文｜南京城市建設(shè)管理集團有限公司 韋勇 陳銘；通訊作者：河海大學(xué)計算機與信息學(xué)院/河海大學(xué)項目管理研究所 徐淑芳

1.背景

建設(shè)項目的施工階段是項目全生命周期內(nèi)資源流動和項目管理行為最為活躍的階段[1]。目前，建設(shè)工程施工現(xiàn)場的管理仍存在許多問題，為解決這些問題，政府及相關(guān)企事業(yè)單位出臺了許多政策和標(biāo)準(zhǔn)，其中，應(yīng)用智慧工地強化建設(shè)項目信息化管理就是一種關(guān)鍵方法。在智慧工地產(chǎn)生了豐富數(shù)據(jù)資源的推動下，對建設(shè)工程的監(jiān)管開始從線下監(jiān)管向線上監(jiān)管轉(zhuǎn)變，研究人員開始探索基于海量傳感器數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，替代傳統(tǒng)的人工監(jiān)測的方法。

施工揚塵是城市空氣污染物的主要來源，采取更加有效的方法針對施工現(xiàn)場的揚塵排放進行管控，對改善城市空氣環(huán)境質(zhì)量至關(guān)重要。近年來，我國建筑業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，工程規(guī)模不斷擴大，2021年我國建筑業(yè)企業(yè)房屋施工面積157.55 億平方米，比2020年增長5.41%[2]，建設(shè)工程的快速發(fā)展帶來的負(fù)面影響是日趨嚴(yán)重的環(huán)境問題。針對此問題，政府及相關(guān)企事業(yè)單位頒布了相關(guān)法律法規(guī)。例如，《大氣污染法》中針對建設(shè)工程，指出建設(shè)單位應(yīng)該將防止揚塵污染的費用列入成本決算中，并在施工承包的合同中明確施工單位的揚塵治理責(zé)任。

基于此，本文以施工過程中的揚塵監(jiān)管為例，通過自動化的數(shù)據(jù)監(jiān)測手段將施工現(xiàn)場揚塵監(jiān)測信息實時傳輸給監(jiān)管平臺，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式檢測出異常的揚塵數(shù)據(jù)序列，進而診斷監(jiān)測設(shè)備的故障，實現(xiàn)對智慧工地?fù)P塵監(jiān)測設(shè)備的在線巡檢，以降低監(jiān)管方對各建設(shè)項目進行質(zhì)量評價的監(jiān)理成本。

2.文獻綜述

在監(jiān)管手段變得自動化的過程中，出現(xiàn)許多新問題：第一，數(shù)據(jù)時效性強。傳感器采集的數(shù)據(jù)一般為短時間內(nèi)產(chǎn)生的海量實時數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以時序數(shù)據(jù)的形式儲存，數(shù)據(jù)量大且時效性強；第二，數(shù)據(jù)質(zhì)量差。施工現(xiàn)場由于人為、環(huán)境和設(shè)備故障等問題，采集的數(shù)據(jù)往往存在各類異常情況。針對這些新問題，急需一種適用于建設(shè)工程領(lǐng)域數(shù)據(jù)且時間復(fù)雜度低的時序數(shù)據(jù)異常檢測模型，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，完善監(jiān)管手段。

時間序列（Times Series）異常檢測廣泛應(yīng)用于各個特定領(lǐng)域，例如工業(yè)界設(shè)備檢測[3]、網(wǎng)絡(luò)安全[4]、醫(yī)學(xué)診斷[5]等場景。不同應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)特點不同，因此需要選用適配的檢測方法[6]。國內(nèi)外異常檢測方法種類根據(jù)基本檢測原理大致可以分為六種，即基于統(tǒng)計、距離、密度、分類的異常檢測?；诮y(tǒng)計的異常檢測方法，假設(shè)待檢數(shù)據(jù)服從于某種分布，然后用數(shù)據(jù)集去擬合分布模型，將明顯不符合擬合模型的數(shù)據(jù)判斷為可能的異常數(shù)據(jù)。該方法效率高、復(fù)雜度低，泛化能力一般；基于距離的異常度量方法是通過最近鄰來定義異常值，假設(shè)異常點的k 近鄰距離要遠(yuǎn)大于正常點的近鄰距離。適用于數(shù)據(jù)量較小的無監(jiān)督異常檢測場景；基于密度的異常檢測方法將鄰點的“距離”概念進一步轉(zhuǎn)化為“領(lǐng)域”，該方法適用于密度不同的集群情況；基于分類的異常檢測方法將異常檢測看作異常和非異常的二分類問題，可以使用有監(jiān)督或無監(jiān)督的學(xué)習(xí)方法解決二分類問題。

雖然學(xué)術(shù)界針對時間序列異常檢測問題已經(jīng)有了多種解決辦法，但結(jié)合工程管理領(lǐng)域知識和建設(shè)工程施工數(shù)據(jù)集的特點，仍然沒有可以直接應(yīng)用于建設(shè)工程領(lǐng)域的異常檢測方法。本文以建設(shè)工程的揚塵監(jiān)管為例，利用數(shù)據(jù)可視化和異常特征挖掘的方法，識別出三種最常見的揚塵監(jiān)測數(shù)據(jù)異常模式。使用滑動窗口的方法處理傳感器時序數(shù)據(jù)，以時間窗為最小的異常檢測單位。通過監(jiān)測異常子序列，標(biāo)記該子序列的異常類型，從而追蹤產(chǎn)生該序列的設(shè)備，進一步定位到該建設(shè)項目，實現(xiàn)基于領(lǐng)域知識和數(shù)據(jù)驅(qū)動相結(jié)合的施工過程中揚塵在線監(jiān)測方法。

3.問題描述

3.1 相關(guān)定義

定義2（多維時間序列）：D 表示一個包含K 條具有相同時間點的時間序列S 的集合，稱為K 維時間序列，記作

定義4（基于滑動窗口的時間窗）：滑動窗口是一種基于雙指針的一種思想，左指針tleft和右指針tright指向的元素之間形成一個窗口[sleft,sright)?；瑒哟翱陂L度記作size，滑動步長記作slide。

3.2 方法概述

N 市智慧工地監(jiān)管平臺是一個對該市建設(shè)項目進行管理的信息綜合門戶。通過建立公開的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，集成各項應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)為載體，用來可視化、數(shù)字化映射真實施工現(xiàn)場。該監(jiān)管平臺接入了2000 多個建設(shè)項目，項目數(shù)量多，人工巡檢的可行性和準(zhǔn)確率都十分低下。因此，本文從監(jiān)管應(yīng)用的視角出發(fā)，構(gòu)建基于時間窗的揚塵數(shù)據(jù)異常檢測模型，具體檢測流程如圖1所示。

圖1 基于時間窗的揚塵監(jiān)測數(shù)據(jù)異常檢測流程圖

本文提出的基于時間窗的智慧工地?fù)P塵監(jiān)測數(shù)據(jù)異常檢測包括設(shè)備離線異常檢測、設(shè)備恒值異常和設(shè)備數(shù)值過低異常三種類型。

（1）設(shè)備離線異常包括設(shè)備長時離線和短時離線。設(shè)備長時離線是指一個建設(shè)項目中的設(shè)備 在檢測的時間段內(nèi)無數(shù)據(jù)；短時離線是指一個建設(shè)項目的設(shè)備組ε 在檢測的時間段內(nèi)有數(shù)據(jù)，但存在一個時間窗[sleft,sright)，在該時間窗內(nèi)，揚塵監(jiān)測數(shù)據(jù)為空。

（2）恒值異常是指一個時間窗[sleft,sright)內(nèi)，揚塵數(shù)據(jù)波動極小，不符合施工現(xiàn)場揚塵排放特征。經(jīng)過反復(fù)實驗，本文定義時間窗的方差低于3 為異常。

（3）數(shù)值過低異常是指在一個時間窗[sleft,sright)內(nèi)，揚塵數(shù)據(jù)數(shù)值全部低于某個最低閾值。

4.基于時間窗的揚塵監(jiān)測設(shè)備離線檢測分析

每個建設(shè)項目包含一個設(shè)備組ε，該設(shè)備組包含不少于一個揚塵監(jiān)測設(shè)備。若設(shè)備存在至少一種異常特征，則將該設(shè)備標(biāo)記為異常，并標(biāo)注具體異常類型；若某一建設(shè)項目包含至少一個異常設(shè)備，則標(biāo)記該項目，最終將檢測結(jié)果返回給智慧工地監(jiān)管平臺。

揚塵監(jiān)測設(shè)備離線檢測包括兩種離線情況：（1）該項目對應(yīng)的設(shè)備組ε 為空，即設(shè)備全接入異常；（2）項目對應(yīng)的設(shè)備組ε 不為空，但設(shè)備采集的揚塵時序數(shù)據(jù)S=在一個時間窗[sleft,sright)內(nèi)為空，即數(shù)據(jù)傳輸異常。

根據(jù)設(shè)備離線判斷條件：（1），判斷ε是否為空。如果設(shè)備組ε 為空，則將該建設(shè)項目標(biāo)記為離線異常；（2），遍歷設(shè)備組ε，使用窗口長度為60 分鐘的滑動窗口，以10 分鐘為滑動步長讀取揚塵序列S，當(dāng)時間窗內(nèi)的數(shù)據(jù)滿足離線異常條件時，對該項目進行離線異常標(biāo)記。

算法1.離線異常M1檢測方法

將上述檢測算法寫成Python 程序，對所選207 個建設(shè)項目進行檢測，異常結(jié)果信息中包括項目信息、建設(shè)、施工、監(jiān)理、運維單位信息、揚塵設(shè)備信息和異常類型等19 個特征。分析檢測結(jié)果，如表1所示，共 92 個項目存在設(shè)備離線問題，對比人工線下檢測結(jié)果，人工與程序檢測存在四個項目的檢測結(jié)果不一致，

表1 離線異常檢測結(jié)果

5.基于時間窗的揚塵監(jiān)測數(shù)據(jù)恒值檢測分析

算法2.離線異常M2檢測方法

將上述算法編寫成Python 程序，對207 個項目的設(shè)備檢測數(shù)據(jù)進行分析。分析結(jié)果，共 98 個項目存在揚塵數(shù)據(jù)恒值異常問題，M2異常表現(xiàn)為一個時間窗內(nèi)的揚塵監(jiān)測數(shù)據(jù)波動范圍極小。至少有一個設(shè)備被標(biāo)記為M2異常時，對該項目進行標(biāo)記，得到檢測結(jié)果如表2所示。

表2 恒值異常檢測結(jié)果

6.基于時間窗的揚塵監(jiān)測數(shù)據(jù)異常低值檢測分析

本文結(jié)合施工現(xiàn)場周圍揚塵國控點監(jiān)測值和相關(guān)政策性文件，將數(shù)值過低異常的判斷閾值設(shè)置為20，即當(dāng)長度為60 的時間窗內(nèi)全部數(shù)據(jù)小于20 時，且非雨雪天時，標(biāo)記為數(shù)值過低異常。

算法3.離線異常M3檢測方法

將上述算法編寫成Python 程序，對207 個項目的設(shè)備檢測數(shù)據(jù)進行分析。分析檢測結(jié)果，共 83 個項目存在揚塵數(shù)據(jù)恒值異常問題，M3異常表現(xiàn)為一個時間窗內(nèi)的揚塵監(jiān)測數(shù)據(jù)低于最小閾值。

7.結(jié)論及管理啟示

7.1 結(jié)論

監(jiān)測設(shè)備巡檢是建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)管施工過程管理的關(guān)鍵步驟，智慧工地的應(yīng)用推動了人工巡檢向在線巡檢的轉(zhuǎn)變。本文從建設(shè)工程在線監(jiān)管視角出發(fā)，以高準(zhǔn)確率和低復(fù)雜度為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建基于時間窗的揚塵監(jiān)測數(shù)據(jù)異常檢測模型。檢測模型以一個時間窗內(nèi)的子序列為異常檢測最小單位，根據(jù)子序列的異常類型對產(chǎn)生數(shù)據(jù)子序列的設(shè)備進行異常標(biāo)記，從而追蹤該設(shè)備的建設(shè)項目，將異常信息追加到建設(shè)項目信息中。揚塵設(shè)備巡檢問題和建設(shè)項目施工過程的監(jiān)管問題轉(zhuǎn)換成基于時間窗的監(jiān)測數(shù)據(jù)異常性判斷問題，減小了監(jiān)管成本和時間，拓寬了監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用維度，有廣闊的應(yīng)用前景。在研究過程中，有以下幾點創(chuàng)新：

表3 數(shù)值過低異常檢測結(jié)果

（1）提出基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建設(shè)工程監(jiān)管手段。對于建設(shè)工程施工揚塵排放的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)研究較多，但是對于監(jiān)測的海量時序數(shù)據(jù)如何利用，以及如何評判數(shù)據(jù)質(zhì)量情況研究較少。因此本文改變傳統(tǒng)研究視角，致力于檢測異常數(shù)據(jù)，追蹤異常設(shè)備情況，從數(shù)據(jù)驅(qū)動的角度進行改善建設(shè)項目監(jiān)管現(xiàn)狀。

（2）定義了3 種揚塵監(jiān)測數(shù)據(jù)異常特征。通過調(diào)研N 市某智慧工地監(jiān)管平臺中的207 個在建項目，歸納出三種揚塵監(jiān)測數(shù)據(jù)異常模式，針對每種異常模式制定了時間復(fù)雜度較低的異常檢測方法，在實際應(yīng)用中檢測效果良好。

（3）構(gòu)建了3種揚塵異常數(shù)據(jù)檢測算法。在方法改進方面，查詢待檢數(shù)據(jù)時優(yōu)化了數(shù)據(jù)庫訪問方法。將多條指令合并為一條，設(shè)置適當(dāng)?shù)呐R時存放表，輸入待檢序列的起始時間一次性將數(shù)據(jù)讀取到臨時表中，減少了數(shù)據(jù)庫的訪問次數(shù)。異常檢測的最小單位為一個時間窗，有效排除了偶然因素造成的單個點異常對檢測準(zhǔn)確性的影響。

7.2 管理啟示

（1）政府部門

政府部門是建設(shè)工程的主要外部監(jiān)管方，需要根據(jù)建設(shè)工程特點制定相應(yīng)的約束規(guī)則以規(guī)范施工行為。通過本文構(gòu)建的揚塵數(shù)據(jù)異常檢測框架，可以使政府監(jiān)管部門在智慧工地監(jiān)管平臺直觀量化看到施工現(xiàn)場的揚塵排放異常性，進而判斷監(jiān)測設(shè)備的異常性，對該設(shè)備對應(yīng)的項目進行重點監(jiān)管。應(yīng)用本文構(gòu)建的基于時間窗的智慧工地?fù)P塵數(shù)據(jù)異常檢測方法，可以對揚塵數(shù)據(jù)質(zhì)量進行初步評價，是政府制定激勵制度的重要數(shù)據(jù)支撐。將政府高耗能的人工監(jiān)管向線上監(jiān)管轉(zhuǎn)變，節(jié)約了政府監(jiān)管成本，緩解了政府信息不對稱的困境。

（2）建設(shè)單位

建設(shè)單位在智慧工地監(jiān)管體系中需要嚴(yán)格控制各類接入設(shè)備的質(zhì)量，通過人工檢測設(shè)備質(zhì)量耗時耗力。因此，基于數(shù)據(jù)分析的方法對揚塵監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量評價，可以限制不同品牌的設(shè)備接入成本來控制設(shè)備接入的質(zhì)量，對于異常頻發(fā)的設(shè)備品牌，應(yīng)限制其接入施工現(xiàn)場。應(yīng)用本文構(gòu)建的基于時間窗的智慧工地?fù)P塵數(shù)據(jù)異常檢測方法，通過檢測揚塵序列的異常性，進而對該設(shè)備接入的項目進行施工質(zhì)量評價，督促相關(guān)施工方進行整改，實現(xiàn)建設(shè)方基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的線上監(jiān)管手段。

（3）施工單位

施工方是施工現(xiàn)場過程管理的直接責(zé)任人，施工方在建設(shè)工程中處于信息優(yōu)勢地位，將其監(jiān)測數(shù)據(jù)接入智慧工地監(jiān)管平臺，可以減少其機會主義，規(guī)范施工行為。揚塵監(jiān)測不僅涉及施工質(zhì)量，而且不規(guī)范的排放可能會殃及施工周邊環(huán)境，需要施工方采取及時的控制手段。傳統(tǒng)的通過建設(shè)方抽檢再通知施工方進行整改的方法不適用于揚塵監(jiān)測，揚塵的不規(guī)范排放對環(huán)境造成的負(fù)面影響在一定程度上是不可逆的。因此，施工方通過智慧工地監(jiān)管平臺的揚塵異常性監(jiān)測結(jié)果，可以直觀看到不符合排放標(biāo)準(zhǔn)或排放異常的項目信息和設(shè)備信息，在建設(shè)方責(zé)令整改前進行整改，保證了控制措施的時效性和有效性。