当前施工管理中, 施工设备日常管理依赖于管理人员手写记录, 管理手段单一, 且无法实现对施工设备持续监管。由此容易引发施工设备故障率高、寿命周期短和工人违规操作设备等诸多问题。近年来, 随着对施工设备管理研究的深入, 施工设备管理方法与技术取得了一定进展^[1]。国外有利用生成热图^[2]、接近危险指标^[3]、外部视图^[4]等进行施工设备安全管理, 国内有利用虚拟现实^[5]进行设备调度管理。这些成果为设备管理提供了一些方法, 但仅侧重于施工设备管理的某一方面, 缺少对施工设备的集成管理, 且管理的智能化水平不高。

为此, 以无线射频识别技术 (radio frequency identification, RFID) 为核心支撑, 设计了一种施工设备智能管理系统, 并可实现与BIM系统对接。该系统跳出了施工项目部管理和委托管理的传统施工设备管理模式, 将物联网技术应用到施工设备管理中来, 实现了施工设备的自动化与智能化管理, 具有成本低、实用性强等诸多优点。该系统能够有效协助管理人员实时掌握设备信息、统筹设备调度, 保障设备能够得到及时维修和按时保养, 提高施工设备管理的效率和水平。

施工过程中, 由于施工设备部分为场外租赁等原因, 导致国内施工企业较为轻视施工设备管理, 这也加大了施工设备管理的复杂性。

通过对某特级施工企业的调研, 发现对施工设备管理系统的主要需求及难点如下:

1) 权限管理施工场地面积大, 施工设备数量种类繁多, 易发生设备操作资质不足的工人违规操作设备作业的情况, 造成潜在安全隐患。因此, 需要实现对施工设备权限管理。其实现难点在于:如何既不增加过多额外环节和成本, 又能保证对设备的有效管理。

2) 工作面定位和工时统计施工现场情况复杂, 施工设备流动性强, 管理人员难以及时掌握施工设备的位置信息。且施工设备的日常管理过度依赖纸质记录, 难以准确作为操作工人工时计量的依据。因此, 需要实现施工设备工作面定位和工时统计功能。其实现难点在于:管理人员精力有限, 无法实现对施工设备持续有效的监管。

3) 维护管理施工单位为赶进度, 常常使施工设备长时间高强度运转, 致使施工设备出现故障率高、寿命周期短等问题。因此, 需要实现对施工设备的维修保养功能。其实现难点在于:安全员对需要维护的施工设备控制手段不足。

4) 调度管理施工场地工况复杂, 突发状况多, 计划落实难。因此, 需要实现施工设备的调度功能。其实现难点在于:管理人员难以及时有效地掌握施工设备的分布情况, 并据此进行设备调度。

RFID技术, 采用一种非接触的方法对贴有标签的人或物进行自动识别, 在工业生产领域得到了广泛的应用^[6,7]。Zig Bee是近年来提出的一种近距离、低功耗、低成本的双向无线通信协议, 主要应用于自动控制和远程控制领域^[8,9]。

RFID技术的优势在于: (1) 识别速度快、识别距离灵活, 可以做到穿透性和无障碍阅读; (2) 抗污染能力强、耐久性好; (3) 标签内容可以多次编辑。将此技术应用在施工设备管理方面的优势在于: (1) 可批量高效地读取内置在施工设备的RFID标签; (2) 读取过程基本不受工地扬尘环境的影响; (3) 标签信息可以多次修改, 方便施工设备信息的更新, 且标签可以重复利用, 降低使用成本。Zig Bee协议的优势在于: (1) 功耗低, 使用干电池就可以工作; (2) 自组网, 可灵活控制传输距离; (3) 成本低, 降低施工设备管理成本。

系统共包括6个功能, 其中, 权限管理和工时计量功能是其他4个功能实现的基础。系统功能如表1所示。

基于RFID技术的特点以及施工设备的管理需求, 本文设计的基于RFID的施工设备智能管理系统由工人端、设备端、网络端和应用端组成。基于RFID的施工设备智能管理系统架构如图1所示, 系统各终端功能如表2所示。

工人端是指内置在工人安全帽、工作证等载体中的RFID标签, 在标签内预先写入该工人的工号、姓名、设备操作权限等基本信息, 作为工人的电子身份证。

设备端包括2部分: (1) 设备权限管理装置; (2) RFID标签、RFID阅读器和Zig Bee模块。

权限管理装置包括RFID阅读器、单片机单元、声光报警器和Zig Bee通信模块。RFID阅读器用于读取工人的RFID标签信息。单片机用于调取RFID阅读器读取的信息, 并与预先写入单片机中的具有设备操作权限的名单进行比对, 进行权限判定。如果权限符合, 则启动施工设备, 并记录设备运行时间;如果权限不足, 则阻止施工设备启动, 启动声光报警器。同时, 将调取的工人信息及判定结果传输到Zig Bee模块中去。Zig Bee模块用于将接收到的信息上传至网络端的Zig Bee模块。权限管理装置架构如图2所示。

设备端的RFID标签预先写入施工设备的信息, 作为施工设备电子身份证。RFID阅读器布置在施工现场各关键入口处, 用于读取经过入口处的施工设备标签信息。

网络端包括Zig Bee模块、标准信号转换器、交换机、路由器。主要用于接收来自设备端Zig Bee模块的信息, 并将信息进行转换后, 传输到指定的路由器中;路由器将信息传输至应用层的数据库中。

应用端指用户计算机, 用于记录施工设备的运行状态、所处工作面和违规操作设备情况, 并统计工人工作时间。

1) 系统初始设置 在工人RFID标签内写入工人基本信息, 将标签贴在工人安全帽中。在施工设备RFID标签内写入设备基本信息, 将标签固定在施工设备左侧倒后镜背面。在单片机内预先写入具有设备操作维护权限的工人名单。将权限管理装置安装在施工设备内, 并与施工设备的启动装置连接。在施工现场各关键入口处安装RFID阅读器。

2) 数据读取 工人申请启动施工设备, 权限管理装置中的RFID阅读器读取内置在工人安全帽或工作证等载体中的RFID标签的信息。

3) 权限判定 单片机调取RFID阅读器读取的RFID标签信息, 并判断施工设备是否处于“待维护”状态。若施工设备处于“待维护”状态, 将预先写入单片机的具有设备维护权限的工人名单进行对比, 从而判断该名工人是否具有该设备的维护权限;若该名工人具有维护权限, 则允许施工设备启动;反之, 启动声光报警器。设备运行结束后, 设备转化为“待工作”状态。若施工设备未处于“待维护”状态, 则将预先写入单片机的具有设备操作权限的工人名单进行对比, 从而判断该名工人是否具有设备操作权限。若权限符合, 则允许施工设备启动;反之, 启动声光报警器。

4) 工时计量 若系统判定工人操作权限符合, 权限管理装置中的单片机单元记录施工设备的工作时间, 设备运行结束后, 将设备运行时间信息上传至计算机后台, 作为工人工时计量的依据。

5) 违规操作记录 若系统判定工人操作权限不符, 权限管理装置将违规申请操作设备工人的RFID标签信息上传至计算机后台, 计算机后台汇总非法操作设备的工人信息。若同一工人出现2次违规申请操作设备, 则对其附加重点标记, 并由管理人员对其进行安全教育。

6) 工作面定位 施工设备通过各工作面关键出入口处时, 位于该处的RFID阅读器读取该施工设备的RFID标签, 并上传至计算机后台。计算机后台依据上传标签信息的RFID阅读器的位置, 判断施工设备进出的工作面。

7) 调度管理 设备管理人员依据施工设备所处的工作面信息和施工计划, 进行设备调度。

系统运行流程如图3所示。

以某保障性住房项目为例, 展示该系统的应用过程及预期效果。

该项目施工设备管理的特点是施工设备多、施工周期长。施工设备管理水平的高低直接影响施工进度和施工成本, 仅依靠人工进行施工设备管理效果一般, 需要其他辅助手段进行协同管理。应用本系统对施工设备进行管理, 可以极大地提高管理水平, 节约人力成本, 提高管理效果。本系统需采购的硬件清单如表3所示。

在施工现场、施工设备和施工工人安全帽上安装本系统所需的硬件。如图4所示。

为提高施工设备管理水平, 基于RFID技术, 设计了一套施工设备智能管理系统。该系统能够实现施工设备权限管理、工人工时计量、违规操作记录、工作面定位、维护管理和调度管理功能, 满足施工设备功能需求, 实现施工设备的智能化管理。

同时, 在系统测试过程中也发现了一些问题, 如位于施工现场的RFID阅读器读取设备端标签的准确率不高。其原因在于: (1) RFID阅读器本身读取标签的稳定性不足; (2) 读取效果易受周围金属物体反射的影响。未来, 将尝试使用不同型号的RFID阅读器, 测试读取效果;尝试使用塑料支架代替金属支架固定RFID阅读器, 以减少金属反射干扰, 改善读取效果;同时测试RFID标签安装位置对读取效果的影响, 提高读取准确率。还可将采集到的施工设备的位置数据和安全信息导入到BIM系统中, 实现施工设备的可视化、集成化管理, 提升管理效果和管理水平。