1施工投入實時監(jiān)控

1.1射頻識別

射頻識別(ＲFID)是一種利用無線通信進(jìn)行目標(biāo)身份識別的技術(shù)。典型ＲFID系統(tǒng)通常由標(biāo)簽、解讀器和天線3部分構(gòu)成。標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送存儲在芯片中的信息(無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽)，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽);解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。ＲFID在施工管理中主要被應(yīng)用到建材、工人和施工機(jī)械管理3方面:①建材管理方面可用來輔助物流和供應(yīng)鏈管理、庫存管理、建材質(zhì)檢以及廢料管理;②工人管理方面可用作進(jìn)出場控制及出勤考評、安全預(yù)警等;③施工機(jī)械管理方面ＲFID技術(shù)可以跟蹤施工機(jī)械及工具、記錄施工操作及機(jī)械維護(hù)等。

Jaselskis等最先探討了ＲFID在施工管理中的4個潛在應(yīng)用(工程設(shè)計、建材管理、設(shè)備維護(hù)、現(xiàn)場監(jiān)控)，并在2個施工項目中使用ＲFID管理鋼管、吊管架等預(yù)制建材的進(jìn)場過程。與人工計數(shù)的建材管理方式相比，使用ＲFID明顯節(jié)省了時間。Su＆Liu建議結(jié)合ＲFID與GPS2種技術(shù)，實時報告施工機(jī)械的編號和位置，并提出了將上述信息轉(zhuǎn)化為分析施工操作的模型，進(jìn)行實時的施工效率分析。WangLC利用ＲFID與移動設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一個建材質(zhì)量檢查與管理系統(tǒng)，進(jìn)行混凝土質(zhì)量檢驗。試驗表明該系統(tǒng)可以提高建材質(zhì)檢的工作效率、降低運行成本、增強(qiáng)客戶滿意度。Costin等在一幢高層建筑的翻新工程中，將ＲFID安裝在升降機(jī)上，在數(shù)月的施工周期中，詳細(xì)記錄了工人、設(shè)備和建材的流動，切實評估了ＲFID技術(shù)在施工管理中的性能表現(xiàn)。

1.2超寬帶通信

超寬帶通信(UWB)是一種利用絕對帶寬＞1.5GHz或分?jǐn)?shù)帶寬＞25%的超寬帶信號進(jìn)行多目標(biāo)定位的技術(shù)。典型的UWB系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)處理計算機(jī)、集線器、接收器和射頻標(biāo)簽。當(dāng)有3個及以上接收器獲取射頻標(biāo)簽信號時，可定位射頻標(biāo)簽的精確二維坐標(biāo);而4個及以上的接收器就可提供精確的三維坐標(biāo)。相比于傳統(tǒng)的窄帶通信系統(tǒng)，UWB技術(shù)有如下優(yōu)點:不易受其他通信系統(tǒng)干擾、不易受多徑效應(yīng)干擾、高數(shù)據(jù)采樣率、高精度定位、超低能耗、實時跟蹤多個目標(biāo)、可同時在室內(nèi)和室外應(yīng)用、相比其他高頻通信系統(tǒng)具有更大的室內(nèi)覆蓋范圍。UWB因其多目標(biāo)實時精確定位能力，被廣泛地應(yīng)用到施工現(xiàn)場的工人、機(jī)械、建材定位中，以開展施工安全監(jiān)控、施工操作分析等工作。施工過程中，常發(fā)生工人不慎進(jìn)入危險區(qū)域而造成的人身傷害。Giretti等利用UWB跟蹤佩戴有射頻標(biāo)簽的工人，并根據(jù)施工場地的先驗知識劃定虛擬危險區(qū)域，一旦UWB系統(tǒng)報告工人逼近或進(jìn)入危險區(qū)域，就會觸發(fā)工人隨身攜帶的報警器。3組場地試驗驗證了這套系統(tǒng)的有效性。除工人外，大型施工機(jī)械的操作也是施工安全監(jiān)控中的重點。Hwang＆Liu以T形塔式起重機(jī)為研究對象，在2臺塔式起重機(jī)上分別安裝UWB射頻標(biāo)簽，通過實時定位，計算2臺塔式起重機(jī)動態(tài)距離，評估其發(fā)生碰撞的概率，從而達(dá)到安全預(yù)警的目的。

Teizer的研究小組在基于UWB的施工管理方面開展了較為深入的工作。文利用UWB跟蹤工人以及建材，分析其運動軌跡，指出了UWB在施工安全和施工效率評估方面的應(yīng)用潛力;并開展了室內(nèi)和室外2組試驗，對于鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中的工人和鋼材進(jìn)行了跟蹤。對于UWB生成的工人運動軌跡展開了更為深入的分析，以工人出現(xiàn)在工地各處的概率，生成了占據(jù)網(wǎng)格。在此網(wǎng)格基礎(chǔ)上，利用路徑規(guī)劃算法，給出了工人運動的最佳軌跡;同時以規(guī)避機(jī)械與工人相撞為原則，給出了施工機(jī)械的最佳行駛軌跡。該研究將傳感器在施工管理中的應(yīng)用提升到了施工行為理解的層面，在施工場地規(guī)劃與物流規(guī)劃方面有積極意義。把UWB和一種體態(tài)傳感器(physiologicalstatusmonitoring，PSM)同時應(yīng)用在工人身上。UWB提供工人的位置信息，根據(jù)施工場地的先驗知識，可以粗略判斷工人所處的工作區(qū)域和任務(wù)性質(zhì)，實時位置信息同時反映工人當(dāng)前運動狀態(tài)(運動或靜止)。PSM佩戴在工人胸部，給出當(dāng)前體態(tài)(彎腰或直立)。綜合工人的空間位置、運動狀態(tài)、當(dāng)前體態(tài)，該研究給出了一種利用自動工作采樣(worksampling)實時判斷施工效率的方法。

1.3GPS

GPS是較早被應(yīng)用到施工管理中的技術(shù)。相比前2種技術(shù)，其最大的優(yōu)點是無需其他配套設(shè)備。Oloufa等利用差分GPS跟蹤施工機(jī)械，根據(jù)其實時位置，提出一種防碰撞方法，以增強(qiáng)施工安全。Hildreth等利用GPS代替人工工時分析，通過GPS記錄施工機(jī)械的位置和速度信息，在數(shù)據(jù)精簡的基礎(chǔ)上，對各工序耗時進(jìn)行自動分析，并在土石方工程中實地驗證了算法的有效性。Prahananaga＆Teizer同樣利用GPS進(jìn)行施工機(jī)械的操作分析，他們提出了GPS數(shù)據(jù)的誤差分析和處理方法。在場地試驗中，對挖掘機(jī)和推土機(jī)的GPS信號進(jìn)行了分析，自動識別兩種機(jī)械的周期性往復(fù)運動，分析了施工機(jī)械之間的交互式作業(yè)。GPS可以方便地定位單一目標(biāo)，但在多目標(biāo)同時定位時，不具備辨別目標(biāo)身份的能力。因此有研究者嘗試將GPS與ＲFID相結(jié)合，以達(dá)到多目標(biāo)定位的目的。Ergen等利用GPS和ＲFID來跟蹤預(yù)制件供應(yīng)過程。Grau等采用了同樣的方法來自動跟蹤工件在施工現(xiàn)場的流轉(zhuǎn)，并與人工計件的方法相比，驗證了其效率優(yōu)勢。

1.4視覺傳感器

眾多技術(shù)中，利用視覺傳感器采集照片和視頻是較早被引入施工管理的信息化方法。早在20世紀(jì)90年代，美國的學(xué)者就對施工現(xiàn)場的照片和視頻進(jìn)行收集和管理，用于施工過程控制，并且呼吁有關(guān)人員對照片和視頻的應(yīng)用給予重視。日本在工程項目管理中對照片的應(yīng)用已經(jīng)貫穿施工階段的始終，并制定了專門的規(guī)程和規(guī)范。近年來，我國也開始強(qiáng)調(diào)照片和視頻在施工項目管理中的應(yīng)用。然而，現(xiàn)階段的施工照片和視頻僅僅被作為檔案留存，供管理人員偶爾查閱、分析，其蘊含的豐富信息并沒有被充分挖掘。與其他傳感器的不同之處在于，視覺傳感器所包含的信息無法直接輸出，或者需要依靠人工分析，或者需要依靠計算機(jī)算法進(jìn)行處理。機(jī)器視覺技術(shù)通過視覺傳感器收集數(shù)據(jù)，利用計算機(jī)分析圖像或視頻數(shù)據(jù)，模擬生物視覺對環(huán)境進(jìn)行感知和理解。由于數(shù)據(jù)采集方便、成本低廉、所獲取信息豐富，近年來在施工管理中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

機(jī)器視覺在施工管理中的應(yīng)用主要包含兩個層面。第1層面類似其他傳感器的功能，跟蹤定位施工過程的參與者(包含工人、建材、施工機(jī)械等)。Zou＆Kim利用彩色圖像分割提取并跟蹤挖掘機(jī)，并根據(jù)其位置變化判斷挖掘機(jī)是處于工作還是閑置狀態(tài)。Teizer＆Vela利用視頻攝像機(jī)跟蹤建筑工人，評估了4種典型的視頻跟蹤算法在工人跟蹤中的性能表現(xiàn)。算法涵蓋均值平移法、貝葉斯分割法、動態(tài)輪廓法和圖分割法，試驗表明前兩種算法的跟蹤效果較好。在后續(xù)的研究中，該小組又提出了一種基于核主成分分析的多個工人跟蹤算法。Brilakis等提出利用雙目視覺來進(jìn)行施工現(xiàn)場運動目標(biāo)的三維跟蹤，分別開展了對工人、施工機(jī)械等目標(biāo)的跟蹤試驗。考慮到視頻跟蹤算法常需要手動初始化被跟蹤目標(biāo)，Memarzadeh等提出利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法自動檢測識別工人及機(jī)械，自動進(jìn)行目標(biāo)跟蹤的算法。機(jī)器視覺應(yīng)用的第2層面是施工行為分析理解層面。

這個層面可以建立在第1層面的基礎(chǔ)上，對跟蹤結(jié)果進(jìn)一步深入分析，形成對施工管理有直接意義的信息;也可以完全脫離第1層面，直接進(jìn)行視頻分析。Peddi等通過對視頻中的工人進(jìn)行區(qū)域跟蹤、輪廓提取、姿態(tài)識別，將工人的生產(chǎn)效率自動劃分為不同等級。HanS等利用核主成分分析對高維的運動信號降維，從而識別工人的不安全行為。但該方法需要在工人身體各關(guān)節(jié)部位安裝運動傳感器，在實際施工應(yīng)用中并不適用。施工行為理解并不局限于工人，也包含施工機(jī)械。GongJ等提取視頻中的特征語義詞匯(Bag-of-Video-Feature-Words)，通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)工人和機(jī)械的各種典型施工動作，以達(dá)到施工行為自動分類識別的目的。YangJ等通過視頻跟蹤塔式起重機(jī)吊臂，分析其混凝土澆筑行為。Heydarian等則利用視頻自動識別挖掘機(jī)的掘土行為，并將其與施工機(jī)械的溫室氣體排放模型相關(guān)聯(lián)，從而評估施工對于環(huán)境的影響。

2施工產(chǎn)出自動評估

施工產(chǎn)出自動評估，即對建筑實體進(jìn)行遠(yuǎn)程傳感，采集其二維或三維的信息，并與原有施工設(shè)計和進(jìn)度規(guī)劃進(jìn)行比對，以達(dá)到自動評估施工進(jìn)度、控制工程質(zhì)量、維護(hù)并管理建筑實體等目的。在這一領(lǐng)域主要應(yīng)用2種傳感器:視覺傳感器和激光掃描儀。

2.1視覺傳感器

視覺傳感器在建筑實體評估中應(yīng)用歷史較長。早期研究主要是利用圖像提供的二維信息，比較圖像中的建筑實體在歷經(jīng)施工周期推移所發(fā)生的外觀變化，從而分析工程進(jìn)度。Abeid＆Arditi設(shè)計了一個施工進(jìn)度控制系統(tǒng)，通過回放每天的施工日志圖像，手工標(biāo)記工程進(jìn)度。Trucco＆Kada通過計算兩幅圖像間的Hausdorff距離來判斷其相似度，由此定位不同圖像間的相似標(biāo)志性物體。在后續(xù)研究中，該小組提出了以設(shè)計三維模型為先驗知識，檢測施工日志圖像中的變化，并判斷其是否對應(yīng)實際的施工進(jìn)程;后又提出將工程進(jìn)度自動劃分為工作包的模型，并在此基礎(chǔ)上，利用圖像的變化檢測來自動分析施工進(jìn)程。近年來，機(jī)器視覺三維重建算法得到了極大的發(fā)展，基于視覺傳感器的建筑實體評估基本都趨向于利用多幅圖像或者視頻重構(gòu)所修建的(as-built)建筑實體三維模型，并將其與所設(shè)計的(as-planned)三維CAD模型或者BIM(buildinginformationmodel)模型進(jìn)行比較，以達(dá)到施工進(jìn)度、施工質(zhì)量自動評估的目的。

Golparvar-Fard等利用日常工程管理中所拍攝的圖像，通過立體視覺重建施工現(xiàn)場的稀疏三維點云，并將所生成的三維模型疊加在所設(shè)計的三維模型之上，形成一種增強(qiáng)現(xiàn)實的模型，從而方便管理人員直觀地評價工程進(jìn)度。在后續(xù)的研究中，該研究小組又引入支持向量機(jī)算法實現(xiàn)了簡單的施工進(jìn)度自動評估;還將上述系統(tǒng)應(yīng)用到公路健康監(jiān)測中，在三維重建的基礎(chǔ)上，利用圖像分割進(jìn)一步將三維模型劃分成多個語義目標(biāo)。Kim等進(jìn)行施工現(xiàn)場的圖像三維重建，利用張量投票法精煉三維點陣，最后通過支持向量機(jī)檢測三維模型中的水泥構(gòu)件。Klein等則對于圖像三維重建法的精確度進(jìn)行了深入分析，對一幢建筑物的內(nèi)部和外部分別進(jìn)行了三維建模，并將圖像量測數(shù)據(jù)與激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

2.2激光掃描儀

激光掃描儀通過向被測量物體主動發(fā)射激光波束并測量回波來獲取三維距離信息，從而生成密集的三維點云(pointcloud)，以達(dá)到對物體三維建模的目的。Turkan等利用激光掃描儀生成施工現(xiàn)場的三維數(shù)據(jù)，將目標(biāo)識別技術(shù)與工程進(jìn)度信息相結(jié)合，提出了一種以工程目標(biāo)為導(dǎo)向的四維工程進(jìn)度跟蹤系統(tǒng)。Hajian＆Brandow利用激光掃描儀掃描鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中的鋼筋和錨栓，并與施工計劃比較，達(dá)到監(jiān)控施工質(zhì)量的目的。Lee等提出了一種基于輪廓的算法，在管道安裝施工中，利用激光掃描來自動生成所鋪設(shè)管道的模型。激光掃描儀雖然可以精確獲取密集的三維點云，但由于價格昂貴、體積笨重、需專業(yè)人員操作等缺點，制約了其在施工管理中的廣泛應(yīng)用。相較之，視覺傳感器價格低廉、操作簡便，而且可以提供更加豐富的信息。

一些研究者提出融合激光掃描儀和視覺傳感器兩者優(yōu)勢的思路。在未來建筑界，BIM將逐步替代CAD模型成為主流標(biāo)準(zhǔn)。對于基于傳統(tǒng)CAD模型建成的建筑物，如何生成BIM，以方便建筑物生命周期的管理和維護(hù)，已成為行業(yè)中的難點問題。Brilakis等提出了利用激光掃描儀生成三維點云，并利用視覺傳感器進(jìn)行目標(biāo)識別，以生成包含目標(biāo)語義信息的BIM。TangPB等［39］對利用激光掃描儀自動生成BIM的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了深入詳細(xì)的介紹。整個建模過程被分為幾何建模、物體識別、物體間相互關(guān)系建模3個階段，其中幾何建模又被細(xì)化為面、體以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模，物體識別則有基于分類的、基于上下文語義的、基于先驗知識等方法。

3發(fā)展趨勢展望

雖然基于信息技術(shù)的施工管理已有豐富的研究成果，但作為一個新興的研究領(lǐng)域，仍存在許多問題亟待解決。從具體技術(shù)角度來看，ＲFID和UWB都是基于無線通信的，在實際應(yīng)用中，信號接收器的排布將直接影響到系統(tǒng)定位及身份識別的有效范圍和準(zhǔn)確性。而且無線通信要求保持信號發(fā)射器與接收器之間的空間通達(dá)性，即Line-of-sight，而施工環(huán)境是動態(tài)變化的，之前較為空曠的空間可能在后續(xù)施工中被墻體或其他工件遮擋，這為ＲFID和UWB技術(shù)在施工管理中的長期、持續(xù)應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。因此研究ＲFID和UWB在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)合理設(shè)置以及動態(tài)施工環(huán)境對系統(tǒng)準(zhǔn)確性的影響等問題，是未來需關(guān)注的問題之一。雖然視覺傳感器因成本低、信息量豐富而應(yīng)用更為廣泛，但相較之其他傳感器技術(shù)，其后期的信息處理算法復(fù)雜度非常高。一些關(guān)鍵算法，例如視頻跟蹤、目標(biāo)識別、視頻理解、三維重建等都存在計算量大、實時應(yīng)用困難的問題。過分強(qiáng)調(diào)視覺傳感器的優(yōu)勢，而忽略其計算荷載是不可取的。研究多種傳感器結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，將是未來的必然趨勢。

從具體應(yīng)用角度來看，在施工投入實時監(jiān)控方面，信息技術(shù)尚不能完全取代人工，如何構(gòu)建一種交互式平臺，使得人工管理與自動化管理可以相互結(jié)合，將是未來發(fā)展的方向。隨著智能手機(jī)的不斷普及，利用智能手機(jī)應(yīng)用軟件來實現(xiàn)這種交互式平臺的構(gòu)建，將不失為一種選擇。在施工產(chǎn)出自動評估方面，目前多數(shù)研究所生成的三維建筑實體模型，還僅限于三維點云的層面，沒有將三維模型上升到建筑語義對象的層面，這對于全面認(rèn)知建筑實體、評估進(jìn)度，仍然是不充分的。因此未來的趨勢必然是面向建筑語義對象的三維重建。另外，基于傳感器技術(shù)的施工質(zhì)量自動評估目前還較少有人涉及，未來的研究可更多的探討。

最后，大量傳感器的應(yīng)用將產(chǎn)生過量的低層數(shù)據(jù)，為施工管理人員造成巨大的數(shù)據(jù)分析負(fù)擔(dān)。目前多數(shù)研究尚且停留在傳感器輸出信號的初級分析階段，較少有研究深入探討傳感器數(shù)據(jù)與工程狀態(tài)的具體關(guān)聯(lián)，為施工管理決策提供輔助。如何使得建筑業(yè)界真正受益，基于信息技術(shù)的施工管理從研究到實際應(yīng)用還有待長足的發(fā)展。但毋庸置疑，該領(lǐng)域具有廣闊的前景。

作者：楊? 單位：西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院