基于“5G+AI”的施工現(xiàn)場智慧安全監(jiān)管平臺的研究

韓成愈，劉 洋，龔戈勇

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引 言

安全風(fēng)險存在于日常施工現(xiàn)場的各個階段，依靠傳統(tǒng)的人巡監(jiān)管模式不僅耗時耗力、勞動強度大、危險性高，而且無法實時全方位監(jiān)控。近年來，隨著5G等信息技術(shù)的快速發(fā)展，以5G、AI、大數(shù)據(jù)以及云平臺為代表的各類技術(shù)發(fā)展趨向成熟，在政府的治理、監(jiān)督與服務(wù)，企業(yè)的安全、生產(chǎn)與管理方面可利用信息化技術(shù)有效提高管理效能。通過積極探索5G和AI技術(shù)的結(jié)合，為施工現(xiàn)場的安全生產(chǎn)監(jiān)管探索新的管理模式。

1 5G技術(shù)和AI技術(shù)

1.1 5G技術(shù)

作為新一代寬帶無線移動通信技術(shù)，5G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都與過去移動通信系統(tǒng)有很大不同。國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）定義了5G系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)特征，主要包括高速率、低時延以及大連接，與4G系統(tǒng)相比，5G網(wǎng)絡(luò)在接入帶寬、網(wǎng)絡(luò)容量、聯(lián)接密度、網(wǎng)絡(luò)時延、能源效率、頻譜效率、可靠性等方面都得到了較大的提升。對應(yīng)5G系統(tǒng)的各項關(guān)鍵指標(biāo)，ITU定義了5G的3大類應(yīng)用場景，如圖1所示[1]。

增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）場景能夠?qū)崿F(xiàn)對以“人”為中心各類社交、娛樂等個人用戶通信性能的提升，實現(xiàn)人與人之間通信的極致應(yīng)用體驗，適用于對帶寬及數(shù)據(jù)流量要求高的移動寬帶業(yè)務(wù)，如高速移動上網(wǎng)、超高清（移動8K點播）及3D視頻直播和社交、隨時隨地云存取、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）等。

大規(guī)模機器類通信（massive Machine Type Communication，mMTC）場景和高可靠低時延通信（ultra-Reliableand Low Latency Communications，uRLLC） 場景主要面向“物”與“物”之間連接的應(yīng)用。其中，mMTC場景用于海量設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入場景，如3GPP所提出的嵌于蜂窩系統(tǒng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)和增強機器類通信（enhance Machine Type Communication，eMTC）技術(shù)可用來支持各類海量機器類通信應(yīng)用，提供多連接的承載通道，滿足各類物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中發(fā)送較低的數(shù)據(jù)以及對傳輸資料延遲與成本有較低需求的廣覆蓋連接，面向以各類傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測、城市管理、智能家居等應(yīng)用場景。uRLLC場景涉及兩個方面的內(nèi)容，一個是超可靠，指通信過程中數(shù)據(jù)包的塊差錯率（Block Error Ratio，BLER）至少達(dá)到目標(biāo)BLER的10-5或10-6量級。另一個是低時延，指通信網(wǎng)絡(luò)的空口時延需滿足低于最大時延要求，如5 ms、1 ms或更低。uRLLC場景主要面向垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求，包括遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動無人駕駛汽車、工業(yè)制造及自動化等。

相對于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)“統(tǒng)一接入、單一效能”的運營模式，5G依托其自身網(wǎng)元虛擬化、架構(gòu)開放化以及編排智能化的技術(shù)保障，能夠通過資源和能力定制化，提供綜合型、具備差異化能力且服務(wù)質(zhì)量保障、靈活便捷的“專屬”網(wǎng)絡(luò)。在安全監(jiān)管領(lǐng)域，利用5G網(wǎng)絡(luò)高速率、低時延、大容量等特征，不僅能夠在現(xiàn)場和監(jiān)管中心之間實現(xiàn)實時、高品質(zhì)、雙向?qū)ΨQ的大規(guī)模數(shù)據(jù)流全交換，而且便于有效突破各個信息系統(tǒng)之間的信息互換，完成各監(jiān)管、實施與救援部門的數(shù)據(jù)融合交換，在應(yīng)用場景中達(dá)到身臨其境的效果。

1.2 人工智能技術(shù)

人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)基于海量數(shù)據(jù)的機器學(xué)習(xí)和深度分析，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上構(gòu)成智能系統(tǒng)平臺，完成需要耗費傳統(tǒng)大量人力物力才能完成的工作，關(guān)鍵在于需要龐大的參考數(shù)據(jù)作為計算機“思考”和“決策”的基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的發(fā)展，數(shù)據(jù)量指數(shù)級的增長為機器學(xué)習(xí)提供了大量的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，算法倉庫的不斷完善不僅為人工智能技術(shù)提供了分辨的能力，而且提供了決策的方法。AI技術(shù)通過賦予機器智能，對人的意識和思維信息過程進(jìn)行模擬，從而使機器設(shè)備具備人類的思考能力或?qū)崿F(xiàn)腦力勞動自動化，幫助人們解決各種工作和生活問題。AI以其智慧、高效等優(yōu)勢被廣泛運用于各個領(lǐng)域[2]。

AI領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)包括自然語言處理、AR/VR、統(tǒng)計機器學(xué)習(xí)、知識圖譜、人機交互、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及深度學(xué)習(xí)等，其框架如圖2所示。

圖2 人工智能框架

在計算機科學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、大數(shù)據(jù)及圖像識別等新技術(shù)的驅(qū)動下，當(dāng)前AI技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，以AI芯片為核心單元的運算能力得到了持續(xù)提升，推動AI技術(shù)成為新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動力。深刻改變現(xiàn)有的生產(chǎn)生活方式，使社會生產(chǎn)力和勞動生產(chǎn)率得到整體躍升。據(jù)相關(guān)機構(gòu)的預(yù)測，AI技術(shù)將是眾多智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突破點，2026年全球AI技術(shù)市場規(guī)模總值將達(dá)到1.500×1011美元。AI技術(shù)的應(yīng)用場景也已經(jīng)從前期的碎片化過渡到深度融合的一體化模式，從單點應(yīng)用場景轉(zhuǎn)換為多元化的應(yīng)用場景，從技術(shù)升級邁向產(chǎn)業(yè)升級，在智慧城市管理和智能生產(chǎn)制造等眾多等場景中將得到更加廣泛及深入的應(yīng)用，人類工作的領(lǐng)域也與AI技術(shù)息息相關(guān)[3]。

2 構(gòu)建施工現(xiàn)場安全監(jiān)管平臺

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

基于“5G+AI”的施工現(xiàn)場，智慧安全監(jiān)管平臺充分利用5G低時延、大帶寬以及廣連接等持性，在解決施工現(xiàn)場通信的痛點難點基礎(chǔ)上，充分結(jié)合AI人工智能等信息化手段，圍繞施工過程的安全質(zhì)量等問題對施工現(xiàn)場的“人機料法環(huán)測”全要素進(jìn)行全方位、立體式的實時性監(jiān)測，實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全監(jiān)管的可視化和智能管理?！?G+AI”的施工現(xiàn)場智慧安全監(jiān)管平臺解決方案如圖3所示。

圖3 “5G+AI”的施工現(xiàn)場智慧安全監(jiān)管平臺解決方案

整套施工現(xiàn)場安全監(jiān)管體系的建設(shè)方案可采用面向服務(wù)的架構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA），包含終端層、接入層、中臺層以及應(yīng)用層，為智慧施工現(xiàn)場安全監(jiān)管平臺可視化提供相關(guān)的服務(wù)[4]。監(jiān)管體系的系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 監(jiān)管體系系統(tǒng)架構(gòu)

在終端層建立技術(shù)統(tǒng)一及標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)規(guī)范化于一體的終端信息采集規(guī)范，利用自動識別技術(shù)完成前端硬件或內(nèi)、外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)采集。接入層是整個安全監(jiān)管平臺的數(shù)據(jù)中樞核心。終端數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)以及管理數(shù)據(jù)等在數(shù)據(jù)接入層進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)換、加載，形成集成的、面向主題的且不容易丟失的數(shù)據(jù)倉庫，用于日常安全監(jiān)管數(shù)據(jù)的共享、決策支持等。中臺層集中多數(shù)據(jù)源，統(tǒng)一數(shù)據(jù)分析口徑，為不同場景預(yù)設(shè)不同的方式，以提高數(shù)據(jù)分析效率等。應(yīng)用層作為智慧安全監(jiān)管平臺的業(yè)務(wù)核心，向用戶提供相關(guān)的安全監(jiān)管應(yīng)用服務(wù)，各模塊之間通過服務(wù)總線實現(xiàn)各業(yè)務(wù)之間的業(yè)務(wù)交互。

2.2 數(shù)據(jù)來源

2.2.1 固定點位監(jiān)測

在關(guān)鍵點位安裝太陽能供電的視頻監(jiān)控，強化對工程車輛、人員及施工設(shè)備等方面的全方位現(xiàn)場錄像取證。視頻監(jiān)控搭載高像素紅外高清智能球機，支持高倍數(shù)的光學(xué)變焦和數(shù)碼變焦，可以看清數(shù)百米之外的汽車牌照號碼，能夠?qū)崟r監(jiān)管作業(yè)面情況。首先對工程車輛的類型和車牌、駕駛員行為以及車輛行徑軌跡進(jìn)行不斷點監(jiān)測，其次對周邊人員實施人臉識別，再次對火源（如抽煙、打火機、火柴等）等諸多不正常行為進(jìn)行監(jiān)測，最后對運行設(shè)備利用物聯(lián)感應(yīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、視頻等監(jiān)控施工現(xiàn)場設(shè)備的運行安全狀態(tài)。

2.2.2 無人機巡視

無人機可對臨時工程和重點區(qū)域等進(jìn)行有效補充監(jiān)控。無人機搭配AI智能芯片，根據(jù)點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動避障和計算，規(guī)劃出最優(yōu)飛行路線，應(yīng)用實時動態(tài)（Real Time Kinematic，RTK）高精度定位技術(shù)實現(xiàn)無人機自主巡檢。無人機AI算法云邊協(xié)同快速識別人工行為特征，通過無人機實現(xiàn)高空全景巡檢以及高速安全的5G網(wǎng)絡(luò)，快速發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場全景甚至是周邊的異常情況。

2.3 數(shù)據(jù)運行

采集的數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)低延時、高速率或部分點位的高效傳輸線路傳送到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層，經(jīng)過視頻圖像管理平臺的數(shù)據(jù)提取，再經(jīng)過人工智能模型組成的AI智能分析中臺的數(shù)據(jù)處理，備份到統(tǒng)一管理云平臺輸出到風(fēng)險識別智能監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)危險，發(fā)出預(yù)警，最終在終端用戶的手機、智能安全帽、智能手環(huán)、PC或者駕駛管理艙體現(xiàn)出來。

2.4 數(shù)據(jù)輸出展示

安全監(jiān)管的主要目的的是防止危險的發(fā)生，防患于未然，那么預(yù)防和應(yīng)急處置就是數(shù)據(jù)采集和處理后需要輸出展現(xiàn)的。通過全場景覆蓋，重要運營數(shù)據(jù)全可視化，分級動態(tài)監(jiān)管，實施多維分析，通知到人，人員分為3類，一是項目現(xiàn)場人員，一般是消息到智能手環(huán)、手機終端App；二是項目經(jīng)理，一般是消息到項目管理PC端；三是公司管理部門，一般是管理駕駛艙的監(jiān)控大屏。消息的及時統(tǒng)一性能實現(xiàn)快速聯(lián)動，對應(yīng)急時間進(jìn)行評估、研判以及分析，輔助制定相關(guān)應(yīng)急預(yù)案。整個施工工地安全監(jiān)管體系的邏輯如圖5所示。

3 “5G+AI”智慧安全監(jiān)管平臺的優(yōu)勢

（1）定制化的5G網(wǎng)絡(luò)，滿足監(jiān)管數(shù)據(jù)的傳輸需求。根據(jù)施工現(xiàn)場實際的監(jiān)管需求，可提供定制化的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案，并結(jié)合現(xiàn)在無線信號傳輸需求，滿足高達(dá)1GB以上的時間傳輸速率，支持各類高清廣角攝像頭的低時延和高清數(shù)據(jù)傳輸。實現(xiàn)施工現(xiàn)場監(jiān)管數(shù)據(jù)通信覆蓋難點（包括地下室、超高作業(yè)面）的移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

（2）實現(xiàn)施工現(xiàn)場信息的“多跨協(xié)同”。將施工現(xiàn)場多維度的安全風(fēng)險信息分析、預(yù)警、管控、處置整合在一個平臺內(nèi)，實現(xiàn)了安全監(jiān)管的全過程及全方位的管理。在安全監(jiān)管感知方面，通過智慧安全監(jiān)管平臺相關(guān)的5G監(jiān)控設(shè)備+物聯(lián)感知設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)車輛、人員、設(shè)備等多項安全風(fēng)險全覆蓋動態(tài)實時監(jiān)測。

（3）有效提升監(jiān)管效率。與傳統(tǒng)的監(jiān)管巡視方式不同，基于“5G+AI”智慧安全監(jiān)管平臺通過5G移動攝像頭、物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備、無人機方式實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸和機動靈活的視頻采集，高清畫面和AR監(jiān)控圖像通過5G專網(wǎng)流暢的傳送到監(jiān)管中心，實現(xiàn)全天候全方位實時監(jiān)管，有效減少現(xiàn)場安全巡視人員的工作量，實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全監(jiān)管的全面覆蓋和監(jiān)管效率的極大提升。

（4）實現(xiàn)安全監(jiān)控智能化。通過攝像頭、物聯(lián)網(wǎng)感知傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集的監(jiān)管數(shù)據(jù)，利用AI技術(shù)對施工現(xiàn)場安全事故易發(fā)高發(fā)區(qū)域的違規(guī)、高危行為場景進(jìn)行7×24 h不間斷識別，自動預(yù)判危險源，及時提醒和報警（通過短信、平臺提示等方式推送到管理者的手機），以便現(xiàn)場監(jiān)管人員第一時間掌握現(xiàn)場，進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)急處置，有效防范違規(guī)作業(yè)及安全事故的發(fā)生。

4 結(jié) 論

“5G+人工智能”的時代，社會信息生態(tài)高度發(fā)達(dá)，數(shù)據(jù)的不斷豐富也為進(jìn)一步為提升人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)提供了更多的進(jìn)步空間，在5G時代，充分發(fā)揮信息化技術(shù)優(yōu)勢，應(yīng)用到生活的方方面面，必將給人民的生活帶來更多的精彩和提供更安全的工作社會安全保障。本文通過研究利用“5G+AI”構(gòu)建施工現(xiàn)場安全監(jiān)管平臺改變了施工現(xiàn)場傳統(tǒng)的監(jiān)管方式，提升施工現(xiàn)場安全風(fēng)險管控和隱患治理能力，實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全監(jiān)管移動監(jiān)視、遙控、巡查、預(yù)警、報警等業(yè)務(wù)的閉環(huán)，對安全風(fēng)險全覆蓋的監(jiān)管。