中煤三建三十六工程处陶金宝潘宝昕严为民——《“智慧工地”系统在矿山立井施工过程中的探索与实践》

摘要：智慧工地是在大数据、移动互联网、物联网、云计算、人工智能（Al）、BIM、可视化人机互交及虚拟现实VR等新一代信息技术子平台架构上建立的一种崭新的工程全生命周期管理应用。[1]现以陕西榆林海则滩煤矿矿建安装工程为试点，根据项目实际情况，按照合理的拓扑结构安装、调试，从地面调度室、设备接入调试两角度出发，搭建以监控主机、系统服务器、操作系统、大数据库、MySQL5.1、矿建智慧工地系统软件、核心交换机等设备为主的实体机房，建成稳车系统检测、绞车系统监测、开闭所系统监测等信息管理平台，对安全管理、质量管理、进度管理及信息预警管理进行视频AL分析，对问题项、检查项进行分类配置，建立任务分项整改流程，对施工生产现场各环节实施变量式分析管理，实现数据可集成、定制化开发、大屏可视化管理目标。

关键词：智慧工地；大数据；云计算；数字孪生技术；

一、引言

随着科技的发展，传统矿山立井工程面临着诸多挑战，包括施工安全、效率及管理等方面的问题。本报告旨在在矿山立井工程中，就如何提升安全管理、质量控制和经济效益，以及评估其在实际应用中的效果，“探索运用新技术变革传统施工管理方式，构建智慧工地系统”[2]，为矿建行业转型升级提供参考依据。

二、实施背景与现状分析

（一）实施前存在的问题

2021年以来，三十六工程处新建及在建项目，整体呈现出增长势头。随着工程项目数量的持续增加，无论是在处级还是基层项目管理层，对于安全、工程质量以及人员管理等方面的监管任务，其复杂性和挑战性都在同步上升。以人员管理为例，我们可以看到，分包队伍在整个项目中所占的比重正在逐年上升。这种趋势虽然在一定程度上有助于分散风险和优化资源配置，但同时也带来了不少管理上的难题。分包队伍由于其特殊的性质，往往在管理上存在一定的障碍，比如文化差异、沟通不畅、责任划分不明确等问题，这些都使得分包队伍的管理变得更加困难。随着分包队伍数量的增加，这些管理上的难题也日益凸显，成为了项目管理中不容忽视的挑战。

（二）内外部环境变化

1.内部环境

当前，三十六工程处在执行各类工程项目的施工过程中，主要依赖于一些传统的建设井巷的方法，例如使用爆破挖掘（俗称“炮掘”）和综合机械化挖掘（简称“综掘”）等技术。这些传统方法在长期的实践中被广泛采用，但随着时间的推移，它们在施工效率和安全性方面逐渐显示出了不足之处。诸如，施工工艺相对落后、施工工序复杂、作业环境恶劣、劳动强度大等。

鉴于这些问题，三十六工程处面临着必须进行改革和创新的压力。为了在激烈的行业竞争中保持并提升自身的竞争优势，推动转型升级和实现高质量发展，创新现有的建井管理模式显得尤为迫切。

2.外部环境

政策转变。自2020年2月以来，中国国家能源局、科技部等八个部门联合发布了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》。该指导意见的发布，旨在推动煤炭行业通过技术创新实现安全、高效、绿色、可持续的发展。随后，陕西、内蒙古、新疆等主要的能源生产大省纷纷响应，出台了各自的政策措施，以积极鼓励和引导各自辖区内的煤矿企业在煤炭开采的各个阶段，广泛应用人工智能、工业物联网、云计算、大数据以及智能控制等先进技术，不断深化新一代信息技术与煤炭生产的结合。

在这些省份中，山西省作为煤矿智能化建设的先行者，取得了显著成效。截至2024年4月，山西省已经累计建成了118座智能化煤矿，拥有1491个智能化采掘工作面，并且在3200个硐室实现了无人值守，这些数字充分展示了山西省在智能化矿山建设方面的决心和成果。同样，内蒙古自治区的鄂尔多斯市也对煤炭行业的智能化发展提出了明确目标，计划到2025年，全市所有生产煤矿都将建设成为智能化煤矿，并且全部达到二级以上的现代化煤矿标准。

从这些政策和实施情况来看，智能化矿山的建设已经成为中国煤炭开采行业的一个明显趋势。这不仅将极大提升煤矿的安全生产水平，还将推动煤炭行业向更加智能、高效、环保的方向发展。

市场变化。随着政府积极推进“双碳”目标，即实现碳达峰和碳中和的双重目标，能源结构的调整成为了国家发展的重要战略方向。在这一背景下，到了“十三五”规划的末期，我们可以看到中国在能源消费结构上已经取得了显著的进展。具体来说，煤炭作为长期以来中国的主导能源，其消费量在一次能源消费总量中的占比已经下降至57%，这一变化标志着中国在能源转型方面迈出了坚实的步伐。

然而，尽管煤炭在能源结构中的比重有所下降，但由于其在国家能源安全和经济稳定中的关键作用，煤炭产业仍然占据着重要的地位。在当前阶段，煤炭基础设施的建设市场依然庞大，特别是在短时期内，煤炭仍然是支撑国家能源需求的重要力量。

目前，中国煤炭开发的重点正在发生地域性转移。从过去的以中东部地区为主，逐渐转向以中西部地区为主，尤其是陕西、甘肃、内蒙古和新疆等地。这些地区的煤炭储量丰富，为煤炭产业的发展提供了坚实的资源基础。同时，从近几年国家能源局批复核准的煤矿规模来看，大型煤矿的比重明显增加，这表明中国正致力于建设规模更大、现代化程度更高的煤矿。

在这样的发展态势下，如何确保煤矿的安全高效建设成为了一个亟待解决的问题。传统的煤矿建井技术体系面临着诸多挑战，无法满足新形势下大型现代化煤矿建设的需求。因此，突破传统技术的制约，研发和应用新技术、新方法，以确保煤矿建设的安全可靠和高效率，对于推动煤炭产业的可持续发展具有重要意义。

三、期望目标

希望通过引入先进的“智慧工地”系统，实现对项目现场施工、原材料、生产设备、人员管理等各个环节的实时监控和数据采集。同时，利用大数据分析，更加准确地预测设备的故障，实现设备的智能维护，缩短停工时间，提高生产连续性，加快项目信息化建设，实现生产过程中的数字化管理，推动矿建行业向智能化、可持续化方向发展。

四、矿山立井“智慧工地”系统运用的价值

1.避免施工过程中可能存在的安全隐患

在项目工程施工过程中，存在各类安全隐患，如违章或操作失误、用电安全，等等。不论是人的安全隐患，还是物的安全隐患都有可能会造成严重的人身伤害和财产损失。“智慧工地”的运用，可有效利用监控设备等手段，实现对项目施工现场的实时监控。借助设备监控系统，可以对项目施工现场人员的状态和设备运行情况进行实时监控，避免发生安全事故。另外，“智慧工地”还可以利用预告警功能，对项目施工现场可能存在的安全隐患进行预警，及时采取预防措施。

2.尝试改变传统施工模式，推进项目建设

随着时代的进步，信息技术正以前所未有的速度发展着，这种发展不仅仅局限于IT行业本身，而是已经渗透到了各个行业和领域。特别是在煤炭行业，信息化建设不再是一个抽象的概念，而是逐渐成为了行业发展的重要支撑。煤炭行业对于信息化建设的探索和实践，正日益深入，这种深入不仅体现在理论研究上，更体现在具体的项目工程实践中。

在传统的施工模式中，信息化的应用往往较为有限，而现代的信息化管理已经成为了一种区别于传统的关键因素。它通过将先进的信息技术手段，如云计算、大数据、物联网等，与煤矿的基本建设紧密结合，极大地提升了工程项目的管理水平和效率。

与传统施工模式相比，这种基于信息化管理的施工方式，不仅能够节约成本，减少浪费，还能提高施工的安全性和质量。因此，可以说，信息化管理在煤炭行业的应用，是推动行业现代化、提升竞争力的一个重要方向，它的成功实施，将为煤炭行业带来更广阔的发展前景。

3.进一步推进项目工程管理的科学化、精细化

“智慧工地”的智慧性体现在对项目工程施工全环节的把控上，通过运用这些信息技术，可以构建起一个“智慧工地”。在这样的工地上，各种资源的调配更加科学合理，人力、物力和财力的使用效率得到了极大的提升。例如，通过大数据分析，可以对施工现场的各种数据进行实时监控和分析，从而做出更加精准的决策；通过物联网技术，可以实现设备之间的智能互联，提高施工的自动化水平；而云计算则可以为项目提供强大的数据处理能力和存储能力，确保信息流通的高效和安全。

4.助推矿建行业改革创新

随着“互联网+”这一概念在各行各业的广泛应用，它所带来的效率提升和管理模式的革新已经成为推动行业发展的重要力量。特别是在矿建领域，由于行业内竞争的不断加剧，企业之间的竞争已经不仅仅是资源和技术的比拼，更是在信息化建设上的竞争。在这样的背景下，政府对于矿建行业的信息化建设给予了极大的支持和鼓励，旨在推动整个行业的技术进步和管理创新。因此，实现矿建项目工程的信息化、智能化不再是一个遥远的目标，而是成为了行业发展的必然趋势。

“智慧工地”的出现，顺应了时代的发展趋势和社会的需求变化，它不仅体现了矿建施工企业在技术创新上的积极追求，更是企业管理模式和思维方式的一次深刻变革。通过这种创新，矿建施工企业能够更好地适应市场的变化，提升自身的核心竞争力，为矿建行业的持续健康发展注入新的活力。

五、矿山立井“智慧工地”系统的基本内涵和特点

（一）基本内涵

矿山立井“智慧工地”是指把传感器和图像信息以及预警系统连接起来，形成物联网，并利用云计算技术对感知信息进行数据融合和处理分析，实现矿井施工管理与物联网的高度融合。“智慧系统”在智能分析处理后，作出智能化响应和决策支持的指令，实现生产安全可控乃至个性化实时监测、定位追溯、告警联动、调度指挥等功能，最终实现“管、控、营”一体化智慧服务。

（二）特点

矿山立井“智慧工地”系统具有专业高效化、数字平台化、应用集成化的特点，能够有效提升项目施工现场的精细化管理水平，加强安全管理，提高工程质量和经济效益。

1.专业高效化

“智慧工地”系统立足于现场生产活动，是将项目工程施工各阶段与信息技术深度融合，集成式管理各要素，为其提供专业性管理，有效解决项目工程管理中的业务问题。

2.数字平台化

“智慧工地”系统是对矿山立井施工项目现场进行全要素、全过程的数字化管理，是将虚拟的数字空间与实体进行有机结合，积累大量数据信息资源，通过深入分析数据信息资源，有效解决项目工程施工过程中的管理和技术问题，“让数据在权限范围内‘跨层级、跨部门、跨业务’互联互通”[3]。

3.应用集成化

“智慧工地”系统完成信息技术集成应用的基本设置，实现资源优化配置，满足项目工程施工需要，确保信息管理系统的可行性和可操作性。

六、“智慧工地”系统的组成和亮点

（一）矿山立井“智慧工地”的组成

矿山立井“智慧工地”系统架构由终端层、平台层和应用层组成。终端层主要是以摄像头、传感器、手机端APP等为载体，对项目施工现场各种数据进行采集和初步处理；平台层是对终端层采集上传的大量基本数据进行整合、筛选及存储，将其作为相关责任人的决策依据；应用层则是利用TCPmodbus等信息技术手段对项目施工现场各环节进行实时监控，并及时作出反馈。

1.项目总览

项目总览以三十六工程处海则滩煤矿项目部调度室用户登录系统为载体，以可视化图表、曲线等形式展示项目现场管理信息总览情况，包括项目整体概括、子系统告警统计、环境监测、今日出勤、质量统计、安全统计、视频监控、进度总览等内容，具备用户登录、访问控制、应用集成、个人门户信息、项目大事记、决策驾驶舱大屏等功能，实现了各业务模块用户待办、消息、任务、预警统一集中管理。

2.设备监控系统

主要用于查看生产设备相关的实时运行数据，按子系统及设备划分页面，每个页面配置相应设备的组态画面，绑定变量用于展示相应设备的实时监测数据及状态运行情况。稳车监控系统，通过悬吊稳车网终接口接入，监测稳车的启停状态、位置、安全回路、闸盘温度、电机运行等实时状态；绞车监控系统，通过绞车系统网终接口接入，将系统集成接入到系统中，用于查看电机状态、电流、电压等数据，及时掌握现场情况；一通三防监控系统，通过TCPmodbus协议实现数据上传，实时采集一氧化碳、甲烷、氧气等气体浓度的数据；开闭所监控系统，通过开闭所电表及继保设备对接接口，实现对开闭所电表、继保设备基础状态的监控。

3.安全管理

安全人员可通过手机APP,按月、周、日巡检标准进行安全巡检，针对不合格项目进行音频、照片、视频留底，走整改流程整改，每月进行项目数据统计，开展指标评估，完成预告警通知。同时，具备权限的人员可通过查看发起和审核安全检测记录，新增安全检查，发现安全问题，提交相关整改人整改。

4.质量管理

可查看施工过程质量管理与问题统计信息，并展示质量问题总览、问题分类、检查曲线、告警动态、问题曲线等信息。相关责任人员可通过手机端对现场检查、整改情况进行回复和复查。现场质量人员在例行检查过程中，可直接通过手机对发现的质量问题进行现场拍照，并填写质量问题内容等信息，系统将自动推送至相关整改人。整改人立即进行整改，并在整改完成后将已整改问题以拍照形式推送至检查人。经检查人复核后，形成工作闭合。当发生重大质量问题时，系统将自动推送至项目经理或处责任领导，有效避免有事不报情况的发生。

5.进度管理

对项目任务进行及时跟进，“智慧工地”系统自动下发任务计划到APP,相关负责人可随时通过APP反馈进度情况，实时了解所有任务的进度情况，有效解决以往因信息不同，消息滞后带来的整体进度延期的问题。其主要表现在对进度计划的编制、进度预警和进度展板三个板块，进度计划的编制上，按照项目分部分项任务划分，编制进度计划，并填报实际进度，将任务与模型构建进行关联，可满足可视化展示需求；进度预警上，可根据任务名称、责任人查看已延期任务信息；进度展板上，展示项目整体进度（倒计时）、项目进度预警信息，项目延期原因分析，项目形象进度模型。

6.报表中心

接入设备监测系统，对施工现场各生产设备系统监测历史数据和报表数据，通过不同查询条件筛选变量点，最终以列表或者是曲线形式呈现。

7.告警中心

具备基于事件的告警、告警分组管理、告警优先级、告警过滤、新增死区和延时概念的功能，在接入生产设备监测系统数据后，可根据预设的告警规则进行判断分析，实时展示告警动态、告警统计与趋势信息。

8.视频AL分析系统

在原有视频网络中接入智能AL视频服务器线路，利用相机对拍摄图像进行智能分析，主要是对进入施工现场的人员和要害场所人员的违章行为进行抓拍并记录。诸如人员越界、佩戴安全帽及抽烟等。

（二）矿山立井“智慧工地”的亮点

1.数字孪生技术的应用

“智慧工地”利用数字孪生技术能对施工现场进行模拟，将施工现场的数据传输到数字平台后，构建出一个动态的数字映射。施工人员可以通过各种设备，随时随地访问这个平台，实时查看施工进度，监控设备的运行状态。这种技术的运用，极大地提高了施工过程中的信息透明度和可追溯性。相关人员，包括项目经理、项目部门负责人、安全员等，可以借助数字孪生技术，更加精确地掌握工地的每一个细节，从而做出更为明智的决策。

2.问题预警的及时

通过对大量历史数据的深入分析和研究，我们可以利用先进的数据分析技术来自动识别和分析可能存在的风险和问题。这种分析方法不仅能够准确地预测潜在的风险，还能够在关键参数出现异常时及时发出预警，帮助相关人员做出迅速的反应。例如，在“智慧工地”系统中，我们可以通过实时监测各种设备和参数的运行状态，来判断其是否存在异常。当某个参数超出正常值的范围，或者设备突然出现故障时，系统将立即启动预警机制。一旦收到警报，相关人员可以立即采取措施，如调整设备参数、修复故障设备等，以确保项目施工的正常运营。

3.经验教训的积累

除安全性和预警性外，“智慧工地”系统能够通过数据的留存为后期项目工程施工提供大量的素材。通过对历史数据的回顾和分析，可以及时发现施工中可能存在优化的空间，进而提高工程质量和效率。

七、实施效果

1.经济效益

2024年1月，海则滩煤矿项目部实际进尺130.6米，完成产值约801万元（不含税）；2月实际进尺36米，完成产值285万元（不含税）；3月实际进尺92米，完成产值674万元（不含税）；4月实际进尺进尺110米，完成产值814.27万元（不含税）；5月实际进尺88.50米，完成产值762.94万元（不含税）；6月实际进尺226.7米，完成产值2169.31万元（不含税）。

2.社会效益

自建成海则滩煤矿“智慧工地”后，通过精细化地管理。三十六工程处创下大尺寸立井施工新纪录，先后4次受到甲方贺信表彰，迎来信发集团陕西事通恒运矿业有限公司等多家单位调研。在陕北地区，海则滩煤矿“智慧工地”的成功建设和三十六工程处的卓越表现，共同树立了良好的品牌形象。这不仅为工程处赢得了更多的合作伙伴和项目机会，也为陕北地区的矿业发展起到了积极的推动作用，是展现现代矿业与智能化、精细化管理相结合的典范。

3.直接效益

进一步打破信息壁垒。项目“智慧工地”系统的运用，为建筑行业带来了一场深刻的变革。在传统的建筑施工过程中，不同部门之间的信息交流往往存在障碍，导致了信息传递的滞后和不畅通。然而，随着“智慧工地”系统的引入，这一局面得到了根本性的改变。系统通过高度集成的信息平台，有效地打破了部门间的信息壁垒，实现了信息的快速流通和共享，从而确保了项目管理的高效协同。

优化施工管理工作流程。“智慧工地”系统的应用对施工管理工作流程进行了优化。通过对施工过程中的各项工作进行智能化管理，系统能够实时监控工程进度，预测潜在的风险，并提出合理的调整建议。这样的优化不仅提升了管理效率，还确保了工程质量和安全。

有效避免重复性劳动。对于现场施工人员而言，“智慧工地”系统的应用也带来了显著的效益。系统通过自动化和智能化的工具，减少了施工人员的重复性劳动，使他们能够更加专注于技术性和创造性的工作。这不仅减轻了施工人员的工作压力，还提高了工作效率，使得施工现场的整体运作更加高效和有序。

4.间接效益

通过有效地整合和集成各个业务模块的数据，我们能够为项目领导班子的成员们提供了一个全面的数据视图。这种数据综合涵盖了项目管理多个方面的详细数据。这样的做法极大地丰富了决策者的信息来源，使他们在进行决策时能够基于事实，做出更加全面和深入的分析；对施工现场甲烷、一氧化碳等环境信息进行监测监控，共计查出环境问题3条、消防问题9条、机电管理问题81条、安全问题2条、安全质量问题4条，提出预警4385次，有效保证了井下人员的安全。同时，在项目进行过程中，随着工程的逐步推进，逐渐积累和构建起一个庞大的工程信息数据库。这个数据库涵盖了从项目启动到完工的各个阶段的信息，这些详尽的信息被系统地分类、整理和存储，形成了一个全面且细致的知识库。随着工程的完工，这个庞大的工程信息数据库不仅为工程设施的顺利投入使用提供了坚实的信息支持，而且还极大地便利了后期的运营维护工作。

八、结论和展望

通过实施“智慧工地”系统，三十六工程处在矿山立井工程中的安全管理、质量控制和经济效益方面取得了显著提升。未来，随着技术的进一步发展和应用深化，预计会有更多工程项目受益于“智慧工地”系统的实施，推动整个行业的现代化和智能化进程。

参考文献

[1]伍栋.智慧工地现场施工管理的数字化设计与应用[J].智能建筑与智慧城市,2024,(5):75-77.