Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı

2016

A data fusion approach for monitoring activities in double shift construction sites using sensor-based data tracking technologies

Şantiyelerde aktivite ilerlemelerinin algılayıcı tabanlı veri takip teknolojileri kullanılarak tespit edilmesi için bir veri füzyonu yaklaşımı

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 441709

Tezi Bul
Özet:

Büyük inşaat projelerinde toplam süreyi kısaltmak için çift vardiyalı çalışılması ülkemizde de çok yaygın olmasına rağmen, kaynakların vardiyalar arasında verimli dağıtılmasını sağlayacak etkin bir proje kontrolü ve izlemesi yapılamamaktadır. Ayrıca, gece vardiyalarında proje izlemesi ve kontrolünden sorumlu teknik personel sayısı da azdır. Gerek gündüz gerekse gece vardiyalarında proje kontrolü ve izlemesi sahadan kağıt üzerinde toplanan bilgiler ile yapılmakta; çoğu zaman bu bilgiler eksik ve/veya hatalı olmaktadır. Ayrıca, aktivitelerin performansına ilişkin bilgilerin (ilerlemeler ve verimlilikler) bilgisayar ortamına geçirilip analiz edilmesi de ekstra zaman almakta ve bu bilgiler yeterince güncel olmamaktadır. Aktivitelerin ilerlemelerinin izlenmesi için otomatik bir yönteme ihtiyaç duyulmtaktadır ve geliştirilen yöntemin hem gündüz hem de gece vardiyalarında çalışabilmesi gerekmektedir. Literatürde inşaat sahalarının otomatik izlenmesi ve kontrolü için yapılmış çalışmalarda sadece gündüz işlerine odaklanılmış ve inşaatın çeşitli aşamalarında kullanılan ekipmanlarının devam eden aktivitelerle ilgili ilerleme bilgisi sağlama potansiyeli göz ardı edilmiştir. Oysa gündüz vardiyasındaki problemleri çözmeye yönelik geliştirilen çözümler, gece vardiyalarının farklı çalışma koşullarına sahip olmasından dolayı (ör. daha az ışıklandırma, daha az sorumlu personel) etkin çalışmayabilir. Bu nedenle bu doktora araştırmasında gece ve gündüz kesintisiz olarak aktivitelerin izlenmesi için bir yaklaşım geliştirilerek, kaynakların (malzeme, işgücü ve ekipman) vardiyalar arasında efektif şekilde kullanılmasını ve amaçlanan verimlilik seviyelerine ulaşılmasını sağlamak hedeflenmiştir. Bu doktora araştırmasının ana hedefi çift vardiya çalışılan bina inşaatlarında aktivitelerin ekipman takibi yapılarak izlenmesi için gereksinimlerin belirlenmesi ve algılayıcı-tabanlı teknolojiler ile inşaat ekipmanlarını takip ederek aktivite ilerlemelerini otomatik olarak tespit eden bir yaklaşım geliştirmektir. Bu hedefe ulaşmak için, çift vardiya çalışılan inşaat sahalarında ekipman takibi gereksinimleri (takip edilecek aktiviteler, ekipmanlar ve ilgili parametreler ile veri takip teknolojilerinin çift vardiya çalışılan inşaat sahalarında kullanılmaları için üst düzey gereksinimler) belirlenmiştir. Uygun algılayıcı-tabanlı teknolojilerinin seçimi bu gereksinimler baz alınarak yapılmış ve ön testler gerçekleştirilerek, fonksiyonel (teknolojilere has) gereksinimler belirlenmiştir. Fonksiyonel gereksinimlerin belirlenmesinden sonra algılayıcı-tabanlı teknolojilerin inşaat aktivitelerinin ilerlemelerini izlemek üzere ekipmanları takip edebilmeleri için gerekli olan çıkarım mekanizmalarının oluşturulması gerekmektedir. Bu doktora araştırmasının vizyonu olan ekipman takibi tabanlı aktivite izleme vizyonunun gerçekleştirilebilmesi için pek çok inşaat ekipmanından algılayıcı-tabanlı teknolojiler ile toplanan verilerin ve inşaat projesi ile ilgili metraj, iş programı, saha raporları gibi çeşitli bilgilerin birleştirilmesi gerekmektedir. Bu veri kaynakları farklı zamanlarda veri sağlamakta olup dağınık yapıdadır. Gerekli çıkarım mekanizmaları belirlenerek bu dağınık yapıdaki verilerin birbirini tamamlar ve destekler şekilde birleştirilmesi için bir veri füzyonu yaklaşımı geliştirilmiştir. Çift vardiya çalışılan inşaat sahalarındaki aktivite ilerlemelerinin algılayıcı-tabanlı takip yöntemi ile izlenmesi için geliştirilen gereksinimlerin ve çıkarım mekanizmalarının geçerliliğinin sınanabilmesi için bir prototip geliştirişmiştir. Kavramın ispatı amacıyla fiziksel bir prototip uygulanarak İstanbul, Türkiye'de bir çift vardiya çalışılan bina inşaatı şantiyesinde saha testleri gerçekleştirilmiş ve geliştirilen yöntemin geçerliliği (1) duvar işleri, (2) donatı montaj işleri, ve (3) çelik elemanların montaj yerine taşınması işleri için gösterilmiştir. Kule vinç algılayıcıları, cephe asansörü üzerine kurulan RFID sistemi, el mikseri üzerine yerleştirilen kablosuz ivmeölçer ve total station cihazı kullanılarak duvar işleri ve donatı montaj işleri için gerçek ilerleme verileri üç ay süreyle toplanmıştır. Saha testleri süresince herhangi bir çelik eleman montajı gerçekleşmediğinden, çelik elemanların montajının izlenmesi için geliştirilen veri füzyonu yaklaşımı fiktif olarak oluşturulan bir veri setinin ve çelik eleman metrajının birleştirilmesi üzerinden gösterilmiştir. Duvar işleri sekiz katta (20-27. katlar arası) izlenmiştir ve sonuçlar duvar imalatındaki ilerleme bilgisinin, kule vinç algılayıcılarına göre kata getirilen malzeme miktarı ve RFID sistemine göre katta kullanılmış malzeme miktarı bilgilerinin birleştirilmesiyle ortalama olarak %96 doğrulukla tahmin edildiğini göstermektedir. Bulgular, geliştirilen yaklaşımın duvar imalat ilerlemelerininin belirlenmesinde başarı ile kullanılabileceğini göstermektedir. Donatı montajı işi altı katta (27-32. katlar arası) izlenmiştir ve donatı montaj işinin ilerlemeleri ve performansları kule vinç algılayıcılarından ve total station cihazından elde edilen bilgilerin birleştirilmesiyle tahmin edilmiştir. Geliştirilen yöntemde donatı montajı işindeki ilerleme günlük olarak kata getirilen donatı miktarı ile kat metrajındaki donatı miktarı oranlanarak hesaplanmaktadır. Sonuçlar geliştirilen yöntemin altı katın ortalaması alındığında %95 doğrulukla donatı montajı işindeki ilerlemelerin tespit edilebildiğini göstermiştir. Çelik imalatının izlemesinin geliştirilen ekipman takibi yaklaşımı ile nasıl yapılacağı, takibi yapılan bloğa bir çelik elemanın getirilmesi ve montaj yerine kule vinç ile taşınmasını gösteren kule vinç hareketlerinin fiktif olarak oluşturulduğu bir veri üzerinden gerçekleştirilmiştir. Çelik imalatının takibinin yapıldığı kullanıcı arayüzünde kule vinç verilerine göre yerine taşındığı belirlenen çelik eleman ağırlığının, bloktaki çelik elemanların toplam metrajına oranlanmasıyla yüzdesel bir tamamlanma hesap edilmektedir. Örnek veri setinde 2.0 ton'luk bir çelik elemanın çelik stok sahasından binanın üzerine getirildiği tespit edilmiştir. Yerine getirildiği belirlenen çelik eleman ağırlığı projenin toplam çelik metrajına (20 ton) oranlanarak işin tamamlanmasının %10 olduğu hesaplanmıştır. Prototip kapsamında aktivitelerin performanslarına ilişkin bilgilerin analize ve raporlamaya hazır hale getirilmesi için gerekli yazılım geliştirme çalışmaları yürütülerek, kullanıcı dostu bir arayüz geliştirilmiştir. Geliştirilen arayüzün hedef kullanıcısı olarak şantiye teknik ofis personeli düşünülmüştür. Teknik ofis personeli geliştirilen kullanıcı arayüzüne sahadaki algılayıcılardan toplanan veriler ile imalatların metraj ve planlanan başlangıç ve bitiş tarihlerini birleştirerek, imalat ilerlemeleri hakkında gerçekçi bilgiye ulaşabilmektedir. Sahadan elde edilen ilerleme bilgileri, haftalık/aylık toplantılarda görüşülmek üzere görsel araçlarla ve sayısal olarak özetlenmiş şekilde geliştirilen kullanıcı arayüzü aracılığıyla üst yönetime sunulabilmektedir. Bu çalışmada aktivitelerin ilerlemelerinin ve verimliliklerin otomatik olarak izlenmesi için geliştirilen yaklaşımın uygulamada kullanılmasıyla işveren ve yüklenici arasında tamamlanan iş miktarının belirlenmesi konusunda hakediş zamanlarında yaşanan anlaşmazlıkların önlenmesi ve verimlilik problemleri için zamanında çözüm üretilmesi mümkün olacaktır. Geliştirilen yaklaşım bir betonarme konut inşaatında test edilmiş olmasına rağmen; imalatların daha organize yürütüldüğü ve benzer aktivitelerin tekrar edildiği prefabrik ve çelik konstrüksiyon şantiyeleri için de oldukça uygundur. Şantiyelerde sürekli bir malzeme temini söz konusu olduğundan; sahaya gelen malzeme katlara iletildiğinde bunların ne kadarının kata dağıtıldığı, ne kadarının imalata girdiği, ne kadar daha malzemeye ihtiyaç olduğu ve zayiatın ne kadar olduğu tam olarak bilinememektedir. Önerilen ekipman takibi vizyonu ile, şantiyeye getirilen, katlara çıkarılan ve stokta kalan malzeme miktarlarını gerçekçi şekilde bilerek, oluşacak malzeme ihtiyaçlarını bilmek ve iş programlarını güncellemek mümkün olmaktadır. Bu çalışmada ekipmanların takibine odaklanılmıştır. Bunun temel sebebi, sahada işgücü ve malzemeye göre ekipmanların sayıca çok daha az olması ve bu sebeple takibinin daha az karmaşık ve ekonomik olmasıdır. Yapılan testler ekipmanların aktivitelerle ilgili ilerlemelerin izlenmesinde güvenilir bir veri kaynağı olduğunu göstermiştir. İnşaat ekipmanları üzerine yerleştirilen algılayıcı-tabanlı takip teknolojierine ek olarak bazı ekipmanlar üzerinde halihazırda yer alan veri toplama yöntemlerinden de faydalanılmıştır. Bu nedenle uygulamada, şantiyelere sadece ufak yatırımlar yapılarak bu çalışmada tariflenen çıkarım mekanizmaları kullanılarak aktiviteler ile ilgili sahadan bilgi toplanabilir. Ekipmanlar üzerinden izlenmesi kararlaştırılan parametrelerin, aktivitelerin ilerlemelerini farklı teknolojiler yardımıyla takip etmek isteyen araştırmacılar için başlangıç noktası olacağı ve bu parametreler kullanılarak farklı teknolojilere dayalı sistemler geliştirilebileceği düşünülmektedir. Prototipin mevcut durumunda imalatların izlenmesi için gerekli olan proje ile ilgili metraj, iş programına göre planlanan tarihler, malzeme bilgileri vb. bilgiler manuel olarak girilecek şekilde tasarlanmıştır. Bu çalışmanın ileriki adımlarında proje ile ilgili veri girişlerinin otomatikleştirilmesi planlanmaktadır. Bunun için, gerekli bilgiler örneğin binaların Yapı Bilgi Modelleri'nden otomatik olarak çekilebilir. Bilgilerin modellerden otomatik çekilmesi için kullanıcıların hangi detay seviyesinde (ör. LOD 300) BIM modellerine ihtiyaç duyacağı, projeye özgü hangi bilgileri, nasıl tanımlayacaklarını gösteren adımların belirlenmesi ve gereksinimlerin tespit edilmesi, bu çalışmanın bir sonraki adımı olarak planlanmaktadır.

Summary:

Although it is common in our country to work double shifts in large construction projects to shorten the total construction time; there is not an effective project control and monitoring approach to ensure construction resources are used effectively throughout the shifts. Moreover, there is less number of personnel responsible for project control and monitoring in the night shift. Project control and monitoring in both shifts is based on the information that is collected from field and this information is mostly missing and/or incorrect. Also, it is time consuming to transfer the manually collected performance data of activities (progress and productivity) to a computer platform for carrying out analyses and the data is not up-to-date. There is a need for automated tracking of construction progress for double shift projects and developed approach need to function well both nighttime and daytime conditions. Previous studies on automated progress monitoring at construction sites focused only on monitoring of daytime work and the potential of construction equipment that are utilized at different stages of a construction activity to provide information about the progress of that on-going activity has been overlooked. However, a solution addressing the issues of a daytime work might not be able to function well during the nighttime work due to different working conditions (e.g., less lighting, less number of personnel in charge). Therefore, in this PhD research, it has been targeted to develop a method that will enable continuous monitoring of both day and night shifts in a construction project, ensuring that the construction resources (material, labor and equipment) are used effectively throughout the shifts and hence, the intended productivity levels are achieved. The main objective of this PhD research is to identify the requirements for monitoring the progress of activities in double shift building projects using construction equipment and to develop an automated sensor-based approach that tracks equipment and the related parameters for this purpose. To achieve this objective; the equipment tracking requirements (i.e., activities, equipment and related parameters to be tracked, and the technology-independent requirements) were determined for double shift construction sites and appropriate technologies were selected. Initial tests were performed with the selected technologies for determining the functional (i.e., technology-specific) requirements. Once the functional requirements were identified, necessary reasoning mechanisms needed to be defined for utilizing sensor-based technologies for monitoring the progress of construction activities by tracking construction equipment. To achieve the equipment tracking-based activity monitoring vision of this PhD research study, data obtained from several construction equipment via sensor-based technologies are needed to be fused with project related information, such as quantity takeoffs, schedules and site reports. These different data sources provide data at different time intervals and are fragmented in nature. The necessary reasoning mechanisms were determined and a data fusion approach was developed to fuse this fragmented data in a complementary and supporting fashion for monitoring the progress of construction activities. To validate the identified requirements and reasoning mechanisms developed for monitoring the progress of activities in double shift building projects with sensor-based tracking approach, a prototype system was developed. The physical prototype was implemented as a proof of concept, and field tests were performed for validating the developed approach in terms of determining the progress of (1) masonry, (2) rebar installation, and (3) steel component transfer to installation area at a double shift construction site in Istanbul. Actual progress data were collected for three months using the tower crane sensors, RFID system on the elevator, wireless accelerometer on a hand drill and total station device for masonry work and rebar installation at a building. Since no steel installation was scheduled within the time period of the field experiments; the approach to monitor the progress of steel component installation was demonstrated by fusing the generated data that represent a steel component transfer to installation area with the steel quantity takeoff. Masonry work was monitored at eight floors (i.e., floors 20 to 27) and the results showed that, masonry work progress can be predicted with an average of 96% accuracy by fusing the data about the amount of material delivered to the floor obtained from tower crane sensors and the amount of material utilized at the floor obtained from the RFID data. These findings demonstrate that the developed approach can be effectively used in determining the progress of masonry work at double shift construction sites. Rebar installation was monitored at six floors (i.e., floors 27 to 32) and the progress and performance of the rebar installation activity was estimated based on the data obtained from the tower crane sensors and total station. The developed approach estimated the rebar installation progress daily, by comparing the total weight of rebar brought to the floor with the rebar quantity takeoff of the floor. The developed approach was able to estimate the percentages of completion at six floors with 95% accuracy (i.e., average of six floors). The approach developed for monitoring the progress of steel component installation activity was demonstrated on a fictitious data set that was generated to represent the movements of a tower crane transferring a steel component from the laydown area to the installation location on the building. The developed monitoring approach compares the weight of the steel component that is transferred to its installation location with the total weight of the steel project and calculates a percentage of completion. The sample data set illustrated the transfer of a 2.0 tons of steel component to the building. Considering the total steel project quantity takeoff (i.e., 20 tons), the progress was calculated 10%. For visualizing and using the progress and performance data of the activities in further analysis and for creating reports, user interfaces were developed. Technical office personnel and site management were envisioned as the users of the developed user interfaces. Technical office personnel will be able to integrate the field data collected via sensor-based technologies with the quantity takeoffs and planned start and end dates of activities to obtain realistic progress and productivity information. While the site management will be able to visualize the utilization of material and equipment in more detail. User interfaces targeted at enabling the presentation of the progress data obtained from the field to the executives through graphical and visual data. Practitioners can use the automated activity progress and productivity monitoring approach developed in this study to avoid conflicts that occur between the employer and the contractor on the amount of completed work at the time of progress payments and develop timely solutions for productivity problems. The developed approach was tested on a reinforced concrete building construction, however, this apporach is very suitable for prefabrication or steel construction as activities in these construction sites are more organized as opposed to reinforced concrete construction and similar activities are performed repeatedly. Due to continuous material supply to construction sites, it can be very difficult to keep a realistic track of the amount of material transferred to floors and left in site stocks, and to know how much more material is needed and how much material is wasted. Developed activity monitoring approach can enable practitioners to know the amount of material delivered to the site, transferred to the floor, and left at the stock; and therefore projecting future material needs and updating schedules accordingly. The focus of this study was equipment tracking. Main reason was that the equipment at construction sites are less in number, and therefore provide a less complicated and more economic means of resource tracking. Field experiments showed that the equipments provide reliable sources of information for progress tracking of activities. In addition to the sensor-based technologies mounted on construction equipment, developed prototype utilized data collection methods readily available on construction equipment. Therefore, practitioners can utilize the developed approach at their sites only by small investments and by applying the reasoning mechanisms described in this study to collect data from field for progress monitoring of activities. The equipment tracking requirements identified in this study are expected to provide a starting point for practitioners and researchers to develop systems based on different data collection technologies. Manual steps included in the data collection and implementation phase of the current version of the prototype can be automated. For example the project related information, such as the quantity takeoff, planned start and end dates of activities, material information, were entered manually to the data fusion user interface. Future research is directed to automate these steps by integrating Building Information Models for extracting such information automatically. The requirements will be identified for defining the necessary LOD levels needed for this type of usage of BIMs and steps will be determined for practitioners on how to define necessary project related data within building elements.