌和站生產(chǎn)情況采集到項目數(shù)據(jù)庫中分析，實現(xiàn)對拌和站生產(chǎn)情況的質量監(jiān)管。

試驗機數(shù)據(jù)采集監(jiān)控：用于監(jiān)控、收集、存儲試驗過程中試驗數(shù)據(jù)，同時根據(jù)標準自動判斷試驗數(shù)據(jù)合格情況，針對不合格的數(shù)據(jù)，以頁面提醒或手機短信等方式自動報警。利用二維碼識別技術實現(xiàn)對試驗檢測中的各類試件進行標示和確認，確保試驗檢測過程中試件的真實性，提高工程原材料和構件的質量管控。

預應力智能張拉、壓漿監(jiān)測：實現(xiàn)對預應力張拉、壓漿數(shù)據(jù)的采集、上傳、分析和報警，通過業(yè)主、監(jiān)理、施工單位的信息互聯(lián)，實時管控設備施工過程，對張拉、壓漿過程全程實時監(jiān)控，數(shù)據(jù)不落地上傳，實現(xiàn)對張拉及壓漿工藝的質量監(jiān)控。

運輸車輛監(jiān)控：收集、存儲車輛行駛軌跡、裝料時間、運輸時間、卸料時間等多重數(shù)據(jù)信息，記錄材料的運輸周期，具備混合料溯源和運輸監(jiān)控作用。

人員定位：利用北斗/GPS，實現(xiàn)勞務人員在指定區(qū)域實現(xiàn)移動人臉識別考勤，管理人員可遠程實時查看和監(jiān)控施工主要人員及監(jiān)理考勤記錄和情況，并分類統(tǒng)計，移動人臉識別考勤支持在線考勤和離線考勤兩種模式。

隧道健康狀態(tài)監(jiān)測：用于監(jiān)測、存儲隧道掌子面加裝各類空氣檢測類傳感器數(shù)據(jù)及安全布局。實現(xiàn)對隧道內的粉塵及有害氣體的不間斷實時監(jiān)控，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時展示在洞外LED大屏，實現(xiàn)對監(jiān)測結果的實時播報及對超限數(shù)據(jù)的報警提醒。

關鍵部位安全視頻監(jiān)控：主要對工程的施工過程和工程安全開展全方位遠程視頻監(jiān)控，提高監(jiān)管的效率、真實性和有效性，可遠程調用項目辦或施工標段存儲的視頻數(shù)據(jù)。

無人機數(shù)據(jù)采集：在施工現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)經(jīng)軟件分析后，其分析結果通過網(wǎng)絡實時傳輸?shù)较到y(tǒng)服務器，可在后臺網(wǎng)站、手機App端直接對工程質量、工程進度、施工安全開展巡查管理，無人機直播和BIM應用系統(tǒng)對接，若某項目數(shù)據(jù)結果異常，可通過信息系統(tǒng)預警。

3 特色場景應用

3.1 模型自動生成及多模型支持

結合施工過程產(chǎn)生的分部分項數(shù)據(jù)，自動生成對應三維模型，可精確到單獨構件，并能根據(jù)不同的工程類型生成橋梁、隧道、路基三類模型，做到施工進度可視化。

圖3 三維施工模型

3.2 輕量化與多終端支持

支持h5、PC端、移動端等多終端運行?？汕度胍延邢到y(tǒng)，在豐富系統(tǒng)功能與展示效果的同時做到低入侵、輕量化展示。

3.3 構件詳情展示

對各個構件的“名稱”“樁號”等靜態(tài)屬性，以及“質量”“進度”等動態(tài)信息進行詳細展示，可實時同步構件施工信息，方便管理單位掌握構件的基本情況及整體施工進度，與真實施工進度保持一致。

3.4 構件拆分

支持完整工程模型的“打散”操作，方便查看各個構件的細節(jié)、構件之間的連接情況及工程的總體組成部分。

3.5 構件質量展示

以單個構件為單位，展示施工過程中各構件的質量情況，方便嚴格把控施工質量，實時記錄跟進構件的質量信息，對施工過程中的問題構件做到一目了然。

3.6 施工進度展示

以不同顏色標識各個構件的施工進度，方便精確地把控施工的整體進度、局部區(qū)域進度乃至單個構件進度，合理安排施工周期。

4 結束語

在工程建設領域，新型信息化技術不僅對工程建設本身有著不同層面的影響，更加速了行業(yè)間的融合及技術間的優(yōu)化組合，讓工程從前期設計、中期施工建設至后期數(shù)據(jù)資產(chǎn)共享，均實現(xiàn)了工程全生命周期一體化、智慧化管理。目前行業(yè)主要存在建筑企業(yè)管理效率偏低、施工現(xiàn)場存在安全隱患、邊緣端與云端數(shù)據(jù)協(xié)同等問題。對應的主要解決措施包括研究涉及施工、養(yǎng)護過程中的人機料法環(huán)全要素管理，同時集成行政管理，整合全工程施工管理數(shù)據(jù)，并集成全景三維模型展現(xiàn)施工過程實時數(shù)據(jù)、分析成果數(shù)據(jù)，開發(fā)工程建、管、養(yǎng)的三維典型應用功能，提升建筑企業(yè)管理效率；研究重點解決施工過程中的主要部位監(jiān)控、安全數(shù)據(jù)監(jiān)測和關鍵環(huán)境數(shù)據(jù)采集，同時具備報警功能，保證施工現(xiàn)場的安全性；利用5G技術高速率、低時延、大連接特點，通過云邊協(xié)同工程管理平臺，充分發(fā)掘數(shù)據(jù)價值。

圖4 項信息化管理平臺

圖5 構件詳情展示

圖6 構件拆分

圖7 構件質量展示

圖8 施工進度展示