图1 智慧工地的理念架构
建筑业是支撑社会经济发展的重要产业，也是典型的劳动力密集的粗放生产行业，施工及相关管理活动依然主要采用人工完成。与其它行业相比，建筑业在智能化、科学化、精益化、人性化等方面存在明显不足。随着经济全球化和社会快速发展，建筑业迫切需要升级产业结构和变革建造模式，提高管理和生产效率。与此同时，人工智能、无线传感网络等现代技术发展为建筑业转型升级提供了前提支撑。在此背景下，探索运用新技术变革传统施工管理方式，构建智慧工地系统，具有显著的先导意义和实践价值。
目前，人工智能、无线传感网络、建筑信息模型等新技术已经不断融入施工管理中，取得了一些有益进展。例如，RFID技术被广泛应用于人员定位与管理、物料追踪、设备使用权限管理等[1-2]；计算机视觉技术在结构变形检测、不安全行为识别等方面发挥了巨大作用[3-6]；建筑信息模型技术体现出了重要的信息集成和交互平台作用[7-10]。基于上述技术，在施工安全管理、建筑工人管理、施工设备管理、施工活动监控、环境管理等领域涌现出了一系列智能化系统[11-17]，形成了智慧工地的雏形。然而，上述成果主要依托于各类软硬件技术实现特定工作的信息化和智能化，对智慧工地的内涵、共性特征把握不足。
为此，本文以笔者在该领域的实践探索创新成果为基础，明确了智慧工地的内涵特征，设计了智慧工地的系统架构，提供了实施示例，阐明了智慧工地发展的机遇与挑战，以期更好地推进智慧工地建设，促进建筑业转型升级。
目前，针对建筑业生产效率较低、管理形式粗放等问题，不少专业人士都将“智慧工地”作为一种系统化的创新解决方案加以研究和探索。同时，《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中提出：“‘十三五’时期，全面提高建筑业信息化水平，着力增强BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网等信息技术集成应用能力。”《中国建筑施工行业信息化发展报告——智慧工地应用与发展》中提出：“通过云计算、物联网、人工智能、BIM等先进信息技术与建造技术的深度融合，打造智慧工地。”[18]此外，一些专注于建筑信息化的软件厂商也以计算机软件为平台，大力推进以工程管理信息化为核心的智慧工地系统。在多方共同努力下，智慧工地已经初现雏形，并逐渐被业界所接纳。但是，智慧工地在具有丰富多样的表现形式的同时，其内涵特征依然不够明晰。
本文提出的智慧工地源于IBM提出的智慧地球[19]理念，与之相近的概念还有智慧城市、智慧校园等。其内涵特征如下：
(1)更透彻的感知。目前，制约工程管理信息化和智能化水平提升的首要因素为工程信息缺失和失真，更高层次的管理活动无法获得有效的基础信息保障。为此，智慧工地将及时、准确、全面地获取各类工程信息，实现更透彻的信息感知作为首要任务。其中，“更透彻”主要体现为提升工程信息感知的广度和深度。具体而言，提升工程信息的感知广度是指更全面地获取不同主体、不同阶段、不同对象中的各类工程信息；提升工程信息的感知深度是指更准确地获取不同类型、不同载体、不同活动中的各类工程信息。
(2)更全面的互联互通。由于工程建设活动的参与方较多，工程信息较为分散，带来了“信息孤岛”、信息冲突等一系列问题。为此，智慧工地将以各类高速、高带宽的通讯工具为载体，将分散于不同终端、不同主体、不同阶段、不同活动中的信息和数据进行连接和收集，进而实现交互和共享，从而对工程状态和问题进行全面监控和分析。最终，能够从全局角度实施控制并实时解决问题，使工作和任务可以通过多方协作得以远程完成，彻底改变现有的工程信息流。
(3)更深入的智能化。目前，施工活动仍然主要依赖经验知识和人工技能，在信息分析、方案制定、行为决策等方面缺少更科学、更高效的处理模式。为此，在人工智能技术迅猛发展的背景下，智慧工地将更加突出强调使用数据挖掘、云计算等先进信息分析和处理技术，实现复杂数据的准确、快速汇总、分析和计算。
进而，更深入地分析、挖掘和整合海量工程信息数据，更系统、更全面地洞察并解决特定工程问题，并为工程决策和实施提供支持。
综上所述，本文提出的智慧工地与智慧地球、智慧城市等一脉相承，与智慧金融、智慧医疗、智慧电力等相互联系，形成完整的理念架构(见图1)。
图1 智慧工地的理念架构
实践中，智慧工地由特定硬件系统实现相应功能，主要由感知层、网络层和应用层组成，三者分别为实现更透彻的感知、更全面的互联互通、更深入的智能化提供保障和支撑，见表1和图2。
表1 智慧工地系统的层次与功能
层次功能说明组成说明感知层全面采集人员、设备、材料等工程信息及施工活动信息;及时反馈系统处理结果,下达各类指令各种信息采集与反馈设备,如RFID标签,压力、温度、变形等各类传感器,GPS/BDS等定位装置,视频图像采集设备等,以及相应的软件网络层实现不同终端、子系统、应用主体之间的信息传输与交换各类有线、无线信息传输系统、装置等,如光纤、WLAN、蓝牙等,以及相应的软件应用层对采集到的信息进行智能分析和处理,提供工程问题的解决方案服务器、工作站、数据库、智能移动设备等各类硬件平台,以及相应的智能处理软件
图2 智慧工地的系统架构
智慧工地中，感知层是基础，为整个系统提供全面的信息保障；网络层是桥梁，实现了信息传输和共享；应用层是核心，直接为不同工程任务和问题提供解决方案。
设计开发中，智慧工地以上述共同特征和共通架构为基础，遵循“问题导向，创新驱动”的实施策略，先由总体设计团队开展工程问题分析，形成智慧工地或特定子系统及功能模块的整体解决方案；再以问题解决方案为核心，与相关支撑技术研发团队共同完成系统设计方案；最后，依据设计方案进行硬件选型、网络布设等，并由专业制造厂商完成技术硬件实现工作；最终，智慧工地将以相同系统架构下的不同子系统及功能模块的形式进行呈现，见图3。该方式的优点在于各子系统及功能模块之间既能协同运作，也能独立运行；既能保证系统整体性，也可分阶段循序推进。
应用推广中，先由施工企业和业主共同以示范工程为载体，开展试点应用。经过反馈改进后，最终形成满足大规模推广应用要求的成熟解决方案。
图3 智慧工地的实现路径与协作关系
近年来，笔者及团队在智慧工地的实践探索中按照对象差异，进一步将各子系统及功能模块分为面向工程和面向工人的智慧工地解决方案，见表2。其中，示例系统架构见图4和图5。
表2 智慧工地的解决方案示例
分类系统名称系统功能面向工程的智慧工地解决方案基于图像识别的渣土车快速自动监管系统以图像识别技术为核心,实现渣土车装载情况自动化监管、车身污迹快速检测以及进出权限管理等施工设备智能管理系统以RFID技术为核心,实现施工设备自动化、智能化操作权限管理、维护保养、实时定位、调度和工时计量等基坑安全全天候自动远程预警系统以深度图像技术为核心,能够实时监测基坑表面变形情况,实现基坑表面安全状况的全天候远程自动预警道路边坡安全全天候自动远程预警系统以深度图像技术为核心,实现道路边坡变形情况的远程全天候自动预警基于无人机的建筑表面裂缝快速检测系统以无人机和图像处理技术为核心,实现高层建筑物外表面裂缝非接触式自动快速识别与测量基于无人机的玻璃幕墙损伤快速检测系统以无人机和图像处理技术为核心,实现超高层幕墙损伤的自动、快速识别与定位基于无人机的外脚手架自动快速检查系统以无人机和图像处理技术为核心,实现施工外脚手架杆件角度、跨距、水平度以及缺失等安全性状况的自动、快速检测基于无人机的扬尘污染源自动快速监管系统以无人机和图像处理技术为核心,实现大面积施工现场扬尘污染源的快速识别检测基于图像识别的钢筋工程质量快速检查系统以图像处理技术为核心,自动、快速获取钢筋的直径、平行度、间距以及搭接部分的长度,实现钢筋工程快速检查面向工程的智慧工地解决方案多功能智能安全帽预警系统以RFID技术为核心,结合工人必备的安全帽及多种传感器实现工人位置信息实时采集以及身体健康状况监测建筑工人高处坠落事故智能预警系统基于BIM和RFID技术,实现工人位置信息实时采集以及工人高处坠落危险智能分析,根据危险等级进行预警建筑工人安全装备智能快速检查系统基于图像识别技术,实现工人安全装备正确佩戴自动、快速检测,通过人脸识别对工人进行准确的工时考勤,以及作业前工人身体健康情况自动、快速检测建筑工人智能管理系统基于BIM和RFID技术,实现工人实时定位、动态点名、工时检测、权限管理以及多种事故预警等功能沉浸式建筑工人危险感知能力训练系统基于BIM技术,结合CAVE沉浸式体验设备,使受训练者身临其境体验施工安全事故过程,实现危险感知训练功能沉浸交互式施工安全知识学习系统基于BIM和VR技术,使学习者在模拟场景中身临其境进行交互式施工安全知识学习
目前，人工智能、建筑信息模型、无线传感网络等在理论探索、技术创新、软硬件性能提升等方面迅速发展，并引发链式突破，推动经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃升。加之，建筑业转型升级迫在眉睫，智慧工地建设已成为建筑业发展的必然趋势，具有极其重要的先导意义。然而，目前智慧工地在发展中仍然存在一些不成熟和尚待突破之处，可归结为以下几个关键问题与挑战：
图4 施工设备智能管理系统架构
图5 建筑工人智能管理系统架构
(1)人工智能等前沿技术与工程建造和管理的深度融合问题。目前，虽然智慧工地发展的顶层设计是由建筑业相关机构和人士推动，但在技术实现层面主要由计算机、通信、软件、网络等领域的专业人士和厂商实施研发。工程施工和设计企业的前期参与度不够，且更多地是被动接受并选择现有产品。由此带来的问题是研发人员对工程问题的了解和理解不够，所提出的解决方案及产品与问题的匹配性不足，有些成果并没有融入到实际工程活动之中。因此，如何提高建筑业和人工智能等前沿技术领域的专业人士的深度交流与协作，加强研发团队对工程建造与管理领域问题的分析与理解，提高技术匹配性是需要重点关注的问题。
(2)智慧工地的前瞻性与实用性之间的平衡问题。目前，智慧工地所依托的人工智能、无线传感网络、建筑信息模型等技术均属于前沿技术，对操作者的素质、使用环境等均有较高要求，前期投入也比较高。然而，建筑业本质上依然是粗放生产行业，工作环境、人员素养、企业利润等方面均与其它行业有明显差距。一些具有较好前瞻性的智慧工地解决方案及相关技术产品在推广中遇到了功能实用性、经济可行性等方面的矛盾冲突，不少成果仅停留在实验测试、示范展示等阶段，推广普及程度很低。因此，如何在技术前瞻性与功能实用性间取得平衡，同时做到操作简便、成本低廉、性能优越是影响智慧工地普及推广与可持续发展的关键问题。
(3)工程信息的更全面、更透彻感知问题。目前，随着各类通信和通讯技术、信息分析和处理技术的迅猛发展，智慧工地内涵特征中的“更全面的互联互通”和“更深入的智能化”已经能够得到较好的实现支撑。然而，由于建筑施工主要采用户外、分散作业，环境复杂、干扰众多，导致工程信息繁杂，且模糊、异构、隐性信息较多，工程信息采集、特征提取等工作难度较大，智慧工地内涵特征中的“更透彻的感知”需要更有力的技术支撑。事实上，感知层是整个智慧工地系统的最底层，也是最重要的基础支撑层。如果无法实现更全面、更透彻的工程信息感知，那么整个智慧工地系统便是“无源之水，无本之木”。因此，如何提高工程信息感知的广度、深度和精度是智慧工地发展中的重要基础问题。
(1)智慧工地以更透彻的感知、更全面的互联互通、更深入的智能化为内涵特征，分别对应于提升工程信息感知的广度、深度、准确度和时效性，提高不同工程参与主体、不同工程阶段间工作协同度，加强工程任务处理的自动化、集成化程度等关键任务。
(2)智慧工地系统包含感知层、网络层和应用层，分别实现工程信息采集与反馈、工程信息传输与交换、工程信息智能分析与处理。最终，智慧工地体现为相同系统架构下的不同子系统及功能模块。
(3)智慧工地建设中遵循“问题导向，创新驱动”的实施策略，强调多学科交叉融合创新，注重针对特定问题进行整体解决方案设计，并在试点应用的基础上实现推广应用。目前，智慧工地的解决方案可分为面向工程和面向工人两种类型。
(4)智慧工地在发展中需要高度重视人工智能等前沿技术与工程建造和管理的深度融合问题，努力在技术前瞻性与功能实用性之间取得平衡，并进一步加强工程信息感知技术研究。
[1] MONTASER A, MOSELHI O. RFID indoor location identification for construction projects[J]. Automation in Construction, 2014,39(4):167-179.
[2] VALERO E, ADAN A. Integration of RFID with other technologies in construction[J]. Measurement, 2016(94):614-620.
[3] PHUNG M D, CONG H Q, DINH T H, et al. Enhanced discrete particle swarm optimization path planning for UAV vision-based surface inspection[J]. Automation in Construction, 2017(81):25-33.
[4] YANTAO YU, HONGLING GUO, QINGHUA DING,et al.An experimental study of real-time identification of construction workers' unsafe behaviors[J].Automation in Construction, 2017(82):193-206.
[5] ZHU Z,REN X,CHEN Z.Integrated detection and tracking of workforce and equipment from construction jobsite videos[J]. Automation in Construction, 2017(81):161-171.
[6] DOGAN G, ARSLAN M H, CEYLAN M. Concrete compressive strength detection using image processing based new test method [J]. Measurement, 2017(109):137-148.
[7] YIHAI FANG,YONG K CHO,SIJIE ZHANG,et al. Case study of BIM and cloud-enabled real-time RFID indoor localization for construction management applications[J].J Constr Eng Manage,2016, 142(7).
[8] ZHAO X. A scientometric review of global BIM research: analysis and visualization[J].Automation in Construction, 2017(80):37-47.
[9] ZHOU Z,YANG M G,LI Q.Overview and analysis of safety management studies in the construction industry[J]. Safety Science, 2015(72):337-350.
[10] ZHANG S,SULANKIVI K,KIVINIEMI M, et al. BIM-based fall hazard identification and prevention in construction safety planning[J]. Safety Science,2015,72(8):31-45.
[11] 李雷,韩豫,马国鑫,等.基于RFID的施工设备智能管理系统设计[J].施工技术,2018,47(3):124-128.
[12] 马国鑫,韩豫,陆建飞,等.基于无人机的施工扬尘污染源自动监测系统设计与实现[J].中国环境监测,2018,34(1):151-156.
[13] 孙昊,韩豫,马国鑫,等.融合BIM和RFID的建筑工人智能管理系统[J].工程管理学报,2017,31(2):95-99.
[14] 韩豫,张泾杰,孙昊,等.基于图像识别的建筑工人智能安全检查系统设计与实现[J].中国安全生产科学技术,2016,12(10):142-148.
[15] HAN S, LEE S. A vision-based motion capture and recognition framework for behavior-based safety management [J]. Automation in Construction, 2013,35(11):131-141.
[16] 张泾杰,韩豫,马国鑫,等.基于BIM和RFID的建筑工人高处坠落事故智能预警系统研究[J].工程管理学报,2015,29(6):17-21.
[17] 郭红领,刘文平,张伟胜.集成BIM和PT的工人不安全行为预警系统研究[J].中国安全科学学报,2014,24(4):104-109.
[18] 曾凝霜,刘琰,徐波.基于BIM的智慧工地管理体系框架研究[J].施工技术,2015,44(10):96-100.
[19] IBM商业价值研究院.智慧地球[M].北京:东方出版社,2009.