數(shù)字建造中的關(guān)鍵技術(shù)

文/圖 湖南中交京緯信息科技有限公司 劉建華 黃學(xué)源 北京中交京緯公路造價(jià)技術(shù)有限公司 王貴平 魏雄奎

公路工程數(shù)字建造是在新一輪科技革命大背景下，數(shù)字技術(shù)與工程建造系統(tǒng)融合所形成的工程建造創(chuàng)新發(fā)展模式。即以BIM為核心，利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，通過(guò)規(guī)范化建模、全要素感知、網(wǎng)絡(luò)化分享、可視化認(rèn)知、高性能計(jì)算及智能化決策支持，實(shí)現(xiàn)數(shù)字鏈驅(qū)動(dòng)下的工程項(xiàng)目立項(xiàng)策劃、規(guī)劃設(shè)計(jì)、施(加)工、運(yùn)維服務(wù)的一體化協(xié)同，進(jìn)而促進(jìn)公路工程價(jià)值鏈提升和產(chǎn)業(yè)變革。

公路工程數(shù)字建造路徑

與制造業(yè)相比，公路工程數(shù)字建造應(yīng)走一條以BIM為核心，自上而下形成“面、線、點(diǎn)”，三者同步推進(jìn)的數(shù)字化發(fā)展道路。

企業(yè)層面的“面”

以管理為驅(qū)動(dòng)、經(jīng)濟(jì)效益為核心目的，基于數(shù)據(jù)集成與管理協(xié)同，充分滿(mǎn)足企業(yè)在項(xiàng)目管理過(guò)程中的辦公需求，融入PDCA等管理體系，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的集約化經(jīng)營(yíng)與科學(xué)決策。但企業(yè)信息化部署要想在各個(gè)項(xiàng)目中得到確切地落實(shí)，就要求管理決策吸納項(xiàng)目全過(guò)程、全要素的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并將其作為重要支撐。

項(xiàng)目層面的“線”

項(xiàng)目是驅(qū)動(dòng)，BIM是載體，業(yè)務(wù)流程是核心。通過(guò)技術(shù)、生產(chǎn)、業(yè)務(wù)的綜合，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程高度協(xié)同，從而消除項(xiàng)目各方之間的溝通障礙，大幅度提高項(xiàng)目協(xié)同辦公效率，協(xié)助管理人員作出運(yùn)營(yíng)決策。但目前，公路工程企業(yè)在數(shù)字化建設(shè)過(guò)程中，依然因受到人為采集、錄入數(shù)據(jù)所造成的數(shù)據(jù)失真、數(shù)據(jù)滯后，甚至數(shù)據(jù)缺失影響，依然無(wú)法解決數(shù)據(jù)采集和錄入難題。

崗位層面的“點(diǎn)”

以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)、以工序數(shù)字化為核心，打通項(xiàng)目中與人員、機(jī)械、材料、法律、環(huán)境、安全等密切相關(guān)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)間產(chǎn)生出的大量信息和數(shù)據(jù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)微循環(huán)，實(shí)現(xiàn)工程施工作業(yè)整個(gè)過(guò)程的數(shù)據(jù)控制和驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到管理企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)、調(diào)節(jié)企業(yè)生產(chǎn)流程及優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)要素資源的目標(biāo)，同時(shí)在工序流程標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，形成統(tǒng)一口徑的業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)鏈，使之全力支持工地、項(xiàng)目、企業(yè)綜合應(yīng)用與數(shù)據(jù)分析。

公路工程數(shù)字建造目標(biāo)

工程實(shí)體的數(shù)字化

通過(guò)BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程實(shí)體數(shù)字化，根據(jù)設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等不同階段的應(yīng)用需求進(jìn)行分解與劃分，以滿(mǎn)足其數(shù)據(jù)集成與協(xié)同的要求。

管理過(guò)程的數(shù)字化

通過(guò)工程管理臺(tái)賬實(shí)現(xiàn)進(jìn)度、成本、質(zhì)量安全等業(yè)務(wù)管理過(guò)程中的數(shù)字化與標(biāo)準(zhǔn)化，形成企業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，以支撐合同分析以及過(guò)程生產(chǎn)管理、指標(biāo)管理、成本分析和控制等工作。

生產(chǎn)要素的數(shù)字化

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)“人、機(jī)、料、法、環(huán)、安”等要素的數(shù)字化與集成，實(shí)現(xiàn)IT與OT端到端靈活組網(wǎng)，打造萬(wàn)物智聯(lián)的工程互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基座，讓數(shù)據(jù)“上得來(lái)”、算力“下得去”。

圖1.數(shù)字建造工程管理目標(biāo)

公路工程數(shù)字建造關(guān)鍵技術(shù)

基于BIM技術(shù)的工程管理數(shù)據(jù)集成與協(xié)同

圖2.基于BIM技術(shù)的公路工程管理模式

BIM是數(shù)字建造最合適的信息載體，其真正價(jià)值不只局限于可視化呈現(xiàn)，而應(yīng)成為數(shù)字化建設(shè)中溝通交流、信息存儲(chǔ)、流程管理、工程平臺(tái)交易的數(shù)據(jù)集成與管理協(xié)同載體，貫穿于公路工程全生命周期。BIM的本質(zhì)并不只是模型，而是全體參與單位和人員交互、信息交互的一體化辦公平臺(tái)，隨著云端建模的應(yīng)用普及，未來(lái)將能夠?qū)崿F(xiàn)工程建設(shè)實(shí)體與模型間互為映射，即數(shù)字孿生。

基于BIM技術(shù)的數(shù)字建造，可通過(guò)平臺(tái)化方式實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)業(yè)鏈垂直融合、價(jià)值鏈橫向整合、端到端的撮合”，從而打破企業(yè)邊界、地域邊界、階段邊界的限制，進(jìn)而改變?cè)挟a(chǎn)業(yè)鏈割裂、孤立、低效的問(wèn)題。其最大價(jià)值在于數(shù)據(jù)集成與管理協(xié)同，是形成數(shù)字建造平臺(tái)生態(tài)新體系的基礎(chǔ)。

以安九鐵路湖北段BIM協(xié)同管理平臺(tái)整體應(yīng)用為例，建設(shè)方基于BIM模型，通過(guò)EBS編碼體系，實(shí)現(xiàn)了工程管理最小單元與BIM模型的深度融合，以及對(duì)圖紙、技術(shù)資料、質(zhì)檢資料、計(jì)劃進(jìn)度、計(jì)量信息的動(dòng)態(tài)深度管理。通過(guò)BIM模型結(jié)合數(shù)字化項(xiàng)目管理體系，使建設(shè)過(guò)程的各項(xiàng)信息動(dòng)態(tài)集成、BIM模型動(dòng)態(tài)更新，為BIM模型的數(shù)字交付提供了有力基礎(chǔ)。

基于管理臺(tái)賬數(shù)字技術(shù)的公路工程管理流程化與標(biāo)準(zhǔn)化

圖3.基于管理臺(tái)賬數(shù)字技術(shù)的公路工程管理流程

公路工程管理過(guò)程自下而上的數(shù)據(jù)鏈就是要以工程管理臺(tái)賬為手段，把施工成本、工藝工法、生產(chǎn)步驟、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)等提高到工業(yè)級(jí)的精細(xì)化管理水平，做到任務(wù)管理到位，同時(shí)以施工計(jì)劃、工藝工法庫(kù)、工料機(jī)定額庫(kù)等細(xì)化至工序級(jí)任務(wù)包為基礎(chǔ)，在最細(xì)單元打通數(shù)據(jù)微循環(huán)，才能真正實(shí)現(xiàn)全過(guò)程數(shù)字化管理閉環(huán)。

圖4.工程管理臺(tái)賬數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)字化

以湖南G320湘潭繞城線項(xiàng)目為例，建設(shè)方通過(guò)建立項(xiàng)目的0#臺(tái)賬、試驗(yàn)臺(tái)賬、測(cè)量臺(tái)賬、質(zhì)檢臺(tái)賬、安全臺(tái)賬等各項(xiàng)基礎(chǔ)臺(tái)賬數(shù)據(jù)，確保各參與單位基于工程實(shí)際開(kāi)工情況動(dòng)態(tài)生成各項(xiàng)工作任務(wù)，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)各項(xiàng)工作有序開(kāi)展，為項(xiàng)目各項(xiàng)工作的協(xié)同開(kāi)展及工期把控提供了有力保障。

基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字工地生產(chǎn)要素管控與集成

工地是公路工程建造活動(dòng)的主要場(chǎng)所，將數(shù)字技術(shù)與施工工地作業(yè)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建基于工程物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字工地，可以全面、及時(shí)、準(zhǔn)確地感知工程建造活動(dòng)的相關(guān)要素信息。

物聯(lián)網(wǎng)是支撐工程建設(shè)與工業(yè)化、信息化深度融合的基礎(chǔ)技術(shù)體系，包含硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、云平臺(tái)等一系列感知、通信、分析及控制技術(shù)。在實(shí)施基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字工地生產(chǎn)要素管控與集成的過(guò)程中，通過(guò)工程要素泛在感知與連接，能夠?qū)崿F(xiàn)建造工序協(xié)同優(yōu)化、建造環(huán)境快速響應(yīng)、建造資源的合理配置。

因此，依托5G、互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)傳感器等技術(shù)，圍繞著“人、機(jī)、料、法、環(huán)、安”六大工程建設(shè)生產(chǎn)要素，有效加強(qiáng)企業(yè)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)人員、物資、設(shè)備的實(shí)時(shí)管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集與控制，從而最終可實(shí)現(xiàn)終端智能化、感知融合化、連接泛在化、計(jì)算邊緣化、網(wǎng)絡(luò)扁平化、服務(wù)平臺(tái)化的數(shù)字工地與智慧工地建設(shè)。

基于BIM可視化管理平臺(tái)，山西昔榆高速項(xiàng)目在建設(shè)過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等要素，使模型能夠在空間環(huán)境中快速收集人員動(dòng)態(tài)定位，考勤、機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)定位，油量消耗，以及材料動(dòng)態(tài)過(guò)磅和檢測(cè)等各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息則通過(guò)地理圖層，動(dòng)態(tài)顯示在可視化管理平臺(tái)中。通過(guò)“BIM+GIS”技術(shù)的整合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全要素“一張圖”管理，從而為各項(xiàng)施工資源的指揮、調(diào)度決策提供依據(jù)。

基于人工智能的大數(shù)據(jù)分析與決策

正如馬云所說(shuō)，“人類(lèi)正從IT時(shí)代走向DT時(shí)代”，數(shù)據(jù)逐漸成為企業(yè)管理與業(yè)務(wù)協(xié)同的核心。數(shù)據(jù)能夠幫助企業(yè)管理者更加敏銳地感知市場(chǎng)變化，更加深刻地洞察到客戶(hù)與合作伙伴的行為和變化趨勢(shì)，更加精準(zhǔn)地優(yōu)化企業(yè)運(yùn)營(yíng)。

作為道路工程建設(shè)全面數(shù)字化的基礎(chǔ)，基于人工智能技術(shù)的BIM通過(guò)將海量工程信息數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析、處理，挖掘各要素之間的內(nèi)部聯(lián)系，形成項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)、資源庫(kù)、知識(shí)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管理過(guò)程的趨勢(shì)預(yù)測(cè)、智能預(yù)警、輔助決策、數(shù)據(jù)賦能。

圖5.數(shù)字建造下區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)與內(nèi)容

作為投資、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的綜合大型國(guó)有企業(yè)，山西路橋集團(tuán)通過(guò)融合各項(xiàng)業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)的各項(xiàng)分析指標(biāo)和過(guò)程數(shù)據(jù)，建立了大數(shù)據(jù)決策指揮平臺(tái)。該平臺(tái)不僅能動(dòng)態(tài)反映當(dāng)前項(xiàng)目的各階段執(zhí)行和運(yùn)行狀況，還可結(jié)合關(guān)鍵指標(biāo)作出預(yù)警分析，為企業(yè)宏觀決策和管理提供依據(jù)。

基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)與合約管理協(xié)同

當(dāng)前，平臺(tái)系統(tǒng)的信息安全性與隱私保護(hù)問(wèn)題，逐漸受到公路工程建設(shè)企業(yè)重視。由于道路工程項(xiàng)目需要多方參與，大家在一個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)中協(xié)同辦公，往往會(huì)出現(xiàn)擔(dān)心數(shù)據(jù)泄露損害企業(yè)利益，而不敢將企業(yè)業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)信息置于平臺(tái)系統(tǒng)中的情況。

區(qū)塊鏈作為新一代信息通信技術(shù)的重要演進(jìn)，是一種分布式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理技術(shù)，具有去中心化，以及數(shù)據(jù)不可篡改、透明可追溯等特性，正成為解決產(chǎn)業(yè)鏈參與方互通互信，打造信用價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的重要媒介，未來(lái)必將在全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

不同于傳統(tǒng)信息化技術(shù)以提高技術(shù)效率為主要目標(biāo)，區(qū)塊鏈著重解決信任與驗(yàn)證的問(wèn)題，將其應(yīng)用在BIM中，可形成多云跨云BaaS服務(wù)、開(kāi)放聯(lián)盟鏈，進(jìn)而成為公路工程數(shù)字建造的重要技術(shù)。

基于聯(lián)盟鏈，底層采用Conflux技術(shù)，將區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)應(yīng)用于公路建設(shè)的合同管理，將區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制應(yīng)用于公路建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督，將聯(lián)盟鏈的隱私保護(hù)機(jī)制應(yīng)用于公路工程項(xiàng)目信用評(píng)價(jià)的共享；基于區(qū)塊鏈的去中心化，可建立一個(gè)多方信任機(jī)制，開(kāi)展區(qū)塊鏈技術(shù)在公路建設(shè)的過(guò)程質(zhì)量監(jiān)管中的應(yīng)用，記錄構(gòu)件的質(zhì)檢、工料機(jī)、預(yù)制、安裝等建造過(guò)程各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)傳遞和可追溯，提升工程建設(shè)數(shù)據(jù)的監(jiān)管水平。

針對(duì)現(xiàn)有工程數(shù)據(jù)尚不完善的共享機(jī)制，開(kāi)展聯(lián)盟鏈的鏈上數(shù)據(jù)交換機(jī)制，可達(dá)到數(shù)據(jù)共享的目的；再利用區(qū)塊鏈的去中心化、不可篡改和多私鑰規(guī)則等特性，能夠建立數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)，提升工程數(shù)據(jù)的共享水平。

數(shù)字時(shí)代的到來(lái)，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、BIM等新技術(shù)為基本建設(shè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來(lái)無(wú)限可能，對(duì)于中國(guó)道路工程企業(yè)來(lái)說(shuō)，必須立足國(guó)情，遵循工程規(guī)律，探索一條適合本地化發(fā)展的創(chuàng)新道路。而真正的數(shù)字建造不僅局限于數(shù)字技術(shù)的提升，更是經(jīng)營(yíng)理念的轉(zhuǎn)變、建造方式的變革、企業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)型以及產(chǎn)業(yè)生態(tài)的重塑。