1施工投入實時監控

1.1射頻識別

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

Jaselskis等最先探討了ＲFID在施工管理中的4個潛在應用(工程設計、建材管理、設備維護、現場監控)，并在2個施工項目中使用ＲFID管理鋼管、吊管架等預制建材的進場過程。與人工計數的建材管理方式相比，使用ＲFID明顯節省了時間。Su＆Liu建議結合ＲFID與GPS2種技術，實時報告施工機械的編號和位置，并提出了將上述信息轉化為分析施工操作的模型，進行實時的施工效率分析。WangLC利用ＲFID與移動設備、通信網絡構建了一個建材質量檢查與管理系統，進行混凝土質量檢驗。試驗表明該系統可以提高建材質檢的工作效率、降低運行成本、增強客戶滿意度。Costin等在一幢高層建筑的翻新工程中，將ＲFID安裝在升降機上，在數月的施工周期中，詳細記錄了工人、設備和建材的流動，切實評估了ＲFID技術在施工管理中的性能表現。

1.2超寬帶通信

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

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用潛力;并開展了室內和室外2組試驗，對于鋼結構安裝過程中的工人和鋼材進行了跟蹤。對于UWB生成的工人運動軌跡展開了更為深入的分析，以工人出現在工地各處的概率，生成了占據網格。在此網格基礎上，利用路徑規劃算法，給出了工人運動的最佳軌跡;同時以規避機械與工人相撞為原則，給出了施工機械的最佳行駛軌跡。該研究將傳感器在施工管理中的應用提升到了施工行為理解的層面，在施工場地規劃與物流規劃方面有積極意義。把UWB和一種體態傳感器(physiologicalstatusmonitoring，PSM)同時應用在工人身上。UWB提供工人的位置信息，根據施工場地的先驗知識，可以粗略判斷工人所處的工作區域和任務性質，實時位置信息同時反映工人當前運動狀態(運動或靜止)。PSM佩戴在工人胸部，給出當前體態(彎腰或直立)。綜合工人的空間位置、運動狀態、當前體態，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是較早被應用到施工管理中的技術。相比前2種技術，其最大的優點是無需其他配套設備。Oloufa等利用差分GPS跟蹤施工機械，根據其實時位置，提出一種防碰撞方法，以增強施工安全。Hildreth等利用GPS代替人工工時分析，通過GPS記錄施工機械的位置和速度信息，在數據精簡的基礎上，對各工序耗時進行自動分析，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進行施工機械的操作分析，他們提出了GPS數據的誤差分析和處理方法。在場地試驗中，對挖掘機和推土機的GPS信號進行了分析，自動識別兩種機械的周期性往復運動，分析了施工機械之間的交互式作業。GPS可以方便地定位單一目標，但在多目標同時定位時，不具備辨別目標身份的能力。因此有研究者嘗試將GPS與ＲFID相結合，以達到多目標定位的目的。Ergen等利用GPS和ＲFID來跟蹤預制件供應過程。Grau等采用了同樣的方法來自動跟蹤工件在施工現場的流轉，并與人工計件的方法相比，驗證了其效率優勢。

1.4視覺傳感器

眾多技術中，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90年代，美國的學者就對施工現場的照片和視頻進行收集和管理，用于施工過程控制，并且呼吁有關人員對照片和視頻的應用給予重視。日本在工程項目管理中對照片的應用已經貫穿施工階段的始終，并制定了專門的規程和規范。近年來，我國也開始強調照片和視頻在施工項目管理中的應用。然而，現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算法進行處理。機器視覺技術通過視覺傳感器收集數據，利用計算機分析圖像或視頻數據，模擬生物視覺對環境進行感知和理解。由于數據采集方便、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用。

機器視覺在施工管理中的應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、施工機械等)。Zou＆Kim利用彩色圖像分割提取并跟蹤挖掘機，并根據其位置變化判斷挖掘機是處于工作還是閑置狀態。Teizer＆Vela利用視頻攝像機跟蹤建筑工人，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。算法涵蓋均值平移法、貝葉斯分割法、動態輪廓法和圖分割法，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行施工現場運動目標的三維跟蹤，分別開展了對工人、施工機械等目標的跟蹤試驗。考慮到視頻跟蹤算法常需要手動初始化被跟蹤目標，Memarzadeh等提出利用機器學習算法自動檢測識別工人及機械，自動進行目標跟蹤的算法。機器視覺應用的第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層面的基礎上，對跟蹤結果進一步深入分析，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，直接進行視頻分析。Peddi等通過對視頻中的工人進行區域跟蹤、輪廓提取、姿態識別，將工人的生產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節部位安裝運動傳感器，在實際施工應用中并不適用。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)，通過貝葉斯網絡學習工人和機械的各種典型施工動作，以達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的掘土行為，并將其與施工機械的溫室氣體排放模型相關聯，從而評估施工對于環境的影響。

2施工產出自動評估

施工產出自動評估，即對建筑實體進行遠程傳感，采集其二維或三維的信息，并與原有施工設計和進度規劃進行比對，以達到自動評估施工進度、控制工程質量、維護并管理建筑實體等目的。在這一領域主要應用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施工周期推移所發生的外觀變化，從而分析工程進度。Abeid＆Arditi設計了一個施工進度控制系統，通過回放每天的施工日志圖像，手工標記工程進度。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志性物體。在后續研究中，該小組提出了以設計三維模型為先驗知識，檢測施工日志圖像中的變化，并判斷其是否對應實際的施工進程;后又提出將工程進度自動劃分為工作包的模型，并在此基礎上，利用圖像的變化檢測來自動分析施工進程。近年來，機器視覺三維重建算法得到了極大的發展，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所修建的(as-built)建筑實體三維模型，并將其與所設計的(as-planned)三維CAD模型或者BIM(buildinginformationmodel)模型進行比較，以達到施工進度、施工質量自動評估的目的。

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場的稀疏三維點云，并將所生成的三維模型疊加在所設計的三維模型之上，形成一種增強現實的模型，從而方便管理人員直觀地評價工程進度。在后續的研究中，該研究小組又引入支持向量機算法實現了簡單的施工進度自動評估;還將上述系統應用到公路健康監測中，在三維重建的基礎上，利用圖像分割進一步將三維模型劃分成多個語義目標。Kim等進行施工現場的圖像三維重建，利用張量投票法精煉三維點陣，最后通過支持向量機檢測三維模型中的水泥構件。Klein等則對于圖像三維重建法的精確度進行了深入分析，對一幢建筑物的內部和外部分別進行了三維建模，并將圖像量測數據與激光掃描數據進行了比較。

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場的三維數據，將目標識別技術與工程進度信息相結合，提出了一種以工程目標為導向的四維工程進度跟蹤系統。Hajian＆Brandow利用激光掃描儀掃描鋼結構安裝過程中的鋼筋和錨栓，并與施工計劃比較，達到監控施工質量的目的。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、需專業人員操作等缺點，制約了其在施工管理中的廣泛應用。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勢的思路。在未來建筑界，BIM將逐步替代CAD模型成為主流標準。對于基于傳統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，已成為行業中的難點問題。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行目標識別，以生成包含目標語義信息的BIM。TangPB等［39］對利用激光掃描儀自動生成BIM的相關技術進行了深入詳細的介紹。整個建模過程被分為幾何建模、物體識別、物體間相互關系建模3個階段，其中幾何建模又被細化為面、體以及復雜結構建模，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發展趨勢展望

雖然基于信息技術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域，仍存在許多問題亟待解決。從具體技術角度來看，ＲFID和UWB都是基于無線通信的，在實際應用中，信號接收器的排布將直接影響到系統定位及身份識別的有效范圍和準確性。而且無線通信要求保持信號發射器與接收器之間的空間通達性，即Line-of-sight，而施工環境是動態變化的，之前較為空曠的空間可能在后續施工中被墻體或其他工件遮擋，這為ＲFID和UWB技術在施工管理中的長期、持續應用帶來挑戰。因此研究ＲFID和UWB在實際應用中的系統合理設置以及動態施工環境對系統準確性的影響等問題，是未來需關注的問題之一。雖然視覺傳感器因成本低、信息量豐富而應用更為廣泛，但相較之其他傳感器技術，其后期的信息處理算法復雜度非常高。一些關鍵算法，例如視頻跟蹤、目標識別、視頻理解、三維重建等都存在計算量大、實時應用困難的問題。過分強調視覺傳感器的優勢，而忽略其計算荷載是不可取的。研究多種傳感器結合，發揮各自優勢，將是未來的必然趨勢。

從具體應用角度來看，在施工投入實時監控方面，信息技術尚不能完全取代人工，如何構建一種交互式平臺，使得人工管理與自動化管理可以相互結合，將是未來發展的方向。隨著智能手機的不斷普及，利用智能手機應用軟件來實現這種交互式平臺的構建，將不失為一種選擇。在施工產出自動評估方面，目前多數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，這對于全面認知建筑實體、評估進度，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，基于傳感器技術的施工質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，大量傳感器的應用將產生過量的低層數據，為施工管理人員造成巨大的數據分析負擔。目前多數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據與工程狀態的具體關聯，為施工管理決策提供輔助。如何使得建筑業界真正受益，基于信息技術的施工管理從研究到實際應用還有待長足的發展。但毋庸置疑，該領域具有廣闊的前景。

作者：楊? 單位：西北工業大學力學與土木建筑學院