5G技術(shù)在智慧工地應(yīng)用探討

文｜國(guó)家電網(wǎng)有限公司直流建設(shè)分公司 向宇偉 陳新剛 謝永濤 曹建泉 巨斌 陳鄂球

智慧工地系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工程建設(shè)中。但是傳統(tǒng)無(wú)線通訊技術(shù)由于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，無(wú)法有效傳輸現(xiàn)場(chǎng)信息，采用光纖等有限傳輸技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)施工易挖斷光纖導(dǎo)致傳輸中斷。傳統(tǒng)通訊技術(shù)影響了智慧工地的數(shù)據(jù)傳輸，限制了智慧工地平臺(tái)的部分功能。5G通訊技術(shù)則能夠解決以上問(wèn)題。

一、智慧工地概述

智慧工地是一種工程施工管理體系，指在工程施工過(guò)程中運(yùn)用BIM 模型、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、VR 技術(shù)、定位技術(shù)等手段對(duì)工程進(jìn)行管理，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工程施工中出現(xiàn)的問(wèn)題，并及時(shí)制定解決方案。智慧工地建設(shè)目標(biāo)是圍繞施工現(xiàn)場(chǎng)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”各模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、車(chē)輛及施工進(jìn)度、安全質(zhì)量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管控，打破傳統(tǒng)施工現(xiàn)場(chǎng)粗放型管理方式，實(shí)現(xiàn)“安全、高效、高質(zhì)”項(xiàng)目現(xiàn)代化生態(tài)圈。

圖1 新型智慧工地構(gòu)架

二、5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

3月4日，中共中央政治局常委召開(kāi)會(huì)議，從統(tǒng)籌推進(jìn)疫情防控和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的的大局出發(fā)，作出了加快5G等新型基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)度的工作部署。4月1日，習(xí)總書(shū)記在浙江考察時(shí)，強(qiáng)調(diào)要抓住產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、數(shù)字化產(chǎn)業(yè)賦予的機(jī)遇，加快5G網(wǎng)絡(luò)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。這一系列舉措體現(xiàn)出國(guó)家層面對(duì)5G發(fā)展重視。5G技術(shù)應(yīng)用于智慧工地主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1.穿透性強(qiáng)

施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，施工現(xiàn)場(chǎng)各種建筑材料堆放，大型施工機(jī)械作業(yè)，很多大型工程地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)氣象、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜。2G、3G、4G 都存在著穿透能力不強(qiáng)的弊端，障礙物會(huì)影響其傳輸速度，在情況復(fù)雜的施工現(xiàn)場(chǎng)情況下，傳統(tǒng)的通訊技術(shù)會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸緩慢，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)不能及時(shí)傳輸?shù)街腔酃さ仄脚_(tái)，無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)。5G技術(shù)具有強(qiáng)穿透性的特點(diǎn)，能夠克服施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜的不利因素，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息即時(shí)傳輸。

2.超高速率

5G網(wǎng)絡(luò)下行峰值速率可以達(dá)到20Gbit/s，上行峰值速率可以達(dá)到10Gbit/s，是目前4G 通訊技術(shù)的20 倍。如此超高速率，使得智慧工地云平臺(tái)能在極快的時(shí)間內(nèi)接收來(lái)自施工現(xiàn)場(chǎng)的大量信息。

3.低時(shí)延高可靠性

理想狀態(tài)下，5G的時(shí)延速度是毫秒級(jí)，端到端的理想時(shí)延是10ms 左右，LTE 的端到端的典型時(shí)延是50-100ms，5G的時(shí)延是4G 的十分之一。5G將實(shí)現(xiàn)誤碼率小于十萬(wàn)分之一，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。低時(shí)延高可靠性，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的視頻監(jiān)控設(shè)備、單兵設(shè)備有極大的意義，能真正保證實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況，第一時(shí)間排查現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量、安全隱患，遠(yuǎn)程處理現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)情況。

4.兼容性強(qiáng)

在傳統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)框架內(nèi)，不同的通訊技術(shù)之間兼容性不佳。為了實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)通訊的需要，施工現(xiàn)場(chǎng)布置了手機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線WIFI 網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線電通訊等方案。5G無(wú)線通信技術(shù)作為第五代通信技術(shù)，巧妙的融合了2G、3G、4G 通信協(xié)議和NFC、WIFI 等通信技術(shù)，具備著較高的兼容性，一定程度上減少了后期維護(hù)和開(kāi)發(fā)成本。

5.設(shè)備安裝簡(jiǎn)單

5G設(shè)備容量是4G 設(shè)備的20 倍，但是體積大幅縮小、重量大幅減輕，安裝更為便捷。很多大型工程周邊地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，5G網(wǎng)絡(luò)的安裝上的便攜，可以更為方便建立智慧工地通訊系統(tǒng)。

三、5G通訊技術(shù)在智慧工地應(yīng)用研討

3.1 工程概況

該工程是我國(guó)電力發(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)工程。該工程位于四川省涼山彝族自治州，工程總占地面積29.38 公頃，海拔高度2468m，地震烈度8 度。該工程在智慧工地平臺(tái)的基礎(chǔ)上，加上了5G通訊技術(shù)的應(yīng)用。

3.2 智慧工地系統(tǒng)主要構(gòu)架

智慧工地平臺(tái)整體架構(gòu)分為感知層、傳輸層、支持層、應(yīng)用層、用戶層5 層，平臺(tái)的建設(shè)依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和管理體系保證系統(tǒng)的質(zhì)量和安全。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

3.3 5G技術(shù)在智慧工地建設(shè)中的主要應(yīng)用

3.3.1 視頻監(jiān)控

該工程在施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)設(shè)置了13 個(gè)智慧燈塔，其中12 個(gè)智慧燈塔在施工場(chǎng)地內(nèi)，一個(gè)智慧燈塔在塔吊頂端。智慧燈塔上設(shè)置了常用照明設(shè)備之外，還安裝了高清攝像頭。5G通訊技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場(chǎng)圖像，同時(shí)，能夠?qū)⑿畔鬏數(shù)绞謾C(jī)端，管理人員能夠隨時(shí)隨地了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

3.3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)

施工現(xiàn)場(chǎng)布置了微氣象站，微氣象站包括：風(fēng)速傳感儀、溫度傳感儀、PM2.5顆粒檢測(cè)儀等傳感器。通過(guò)傳感器能夠搜集溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、噪聲以及空氣污染情況等環(huán)境要素信息。通過(guò)5G通訊技術(shù)將信息傳輸?shù)街腔酃さ仄脚_(tái)，同步展示環(huán)境信息。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與報(bào)警、控制措施聯(lián)動(dòng)，對(duì)安全施工提供科學(xué)指導(dǎo)。

3.3.3 安全管控

為應(yīng)對(duì)疫情，進(jìn)站閘機(jī)設(shè)置了紅外測(cè)溫裝置，實(shí)現(xiàn)批量人員體溫測(cè)量，快速找出體溫異常個(gè)體，提高防護(hù)水平。工程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了電子圍欄、車(chē)輛防碰撞雷達(dá)等安全設(shè)施有利于施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安全，降低施工事故。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立VR 體驗(yàn)館，建立施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)情景模型，提供虛擬體驗(yàn)，加強(qiáng)工人安全意識(shí)。通過(guò)5G通訊技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采集現(xiàn)場(chǎng)施工人員的進(jìn)出站及軌跡信息、安全工器具的佩戴與使用信息，對(duì)施工人員主要安全隱患、高危區(qū)域、問(wèn)題、規(guī)律進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的精準(zhǔn)安全管控。

3.3.4 質(zhì)量管理

利用5G技術(shù)、藍(lán)牙、GPS、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，對(duì)關(guān)鍵施工作業(yè)進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)，將檢測(cè)過(guò)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇y(tǒng)一的平臺(tái)當(dāng)中，避免人為操作偏差與主觀失誤。實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)感知，形成圖像、指標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)，主體建筑、關(guān)鍵設(shè)備安裝環(huán)境監(jiān)控、混凝土溫度監(jiān)測(cè)、墻體沉降自動(dòng)觀測(cè)，進(jìn)行實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的全要素管控。施工作業(yè)信息化監(jiān)控是管控工程實(shí)體質(zhì)量的重要措施，也是目前工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)信息化應(yīng)用的薄弱環(huán)節(jié)。

3.3.5 技術(shù)交底

平臺(tái)展示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化三維設(shè)計(jì)、數(shù)字化施工，集中進(jìn)行設(shè)計(jì)方案校核、圖紙交底、施工方案推演等工作，實(shí)現(xiàn)可視化交底管理。展示大件運(yùn)輸模擬、大跨度鋼結(jié)構(gòu)吊裝模擬、大型設(shè)備安裝。現(xiàn)場(chǎng)交底支持指紋識(shí)別，視頻記錄，5G技術(shù)改變了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交底信息無(wú)法無(wú)線傳輸?shù)膯?wèn)題。

四、總結(jié)

智慧工地系統(tǒng)的飛速發(fā)展對(duì)通訊技術(shù)提出了新的要求，5G作為信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心領(lǐng)先技術(shù)，相較于傳統(tǒng)技術(shù)有著不可比擬的優(yōu)越性。抓住5G技術(shù)的先進(jìn)性、便攜性，進(jìn)一步完善智慧工地系統(tǒng)，提升工程施工質(zhì)量，保障建設(shè)安全，促進(jìn)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。