建筑工地智慧監(jiān)管平臺設計
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摘要：在互聯(lián)網(wǎng)的大背景下，建筑業(yè)的信息化是勢必的。本項目通過對建筑信息模型的建立、在大數(shù)據(jù)、移動通信、智能化、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術的綜合運用下，以推動建筑業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的進一步發(fā)展，提高建筑業(yè)的信息化水平。
關鍵詞：數(shù)字化；網(wǎng)絡化；智能化
1現(xiàn)階段建筑工地管理現(xiàn)狀
當今，以大數(shù)據(jù)、云計算為代表的新興信息化技術的發(fā)展日新月息，為了順應時代的發(fā)展，建筑業(yè)信息將隨之發(fā)展，智慧監(jiān)理平臺作為智慧建筑領域的核心業(yè)務系統(tǒng)，已成為當前建筑業(yè)發(fā)展的重點之一[1]。國家住房和建設相關部門也發(fā)布指導文件，明確了建筑信息化的發(fā)展目標任務，即通過集成大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算等新興IT技術提升建筑信息模型的信息化能力，作為建筑信息模型重要的組成部分，智慧監(jiān)理平臺的發(fā)展思路也得到了進一步的明確[2-3]。
1.1智慧監(jiān)理平臺研究現(xiàn)狀
《建筑業(yè)10項新技術》指出，智慧監(jiān)理平臺是采用信息化對施工全過程進行監(jiān)管的技術，需采用基于移動互聯(lián)網(wǎng)的項目動態(tài)管理信息技術，實現(xiàn)對項目的動態(tài)監(jiān)管，確保項目能規(guī)避風險源[4-5]。在具體的監(jiān)理信息化業(yè)務系統(tǒng)設計與建設方面，文獻[6]指出安全的信息管理系統(tǒng)應該包含實名制管理、視頻監(jiān)控，現(xiàn)場執(zhí)法、應急救援等施工現(xiàn)場的管理模塊，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場的全過程的管理。文獻[7]提出監(jiān)理信息化系統(tǒng)不僅要于上級監(jiān)管部門的信息互通，還要具備對施工工地現(xiàn)場監(jiān)管的能力。文獻[8]指出建筑工地質(zhì)量和監(jiān)管的業(yè)務信息系統(tǒng)，要充分地利用信息網(wǎng)絡通信技術、遠程音視頻和傳感器技術、4G技術等，提高監(jiān)理的信息化水平。
1.2智慧監(jiān)理平臺研究意義
近年來，智慧監(jiān)理平臺在建筑行業(yè)的應用，雖然對建筑行業(yè)信息的發(fā)展產(chǎn)生了積極影響[9]，但從實踐過程中來看，仍有一些問題亟待解決，主要表現(xiàn)有如下三點：（1）對監(jiān)理工作的監(jiān)管的科技水平不高，導致監(jiān)理人員無法全業(yè)務流程地監(jiān)管施工現(xiàn)場的安全生產(chǎn)情況，這也就直接導致了對施工企業(yè)的安全生產(chǎn)責任難以全面落實；（2）對施工現(xiàn)場的業(yè)務采集過程上尚不全面，當前的智慧監(jiān)理平臺大多通過傳統(tǒng)的視頻采集與現(xiàn)場核查相結(jié)合的方式，難以對施工現(xiàn)場“人-設備-資質(zhì)”進行全面，有效地監(jiān)管；（3）智慧監(jiān)理平臺大多只是對業(yè)務流的“實時查看+事后監(jiān)管”，無法通過業(yè)務流和現(xiàn)場施工情況，融合大數(shù)據(jù)技術對潛在的安全隱患提前排查以及風險提前預警[10]。針對上述問題，需要設計一套完整的智慧化監(jiān)理平臺，以統(tǒng)一的上層架構(gòu)進行設計，讓智慧監(jiān)理平臺能充分感知施工現(xiàn)場的各種業(yè)務流程、安全風險隱患等，提升建筑工地的科技監(jiān)管水平，有著重要的現(xiàn)實意義和積極的社會效益。
2智慧監(jiān)理平臺系統(tǒng)設計
智慧監(jiān)理平臺包含眾多的業(yè)務子系統(tǒng)，這些業(yè)務子系統(tǒng)不是相互獨立的，智慧監(jiān)理平臺的建設需要確保兩個“融合”，一是與施工現(xiàn)場各部門子業(yè)務系統(tǒng)的融合，二是各業(yè)務部門子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合。
2.1智監(jiān)理平臺系統(tǒng)總體設計
不同于傳統(tǒng)的信息化業(yè)務系統(tǒng)，智慧監(jiān)理平臺是一個綜合性的信息系統(tǒng)，由多個子業(yè)務系統(tǒng)統(tǒng)一整合而成。因此，設計面向建筑工地的智慧監(jiān)理平臺，需要充分整合建筑工地日常監(jiān)理所需要的各項業(yè)務功能。因此，開展研發(fā)智慧監(jiān)理平臺需要緊緊圍繞施工現(xiàn)場的監(jiān)理業(yè)務需求以及監(jiān)管要求，根據(jù)業(yè)務系統(tǒng)設計出統(tǒng)一的、支持業(yè)務擴展的系統(tǒng)架構(gòu)，同時還要設計出與各子業(yè)務系統(tǒng)進行業(yè)務交互和數(shù)據(jù)交互的規(guī)范，保證各邏輯上獨立子系統(tǒng)在同一個規(guī)范下分步開發(fā)并能協(xié)同工作。根據(jù)實地調(diào)研，從“人-設備-業(yè)務-潛在風險”的設計思路，本文設計智慧監(jiān)理平臺主要有7大業(yè)務功能模塊，分別是人員管理、設備管理、危險源管理、綜合分析與統(tǒng)計一張圖、信息發(fā)布、監(jiān)理巡查與應急指揮，潛在隱患預警。具體來講，各功能模塊的具體內(nèi)容如表1所示。根據(jù)上述智慧監(jiān)理平臺的業(yè)務功能模塊，在具體設計開發(fā)過程中，智慧監(jiān)理憑條要具備對施工現(xiàn)場實施感知、業(yè)務數(shù)據(jù)存儲與分析、數(shù)據(jù)處理、可視化展示等功能模塊，因此，整個平臺分為四個層次，分別是展示層、業(yè)務層、服務層、資源層，如圖2所示。圖2綜合展示了智慧監(jiān)理平臺的體系結(jié)構(gòu)，分為四個主要層次，分別是：（1）資源層是智慧監(jiān)理平臺的底層架構(gòu)，是整個系統(tǒng)的基礎支撐部分，由云平臺提供統(tǒng)一的計算和存儲資源，物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算設備提供對施工現(xiàn)場環(huán)境的感知；（2）服務層是智慧監(jiān)理平臺的重要部分，負責對各子業(yè)務系統(tǒng)或功能模塊進行有效地整合，為上層提供業(yè)務邏輯融合服務以及數(shù)據(jù)共享服務；（3）業(yè)務層是智慧監(jiān)理平臺的關鍵部分，是與監(jiān)理業(yè)務緊密的各子系統(tǒng)組成。（4）展示層是智慧監(jiān)理平臺的可視化層，將業(yè)務層的各子系統(tǒng)進行整合，以統(tǒng)一的可視化模式為監(jiān)理人員提供服務。
2.2主要功能模塊設計
智慧監(jiān)理平臺的主要功能模塊必須涵蓋并服務于監(jiān)理業(yè)務的全流程，即通過人員管理、設備管理、危險源管理、綜合分析與統(tǒng)計、信息發(fā)布、監(jiān)理巡查，潛在隱患預警服務于監(jiān)理業(yè)務，下面逐一描述7大業(yè)務模塊的主要功能。（1）人員管理人員管理模型是智慧監(jiān)理平臺的基礎模塊，是負責施工現(xiàn)場所有人員的統(tǒng)籌管理，包括施工人員，管理人員的身份信息、職業(yè)技能、資質(zhì)技能證書等。此外，人員管理模塊通過智慧監(jiān)理平臺與外部實名系統(tǒng)、資質(zhì)證書系統(tǒng)等的無縫對接，能對所有人員的身份、資質(zhì)技能證書進行第三方認證，實現(xiàn)人員數(shù)據(jù)、資質(zhì)證書數(shù)據(jù)的共享，能全面地掌握現(xiàn)場施工人員和管理人員的情況。（2）設備管理施工現(xiàn)場的大型設備眾多，對施工工地大型設備的監(jiān)控是提升現(xiàn)場文明施工的重要抓手之一，智慧監(jiān)理平臺中的設備監(jiān)控模塊是負責對施工現(xiàn)場“物”的實時管理，如項目的塔吊、施工電梯等大型設備，形成設備檔案，已備監(jiān)理人員核查。此外，設備管理模塊還應包括設備運行狀態(tài)、設備維保時間、設備檢驗有效期等。（3）危險源管理施工現(xiàn)場的危險源的管理一直是監(jiān)理工作的重點，在智慧監(jiān)理平臺中，對危險源的管理也是一項極其重要的工作，在綜合地管理危險源的性質(zhì)、品類、供應商、安全責任人等信息的基礎上，對危險源實行分級管理，同時，對重大危險源還是實行不間斷的視頻和傳感設備多重管理，全面實現(xiàn)施工現(xiàn)場危險源及其安全責任人的差異化和精細化管理。（4）綜合分析與統(tǒng)計一張圖綜合分析與統(tǒng)計模塊是在對人員，設備、危險源等進行統(tǒng)一管理的基礎上，對施工現(xiàn)場進行可視化展示，能使的監(jiān)理人員利用一張圖全面地了解并掌握施工現(xiàn)場的情況。綜合分析與統(tǒng)計不僅僅是對施工現(xiàn)場情況與數(shù)據(jù)的簡單羅列，而是在對數(shù)據(jù)與業(yè)務充分整合的基礎上，進行大數(shù)據(jù)可視化展示，根據(jù)不同的展示目的，采用餅圖、柱狀圖、雷達圖等多種形式進行可視化，便于監(jiān)理人員及時地掌握施工現(xiàn)場的情況。（5）信息發(fā)布信息發(fā)布是監(jiān)理人員與上級監(jiān)管部門、現(xiàn)場施工人員進行信息互通的重要渠道，是能確保安監(jiān)信息經(jīng)由監(jiān)理人員直接發(fā)送到責任主體，是保障安全生產(chǎn)信息能及時、有效地發(fā)布保證。此外，信息發(fā)布還具備常規(guī)規(guī)章制度的發(fā)布與查詢功能，使得現(xiàn)場施工人員能根據(jù)需要便捷地查看安全生產(chǎn)相關的規(guī)章制度。（6）監(jiān)理巡查與應急指揮視頻監(jiān)控是通過在施工現(xiàn)場部署視頻攝像頭，將施工現(xiàn)場畫面實施回傳到智慧監(jiān)理平臺，監(jiān)理人員能實時地通過視頻巡查等手段監(jiān)控工地的安全生產(chǎn)情況。通過安全巡查模塊能根據(jù)業(yè)務與施工現(xiàn)在實時情況，及時地發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場的潛在安全隱患，并提供監(jiān)理人員及時人工介入，這就能最大限度地確保施工現(xiàn)場的安全運營。（7）潛在隱患預警潛在隱患預警用于支持監(jiān)理人員的標準化巡查和不定期抽查，如監(jiān)理人員按照既定的巡查周期，處理對施工現(xiàn)場的周檢和月檢，這就能督促現(xiàn)場施工人員履行安全生產(chǎn)職責。
2.3系統(tǒng)架構(gòu)設計與開發(fā)
本系統(tǒng)架構(gòu)的開發(fā)采用主流的平臺架構(gòu)，硬件設備的計算、存儲和網(wǎng)絡資源通過虛擬化平臺為上層提供服務，系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖3所示。在圖3中，本文設計的系統(tǒng)采用Tomcat和MySQL作為系統(tǒng)的服務層，負責通過VM虛擬機調(diào)用底層的計算、存儲和網(wǎng)絡資源為智慧監(jiān)理平臺業(yè)務系統(tǒng)提供服務。為了保障系統(tǒng)的可靠性，將7個業(yè)務系統(tǒng)分別部署到7臺有Tomcat服務的虛擬機上。為了支撐系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)存儲容量和的需求，將MySQL數(shù)據(jù)庫也分別部署到獨立的VM虛擬機上，這樣通過虛擬機“隔離”了各子業(yè)務系統(tǒng)、各數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，從業(yè)務和數(shù)據(jù)兩個維度保障了系統(tǒng)的安全運行。
3實驗驗證
智慧監(jiān)理平臺系統(tǒng)開發(fā)的軟件環(huán)境是Window10專業(yè)版，MySQL（版本號8.0），Tomcat（版本號9.0），開發(fā)語言是Python和PHP，使用VMWare虛擬化監(jiān)控器，將7個子業(yè)務系統(tǒng)分別部署到7個虛擬機上。硬件環(huán)境是Interi5-1135G7處理器，16GB內(nèi)存，M.2接口固態(tài)硬盤，下面對系統(tǒng)的性能和負載壓力測試。（1）系統(tǒng)性能測試信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性是保障智慧監(jiān)理平臺可用的基礎，首先驗證各子業(yè)務系統(tǒng)的性能，在處理器負載不高于60%的情況下，分別測試7個子系統(tǒng)的吞吐量，實驗結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，各子業(yè)務系統(tǒng)能支持高并發(fā)的數(shù)據(jù)訪問與存儲需求，能滿足智慧監(jiān)理平臺對系統(tǒng)性能的設計要求。由于信息發(fā)布系統(tǒng)邏輯功能簡單，有較高的系統(tǒng)負載承擔能力，人員管理子系統(tǒng)由于處理人員數(shù)據(jù)邏輯較為復雜，且涉及與第三方平臺的對接，系統(tǒng)承載能力相較于其它子系統(tǒng)較低。（2）系統(tǒng)負載壓力測試下面進一步衡量系統(tǒng)的壓力測試，采用高并發(fā)訪問，驗證系統(tǒng)硬件平臺的資源消耗情況，對智慧監(jiān)理平臺做負載壓力測試，測試樣例數(shù)據(jù)量從1000條逐步增減到2000條的并行存儲，CPU資源和內(nèi)存資源的壓力測試，實驗結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，本系統(tǒng)在高并發(fā)的數(shù)據(jù)訪問與存儲的情況下，CPU和內(nèi)存負載有一定程度的上升，隨著數(shù)據(jù)吞吐量達到800Mb/s時，CPU和內(nèi)存的負載均達到了60%-70%之間，并且隨著數(shù)據(jù)吞吐量的增加，CPU和內(nèi)存的負載增量較為平緩，這就驗證了CPU資源和內(nèi)存資源能夠保持在一定的壓力下運行，這就保證了系統(tǒng)不至于因過載而導致系統(tǒng)崩潰。
4結(jié)語
本文設計開發(fā)的智慧監(jiān)理平臺充分整合IT技術，采用基于“云計算+物聯(lián)網(wǎng)+建筑大數(shù)據(jù)”的服務模式，可對建筑施工進行全周期、可視化、可追溯管理，全面地感知施工現(xiàn)場整體的業(yè)務流程，有效地保障施工進度、施工安全、成本控制等監(jiān)理業(yè)務需求。智慧監(jiān)理平臺能有效提高對施工人員、物料級設備的利用率進行管理，降低施工成本和能耗，將引領建筑產(chǎn)業(yè)信息化建設新一輪轉(zhuǎn)型升級。
作者:王顯曾 韋政 王源 謝正霞 單位:嘉興學院建筑工程學院 嘉興學院建筑工程實驗中心