5G技術在鐵路工程智慧工地的應用研究

賀曉玲，郭 芳

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

全球正迎來新一輪科技革命和產業革命，智能化、信息化、工業化成為變革的重要驅動力量，是全球各國積極推動的熱點工作。5G技術在新型基礎設施建設中的作用也尤為突出，5G技術的發展將為鐵路工程建設提供新思路。

樊則森就當前及今后建筑工業化和智能建造的融合發展進行了研究，提出了7個發展應用點[1]；張雷以市政工程瀝青路面施工作業為例，提出智能頭盔的應用策略[2]；杜黎明等人通過開展智能化的物聯網技術在核電工程現場的應用研究，為多項目管理工地智慧管理奠定基石[3]；王超等人系統研究了智慧工地的背景與發展現狀、國內安全生產形勢、安全生產事故的發生規律，從管理對象和管理流程兩個切入點，對智慧工地在安全管理中的具體應用進行了研究分析[4]；李曉軍總結了智能建造演進路徑與建筑工業化協同發展[5]；劉曉龍等人通過構建了云端網絡式BIM系統，實現所有BIM項目相關人員，能共同使用BIM項目，增加BIM項目使用的可能性和使用時機[6]；李雪松研究和實現了一個智慧工地管理系統，該系統以建筑工地安全管理為背景，保障施工現場物資、人員、設備等重要資源的安全，采用深度學習模型對于視頻監控中的人員安全帽佩戴情況進行識別，實時保障工地人員安全[7]；容建華等人提出“互聯網+工程管理”的模式，提出了鐵路工程智慧工地管理信息系統設計方法和實現方式[8]。這些研究主要集中在“互聯網+”及智慧工地的應用方面，未考慮應用時面臨的通信需求，對5G技術的研究應用較少。

鐵路工程建設綜合性強，具有建設周期長、投資大、涉及面廣、所需物資龐大、人員眾多、需協調解決問題較多等特點，在鐵路建設過程中，所需設備眾多，目前鐵路信息化已獲得長足發展，但在建設期間信息化應用方面，仍面臨很大挑戰，尤其在通信條件不佳的偏遠地區，信息化工作的推行仍有困難。隨著5G技術的發展和日趨成熟，帶來了通信帶寬的重大突破，并以超高速、低延時的獨有特性可以海量接入下游設備，從而打開更加廣泛的應用領域。此時，將5G技術與傳統鐵路工程建設相結合，解決當前鐵路在復雜、偏遠環境下通信不暢、信息傳輸效率低下等問題，為鐵路建設項目在質量、安全、管理方面提供了新的解決方案。

1 基于5G技術的鐵路工程建設智慧工地

1.1 鐵路工程建設智慧工地

鐵路工程建設智慧工地是指利用先進的信息化手段，在項目設計階段，使用二、三維設計工具或平臺對工程項目進行精確的數字化設計。在此基礎上，開展項目施工階段模擬智能互聯、智能運營，使在建項目實現智能施工、協同生產、綠色高效的全生命周期管理模式，借助物聯網等新技術，完成施工項目全過程數據采集、存儲、分析及數據挖掘，通過數據分析提供施工過程各階段趨勢預測，實現工程施工智能預測、科學管理，以提高工程管理信息化水平，從而逐步實現綠色、生態建造。

鐵路工程建設智慧工地將物聯網等傳感技術、機器學習、智慧感應、VR等高科技技術應用于在建工程實體、工程設備、人員裝備、項目工地進出口等各類應用場景中，實現各類場景的普遍互聯，形成“虛擬工地”，并結合成熟的“互聯網”技術，實現工程項目場地內外管理人員與在建工程施工現場的聯結和整合。

鐵路工程建設智慧工地以實現在建工程項目現場一體化管理為目標，將物聯網等技術深入應用到傳統建筑行業中，圍繞工程建設中的人、機、料、法、環，實現一種新型的管理模式，使傳統建筑施工現場參建各方均能同步管理、同步監督，并為各方提供更加智能的在建項目現場管理信息化解決方案。

1.2 鐵路工程建設智慧工地架構

鐵路工程建設智慧工地將綜合應用物聯網、云計算、大數據、互聯網+、5G、GIS+BIM等技術，對現場人員、物料、安全、質量、生產、環境等要素在施工過程中產生的數據進行全面采集，通過建立統一的鐵路施工項目信息化管理平臺，采集、存儲、分析施工階段工程數據，實現科學管理、輔助決策功能，從而實現鐵路工程建設全生命周期管理。基于5G技術的鐵路建設智慧工地架構，如圖1所示。

（1）終端層：由具有感應技術的器件組成，是架構中采集獲取信息的部分。終端層的各類設備可將獲取的人員位置、環境、視頻、音頻等信息采集存儲并傳輸至基礎設施層。

圖1 基于5G技術的鐵路建設智慧工地架構

（2）基礎設施層：也叫網絡層，主要為終端層和平臺層提供通信服務，在已有骨干網、接入網、有線網及無線網的基礎上，增加5G專業基站及5G工業內網，將以上不同的網絡按照特定的拓撲結構相互連接，通過特定的網絡傳輸協議，使終端層的數據能以最佳路徑傳輸至平臺層。

（3）平臺層：是基礎設施層與應用層連接的橋梁，通過集成平臺、數據集成、消息集成、API服務集成、流程集成及身份接入管理等不同功能模塊的應用，將接收到的基礎設施層的數據分類、集成管理。

（4）應用層：根據鐵路工程建設需求部署相關業務子系統，提供相應的接口服務供上層應用調用，實現鐵路工程智慧工地智能化應用的場景落地。

2 5G技術在鐵路工程智慧工地建設中的應用

2.1 人員定位

鐵路工程項目一般為線狀工程，現場人員分散，智慧工地利用5G、藍牙、物聯網等技術，可實時采集鐵路在建項目現場工作人員位置信息，全過程記錄人員行蹤，尤其對重要崗位及高危崗位人員的位置進行動態監測，可為人員安全提供技術保障，也能為人員管理提供便利條件。可實時掌握現場作業狀態，當監控人員掌握到異常情況時，可通過人員定位系統終端設備向所有人員發出緊急指令，提示人員撤離。

2.2 物料管理

鐵路工程項目建設周期長，建設過程復雜，其中涉及流程、事項較多，一個項目從計劃、到開展再到順利完工，往往需要多個組織和部門的合作。在整個項目建設的過程中將產生海量的包括技術、物流、管理、財務和人員等相關的文件及數據，目前，這些項目數據一般基于項目組織機構分散存儲在不同單位或組織的計算機終端上。很多鐵路建設現場，環境惡劣，通信條件差，線上線下物流流轉效率不高，此時通過應用5G技術，支撐多類型智能終端接入，提供消息實時提醒服務，可有效降低信息延遲，解決物流流轉效率低下的問題。同時，可引入二維碼等技術，對不同類型、不同場地物料進行全過程追蹤，根據工程實際進度動態調整工序及時間節點，優化工程計劃，從而有效減少施工材料庫存時間，降低工程費用。

2.3 安全管理

目前，鐵路建設項目周期較長、范圍廣，很多工程項目在自然環境極其惡劣的地域開展，工程風險也隨之加大，為應對新挑戰，提升項目現場安全管理水平，全新的項目建設安全管理模式需大力推廣應用。利用5G大帶寬、低延時特性，引入人臉識別技術、遠程視頻監控系統，實現遠程現場施工視頻實時回傳，同時，通過圖像識別技術有效識別現場違規施工現象，有效預防安全事故的發生。

2.4 質量管控

利用5G低延時、高速率特性，優化鐵路工程建設過程中的質量管控手段，如在拌和站管理中，通過統一的信息化平臺集中管理，通過對原材料進貨驗收、混凝土生產數據實時動態采集、混凝土出廠管理等各階段進行閉環管理，確保原材料進場數量、質量合格。在鐵路工程項目建設工地試驗室環節，建立統一的試驗室信息化平臺，通過連接各項試驗儀器，對各類試驗進行全過程監控及數據采集、上傳，利用邊緣計算技術對各類型數據實現快速分析，記錄各階段責任人，實現對實驗儀器、試驗樣品、技術資料、試驗報告的全過程動態管理，為規范原材料質量管理提供數據支撐。

2.5 環境監測

施工現場環境污染是鐵路工程建設過程中無法避免的問題，生態保護措施不到位、建筑污染物處理不當等問題也時有發生，在施工現場可通過設置包括風速傳感儀、溫度傳感儀、PM 2.5顆粒檢測儀等傳感器的微氣象站，實現對溫度、濕度、風速、風向、氣壓、噪聲、PM 2.5和PM 10等環境要素信息進行實時監測，通過高速傳輸技術將相關信息傳輸到智慧工地信息化平臺，聯動自動環境處置系統進行環保處理，實現對環境的動態控制。

2.6 應急救援

利用5G技術大帶寬、高速率的特性，解決現有多源異構數據容量大、數據傳輸對寬帶要求較高、連接不穩定等問題。可基于現有電子沙盤系統，開展基于BIM+GIS的工程調度指揮“一張圖”模式研究，提升對工程調度指揮的一體化協同能力及應急處置能力，實現對既有系統的迭代升級。針對BIM與GIS等大體量數據傳輸速率慢，應急調度指揮多方協同不夠及時、不夠合理等特點，基于5G大帶寬高速率特性，依托邊緣計算能力，解決大體量數據傳輸及路徑規劃指引問題，形成對突發事件的預案、組織、響應、處置、評估的一體化管理，實現數據高度互聯共享、指令快速下達及應急預案的快速推送，提升鐵路施工期間對突發應急事件的應對處置能力；攻克工程調度多種事件場景快速定位、設備空間位置感知、路徑智能規劃的關鍵技術，形成一套基于數據驅動下的工程調度指揮和智能決策體系。

3 關鍵技術分析

5G技術通信性能，需要多種技術相互配合共同實現，其關鍵技術如下：

（1）無線傳輸技術。5G通信中，基站可支持百根天線，這些天線通過Massive MIMO技術形成大規模天線陣列，可以同時向更多的用戶發送和接收信號，從而將移動網絡的容量提升數十倍甚至更大。為智慧工地對實時視頻等信息的傳輸提供技術基礎。

（2）網絡切片技術。基于NFV和SDN技術，面向不同的應用場景，如VR、車聯網、實時視頻音頻等對網絡的移動性、安全性、時延、可靠性，甚至是計費方式的需求不同，將網絡資源虛擬化，切割成多個端到端的虛擬網絡，為不同用戶不同業務打包提供資源，優化端到端服務體驗，具備更好的安全隔離特性。

（3）邊緣計算技術。5G承載網通過引入新的網絡架構，在網絡邊緣提供電信級的運算和存儲資源，解決傳輸側對不同應用場景的支撐問題，實現業務處理本地化，降低回傳鏈路負荷，減小業務傳輸時延，提升用戶體驗。

4 結束語

在以5G技術為代表的新興信息技術與傳統建筑行業融合發展的背景下，本文基于5G技術，聚焦鐵路工程建設智慧工地，結合5G技術的基本特征，探索鐵路工程智能建造與5G技術結合的應用點。在目前5G技術處在方興未艾之際，應充分利用5G技術的先進性、快速性、便捷性，進一步優化和完善鐵路智慧工地系統，保障鐵路項目建設安全，提升鐵路項目施工質量，從而有效促進鐵路行業轉型升級。