面向智能工地的移动折展指挥调度室设计研究

李彦锦 彭 瑜，2 覃文波 周 诚

(1.华中科技大学 土木与水利工程学院，武汉 430074； 2.中国建筑第八工程局有限公司，上海 200120)

引言

近年来，建筑业向集成管理和智能建造方向发展的趋势越来越明显。为适应未来要素资源数字化、建模规范化、交互网络化、认知可视化，决策智能化[1]的发展趋势，施工过程和建造设备将会不断地更新换代。在这样的背景下，指挥调度室也需要更加专业化、智能化的工作环境，需要能够适应施工现场多变的环境。

目前，已经有许多关于在复杂环境下搭建临时设施的探索和实践。这些内容按照研究侧重点的不同可以分为硬件载体的开发和系统功能的研究两个方面。上述临时设施的载体一般应具备灵活机动、节省成本的特点。早在2015年，北京崔氏德门科贸有限公司[2]就开发出了一种可以大量运输、快速布置的折叠房屋。该房屋折叠后形似板材，与活动板房方案相比之下，其运输成本和存储成本都减少为原本的1/2左右； 随后，徐嘉诚[3]等在自己的研究中明确了折叠房屋的有关定义，指出了折叠房屋用金属液压伸缩的方式代替固定承重结构，以实现搬运和存储体积的最小化来节省成本和提高机动性； 而为了实现灵活部署的目的，马馨等[4]则基于现有厢型车进行了移动通信平台的改装设计，拓展了通信指挥平台的机动性； 在系统功能设计方面，许多学者也对特定应用场景下的功能体系进行了设计，他们的设计思路可以为本文的设计提供一定的参考； 夏江涛等[5]以突发事件现场处置为背景，将其功能具体阐述为平台架构、系统组网、终端会议和网络安全验证四个方面，通过这套功能可以实现对突发事件的及时协商与智能决策； 李钟等[6]在对灭火救援指挥调度的研究中，就受理警情、组织响应、辅助决策和实时监控四个方面设计功能，分别涵盖不同的主体，形成了一种全面的体系。参照上述的两种思路，智能工地指挥调度室的功能和设备也必须要形成完整的体系，使得指挥调度室可以将工地管理工作全面涵盖。

对于智能工地这样一个工种多、现场复杂、环境多变[7]的应用场景，现有资料对其指挥调度方面的研究十分有限。因此，本文设计了一种面向智能工地的移动折展指挥调度室。该指挥调度室在可快速部署的载体上搭设基于工程物联网的各项设备系统，具有完善的使用功能，以集成的方式有效地提高现场指挥工作的效率，对智能工地上的指挥工作提供了一定的参考意义。

1 面向智能工地的指挥调度室设计方法

1.1 指挥调度工作的要求

在智能建造的背景下，未来建筑施工过程主要面向数字化、网络化、智能化的方向发展[8]。从数字化来看，智能工地应当实现过程中所有要素和资源信息的数字化； 从网络化来看，即在获取数字信息的基础上，智慧工地要能够实现数据关联与实时更新，通过建模和交互来提高整个工地的一体化集成程度； 从智能化来看，则意味着与传统的工地相比，智能工地需要对网络中繁杂的信息加以分析，同时也要完成交互和高性能计算的工作。这是一个将智能设备终端、信息集成管理系统与管理者管理方案进行有机融合的整套体系。

指挥调度室的设计应当以满足上述智能工地的需求为准，同时也要适应整个工地上人员数量多、工种多、现场环境易变以及所涉因素关系的复杂性等特点。因此，指挥调度室需满足以下要求：

(1)能够灵活应对复杂多变的现场条件，保证良好的指挥调度环境。从这点出发，就需要对现有的指挥调度室结构进行改良；

(2)能够形成顺畅的作业流程，处理不利的影响因素，保证指挥调度高效运转。从这点出发，就需要形成一套完整流畅的工作体系，搭载充足的能够支持这套体系工作的先进设备；

(3)能够适应智能工地的应用场景及其发展趋势，适应工地多工种的工作环境，从这点出发，就要具备全面的功能，做到不同场景、不同需求与不同主体所对应功能的全面覆盖。

以灵活的可移动的折展舱为载体，通过各类传感和智能设备进行信息收集并与系统交互，搭载具有相当计算能力的分析系统和一定集成化水平的信息管理系统辅助决策，这样的方案能够更加适应智能工地的工作环境，为指挥调度工作提供巨大的帮助。

1.2 指挥调度室设计原则

移动折展指挥调度室的设计思路如图1所示。

图1 指挥调度室设计原则与要点

在设计的过程中，按照设计内容和满足需求的不同，分成移动折展机构设计、设备系统设计、指挥调度室系统功能设计三个部分。

1.2.1 移动折展机构设计原则

移动折展机构的设计目的主要在于控制施工成本、扩大工作空间、简化并加快前期准备工作。

按照思路，移动指挥调度室的设计原则就在于“可移动、可折叠、可快速部署”。将指挥调度室搭载在移动平台上，使其可以灵活移动； 添加折展机构则解决了工作与移动两者之间的矛盾； 内部设备随着展开工作而布置就位。这样的指挥调度室就可以在工地的应用场景中实现快速部署、节省成本。

1.2.2 设备系统设计原则

设备与室内布置则主要基于各种智能设备和指挥调度工作流程，对调度室内需要具备的功能分区和布置情况进行设计，满足其高效顺畅地开展工作的要求。

按照思路，移动指挥调度室的设计原则就在于“可控制、可感知、可灵活布置”。指挥调度室要处理现场收集传输来的各类数据和信息，并输出指令。设计一种分区合理且内含多种设备的指挥调度室，可以确保指挥调度工作在指挥调度室内高效完成，达到按工程需求去服务的目的。

1.2.3 系统与功能设计原则

系统和功能体系的设计，则是主要基于工程物联网和大数据处理系统，对调度室内所需要搭载的配套系统进行组合，构建其完整功能，以期形成多个子系统综合支持决策调度的高效工作方法。

目前的指挥调度工作，大多是依据分散的系统各司其职，在功能方面并未进行集成和整合，容易导致不同的管控目标之间产生冲突，也存在对工程不能全过程全要素覆盖的情况。构建“一张图、一块屏、一张网”的服务功能体系，可以有效地减少不同功能之间的冲突和数据的冗余，实现多个维度相互影响与协调统一，实现工地价值最大化。

2 移动折展机构设计

2.1 可移动指挥室

工地上常见的可以充当房屋设施的单元就是集装箱。以集装箱为活动房的概念已经不是首次提出，在之前的研究中就已经有研究人员对集装箱式活动房的使用情况和监管措施进行了研究[9]。在新冠病毒肆虐武汉之时，以集装箱为基础的模块化复合建筑也为疫情防控贡献了巨大的力量[10]。将集装箱作为指挥调度室本身，再为其添加移动所必须的移动平台，例如将其设置在拖车底盘上，或是直接设置在较大的厢型车、小型货车后进行牵引，就可以避免重复搭建重复拆除。有工作需要时驶入现场，工作完成后驶离现场，以这样的方式节省时间、控制成本，其示意图如图2所示。

图2 建立在拖车底盘上的移动折展集装箱示意

2.2 折展机构设计

空间折展机构是一种具有展开和折叠功能并在展开后能够满足使用者使用需求的一类装备，此类装备通常应用于解决有限的运载空间与较大的使用空间之间的矛盾[11]。

在施工调度室中使用的折展机构其主要目的是在于扩展使用空间、方便运输。因此，采用一种可以在一维方向拓展空间的折展方式即可。

选定折展形式主要为伸展臂展开后，以此折展机构为基准，按照其伸展特性将指挥调度室设计为矩形的长边侧墙打开，因为这样的方式可以在伸缩同样宽度的前提下扩展更大的使用空间，如图3所示。

图3 不同展开方案的拓展面积对比

按照指挥调度的工作需求，扩展面积部分不仅需要侧墙，也需要地板和屋顶。因此，将整个折展过程划分为三部分：第一部分为副屋顶，第二部分为平移侧墙和地板，第三部分为旋转打开的侧墙，其打开步骤如图4所示。

图4 移动折展机构的打开过程

图4中从左至右依次为a.移动就位后副顶板打开； b.边板和地板伸展； c.侧墙旋转打开。

对于其中支持折展的三处机构和动力来源，副屋面采用的是铰接的连杆，使用电机传动提供旋转扭力，旋转侧墙与副屋面大体类似； 对于平移侧墙和地板这部分机构，考虑到墙和地板连接复杂且地板还要起到承重作用，因而需要选用更加稳定复杂的伸缩机构。

对于有额外需求的平移侧墙和地板活动机构，表1列出了两种选型时在ADAMS软件中模拟的两种空间折展机构及折叠比[12]等计算参数，对应的示意图如图5所示。

表1 候选折展机构参数对比

图5 不同折展机构的形式示意图(从上至下依次为A/B)

最终，确定并应用在移动折展指挥调度室上的三组折展机构情况如图6所示。

图6 三处折展机构的连接方式示意

3 指挥调度室设备系统设计

3.1 设备系统体系架构

在智能工地的应用场景下，本文构建了工程物联网，工程物联网有全要素感知、信息数据传输、分析辅助计算、智能决策控制四个层次。指挥调度室主要职能的实现就是与工程物联网的各层次对接。因此，指挥调度室的设备系统也可以分为全要素感知、信息数据传输、分析辅助计算及智能决策控制四个层面，图7为指挥调度室设备系统构架：

图7 指挥调度室设备系统体系构架

(1)全面感知

在感知层面，主要目的是获取工程数据。指挥调度室在这一方面主要采用传感技术、机器视觉及非接触式检测等技术，将相关设备如传感器、高清摄像头、雷达等搭载在指挥调度室外围、无人机、机器狗以及穿戴设备上，以完成对整个工地信息的感知收集。

(2)网络通信

在传输层面，指挥调度室需要适应移动折展指挥调度室的灵活机动需求，同时要优化数据传输手段。因此，构建一种有线传输技术与无线传输配合工作的传输系统，可以将无线传输的灵活机动与有线传输的稳定高速有机结合起来。随着新型传输技术的发展，也可以选择5G移动通信，形成速度快、延迟低、规模大的传输网络[13]。

(3)分析处理

在分析层方面，指挥调度的工作内容要求对回传数据所包含的信息进行深度挖掘。指挥调度室内引入云计算、边缘计算等处理手段，从繁杂的数据中提取清晰可用、有指导意义的信息。

(4)决策控制

在决策层方面，针对工程上多变量多目标的决策问题，指挥调度室搭载模拟人工智能的智能控制系统，通过微型化的控制设施实现场上智能、自治协同控制的模式，从而达到自主决策或辅助决策的目的。

3.2 指挥调度室系统设备选型设计

指挥调度室系统设备选型设计分为以下四个层面：

(1)在感知层面，主要目的是获取现场的各类数据，如图像数据、物理空间数据、工作环境和设备状态的参数等。对于图像数据，选择使用高清摄像机进行捕获，将摄像机搭载在无人机上，可以支持实现场地测绘和俯瞰监控； 将摄像头装载在四足移动平台(机器狗)上可以采集场地数据、采集人的动作数据，用于支持图像数据的处理； 温度、风速、噪声等现场物理参数数据主要由固定在各处的传感器进行采集； 场上移动的设备和人员也可以携带一些微型传感器； 其他诸如雷达检测和射频识别等采集技术也会用在各自的终端上。

(2)在传输层面，按照前面所设计的系统的要求，需要搭载有线传输的数据总线、地址总线、控制总线与配套接口； 搭建用于无线传输和网络共享的服务器和标准化网络。若要搭载传输能力更强、接入速率更快的5G网络，也需要相应的信号发生和接收器。

(3)在分析层面，进行大数据相关的计算除了需要稳定快速的传输存储，也需要强大算力的计算机硬件。

(4)在控制层面，除了算法和数据的支持，设备也同样重要。使用例如MEMS等微型设施，使控制系统便于嵌入智能化的工程设备； 使用数字大屏等输出终端，将信息和系统分析结果集成并可视化呈现，辅助决策人员进行决策。

综上所述，移动折展指挥调度室搭载的设备如表2所示。

表2 指挥调度室内搭载设备一览

4 指挥调度室系统功能设计

指挥调度工作需要对整个工地的全寿命期全方位进行管理，因此，指挥调度室的功能设计也必须涵盖工地管理的全要素。而想要在有限的指挥调度室空间和资源内将管理工作做到全面严谨，就必须实现集成化、自主化和可视化。

4.1 系统功能体系设计

搭载在指挥调度室中的集成化管理平台，应该集成领导决策、实时监控、隐患识别、安全预警、应急救援、质量监管、设备状态监测、物料全过程跟踪、人员考勤和出入管理等多种功能，其功能体系如图8所示。

图8 指挥调度室功能体系

在上述功能体系中，各系统相互协作、相互配合如下所述：

领导决策系统含有神经网络、生成对抗网络等智能控制算法，辅助进行智能化的决策，决策结果输出至人员、设备和物料管理系统进行调度指挥。领导决策系统的工作离不开其它系统的支持。

监控系统作为感知现场的一种重要手段，主要获取图片和录像数据。这部分数据一方面被传输到数据库系统中存储； 另一方面通过人脸识别、姿势识别、机器视觉等技术提取信息，支持人员管理、安全预警等系统的工作[14]。

隐患识别系统的主要数据来源是现场回传的传感器数据以及图像监测信息,利用这些信息可以进行现场工作环境的监测[15]。若识别出工程隐患，隐患识别系统则及时向领导决策系统提出警告，同时将报警记录和原因记录在历史数据库中。

风险分析系统主要是基于现场回传的各项实时参数，对可能发生的安全事故进行预测。与隐患识别相比，风险分析更注重那些有可能发生或也有可能不发生的损害。当其发生的概率设定阈值时，将向领导决策系统发送警告。

质量管理系统主要是对现场已经或即将完成的建筑产品进行质量监控。质量监控并非仅进行局部验收，而是对现场产品进行长期的追踪监测。其数据主要用于隐患识别和风险分析，也同时存储在大数据库系统中。

人员管理系统主要面向人员行使管理职能。工程物联网使得场上人员的信息和状态都能够被实时获取。通过人脸识别、身份认证等手段，人员管理系统可以实现实时定位、准入(出)管理、出勤考核等功能。人员管理相关记录，如出勤情况、出入记录等也将被记录在数据库系统中。

设备状态系统主要面向机械设备进行监控指挥。管理系统通过设备自带的无线传输手段和现场的传感设备与之相连，并由此可以获取到设备的运行环境、状态、位置[16]等数据。这些数据可以为机械设备的调度、检修等提供依据，也可以用于支持风险分析等其他工作系统。设备管理的数据也记录在大数据库系统中。

物料跟踪设备主要面向场内的各类材料进行管理。在工程物联网的背景下，材料的生产信息、存储状况、安全质检状况全都实现数字化。系统经由RFID射频识别、机器视觉等技术实现对库存的管理，进而实现对材料从入场开始的全过程跟踪[17]，相关数据存储在数据库中。

进度监测系统也通过现场获取的数据与数据库中的原定计划进行对比，为领导决策系统的指挥调度工作提供宏观的依据。

大数据库系统则用于存储上述各系统收集的数据、操作记录以及分析的结果。存储的数据可用于计算分析，深度挖掘其中可用的信息。

包含大数据库系统在内的所有系统互相协助，共同行使指挥调度室的智能。这是一个庞大复杂的协作体系，相应的管理维护是不可或缺的。综合管理系统起着对各个子系统进行访问权限管理、数据传输监控、日志记录、定期自检以及维护管理的功能。

指挥调度室内搭载支持系统运行的基础硬件，安装对应的操作系统。搭建便于访问的网络平台，使得上述体系能够在指挥调度室内方便快捷地投入使用。

4.2 系统功能角色设计

指挥调度工作不仅需要有多功能集成的系统来支持，更需要不同职位的工作人员各司其职，才能将所设计系统的功效最大化。集成系统可以按照不同参与主体的任务需求显示不同的数据和页面，以辅助场上工作人员各司其职。图9展示了指挥调度不同参与主体的任务和职能。

图9 指挥调度不同主体的任务与职能

指挥调度管理系统主界面内容包括信息一览、项目地图、安全评级、留言板以及工作环境评价等信息， 如图10所示，项目沟通平台主要用于公布会议和日程安排、发布决策指令和反馈现场问题； 现场信息平台主要进行各类现场数据的上传和收集，例如测量数据、安全数据、施工日志等。

图10 指挥调度管理系统主界面的一种示例

决策者在管理平台的主界面可以进行相关信息的查询、可以通过沟通窗口向其他人员发送指令、对上传至现场信息平台的数据等文件进行检查，对需要审核的资料进行审批； 现场的工作人员则应做到及时更新沟通平台和信息平台上的信息； 项目管理人员可以在沟通平台上反馈问题，从信息平台上记录的数据获取信息； 系统还需要系统开发和维护人员对整个系统进行定期的检查维护与使用追踪，并在此基础上对系统运行提出合理的建议。

5 工程应用

在现有的施工现场分别进行了集装箱指挥调度室的搭设和软件系统的应用实践。

如图11所示，即为工地上的集装箱式智能施工指挥调度室，内部设有4个配备计算机的工位、2台全站仪、高清微型摄像头、6块数字大屏以及其他相关设备。

图11 集装箱式智能施工指挥调度室

在实践过程中，指挥人员坐在屏下的工位上； 现场信息由监控和传感器等设备收集，回传后录入数据库，并对其运用云计算等算法进行信息发掘； 获取的信息和数据形成可视化的结果集成显示在墙侧的LED屏上，如图12所示。

图12 指挥调度室内显示大屏

集装箱指挥调度室室内环境舒适，运行稳定，各控制器和传感器等硬件设备运行正常，平台系统等软件设施由技术人员定时维护，安全评级良好。 场上信息能够清晰汇总在“工程建设一张图”上，管理者可以根据分析得出的信息迅速准确地掌控现场情况，并在计算机辅助下做出科学决策，形成了清晰的指挥调度作业形式，性能可靠。

6 总结

数字化、网络化、智能化是未来智慧工地的发展趋势。为了适应这种趋势，提高工程项目的管理水平，本文设计了一种面向智能工地的移动折展指挥调度室。指挥调度室的设计工作主要围绕活动机构、系统设备、功能分析三部分来进行：

(1)基于指挥调度室灵活移动部署的需求，本文采用拖车或厢型车底盘完成移动动作，集装箱房间设有3组折展机构。 这样的设计使得指挥调度室在伸展状态下面积约为收缩时的2倍，以兼顾灵活移动和舒适使用的需求。

(2)基于智能工地所应用的工程物联网的4个层次，本文分别对指挥调度室内需要搭载的设备进行了探讨和分析。感知层设备获取数据力求全面精准，传输层通道建设要求快速高效，分析层设备要能够支持算法运行，控制层设备要进行集成与交互。按照需求配置设备及其参数，最终形成完整的设备系统，达到了感知控制、灵活部署的目的。

(3)基于功能体系的完整性，本文从结构和主体两方面对指挥调度室功能进行设计。在功能体系中，集进度、安全、质量、人员以及物料等管理于一体，并建立数据存储和维护系统。为工程中涉及的不同主体搭设信息接口与沟通渠道，形成涵盖全要素、涉及全主体、管控全过程的功能体系。 不同功能也对应着许多智能工地的应用场景，对相关的实践有一定的借鉴意义。