陳曉菲

（羅普特科技集團股份有限公司，福建 廈門 361008）

隨著我國建筑工地數(shù)量和規(guī)模井噴式增長，工地現(xiàn)場管理、環(huán)境融合、安全保障等突出性問題成為建設單位、施工企業(yè)和政府監(jiān)管部門亟待解決的問題。智慧工地充分利用通信信息技術與互聯(lián)網(wǎng)平臺，通過設備采集、數(shù)據(jù)傳輸以及平臺信息處理等實現(xiàn)工地的可視化智能管理，提高項目管理的交互性、靈活性和響應速度[1]，能夠解決這些突出問題。

1 智慧工地的整體架構

目前智慧工地的整體構架通常分為5 層。信息采集層、網(wǎng)絡傳送層、數(shù)據(jù)層、應用層和用戶層。數(shù)據(jù)采集層是工地現(xiàn)場各種設備的監(jiān)控儀、傳感器及視頻監(jiān)控設備。網(wǎng)絡傳送層負責將采集到的數(shù)據(jù)進行處理和傳送。數(shù)據(jù)層負責各種數(shù)據(jù)的存儲和認證等服務。應用層是管理平臺所在的層級，集成了智慧工地系統(tǒng)各種功能模塊。用戶層在最頂層，由建設單位、施工企業(yè)和政府監(jiān)管部門組成。

2 智慧工地通信技術應用原則

網(wǎng)絡傳送層是前端感知層通向系統(tǒng)后臺的橋梁和紐帶，在智慧工地系統(tǒng)中扮演著不可替代的角色。通信網(wǎng)絡部署及技術的運用，決定了智慧工地的數(shù)據(jù)吞吐能力、交互速度和系統(tǒng)升級潛力。建設中主要應考慮5 個原則[2]。1）實用性。支持各種數(shù)據(jù)的傳輸并保證穩(wěn)定的傳輸質量。2）可靠性。線路、設備單點故障不影響其他設備的正常運行，重要節(jié)點需有備用傳輸路徑且可自動切換。3）前瞻性。適度的先進性，保證其在一定時間內具有技術優(yōu)勢，能夠適應技術演進。4）經(jīng)濟性。建設成本及后期運營維護費用較低。5）可擴充性。系統(tǒng)容量、處理能力以及物理聯(lián)接等方面可擴展。

3 智慧工地應用場景

3.1 傳統(tǒng)通信技術應用場景

工地施工條件、施工階段的不同使智慧工地的場景多樣化，傳輸網(wǎng)絡部署須因地制宜，綜合規(guī)劃，具體包括5 個方面。1）有光纖資源工地且前端安裝位置相對固定，采用專線接入方式。出入口、材料加工區(qū)采用有線方式連接，塔吊通過無線網(wǎng)橋連接回傳數(shù)據(jù)。由于塔吊在施工中不斷升高導致塔吊上球機點位不斷變化，有線連接不適應要求。其方位位置圖如圖1 所示，由于塔吊相對于基站之間的關系是動態(tài)，所以這位信息的傳輸帶來了一定的阻礙。塔吊一般是工地的制高點，既可作監(jiān)控點，又可作無線網(wǎng)橋的中繼點。在智慧工地A 中，由于所建構筑物較多，高度不同，樓與樓之間的監(jiān)控點有遮擋，采用5G 技術可以有效地降低有線連接方式的不足。因此須將塔吊作為一個傳輸中繼點，在塔吊上配置背靠背無線網(wǎng)橋。

5G 專線接入優(yōu)點傳輸質量穩(wěn)定，可支持大帶寬需求，可靠性較高，可擴充性較好。光纖為現(xiàn)有資源，無須新建，建設成本較低，經(jīng)濟性較高。但專線接入受資源約束明顯，缺乏靈活部署能力。例如，無資源則建設周期較長，建設成本較高。2）無光纖資源工地或是前端設備安裝位置不固定，宜采用無線連接方式。在工地部署帶4G 功能和內置SD 卡的槍型攝像機或帶4G 功能的DVR，攝像機的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲到本地SD 卡或DVR 中，在收到客戶端的觸發(fā)指令后將實時監(jiān)控視頻或存儲視頻通過移動網(wǎng)絡回傳至系統(tǒng)后臺。3）無線接入具有施工靈活、工期短、擴展性強的優(yōu)點。但4G 網(wǎng)絡的局限性也是很明顯的。首先，施工場地無線網(wǎng)絡覆蓋不足，導致信息傳輸質量低，甚至無法傳輸。其次4G 通信技術時延在250 ms 以上，遠程畫面延遲明顯。再次4G 上行帶寬低，而對行業(yè)的支撐取決于上行帶寬的大小[1]。同時，具有4G 功能的攝像機價格較高，從成本上沒有優(yōu)勢。

圖1 塔吊作為傳輸中繼示例

3.2 5G通信技術應用場景

隨著智慧工地的發(fā)展，網(wǎng)絡層需要更短的時延、更大的帶寬，更廣的連接，更高的安全性， 5G 技術以人和物通信為中心的特點能夠較好的滿足這些需求。5G 的網(wǎng)絡速度是4G 的11.2 倍（現(xiàn)網(wǎng)5G 實測下行帶寬約為4G，上行帶寬200 Mbps），5G 網(wǎng)絡每平方千米最大連接數(shù)將是4G 的10倍，毫秒級的空口時延是4G 的1/10（約5ms）。5G 網(wǎng)絡還具有網(wǎng)絡切片能力，能夠在各類終端設備與云平臺之間搭建可管可控、能力匹配的差異化連接通道。

3.2.1 無人機測繪

5G 通過使用大規(guī)模多輸入多輸出技術（Massive MIMO），可形成垂直方向的波束，支持不同高度的通信。通過快速部署5G 網(wǎng)絡可以實現(xiàn)對空覆蓋，無人機可快速對施工區(qū)域進行數(shù)字化測繪。借助5G 上行的大帶寬能力，低空的無人機實時能第一時間將采集的數(shù)字化地形信息回傳數(shù)據(jù)中心。

3.2.2 遠程操控

進行工程機械的遠程操控需要多路實時高清視頻回傳，同時需要低延遲的通信進行安全可靠的控制。 通過施工區(qū)域部署的5G 網(wǎng)絡可以實現(xiàn)多路大帶寬視頻回傳，通過部署用戶面下沉，可以進一步降低通信延遲。實現(xiàn)操控人員在控制中心可對多個設備實現(xiàn)多人對多機，一人對多機的遠程控制[2]。

3.2.3 施工過程可視化回放

工程機械通過5G 網(wǎng)絡將實時的車輛作業(yè)數(shù)據(jù)回傳云端，實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的存儲、 查詢和分析。通過云端部署的大數(shù)據(jù)分析引擎，可實時對施工質量進行監(jiān)測與預警，也可以通過云平臺必要時進行數(shù)據(jù)回溯。

4 5G技術在智能工地中的應用展望

5G 技術的低時延、高帶寬和大連接特性和高安全性可靠性不但帶來了移動通信領域深刻的變革，也將為智慧工地領域帶來在傳統(tǒng)通信方式無法實現(xiàn)的功能。

4.1 多機聯(lián)動應用

工地內信息交互較為復雜，不同專業(yè)、不同工種和不同識別內容共同交織在一起。項目部門的辦公成了關鍵的應用體系內容。傳統(tǒng)的群聊辦公程序已經(jīng)完全不適用于大型工地內的應用場景，這時通過5G 技術作為重要的載體，能夠實現(xiàn)遠程巡檢、隱檢、預檢并留存佐證記錄，實現(xiàn)遠程語音、文字以及視頻交互，同步指導，解決施工技術難題。尤其是實際的施工區(qū)域，在施工區(qū)域部署的5G 本地網(wǎng)關和邊緣計算節(jié)點上可部署機械智能施工云平臺。多臺工程機械通過5G 網(wǎng)絡連接到智能施工云平臺，實時交互作業(yè)信息，在云平臺的指揮下實現(xiàn)多機協(xié)作[3]。

4.2 視頻監(jiān)控應用

在5G 架構中，視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性得到了極大的提高。采用移動網(wǎng)接入方式，視頻監(jiān)控的應用關鍵參數(shù)是上行帶寬，4G 單扇區(qū)上行帶寬約為50 Mbps（FDD-LTE 20 Mbps 載頻），5G 單扇區(qū)上行帶寬約為200 Mbps（100 Mbps 載頻），可大幅提升接入的探頭數(shù)量或接入更高畫質的探頭[4]。

5G 視頻監(jiān)控結合AI，能夠從應急的角度對于現(xiàn)場進行實時的監(jiān)控，并且及早發(fā)現(xiàn)問題以及各類危害的隱患。在這個過程中5G 技術無論是從傳輸速度還是傳輸?shù)姆€(wěn)定性上，都十分強大。并且5G 網(wǎng)絡內鏈接可視化的電子眼識別技術能夠有效地針對廠內物品的智能識別，自動發(fā)現(xiàn)未戴安全帽、煙火等安全問題并發(fā)出預警。同時根據(jù)人臉識別的景象及內容，對現(xiàn)場工作人員的實際情況也能得到實時的監(jiān)測，有效地對人力資源進行協(xié)調管理。實現(xiàn)人力資源管控的精準定位。

4.3 AR/VR應用

由于4G 的帶寬不足，時延偏大，4G 網(wǎng)絡難以勝任AR/VR 的接入，AR/VR 設備只能采用有線聯(lián)接，造成設備笨重、聯(lián)接復雜、清晰度不足等問題，極大限制了應用范圍。而5G 的高帶寬、低時延全面解決了這些難題，帶來的是無線化、輕量化以及高分辨率的頭盔。

MTP（Motion To Photons）時延指從頭動到顯示相應畫面的時間，目前行業(yè)公認MTP 時延低于20ms 可大幅減少VR 眩暈，MTP 詳細時延分解參數(shù)見表1。其中最重要的動作捕捉參數(shù)能夠在1ms 的精度范圍內，為智慧工地內的應用提供了高效的硬件保障。4G 的空口時延約為15 ms ～20 ms ，不滿足要求[3]。目前5G 正式商用的版本為R15，支持eMBB（ Enhanced Mobile Broadband），增強移動寬帶業(yè)務，空口時延約為4 ms～6 ms，可滿足MTP時延要求。到了R16 版本，5G 還將提供超可靠低延遲通信（URLLC）業(yè)務的支持，可提供空口低至1 ms 時延的接入。實現(xiàn)了遠程VR/AR 應用的重要硬件保障。5G 架構促進了各個硬件終端的有機融合。

表1 MTP 時延分解

監(jiān)理人員可以利用VR 眼鏡、PC 管理系統(tǒng)接入服務器，對施工工藝、安全、質量等進行監(jiān)督，并及時督促問題整改。

監(jiān)控平臺結合人臉識別技術對設備進行啟用認證，在工地吊裝設備上安裝智能識別設備，塔吊設備操作員通過身份識別方可啟動吊裝設備。

5 結語

綜上所述，在智慧工地的建設中，應根據(jù)現(xiàn)場條件、投資大小以及具體需求等選擇合適的通信組網(wǎng)技術。

建筑業(yè)改革正在圍繞生產(chǎn)經(jīng)營、技術研發(fā)和管理活動不斷創(chuàng)新。只有把現(xiàn)代通信技術和人工智能技術滲透到項目管理之中，使“智慧工地”成為建造技術升級和管理模式變革的重要載體，才能實現(xiàn)中國建筑轉型升級和持續(xù)健康發(fā)展，助力中國建造立于世界建筑業(yè)未來發(fā)展潮頭。