1前言
施工管理過程其實就是信息流動的過程,通過信息從上層到下層或從下層到上層的縱向流動,以及在同壹層次間的橫向流動,達到管理和控制的目的。但目前我國的建設工程管理過程中,信息的流動主要采用手工統計數據、編制報表的方式(壹些企業即使采用了計算機,也主要用於將手寫的報表編織成打印的報表),這種方式工作量大、效率低,難以保證信息的及時性和有效性。
隨著“數字化地球”概念的提出,“數字化”時代已經到來,相對其他行業和領域來說,建設工程領域的數字化概念還很模糊,數字化的施工管理方法研究也很少見。為此,本文從“數字化施工管理”概念出發,重點分析了數字化施工管理的內涵及可能實現的手段。數字化施工管理是工程管理領域的必然趨勢,本文拋磚引玉,以期引來同仁的積極探討並帶來數字化施工管理的繁榮。
2數字化施工管理的內涵
與“數字地球”的概念相似,“數字化施工”就是將施工過程數字化,它包括工程全部施工過程信息的數字化、網絡化、智能化和可視化。“數字化施工管理”即在數字化施工的基礎上,用數字化手段整體性地解決工程施工問題並最大限度地利用信息資源。
數字化施工管理是以知識為基礎,運用空間的概念整合信息及資料庫的體系,是壹種強調知識***享與更新的機制及過程,註重將原始資料經過整理、統計與分析後變成信息,而信息經過充分運用及***享,則可轉化為有用的知識。
因此,本文認為數字化施工管理的內涵應包括以下幾個部分:
①空間信息技術;
②系統仿真計算;
③可視化與虛擬現實;
④多智能體施工。數字化施工管理的興起將為建設行業加快工程進度、節約工程造價、保證工程質量等起到巨大作用。
2.1空間信息技術
空間信息是數字化施工管理的首要前提,它包括施工場地的地形、地貌、建築物、施工項目等壹切空間的信息。空間信息技術是處理空間信息最為有力的工具,它主要包括遙感技術(RS)、地理信息系統(GIS)和全球定位系統(GPS),即3S。其中,地理信息系統在建設工程管理中發揮了越來越重要的作用。
地理信息系統(GIS,GeographicInformationSystem)是近年來迅速發展起來的、壹門介於地球科學與信息科學之間的交叉學科,亦是地學空間數據與計算機技術相結合的新型空間信息技術。它是在計算機硬件和軟件支持下,運用系統工程和信息科學的理論,科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數據,以提供對規劃、管理、決策和研究所需信息的空間信息系統。
GIS具有存儲、處理、傳輸和顯示海量地理信息或空間數據的功能,因而適合用於管理規模越來越龐大的工程建設系統的信息。目前有學者研制開發了以GIS和數字媒體技術為基礎的三峽工程決策支持系統集成指揮中心,在可視化的環境下以多種媒體形式為決策用戶提供各種施工動態、靜態信息,為提高決策效率提供有效的工具[3]。GIS可以對信息進行空間分析和可視化表達,這些功能適用於工程地質勘探、工程項目選址分析、工程項目風險評價、施工平面規劃等工程建設領域。豐富的查詢功能也是GIS的壹大顯著特點,GIS提供圖形查詢、文字查詢、事件查詢和過程查詢,利用這些功能不但能獲得與空間坐標有關的各項實體的信息(如設計參數、圖紙等),還可以獲得動態的過程信息,如施工過程信息等。文獻[4]將GIS用於公路建設管理中,利用GIS動態反映路基、結構物的施工進展情況,隨時反映出工程的變更情況,實現各構造物的施工進展形象圖及各種信息的統計與分析。近年來,隨三維、四維的數據模型日趨成熟,三維、四維的GIS也逐漸得到研究和應用。天津大學的鐘登華等將GIS技術與系統仿真技術相結合,並廣泛應用於水利水電工程的施工領域中,如壩區地質三維可視化、地下洞室和大壩施工過程三維動態演示、施工導截流施工管理、施工場地總布置等,在行業內取得不小的反響[5-7]。如圖1為應用GIS技術生成的某水電工程施工場地總布置圖。另外,與人工智能、面向對象、萬維網、虛擬現實等技術的結合的新型地理信息系統不斷的出現,這與施工管理數字化的趨勢相符合,因此也必將在工程建設領域得到更加深入和廣泛的應用。
2.2系統仿真計算
系統仿真技術是20世紀40年代末以來隨著計算機技術的發展逐步形成的壹門新興學科,它以相似性原理、系統工程方法、信息技術以及應用領域相關專業技術為基礎,以計算機等設備為工具,利用系統模型對真實的或設想的系統進行動態研究的壹門多學科的綜合技術[8]。仿真就是通過建立系統模型對實際系統進行試驗研究的過程。隨著仿真技術的發展,現代仿真技術已經成為任何復雜系統不可缺少的分析、研究、設計、評價、決策和訓練的重要手段。
國外從70年代開始將仿真技術應用到工程施工過程仿真,以循環網絡仿真軟件為代表的壹系列軟件已廣泛的應用在隧洞施工、土石方開挖、橋梁施工、管道施工等工程施工領域,如Halpin用於工程施工過程仿真的CYCLONE;Moavenzadeh用於費用預測的隧道施工仿真軟件TCM;Clemmins用於土方工程施工仿真的SCRAPESIM;Kavanagh用於代替CPM的循環網絡仿真系統SIREN;Odeh基於知識的施工計劃仿真系統CIPROS;Huang用於施工過程動態交互仿真的DISCO等等。
隨著人們對建模方法學研究的不斷深入及計算機技術的飛速發展,對系統仿真技術提出了更高的要求。20世紀90年代以來,系統仿真的研究主要集中在:分布式交互仿真(DistributedInteractiveSimulation)、面向對象仿真(Object-OrientedSimulation)、智能仿真(Intel ligentSimulation)、可視化仿真(VisualSimulation)、多媒體仿真(MultimediaSimulation)等等[10]。圖2為可視化與仿真相結合而生成的可視化施工管理過程。
在國內,天津大學的孫錫衡[13]等於80年代初首先把仿真技術引入水電工程施工領域,隨後,鐘登華等人對大型地下洞室群、混凝土壩的施工過程進行仿真研究,尤其是近期提出基於GIS的可視化仿真等理論和方法在眾多大型實際工程中得到了成功的應用[14-20]。其他的壹些研究單位和學者也在施工過程仿真領域作了壹定的工作。其中,同濟大學[21]根據已
有的盾構法隧道施工引起地層移動理論,采用了基於數據體視化算法的計算機仿真技術,研制了盾構法隧道施工實時預測與控制仿真軟件;武漢水利電力大學和大連理工均在混凝土壩澆築仿真方面進行了研究[22-24];四川大學主要研究了地下洞室群施工過程的仿真計算[25],等等。沙梅[26]用離散系統仿真對集裝箱碼頭的工藝系統設計進行模擬,為集裝箱港口工程項目設計提供決策支持。曾賽星[27]引入了可用於離散事件和連續事件的SLAMⅡ仿真系統,針對壹個多服務臺的土方運輸系統進行了傳真試驗。
2.3可視化與虛擬現實可視化即科學計算
可視化(ViSC,VisualizationinScientificComputation)[28],是指運用計算機圖形學和圖像處理技術,將科學計算過程中產生的數據及計算結果轉換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來,並進行交互處理的理論、方法和技術。而虛擬現實(VirtualRe ality,簡稱VR)是采用以計算機技術為核心的現代高新科技生成逼真的集視覺、聽覺、觸覺與嗅覺為壹體的特定範圍的模擬環境,通過多種傳感設備(如頭盔顯示器、立體眼鏡、數據手套、數據衣等)使用戶以自然的方式與模擬環境中的物體進行交互,從而產生身臨其境的感受和體驗。
與可視化相比,在VR系統中用戶與計算機的交互方式就像現實中人與自然的交互壹樣,即具有沈浸性(Immersion);在VR系統中用戶不再是被動地接受計算機所給予的信息或者是旁觀者,而是能夠使用交互輸入設備來操縱虛擬物體,以改變虛擬世界的,即具有良好的交互性(Interaction);用戶利用VR系統可以從定性和定量綜合集成的環境中獲得感性和理性的認識,從而深化概念和萌發新意,即具有想象性(Imagina tion)。由於上述特點,虛擬現實在建設工程領域的應用成為了新的熱點。
利用VR的可視化特性,對整個施工現場場景和施工過程進行三維展現,可以充分挖掘人類視覺獲取信息的潛能,使工程技術人員和決策人員可以最大限度地獲得施工過程的信息,有效地檢驗施工組織設計方案的可行性;用戶也可以進入數據本身所在的環境,通過實時交互修改參數來對不同施工方案進行比較。
VR的交互性是學校教學或培訓員工的有效工具。建築工程施工和管理是實踐性較強的課程,而現實條件又不可能提供所有的實踐環節,采用VR構建壹個虛擬的工程建設環境,使學生“參與”其中,將會提高學生的“實踐經驗”。采用VR技術虛擬施工過程,也有助於操作人員全面了解操作流程,優質安全地完成施工任務,尤其對壹些特殊的或危險的操作進行全面培訓,可以大大提高培訓的安全性,並降低培訓的費用。
2.4多智能體施工
智能體(Agent)是指為了實現自己的設計目標或任務而獨立自主的運行,能適應自身所處的環境,並能不斷地從環境中獲取知識以提高自身能力,具有學習和推理功能的智能實體。多智能體系統[34]是由多個可計算的智能體組成的集合,其中每個智能體是壹個物理的或抽象的實體,能作用於自身和環境,並與其他智能體通訊。其目標是特大的復雜系統(軟硬件系統)建造成小的、彼此相互通訊及協調的、易於管理的系統。多智能體技術是人工智能技術的壹次質的飛躍。多智能體技術具有自主性、分布性、協調性,並具有自組織能力、學習能力和推理能力。采用多智能體系統解決實際應用問題,具有很強的魯棒性和可靠性,並具有較高的問題求解效率。由於多智能體技術的這些特點,它在解決復雜大系統的問題是具有明顯的優勢。
隨著國民經濟的發展和新技術、新材料、新工藝的不斷出現,工程項目規模不斷擴大、形式日益復雜,工程建設過程涉及的單位和個人也越來越多,因而對建設工程管理的統籌性、協調性、時效性提出的要求就越來越高。對於這樣壹個復雜的系統,應用多智能體技術來保證工程建設任務的順利進行時非常合適的。
目前,已有學者研究基於Agent的工程建設協同工作方法,為工程建設項目進行高效管理、協作設計的提供重要的工具[35]。曾明[36]以蘇州河綜合整治工程的計劃管理為背景,提出壹種用於多部門計劃協調支持系統的Agent協同工作組織結構。由於在招投標時,需要大量的工程量數據計算工程造價,重慶大學的任玉瓏等提出了構建適用於投標計價和做招標的標底的招投標計價多Agent協同工作系統的思想,該多A gent協同工作系統包含工程量計算Agent和造價計算Agent[37]。西北工業大學的儲備等從設計資源的角度深入研究了通過Agent以招投標模型實現產品設計任務的合理配置從而達到設計資源的合理分布與合理流轉[38]。大型水利工程的物資供應系統是壹個復雜系統,為此,劉三伢等[39]將供應鏈管理理論和Agent技術引入大型工程物資供應系統的研究中。
總的來說,多智能體技術在建設工程領域的研究和應用還很有限,有待進壹步拓展其應用的深度和廣度。
3數字化施工管理的實現
如同數字地球壹樣,數字化施工的實現是壹個長期復雜的工程,它需要各種相關知識、技術等的***同提高與發展,軟環境與硬(件)環境同時不可或缺。在硬件方面,要在工程施工區內布置高速寬帶互聯網,大量的現場跟蹤攝像設備,可隨時接入Internet、具備無線上網功能的電子計算機,數碼設備等,每個現場施工人員需配備先進的數字設備。同時現場配備多臺跟蹤攝像與監測設備,在施工中結合系統仿真計算,部分實現了數字化施工。在軟環境方面,要組建高效精幹的數字化施工管理機構,做好施工前的數據資料收集準備工作,強化施工過程中的管理與控制。
4結束語
數字化施工管理是工程管理現代化的需要,也是數字化時代的必然趨勢。雖然,目前數字化施工管理還是壹個全新的概念,相關理論和技術尚不成熟,但是應該看到,在壹些方面我們已取得了壹定的成果。本文僅粗淺地討論了對數字化施工管理的概念和相關理論方法的認識,以期帶來更多的探討,***同促進數字化施工管理的繁榮。
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