《数字建造与工程安全》

发布时间:2017-02-20
作者:丁烈云
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+ 信息化背景下,数字建造是建设行业发展的必然趋势。
++ 数字建造实现工程的实体价值,也实现工程数字资源的增值。
+++ 工程安全控制,应充分利用工程的数字资源,提高安全管理水平。
 
大家都知道目前各个国家都在忙的一件事情,颠覆性的技术对产业会带来什么样的变动?我们在“十三五”乃至更远的这么一段时段,这一时期颠覆性的技术到底有哪些?我给大家列举麦肯锡全球研究所2013年的一个报告,还有美国《国防》杂志2014年提出的十项技术,以及《美国国家创新战略》提出的九项。可以看出尽管这些颠覆性的技术不是太一样,但是有一个共性的东西就是信息技术,特别是人工智能,甚至就是无人系统,而且都放在一个非常重要的位置。并且在这基础上,各个国家都在制定自己国家科学技术发展的规划。比方说,2014年德国的“工业4.0”;在12月份,英国的“我们的增长计划”;以及法国、美国、日本、韩国等等也都有其规划。
 
 
这些发达国家在制定自己的科技发展计划的时候,基本上体现串联式发展过程,什么是串联式的发展过程呢?就是从“工业1.0机械化”,“2.0电气化”,“3.0自动化”,“4.0信息化”,基本都遵循这样一个规律,这就是串联式的发展规律。
 
但是在我们国家,也制定了自己的一个发展计划,其中最能够引起大家关注的就是制造业的发展规划,“中国制造2025”。分三步走,由制造业的大国怎样变成制造业的强国。有一个非常重要的特征,国外串联式发展,而我们是并联式发展。我们可能工业化还没有完成,甚至建筑领域机械化还没有完成,但是我们现在是工业化、信息化、城镇化叠加,也就是工业2.0、3.0、4.0同步发展。所以说,这是一种并联式的发展过程。
 
我们回到自己的行当:建造业。刚才说的是制造业,其实制造和建造是密切相关的,大家可以看到,目前中国经济改革开放三十多年来,发展实际上是两架马车,一架马车是制造业,它是立国之本,兴国之基,强国之基;另外一架是建造业,它是经济发展非常重要的一个载体。每当GDP增长减速的时候,就会从制造业,建造业想办法。
 
但是国家在科学技术的投入方面、在重视方面,制造业比建造业占更高地位。同时我们也应该看到,既然有了“中国制造”,能不能有“中国建造”?中国的制造是通过智能制造来打造的,所以我们来看一下建造业。建造业新技术的运用比制造业确实是慢一些,这个我们要承认。
 
那么为什么会出现这种情况呢?因为建造业本身具有自身的特点,粗放式、碎片化的生产方式,没有得到根本性的改变。首先这种碎片化,是专业的碎片化,专业的分工是建筑、结构、机电、给排水,没有一个人能够同时学这四种专业,但是制造业不一样,一个人学了机电制造,就很多东西都能做。而我们呢,设计需要建筑师的执照,其他还要结构工程师的执照、建造师的执照等等。所以专业是碎片化的,另外从设计到施工过程是碎片化的,所以就变成这么一种碎片化的生产方式。这就是建造业跟其他产业不一样的地方。
 
如何将粗放型的生产方式转变成精细的生产方式?制造业给我们的启示,就是走信息化之路。通过数字建造来打造中国建造,这就是我提出的数字建造的背景。其实发达国家在这些方面做了大量的工作,在硬件方面,工业建造的机器人,网络方面有智能建筑、传感器,平台方式有BIM,还有IFC的标准。所以中国确实需要符合中国国情的数字建造的创新技术体系。
 
什么是数字建造,说实话,我也没办法说清楚,因为这是一个研究,靠我们去建立。国外也没有系统的东西,各种各样的概念都有,但是有几点是共同的。目标是一样的,它是有效的利用资源,实现可持续的发展,它采用的技术核心是信息技术、计算机技术、网络技术。其组织发生了一个变化,强调知识型组织,管理由原来的被动式管控,变成风险的主动式管控。
 
按照建造业的过程性,我们再来看数字化设计,数字化设计本质上就是把原来的形式逻辑的形体的设计转变成数理逻辑的设计,可以通过数学模型把建筑的形体打造出来,其中最典型的就是NURBS曲线,原来它是设计飞机、汽车的,现在也用到我们建筑设计中来,采用大家都熟悉的CATIA软件,包括上海中心的曲线,以及凤凰中心的莫比乌斯环的设计。
 
 
另外是数字化施工,用一句话概括数字化施工,就是从粗放式生产到精益式生产。就是把整个施工过程做到可感知、可计算、可优化、可控制。包括现在的数字工地、3D打印、机器人制造,都属于数字化施工的技术。
 
 
最后是数字化运维,数字化运维是什么?数据是可以产生增值的,数字化运维是通过数字化来实行物业的增值的过程。
 
 
我们还是要回到今天的主题工程安全上,我想讲的是地铁的安全控制。到了“十三五”,中国的地铁将是世界地铁的里程总和。但是地铁的安全有其他安全不可比的特点。它的安全事故不仅仅是一个生产安全事故,往往引发成公共安全事故。 
 
 
我想讲的第一个应用是工人的不安全行为的矫正。在海因里希金字塔法则中,事故原因是人的行为所造成的,占了80%。所以怎么去控制人的行为?对于中国的工人,其行为更难控制。这些图大家太熟悉,80000多张不安全行为的照片。为什么会出现呢?一个工地基本上一年,有40%到60%的工人是流动的,所以好不容易培训了之后他就走了,然后又来了一个什么都不知道的工人,所以这样的事件比比皆是。
 
 
因为出了事故保险公司要赔偿的,所以就把工人找过去培训,花了很多精力。培训怎么能做的有针对性,利用数学模型,利用信息技术,这么多照片有没有规律可循。总共80000张图片,一张一张看没有办法看,我们就想,能不能把图片空间变成向量空间?向量空间就可以用计算机分析处理,就可以得到什么样的施工阶段,什么样的工人,容易会出现什么样的不安全行为,这些不安全行为会导致什么样的安全事故,根据这个,就可以把规律找出来,我们从80000张照片中挑出500张照片,再从500张中找出100张照片,然后每个工人就是这么大一个手册。那么现在计算机里大概有500张照片,每一天培训十分钟就够了,一看有什么不安全行为,马上计算机就给出它的答案。就通过针对性的、推送的安全知识学习,这是第一个。
 
 
第二个应用是地铁施工风险的能量耦合,因为好多这种事故是风险能量耦合的一个结果,比方说,电焊工和油漆工在一块,十有八九可能引起着火,所以用什么办法去隔离他们呢?那么首先第一要找出工地上风险能量耦合的规律是什么,所以我们就先建立了一个大数据,把这些放在一个数据库里,然后分析它作用的规律,比方说这是一个地铁的盾构隧道在掘进的时候,由于水土的流失造成地表的变形,或者引起周围建筑不均匀的沉降,在盾构施工过程当中有10几个输入参数,这其中哪些参数对地表的变形影响更大呢?实际上通过大数据,通过高维的分析可以找到共性最大的参数,我们把这个参数控制住,那么就行了。
 
 
另外还有工程物联网,就是在工地上面,把各种施工要素装上传感器,然后通过有线的、无线的通讯网络传到解析仪上面,一旦发生问题,就进行预警,所以建立一个“感传知控”的工程物联网,这是地铁工地上的一个安全物联网,有了这个安全物联网之后,我们可以保持人和机器之间的安全距离来控制合理的作业参数,来进行不同工种的耦合的施工预警识别,一旦出现能量耦合的风险,就进行“识警控”一体化,那么这是第二个方面的应用。
 
 
第三个应用就是政府的监管,核心是诚信体系行为的记录,责任主体的诚信体系,关键又没有什么办法把责任主体的信息忠实的、原始的记录下来,做的可追溯,特别是隐蔽工程。所以我们就提出了互联网加工程质量监管的一个隐蔽工程的监控信息主体平台。隐蔽工程的验收实际上就是电子旁站,电子旁站就是把PDA打开,把各种数据用手机拍下来,再传到后台上,也就是BIM模型上,就做到了“过程留痕”。留痕了以后就可以进行事情追测。数字技术用于工程安全控制还有很多方面,这里主要就举这么一个例子。
 
作者:丁烈云 华中科技大学校长、中国工程院院士
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