“方舱式”智慧工地系统数据标准化探究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁建股份有限公司科技研发计划项目()作者简介:于程水()男辽宁朝阳人高级经济师硕士主要研究方向为建筑业数字化转型、低碳环保、数智工程:.引文格式:于程水黄国胜张绍秋.“方舱式”智慧工地系统数据标准化探究.铁道建筑技术():.“方舱式”智慧工地系统数据标准化探究于程水 黄国胜 张绍秋(.中铁建发展集团有限公司 北京 .北京中铁建电气化设计研究院有限公司 北京.中铁建网络信息科技有限公司 北京)摘 要:智慧工地是当前建筑工程数字化转型的主要形态目前智慧工地系统设备多样化、零散化标准尚未统一且不利于循环利用“方舱式”智慧工地系统是以集成式方舱为核心在其中预置部署多种智慧工地软硬件系统及指挥中心构建智慧工地的标准化、模块化建设并具备安全可靠、快速部署和可移动性、可重复利用性等特点 本文旨在探讨“方舱式”智慧工地系统设计与实现过程中感知终端数据格式与标准繁多、工程各阶段各系统间数据通信与交换标准不统一等数据标准化方面所要解决的问题与难点 通过统一的数据标准、规范的数据接口可以实现智慧工地中各类系统的规范化对接便于数据的管理和使用解决数据不规范的挑战实现智慧工地中数据的统一管理、安全传输和互操作性从而提高工程的整体效率、安全性和可持续发展关键词:智慧工地 新兴技术 云边端 数据标准中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言未来工程数字化发展更多依赖对现有 技术、“云、大、物、移、智”新兴技术与工程建造场景的深度融合与应用的全面整合并逐渐实现从点到线、到面从边到端再到云以及大数据的多方联动 一体化、标准化、模块化的形态成为了智慧工地系统发展的大势所趋在此背景下“方舱式”智慧工地系统作为一种高集成度、高适应性、标准化、模块化的智慧工地系统为工程项目的智能化应用提供了“即插即用”和“灵活多变”的一体化系统形态具备安全可靠、智能管理、快速部署和可移动性、可重复利用性等特点尝试提供工程数据铁道建筑技术 ()于程水 等:“方舱式”智慧工地系统数据标准化探究可视化指挥与智慧工地的标准化、模块化建设能力实现“方舱式”智慧工地系统的核心是工地数据标准化的建设与应用 由于工程数字化发展的不平衡性导致各类智能应用的多样化、数据的不标准和不一致等问题突出各类系统间集成难度大数据价值很难得到有效利用 因此面向工地的“方舱式”智慧工地系统数据标准化与应用研究是推进工程项目数字化转型必不可少的环节 研究背景随着建筑行业的数字化需求日益增加智慧工地解决方案已经成为了满足施工方信息化、智能化建设和管理要求的重要手段 智慧工地是对云计算、物联网等技术的融合利用了先进的技术和设备做到科学分析和管理是大数据时代建筑行业的新成果.“方舱式”智慧工地系统及数据标准化概述“方舱式”智慧工地系统是“智慧工地”在现实场景中的一种应用“方舱式”智慧工地系统是由便于部署和安装的箱体等设备组成的智能化工地产品是智慧工地一体化系统的重要组成部分 目前“方舱式”智慧工地系统已经能结合各类数据采集终端实现多层次安全监管与项目管理以标准、统一、便捷、高度集成的方式为智慧工地系统提供即插即用的一体化服务形态满足工程项目数字化需求进一步辅助施工方进行项目质量与效率的提升近年来在建筑数字化的过程中智慧工地相关政策标准遍地开花、标准不统一问题凸显 目前全国所有省份均推出了推进建筑工业化的指导意见或将建筑业数字化转型纳入到本地“十四五”发展规划中并相继出台智慧工地建设的相关政策 全国 个省市及特别行政区有 个省市出台相关政策文件有 个省市区出台智慧工地应用标准或评价标准不完全统计共有 个标准及政策政策覆盖 个大业务域 个二级子域 各地区智慧工地均对施工现场所涉及到的人员、设备、材料、环境等管理对象及安全、质量、进度、成本等管理目标所携带及产生的数据信息进行信息化、智能化管理但基本概念、所采用的技术、数据标准等都有很大差异 行业中统一数据标准的缺乏导致行业中产生的大量数据得不到良好的应用价值没有被好好挖掘数据资源往往被浪费建筑行业的数字化转型进程也会因此迟滞.现状分析近年来我国政府积极培养数据市场从政府开始推进数据共享开放标准体系在实践中也正在逐步建立和完善 一些行业组织和政府机构制定了开放数据标准和政策以促进数据的交换、共享和互操作性智慧工地的数据标准应用现状在不同地区和项目中存在一定的差异在工地数据感知层面智慧工地感知终端的数据涉及多种数据类型如传感器数据、监测数据、施工进度数据等为了实现数据的一致性和互操作性一些行业组织和标准机构制定了数据格式标准如、等以便不同系统和平台之间的数据交换和共享 文献中提及到一些数据标准在/系统手持设备中的应用这种应用帮助虚实结合提升质量检查的效果 文献基于核电场景提出了一种智慧工地平台方案将子系统融合保障了施工安全 文献则从智慧工地的交通层面出发从产生、储存、共享交换和应用的维度提出了智慧工地数字化的途径在工地设备与信息系统交互层面为了确保设备和系统之间的互联互通一些通信协议标准被广泛应用如、等 这些标准定义了设备之间的通信规范和数据传输方式 文献提出了用 协议进行智慧调度的智慧工地方案文献基于 和 对工地监管效率实现了有效提升 随着当前 技术等的广泛应用施工场景下的信息孤岛逐渐被打破互联互通的局面正在形成在工程各阶段数据协同层面建筑信息模型()是智慧工地中的重要数据标准之一 基于三维的模型框架集成了建筑的多种参数能方便计算机对建筑工程的操作设计目前已经得到了广泛的应用 许多国家和地区已经制定了 标准包括数据格式、数据交换标准、信息分类和命名规范等 这些标准旨在实现不同 软件和平台之间的数据互操作性促进建筑信息的共享和协同工作 智慧工地通过 技术与物联网技术融合将细分的施工点位整合进一个系统实现智能管理 但以上研究均聚焦于工程中数据要素建设的单一阶段或某一难点并没有着眼于系统的一体化研究对整体系统的数据标准研究仍有所缺乏文献进行了智慧工地的探索研究提及了信息化管理的标准化研究文献对基于工地移动方舱的一体化管理进行了研究为工程的智慧管理提出了新方案 智慧工地中关于“方舱式”智慧工地系统的一体化管理研究正逐渐兴起但对于数据标准化的研究仍然有待深入进行智慧工地的数据标准应用仍处于不断发展和完善的阶段 不同地区和项目可能存在不同的标准和实践而且标准的制定和推广需要行业组织、标准机构、政府和企业的共同努力 随着智慧工地的普及和应用范围的扩大数据标准的应用将变得更加重要和广泛多参与方、多业务系统间的数据贯通仍然面临较大的困难和挑战铁道建筑技术 ()于程水 等:“方舱式”智慧工地系统数据标准化探究此外管理的方式方法还需要不断的创新 数据标准化实施路径设计“方舱式”智慧工地系统涉及到的感知、大数据、建模、人工智能等许多的前端关键要素同时以智慧可视化、智慧建造管理、智慧安全管理等场景为基础构建数据标准体系 同时依托数据基础制定相应的数据、技术、应用和安全的标准在构建数据标准体系方面设计贯穿感知、业务中台、后台数据湖的标准系列同时设计横向打通的数据交互标准总体技术路线如图 所示图 总体技术路线.数据标准化关键要素“方舱式”智慧工地系统需要识别智慧工地数字化模型的一些关键要素以及中台和后台数据架构主要包括以下几方面:()传感器和监测设备 在关键位置安装传感器和监测设备用于实时采集和监测工地的各种数据如温度、湿度、压力、振动等()数据采集和管理系统 建立数据采集和管理系统对传感器和监测设备采集的数据进行存储、整理和分析实现数据的实时监测和历史记录()实时监控和预警系统 基于采集的数据建立实时监控和预警系统对工地的各种参数和指标进行实时监测和分析及时发现异常情况并进行预警()建筑信息模型()利用 技术建立建筑工地的数字化模型包括建筑结构、设备、材料等信息实现对工地的全面管理和协调()虚拟现实和增强现实技术 利用虚拟现实和增强现实技术对建筑工地进行模拟和可视化展示帮助管理人员和工人更好地理解和协调工作()自动化和机器人技术 引入自动化和机器人技术实现工地的自动化施工和作业提高工作效率和质量减少人力成本和安全风险()数据分析和决策支持 利用大数据分析和人工智能技术对工地的数据进行分析和挖掘提供决策支持和优化建议帮助管理人员做出更准确的决策.数据标准构成“方舱式”智慧工地系统中智慧工地数据标准是保障数据的内外部使用以及交换的一致性和准确性的规范性约束主体由数据的编码和名称、业务属性、管理属性和技术属性构成()业务属性 对数据项应遵循的业务规则的统一定义与解释如业务含义、计算公式(计算类指标)、数据大类、数据小类、数据分级、标准依据、是否考核指标及适用场景等()管理属性 明确数据标准定义中所涉及的数据提供者、数据使用者、数据开发者、标准创建日期、标准失效日期、标准失效原因、标准注册机构、标准状态等()技术属性 业务应用对数据项技术规则的统一要求与定义如数据类别、数据类型、数据格式、值域、缺省值等铁道建筑技术 ()于程水 等:“方舱式”智慧工地系统数据标准化探究通过“方舱式”智慧工地系统的数据标准管理结合制度约束、系统控制手段实现企业大数据平台数据的完整性、有效性、一致性、规范性推动数据的共享开放提供标准化接口和标准化数据格式构建统一的数据资产地图为数据资产管理活动提供参考依据.数据标准实现架构智慧工地数据标准架构如图 所示 结合工地工程管理相关监测与管理系统综合分析依托科学的数据治理体系形成数据管理与服务器体系合理设计数据结构保证数据质量图 智慧工地数据标准架构.“四点一线”数据通道建立统一标准“四点一线”数据通道(见图)打通项目各管理层级间数据传输通道构建统一的数据标准、通讯标准实现工点、工区、总包、运维平台(数据湖)四点间一条线的数据通道图 “四点一线”数据通道铁道建筑技术 ()于程水 等:“方舱式”智慧工地系统数据标准化探究 ()接入层 接入层为系统提供数据接口负责对数据的采集和数据要素的有效管理 工程建设过程中所涉及到的智能监测系统与管理系统监测工程建设中的实时数字化信息内容实现实时掌握工程项目建设状况()工点 工点系统包括各业务接入模块标准数据接入平台管理各业务模块的数据采集以及业务数据计算与联动处理上报统一标准的业务数据至上层系统支持政府监管平台的数据对接()工区 工区系统管理各工点实收采集各工点业务数据内容实时查看观测各业务模块数据内容同时也具备工点层的第三方模块系统接入()总包 总包系统管理各工区实收采集各工区业务数据内容实时查看观测各业务模块数据内容同时也具备工区层的第三方模块系统接入()运维平台 运维平台是用于管理设备的系统平台主要功能维护项目信息、设备信息、设备运行状态 运维平台作为系统整体架构的最上层要及时地对下层采集和预处理的数据进行分析并作出决策一方面指导对应层级的工作人员进行工作另一方面反馈到系统中需要的环节帮助系统的数据通路在有历史数据参照的情况下进行更新在系统中数据通道不仅是有层次的流转通路也是一个不断循环迭代的过程 设运维平台层的数据分析结果为 则由整个系统推出的数据流通表达式如下:()()式中:为接入层各个模块采集到的数据 为接入层要采集并上传数据的模块数量 为工点层系统 为工点层与业务联动产生的新数据 为工区层系统 为工区层与业务联动产生的新数据 为总包层系统 为总包层与业务联动产生的新数据 为数据流动迭代的轮数 基于数据标准化的“方舱式”智慧工地系统实际应用 智慧工地的数据标准化为“方舱式”智慧工地系统的落地提供了理论基础 在数据标准化的基础上智慧工地能够实现对工程数据的高效集成和管理进而解决各环节的“信息孤岛”问题将云端、边缘和端的协同路径打通使工程进入全寿命周期一体化的新阶段 下面选取“云边端协同”和“工程建造全价值链一体化协同”场景对“方舱式”智慧工地系统的实际应用进行阐述.智慧工地云边端协同工程数据是多源异构的如果没有数据标准化为前提则系统的“云边端”之间难以高效交互协同 面对工程建造协同化的需求“方舱式”智慧工地系统可以在数据标准化的基础上进一步达到云边端一体的协同局面针对实际工程建造场景中的云边端问题制定相关的工程建造数据标准将成为构建“方舱式”智慧工地系统云边端一体化模型的前提 数据标准化能协助确定云边端协同场景下数据处理的最优策略与方案帮助发挥出工程数据的更多价值在云边端协同的工程建造数据标准下工程中各环节相关数据的特点清晰明了 建设“方舱式”智慧工地系统可以结合数据特点和现实需求对云边端的各软硬件环节进行设计部署 数据可以通过“云指挥、边端执行”的方式得到有效管理 同时由标准化的数据驱动“方舱式”智慧工地系统还可以结合人工智能等方法实现智能化运营减少人工成本 最终在数据采集标准化、场景交互融合充分、云边端核心技术实现突破的情况下“方舱式”智慧工地系统可以实现云边端一体化管控工程环境下“方舱式”智慧工地系统在数据采集端会接收多场景多状态监测数据数据的传输要依赖于分布式的数据融合机制 数据标准化可以辅助云边端一体化系统更好进行数据融合和传输比如设计数据融合的深度学习方法、规划传输协议和网络架构等等提高云边端一体化系统的数据传输速率优化分布式网络资源进而有利于云边端的协同工作基于数据标准化的应用有助于理清工程建造全链条业务协同逻辑进而实现工地场景跨组织、跨专业、跨阶段全方位、全要素、全寿命期的工程建造业务协同更好处理异构专业知识与异构数据并使一体化系统基于数据和知识衍生面向业务协同的智能服务融合云边端协同机制和跨组织、跨专业、跨阶段的业务协同需求实现全方位、全要素、全寿命周期的协同服务集成可以加快“方舱式”智慧工地系统打造工程建造一体化管理平台.“方舱式”智慧工地系统工程建造全价值链一体化协同 工程建造的全生命周期中包含着若干价值活动为实现“方舱式”智慧工地系统在工程应用场景下价值链的有效管理可根据工程建造全链条业务过程所产生的跨组织、跨专业、跨阶段的业务协同需求打造全价值链一体化协同 同时数据标准化和云边端协同技术可以为基于“方舱式”智慧工地系统的工程建造全价值铁道建筑技术 ()于程水 等:“方舱式”智慧工地系统数据标准化探究链一体化协同进行支撑全价值链一体化协同主要完成从工程数据到多源异构数据集成、工程信息模型转换最终实现跨阶段协同设计与决策的技术蓝图以数据感知、模型认知以及异构专业知识协同为核心支撑一体化建造敏捷协同的目标 在数据标准化的基础上实现上述目标要解决的子问题包括:“面向智能建造的一体化模型构建”“面向场景协同需求的异构专业知识融合”“面向工程信息模型转换的数据互操作方法实现”等 这些问题需要统一的数据标准进行支持.面向智能建造的一体化模型构建“方舱式”智慧工地系统应用场景下实现智能制造一体化模型构建需要针对工程建造过程中跨组织、跨阶段、跨专业复杂业务场景下信息多断层、知识难融通等工程管理的实际问题从价值链协同视角分析工程建造业务协同链条上的工程要素共享需求聚焦跨专业块的“协同壁垒”问题 工程数据标准化的实现能够打通壁垒增加有效的数据流通共享并为协同理论模型的构建和智能制造的知识模型可视化提供条件.面向场景协同需求的异构专业知识融合面向场景协同需求的异构专业知识融合基于协同场景异构专业知识留痕方法及协同知识提取方法实现协同知识的推理、传递与组织 这部分应用需要结合元数据、源文件的知识定义进行展开从而实现一体化知识协同和传递.面向工程信息模型转换的数据互操作方法实现依托提出的“方舱式”智慧工地系统数据标准构建概念扩展的数据模型元模型用以描述和连接异构信息模型并基于设计标准文件、设计规范文本、工程经验、统计报表、数据来源场景等来源获取专有数据地图 再依托本体对齐技术采用名称匹配、语言匹配以及结构匹配方法识别专有数据地图之间的多类异构问题最终实现概念扩展的专有数据地图增量协同打造“方舱式智慧工地工程建造全价值链数据协同平台”.基于数据标准化的“方舱式”智慧工地系统应用效果 基于数据标准化的“方舱式”智慧工地系统方案及应用理念已经在工程建设中进行了实现 总的来看数据标准化对大部分项目实施有一定的提质增效作用在缩短工期、节约人力等方面有突出效果 在 个铁路建设项目中共节约 施工进度在调研过的 个项目中节约人员岗位约 人平均减少.人/项目同时也加快了工程建造的数字化程度“方舱式”智慧工地系统实施所提供的若干模块利用率达 一体化管理程度大大提升价值创造环节得到优化 结论本文对“方舱式”智慧工地系统数据标准化进行了一系列研究主要结论如下:()提出了“方舱式”智慧工地系统数据标准化实施路径的方案设计对数据标准化的关键要素和数据标准构成进行了概括并提出了智慧工地数据标准架构对“四点一线”这一打通工程建设各环节的概念进行了阐述()提出基于“方舱式”智慧工地系统数据标准化的两种应用场景详细阐述了“云边端协同”和“工程建造全价值链一体化协同”的概念和应用()对基于“方舱式”智慧工地系统数据标准化的方案进行了实际工程中的应用并取得了一定的提质增效作用参考文献 戴存.大数据时代智慧工地的发展研究.信息记录材料():.黄如花.我国政府数据开放共享标准体系构建.图书与情报():.曾凝霜刘琰徐波.基于 的智慧工地管理体系框架研究.施工技术():.杜黎明王燃.物联网技术在智慧工地中的应用研究.核动力工程():.刘俊.智慧工地背景下交通数据检测信息化建设研究.居舍():.王勇骆玉奇杨立伟.宽带通信在无线专网的应用.信息通信技术与政策():.陶咏志杨海涛冯九龙等.基于 和 的新型智慧工地应用研究.邮电设计技术():.孙文侠王志文.“智慧工地”在公路工程中的应用研究.公路():.饶泽志.基于边缘计算的施工大气污染物快速感知与应急管理.南京:东南大学.朱贺张军宁文忠等.智慧工地应用探索:智能化建造、智慧型管理.中国建设信息化():.孙静.施工现场智慧移动方舱设计与应用.施工技术(中英文)():.孙永武.施工企业智慧工地实施与运营保障研究.铁道建筑技术():.康健秦尚进林立文等.堰筑法超大深基坑 智慧工地建造技术.铁道建筑技术():.郭钦刘奥.基于 技术的城市轨道交通车辆基地可视化智能运维系统.现代城市轨道交通():.铁道建筑技术 ()