通信技術在智慧工地中的應用

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量和規模井噴式增長，工地現場管理、環境融合、安全保障等突出性問題成為建設單位、施工企業和政府監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網平臺，通過設備采集、數據傳輸以及平臺信息處理等實現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、網絡傳送層、數據層、應用層和用戶層。數據采集層是工地現場各種設備的監控儀、傳感器及視頻監控設備。網絡傳送層負責將采集到的數據進行處理和傳送。數據層負責各種數據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各種功能模塊。用戶層在最頂層，由建設單位、施工企業和政府監管部門組成。

2 智慧工地通信技術應用原則

網絡傳送層是前端感知層通向系統后臺的橋梁和紐帶，在智慧工地系統中扮演著不可替代的角色。通信網絡部署及技術的運用，決定了智慧工地的數據吞吐能力、交互速度和系統升級潛力。建設中主要應考慮5 個原則[2]。1）實用性。支持各種數據的傳輸并保證穩定的傳輸質量。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勢，能夠適應技術演進。4）經濟性。建設成本及后期運營維護費用較低。5）可擴充性。系統容量、處理能力以及物理聯接等方面可擴展。

3 智慧工地應用場景

3.1 傳統通信技術應用場景

工地施工條件、施工階段的不同使智慧工地的場景多樣化，傳輸網絡部署須因地制宜，綜合規劃，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、材料加工區采用有線方式連接，塔吊通過無線網橋連接回傳數據。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，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，既可作監控點，又可作無線網橋的中繼點。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橋。

5G 專線接入優點傳輸質量穩定，可支持大帶寬需求，可靠性較高，可擴充性較好。光纖為現有資源，無須新建，建設成本較低，經濟性較高。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，攝像機的視頻監控數據存儲到本地SD 卡或DVR 中，在收到客戶端的觸發指令后將實時監控視頻或存儲視頻通過移動網絡回傳至系統后臺。3）無線接入具有施工靈活、工期短、擴展性強的優點。但4G 網絡的局限性也是很明顯的。首先，施工場地無線網絡覆蓋不足，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

隨著智慧工地的發展，網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 的網絡速度是4G 的11.2 倍（現網5G 實測下行帶寬約為4G，上行帶寬200 Mbps），5G 網絡每平方千米最大連接數將是4G 的10倍，毫秒級的空口時延是4G 的1/10（約5ms）。5G 網絡還具有網絡切片能力，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 網絡可以實現對空覆蓋，無人機可快速對施工區域進行數字化測繪。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字化地形信息回傳數據中心。

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。 通過施工區域部署的5G 網絡可以實現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。實現操控人員在控制中心可對多個設備實現多人對多機，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 網絡將實時的車輛作業數據回傳云端，實現施工數據的存儲、 查詢和分析。通過云端部署的大數據分析引擎，可實時對施工質量進行監測與預警，也可以通過云平臺必要時進行數據回溯。

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通信方式無法實現的功能。

4.1 多機聯動應用

工地內信息交互較為復雜，不同專業、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。傳統的群聊辦公程序已經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，能夠實現遠程巡檢、隱檢、預檢并留存佐證記錄，實現遠程語音、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域，在施工區域部署的5G 本地網關和邊緣計算節點上可部署機械智能施工云平臺。多臺工程機械通過5G 網絡連接到智能施工云平臺，實時交互作業信息，在云平臺的指揮下實現多機協作[3]。

4.2 視頻監控應用

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

5G 視頻監控結合AI，能夠從應急的角度對于現場進行實時的監控，并且及早發現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的穩定性上，都十分強大。并且5G 網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，自動發現未戴安全帽、煙火等安全問題并發出預警。同時根據人臉識別的景象及內容，對現場工作人員的實際情況也能得到實時的監測，有效地對人力資源進行協調管理。實現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 網絡難以勝任AR/VR 的接入，AR/VR 設備只能采用有線聯接，造成設備笨重、聯接復雜、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 詳細時延分解參數見表1。其中最重要的動作捕捉參數能夠在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）業務的支持，可提供空口低至1 ms 時延的接入。實現了遠程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

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

監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，應根據現場條件、投資大小以及具體需求等選擇合適的通信組網技術。

建筑業改革正在圍繞生產經營、技術研發和管理活動不斷創新。只有把現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，才能實現中國建筑轉型升級和持續健康發展，助力中國建造立于世界建筑業未來發展潮頭。