基于工业互联网的地下工程信息化建设方案.pdf

2023年第4期技术研究技术研究基于工业互联网的地下工程信息化建设方案何海波，刘子琦，武汉城，刁鹏（中铁工程服务有限公司，四川 成都 610036）摘要：随着大中型铁路隧道工程、城市轨道交通智慧工地建设等地下工程项目机械化程度快速提升，对于当前地下工程项目中，强质量、保安全、提能效的管理需求已成为行业发展热点。为实现地下工程项目全过程智能管控，以可移动方舱为主体，基于工业互联网等先进技术，集成多网融合、信息存储、边缘计算、云边协同等诸多功能的数据方舱应运而生。通过方舱及相关系统在施工现场的快速部署，“一网、一图、一方舱”的技术架构可以迅速满足山岭隧道、地铁管廊、大型矿山等不同类型地下工程的信息化建设要求，实现人工智能与工业互联网的融合创新，加速推进地下工程信息化建设的发展。关键词：工业互联网；地下工程；信息化；数据方舱；智慧工地；人工智能中图分类号：U455.1 文献标识码：A 文章编号：1672-061X（2023）04-0024-07DOI：10.19550/j.issn.1672-061x.2023.05.06.0030 引言传统基建行业高消耗、低技术、高投入、低产出的粗放型发展模式，长期以来面临安全风险高、管理难度大、生产效率低等一系列问题。当前，数字经济正在成为重组全球要素资源、重塑全球经济结构、改变全球竞争格局的关键力量，发展数字经济是把握新一轮科技革命和产业变革新机遇的战略选择，要从根本上实现行业节能减排、降本增效的目的，可通过信息化、智能化、数字化等新技术提高创新能力、构建新型生产方式、提升资源配置效率。工程项目管理信息化是顺应社会主义新时代发展的必然要求，也是我国工程建设水平实现高质量发展的必由之路。当前我国基建行业在进行信息化建设过程中依旧存在一些问题和不足，其中较突出地表现在3个方面：一是行业内对于信息化的认识水平参差不齐，一些规模较大、较早与世界市场实现接轨的企业初步建立起了以互联网、大数据为支撑的工程管理平台，实现了企业内部的资源优化与共享，提高了项目综合管理水平，但多数中小企业由于自身规模与技术储备等原因，信息化转型进程缓慢，许多工程项目依然沿用粗放式的管理方法，不仅管理模式单一，管理效率也相对较低1；二是存在缺少规范的行业标准问题，需要建立统一的数据标准基础，以便更好地优化第一作者：何海波（1985），男，高级工程师。E-mail：通信作者：刘子琦（1998），男，助理工程师。E-mail：242023年第4期技术研究技术研究整个系统的管理，当然，鉴于我国施工企业运营方式以及组织架构的差异性，市面上的信息化配套虽然种类众多，但在施工过程中，往往无法满足使用单位的实际需求，产生了大量的无效数据，造成了资源浪费，客观上减缓了整个行业的信息化转型速度；三是我国目前仍旧缺乏项目管理专业人才，要让信息化的科学理念深入人心，使数据在施工过程中起到更充分的作用，需要对相关从业人员进行进一步培训，提升全体从业者的信息管理水平。1 方案介绍1.1总体框架数据方舱信息化解决方案针对大中型铁路隧道工程、城市轨道交通智慧工地建设等地下工程应用场景，基于国务院“十四五”数字经济发展规划的指导理念，采用“云、端、管”一体化的总体框架思路设计，构建工业互联网应用生态环境，以移动式边缘计算数据方舱为主体，提供整合的全生命周期产品化方案，借助先进的精益建造理论方法，整合和优化人员、流程、技术、数据以及业务系统，并以此实现对隧道工程全过程、全要素、全参与方的在线化、信息化和智能化管理。构建项目、企业和行业的平台生态体系，实现“标准化快速部署、一体化即插即用”功能，解决工程建设中网络信号覆盖难、现场信息传输难、海量数据处理难、多平台融合难、后期维护保障难等问题。综合运用云计算、物联网、大数据、4G/5G、人工智能等先进技术，在施工现场“人机料法环”等多个维度做到实时感知和互联互通，将地下工程项目实施过程中的风险控制在合理范围内。数据方舱方案总体框架见图1。1.2满足恶劣场景使用要求传统的IT设备基于数据中心环境设计，无法满足高原、高寒、防尘、防震等要求，同时在计算存储能力等方面也明显不足。数据方舱使用定制化的IT设备和整体结构设计，满足各种恶劣工况环境以及大存储、高算力的使用需求。1.3高度集成的一体化设计集通信、计算、存储、应用于一体的数据方舱，借助皮卡、SUV等车辆实现快速移动、快速部署、就近提供服务、产生更快的网络服务响应，满足行业实图1数据方舱方案总体框架252023年第4期技术研究技术研究时业务、智能应用、安全与隐私保护等多种需求。1套方舱可根据施工要求在多个施工点位循环利用，可有效节约施工成本、缩短安装调试周期。数据方舱舱体结构见图2。1.4多网融合监管多网融合监管系统提供对通信信号的统一接入、放大、中继和管理，实现物联网、无线网、工控网、监控网等不同技术协议、不同架构的网络统一接入，运用协议解析与转换、中间件等技术兼容 Modbus、CAN等各类工业通信协议，实现数据格式转换和统一。通过构建物联网、工控网，把物联网感知层各类监测监控设备采集的数据及时传输到数据方舱，为智慧工地应用提供数据服务，利用HTTP、MQTT等方式将数据传输到云端数据应用分析系统或数据汇聚平台。通过5G、Wi-Fi实现隧道内、施工场地及仓储区域的网络覆盖和统一管理，确保施工参与各方通讯畅通，满足紧急情况下的应急救援通信需求。通过工业防火墙和工业网闸等产品，实现数据加密传输，防止数据泄漏、监听或篡改，保障数据采集和传输过程中的安全。数据方舱多网融合监管示意见图3。1.5边缘计算传统高性能计算机主要着眼于提高速度，即缩短单个并行计算任务的运行时间。数据方舱追求高通量，即提高单位时间内任务或数据处理的吞吐量。这种注重“算得多”的计算机被称为高通量计算机2。为满足高通量计算所需的高吞吐、高利用率、低延迟需求，方舱内数据处理设备的设计由“速度导向”转向“通量导向”，确保计算机系统能够在满足高吞吐、低延迟要求的同时达到高利用率。高通量计算主要应用于物联网、大数据等新兴场景，其特点是任务种类多样，单个任务通常是流式计算；计算量相对较小，但任务的并发数量和数据规模巨大；同时对处理速度也有实时性要求。针对应用的新特点，高通量数据通路重点在最基本的数据读取、数据传输（访存通路）和数据处理3个环节进行创新。支持对象存储、块存储和文件存储等多种形态的存储服务；支持多种持久化存储方案和数据共享服务，包括云磁盘、本地盘等，支持统一的虚拟化接入方案；支持灵活的存储卷创建、存储卷挂载、弹性扩缩容能力，为用户提供统一的服务体验；支持高可用的多副本存储服务，提供低延时的副本顺序读写、随机读写以及小文件读写；支持存储数据的加密服务和多级数据校验，保障数据安全性。1.6兼容并包的数据中心云边一体化是工业互联网的发展趋势。数据方舱可在边缘端实现云边协同的多边缘云计算。通过对底层固件、虚拟化、容器化等多个层面的适配研发，实现数据方舱特定化的操作系统，提供高性能、高安全、低时（a）数据方舱外观（b）舱体功能模块图2数据方舱舱体结构262023年第4期技术研究技术研究延、低功耗的工业互联网平台。该平台满足目前市面上主流应用软件的运行需求，能够快速接入工程项目已有的数据系统，同时可根据实际需要定制化开发相关应用，加速构建功能完善的一站式数据处理中心。2 智慧工地数字化管理平台数据方舱为智慧工地提供了一体化的解决方案，以智能应用作为切入点，进一步将其与项目管理紧密融合并进行交互，将所获得的各类信息与现场管理相互整合，实现大数据的充分挖掘与运用，完善项目的科学分析及决策能力3。同时，各个模块之间互联互通、数据共享，配以大屏幕集中展示，实现智慧工地统一部署、统一监管、统一维护、统一呈现（见图4）。2.1人员管理模块人员管理模块采用软硬件结合的模式，提供指纹识别、人脸识别配合基于UWB技术或RFID技术的高精度定位芯片对入场员工进行统一管理。员工的考勤记录、工种信息、实时定位通过现场工业网络传输到数据方舱服务器，项目管理人员在后台进行调度、分析和统计，从而准确地了解工地现场施工人员的出勤情况，以更好地进行劳务管理4。2.2安全监管模块安全监管模块重点用于施工安全管理，在工地实施智能巡检，对火情烟雾报警、区域周界入侵、危险物辨识进行全天候自动监测，采用基于大数据算法的检测模型精确分析各种风险情况，实现项目监督管理、检查记录、整改情况、标准评定等全过程记录。2.3设备管理模块设备管理模块由智能传感器、驾驶室操作终端、司机考勤、无线通信模块和远程可视系统等多种组件组成，能够支持超载预警、盾构机监管和防碰撞等多项功能。通过特种设备管理平台，用户可以实时掌握特种设备的分布情况和工作状态，并进行现场设备运行情况及危险报警的统计分析。2.4物资管理模块物资管理模块可实现采购管理、仓储管理、消耗管理三位一体的信息管理模式，帮助项目实现物资管控数字化、提高物资周转效率，降低物资管理人员的劳动强度。系统结合条形码、二维码、智能无人地磅、RFID定位芯片等物联网数据采集技术，和工程管理平台相互连接，可让企业各部门能够随时随地参与其中，（a）网络接入管理（b）网络安全管理图3数据方舱多网融合监管示意272023年第4期技术研究技术研究达到降本增效、物料安全管理的目的 5。2.5视频监控模块视频监控模块由监控设备及管理软件等组成，施工现场视频信息通过工业网络传回到数据方舱存储端，通过监控管理云平台进行导入、导出和回放等操作。2.6质量管控模块质量管控模块实现对施工现场建筑材料和工程结构等质量检测的信息化管理，规范质量检测行业行为，整合现有质量信息。启动项目监督和清单式管理的信息化建设，实现项目监督、检查记录、整改通知及回复等全过程记录。2.7环境监测模块环境监测模块是在工地上部署各类传感器和监控设备，以实时采集施工现场和周围道路的扬尘浓度、风速、湿度、温度、大气压力、噪声等数据。设置各类参数数据的阈值，一旦数据超出预设值，系统就会及时发出报警提示，帮助管理人员更好地安排后续的施工作业。2.8进度管理模块进度管理模块通过科学的手段进行项目进度管理，主要采用以下步骤：设定进度目标、制定进度计划和资源计划、进行进度控制。即在规定时间内制定出合理的进度计划，保持质量和费用与进度目标达成协调，最终保证工程施工有序进行。3 核心优势通过数据方舱在项目现场的快速部署，配套功能齐全的智慧工地应用软件和智能设备，实现项目管理数字化、智能化，可以有效解决长期困扰施工行业的信息化建设难题。3.1一网、一图、一方舱（1）一网。数据方舱提供一揽子的多频段、多协议网络融合方案，实现应用场景如工地、隧道等物理环境下的内部自组网，满足语音、视频、物联网传感和IT设备的网络接入和通信需要，实现中继、信号放大和信号转换等功能；实现内部自组网与外部互联网、专网的安全接入和信号放大中继；实现应急情况下的应急通信支持。一网是实现工业互联和信息化、数字化的基础，数据方舱以无线接入和自适应为主线，提供快速组网能力。（2）一图。以BIM为基础，整合场景特征的基础应用、常规应用和拓展应用，以数字化方式集中呈现。（3）一方舱。上述功能，包括通信、计算存储能力等，都通过统一的数据方舱实现，以方舱为主体整合应用管理平台和方舱管理平台，对所有应用、方舱的计算、环控等实现统一管理和呈现。图4智慧工地数字化管理平台282023年第4期技术研究技术研究3.2自展开、自运行、自维护（1）自展开。数据方舱产品无需专用设备、专业实施人员即可实现产品的部署和撤装、移动。数据方舱通过自动升降机构实现舱体的上下车，数据方舱本体以及外部设备采用标准220 V电源接入，尽量采用无线方式传输数据。（2）自运行。数据方舱产品的启动和运行无需专业运维人员、专业产品专家介入。数据方舱接入电源启动后，网络通信、传感器和边缘计算模块自主运行，无需现场操作。（3）自维护。数据方舱产品的自身运行状态通过管理平台进行管控，如遇异常情况，可远程监控并告警，无需现场运维人员巡检和调试。3.3低成本、低消耗、低风险（1）低成本。数据方舱产品可以大幅降低工程项目信息化改造的建设成本，大幅降低后期运行管理的人力成本。相较于当前行业内鱼龙混杂、互相孤立的信息化应用，数字方舱首次提出了完整的一体化解决方案，涵盖“人机料法环”等多个关键要素，一次性解决施工项目的信息化管理难题。（2）低消耗。数据方舱符合循环经济发展的理念，产品使用寿命覆盖多个项目的建设周期，当前项目完工后，可快速转移部署在新的项目上，以实现资源的有效回收与再度利用。（3）低风险。一方面，对工程项目的全方位智能监管，避免施工过程中可能面临的各种安全风险；另一方面，对各类数据的集中收发与处理，构建云边一体的专用数据传输通道，有效规避来自外部的网络攻击，降低信息泄露的风险。4 发展展望为积极响应国务院“十四五”数字经济发展规划，推进产业融合发展，深化智能建造的数据服务架构6，未来数据方舱的典型应用场景列举如下。4.1杆塔监控场景传统的电力杆塔安全状态监测主要依靠定期巡检、人为观测等方式。该方式存在一定主观性和不及时性，某些参数人工实测困难，且不易及时发现问题。对此，数据方舱系统利用数据分析手段，实时分析安装在电力杆塔上的智能传感器获取的杆塔工作状态等各类数据，对安全工作状态异常的杆塔进行事前预警，指导维护人员及时有效地处理异常状况，最大限度保证输电线路安全。4.2智慧农业场景借助现代化技术提升生产与管理效率、减低成本，推动信息化与农业种植、养殖生产作业的深度融合，逐步完成大田及大棚农作物种植、畜牧、养殖全产业链的信息化。数据方舱作为可移动基站实现数据的高速传输分析、无人农机飞行器操控、自动喷洒灌溉等，大大提高亩产收益并节约人工成本。5 结束语详细阐述当前我国基建行业信息化发展遇到的困难，从现阶段地下工程项目的信息化建设需求出发，提出一种基于工业互联网的解决方案。该方案以一种新型物联网终端数据方舱为核心，搭配为地下工程定制化开发的综合管理软件和智能设备，快速实现对工程项目产生的各类数据统一汇总与管理，满足施工单位和监管单位对地下工程项目“人机料法环”各环节实时监管的各项需求，提升企业的资源利用效率，以数字技术促进产业融合发展，加速推进地下工程项目信息化建设。参考文献1 黄爽.工程项目管理信息化 J.中国管理信息化，2016（10）：58-61.2 范东睿，叶笑春，包云岗，等.中国高通量计算机的自主研发之路 J .中国科学院院刊，2019（3）：648-652.3 朱彦齐.智慧工地一体化解决方案 J.科学技术创新，2019（6）：111-112.4 徐刚，戴柱天，崔晓军.智慧工地全过程质量安全监管平台研究与实现 J.城市勘测，2019（1）：37-40.5 施金浩，梁磊，史泰龙.浅议智慧工地系统在建筑施工过程中的应用 J.南方农机，2019（5）：203-213.6 解亚龙，魏强，王万齐，等.铁路工程智能建造体系深化研究 J.中国铁路，2023（1）：21-25.责任编辑 翟立飒收稿日期 2023-05-06292023年第4期技术研究技术研究Information Construction Scheme of Underground Engineering Based on Industrial InternetHE Haibo,LIU Ziqi,WU Hancheng,DIAO Peng(China Railway Engineering Services Co.,Ltd.,Chengdu Sichuan 610036,China)Abstract:As underground engineering become more mechanized,such as large and medium-sized railway tunnel and the smart construction of urban rail transit,the need to improve quality,safety,and energy efficiency has become a focus within the industry.To achieve intelligent management and whole-process control of underground engineering,a data portable cabin has been established based on advanced technologies like industrial Internet and can integrate several functions,such as multi-network integration,information storage,edge computing,and cloud-edge collaboration.By efficiently deploying the portable cabins and relevant systems on the construction site,the technical architecture of“one network,one map,and one cabin”can meet the information construction requirements of various types of underground engineering,including mountain tunnels,metro pipe galleries,and large mines.It can also realize the integration and innovation of artificial intelligence and industrial Internet,and accelerate the development of information construction in underground.Keywords:industrial Internet;underground engineering;informatization;data portable cabin;smart construction site;artificial intelligence30