5G 智能建造融合發展現狀與關鍵路徑

郝旭光 馬營營 宋梅

(1.華電煤業集團有限公司；2.聯通數字科技有限公司；3.中國礦業大學（北京）)

自2008 年IB M 提出“智慧地球”概念以來，相繼出現了智慧城市、智能制造等行業智慧化名詞，建筑行業也出現了智慧工地、智能建筑和智能建造等概念。5G 技術的誕生為全行業、全生態提供了萬物互聯的基礎網絡技術[1]。伴隨著新基站熱潮，5G 在工業互聯網、遠程醫療、智慧礦山等領域的應用實踐屢見不鮮。

2020 年7 月，住房和城鄉建設部等13 個部門聯合發布《關于智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》，指導意見中提出要建立健全跨領域跨行業協同創新體系，建立智能建造與建筑工業化協同發展的產業體系，在建造全過程加大移動通信、人工智能等新計技術集成與創新應用[2]。2021 年底，住房和城鄉建設部按照指導意見要求，總結推廣智能建造可復制經驗做法，確定124 個案例為第一批智能建造新技術新產品創新服務典型案例。2022 年，《“十四五”建筑業發展規劃》中提出“十四五”期間智能建造與新型建筑工業化協同發展產業體系基本建立，打造建筑產業互聯網平臺、加快建筑機器人研發和應用[3]。可見，國家正在大力推進建筑行業向智能建造方向轉型升級，鼓勵上中下游企業開展智能建造相關工作。

但是，5G 技術與建筑行業的融合進程較慢，在住房和城鄉建設部公布的124 個智能建造新技術新產品創新服務典型案例中，僅有一項為5G 在建造工程中的應用案例。基于此，本文就5G 技術在建造全過程中有哪些應用場景、存在哪些推廣難題以及如何破解進行分析，探索建筑行業與通信行業、建造與移動通信技術真正融合的關鍵路徑。

1.智能建造內涵

智能建造即通過數字化、信息化等先進技術，實現建造過程各環節的智能化、智慧化，涵蓋數字化設計、部品部件生產、智能化裝備、自動化施工、智慧化運營甚至產業互聯網等整個產業鏈的智能化升級。通過梳理智能建造相關文獻[4,5]，結合實際應用總結了建造過程各個階段主要任務，數字化轉型后對應的智能建造過程如圖1 所示。

圖1 建造階段對應智能應用對照分析圖

智能建造的整個過程中，勘察設計階段將由智能勘察設備、基于BIM 的數字化設計軟件、基于BIM 的工程自動算量等技術代替原有的CAD 設計圖紙等手段；生產階段柔性自動化生產線和智能工廠將大幅提高預制構件的生產效率和質量；物聯網和定位技術將使得運輸階段位置信息、車輛信息等更加透明可跟蹤；施工階段將更多的采用智能裝備、自動化設備、移動智慧設備、數字化工藝等實現智慧工地和智慧工地管理；樓宇、園區或其他建造項目的運維工作不僅是智慧城市建設的基礎，更是智能建造的延伸，建造過程的重要數據全部可視可查，鮮活的有數據的BIM 模型成為CIM 模型的基礎構成單元，運維和智慧城市建設融為一體。四個層級的產業互聯網貫穿智能建造過程，為智能建造提供資源，同時從建造過程獲取大量施工和施工單位相關數據，形成建造大數據分析決策模式，實現建造從粗獷式生產到精細化高質量生產。

2.5G智能建造應用場景及應用現狀

2.1 5G 技術分析

5G 技術即第五代移動通信技術，與4G 采用了完全不同的網絡模式。基于軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）的5G 網絡架構，通過控制面與數據面解耦分離模式，網絡更開放很靈活，提高了5G 網絡的傳輸效率及網絡的智能化，使得運營商可以打造更多創新服務，如根據不同應用設置帶寬和時延的網絡切片服務。同時多接入邊緣計算（Multi-Access Edge Computing，MEC）也為5G在不同業務應用上提供了重要技術基礎，如通過部分核心網功能下沉到邊緣，實現1ms 的時延，也為5G 在應用服務中提供更大可能性。

5G 的關鍵技術決定了其特色應用場景。一是eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強移動寬帶），用戶體驗速率將提升至1Gbit/s，主要適用于大量移動帶寬業務；二是uRLLC（Ultra-Reliable Low Latency Communications，高可靠低時延連接），時延低至1ms，適用于遠程控制等時延和可靠連接要求高的場景；三是mMTC（massive Machine-Type Communications，海量機器類通信），主要適用于大規模物聯網業務，是萬物互聯的基礎。

2.2 5G 智慧建造應用場景

結合5G 的特性和智能建造各過程的應用需求，可以分析出5G 在智能建造的應用場景，簡單可以歸為五大類，分別是5G 服務智能設備、5G 服務遠程操控改造、5G 服務海量物聯網終端、5G 服務智慧應用、5G 服務C 端用戶，具體如圖2 所示。

圖2 5G智能建造融合應用層場景

（1）5G 服務智能設備指在智能建造相關機器人設備直接采用5G 通信模組，如放樣機器人、激光掃描儀、無人機、巡檢機器人、制造機器人，實現5G 裝備的現場測量數據直接回傳至云端，在云端對數據進行實時分析，再回傳至互聯網平臺。

（2）5G 服務遠程操控主要指5G 網絡支撐施工現場的塔吊、升降機、鏟車等大型機械設備進行遠程操控的改造，實現現場設備的遠程操控；支撐部品部件制造工廠的龍門吊、墻板生產線的機器設備進行遠程操控或自動控制的改造，實現無人工廠。

（3）5G 服務海量物聯網是指海量的物聯網采集前端通過5G 網絡通信可以實時回傳大量數據。如施工現場的攝像頭設備利用5G 大帶寬特性實現超高清視頻、全景視頻的實時回傳、云端分析；深基坑監測、高支模監測、鋼結構變形監測、遍布制造工廠質量安全檢測傳感器等海量物聯網監測設備的數據低時延回傳后臺分析并即時預警。

（4）5G 服務智慧應用是基于5G 與云計算、人工智能、物聯網等基礎能力相互融合，產生的“1+1＞2”的智慧應用服務，實現“輕終端、重云端”的靈活應用。如5G+視頻+AI 可以實現視頻多方利用、AI 能力靈活配置、前端設備安裝簡便；5G+北斗實現更快速精準的定位應用。

（5）5G 服務C 端用戶，一是指前期設計施工階段的C端用戶，二是指前期的5G 網絡建設直接服務于智慧園區，5G 網絡建設實現“臨-永結合”，前期對施工階段服務、后期對運維階段服務。

（6）5G 將成為建筑產業互聯網的強有力的基礎設備，將項目級、企業級、監管級需要的數據實時回傳云端，助力產業真正實現互聯。

2.3 5G 智能建造應用現狀

由于5G 智能建造是通信行業與建筑行業的融合應用，從前文中可以了解到兩個行業的政策都在推動行業融合，進一步從通信行業和建筑行業兩個角度分析5G 智能建造的實際應用情況。

2.3.1 通信行業著力深入5G 智慧工地，深入建造過程有限

從工信部發布的《5G 應用“揚帆”行動計劃》來看，通信行業不斷推動5G 與行業的融合應用，同時為了促進我國5G 應用產業創新發展，工信部已推動舉辦了五屆“綻放杯”5G 應用征集大賽。通過各屆綻放杯大賽的公示結果，我們可以清晰的了解到5G 在各行各業的應用案例和應用成效。以2021 年第四屆“綻放杯”大賽為例，比賽共收到參賽項目12281 個，獲得全國三等獎以上獎項的項目共計96個，其中工業互聯網相關項目20 余個，智慧醫療、智慧城市、智慧園區相關項目相對較多，礦山、電力、石油行業的5G應用也均有四五項，然而建造行業僅徐大堡核電站5G 智慧工地一個項目獲得二等獎，入圍全國賽的300 個項目中，僅有3 個建造行業項目，均為智慧工地應用。

同時，三大運營商發布的5G 與建筑行業的融合應用中普遍為5G 智慧工地，2019 年中國聯通與中建八局公司合作了全國首個5G 智慧工地，在京東集團總部二期2 號樓項目開展了遠程操控[6]，整體來看，運營商主要著眼于5G 智慧工地的應用。從論文發表情況來看，也是關于5G 在智慧工地方面的應用較多[7]。關于5G 智慧工地的關注點，前期主要集中在高清視頻、智能視覺分析相關應用，后期中國聯通將BIM、現場5G 移動智能設備融入方案。但是，總體來說運營商在智能建造的應用有限，5G 與智能建造的融合范圍不夠廣。

2.3.2 建筑行業規避網絡需求，5G 深入建造過程尚淺

住房和城鄉建設部為推動智能建造和建筑工業化發展，收集并發布了第一批智能建造新技術新產品創新服務典型案例共計124 項。案例分為自主創新數字化設計軟件、部品部件智能生產線、智慧施工管理、建筑產業互聯網平臺、建筑機器人五部分，其中僅在智慧施工管理一類中有一項5G應用《5G 高清視頻遠程監管一體化系統在北京市大興臨空經濟區發展服務中心的應用》，該案例由中國聯通提供，對5G 切片服務、5G 超高清視頻、5G 移動穿戴設備、5G+BIM協同等方面的應用進行了介紹。

智能建造設備創新案例共13 項，其中有混凝土抗壓強度智能檢測機器人、三維測繪機器人、墻板安裝機器人等多種智能設備。分析這些智能設備，可以發現設備的移動方式主要為四種：一是設備固定不動，二是輕量設備人工挪動，三是人為遙控行走，四是固定范圍內自動導航；數據處理方式主要有三種：一是通過有線連接服務器，二是本次存儲、延遲推送，三是本地連接電腦進行處理。可見，智能設備中的控制和數據傳輸問題采用規避的方式，并未得到解決。數字化設計、智能生產線、產業互聯網等其他部分也沒有5G相關應用。分析124 項案例可以看出，建筑行業在智能建造應用的設計中對于網絡問題主要采用避開的方式，如采用本地化、規避大數據傳輸等傳統解決方式，可見5G 技術在建造行業的影響還有待深入。

3.5G智能建造發展瓶頸問題

3.1 建造行業采取“規避/替代”策略，5G 應用意識較差

智能建造新技術新產品的應用案例分析結論清晰地體現出，建造行業在各方面的應用創新或設計時，“規避/替代”網絡的策略很大程度上阻礙了5G 網絡在智能建造應用過程中的落地。“規避/替代”主要是指主動避免過程中的短板或尋找次優方案替代這個短板，比如因為塔吊上不具備網絡，很多方案會選擇網橋的方式，但是網橋頻段未被授權很容易被干擾；現場網絡不足，移動機器人會首選人工操控。當然，“規避/替代”思維主要由于建造施工現場具備臨時性、普遍網絡條件差的歷史背景導致的。

3.2 5G 在建造行業落地場景局限，5G 推廣能力差

目前運營商主動參與的智能建造過程集中在施工階段的房建工程，除了徐大堡核電站的5G 智慧工地案例，但是建造主體除了房屋建筑，還包含軌道、公路等線性工程，城軌、隧道、橋梁等各種類型項目，應用場景覆蓋不全面，導致5G在建造行業落地場景受限。筆者通過調查分析，發現主要原因有三個：一是運營商5G 網絡覆蓋存在困難，軌道、公路、隧道等不同場景下，5G 網絡建設方案復雜；二是工地場景普遍具有臨時性，施工階段用戶主要為施工總承包單位，政府、企業、開發商對5G 網絡需求不明確，5G 建設存在臨時投入或需重復投入情況，對于運營商來說，具有高投入低回報風險。至此導致第三個原因，運營商一直未能發布施工現場5G網絡套餐、收費情況，“一定很貴”的想法使一些住建行業人員望而卻步，影響5G 推廣。

3.3 5G 技術和生態處于發展階段，應用實效表現較弱

2019 年中國率先發布5G 商用牌照，2020 年下半年北京基本實現NSA（4G 與5G 非獨立組網，共用4G 核心網）架構向SN（4G 與5G 獨立組網）架構轉換，其他的城市逐步轉換中，uRLLC、mMTC 兩個場景商用落地條件還不是特別成熟，同時目前5G 芯片資源相對匱乏，運營商5G 基站成本高，所以在部分場景上5G 的應用實效與愿景存在偏差。5G 的應用場景還沒有完全被打開，導致部分人對5G 的體驗僅停留在速度快的感知上，一定程度上影響了建造行業對5G 應用的探索，5G 與建造過程強相關的融合點相對缺乏，阻礙了當前5G 應用在建造行業推廣應用的進程。

4.5G智能建造發展關鍵路徑

4.1 推動跨行業融合，建立5G 與智能建造產業鏈的強聯系

跨行業融合是關鍵點。在5G 與智能建造融合的進程上，只有做到跨行業融合、全產業鏈融合，通信行業的一部人了解建筑行業，建筑行業的一部分人了解通信行業，兩個行業才有機會共同發展，這也將會是改變建筑行業“規避/代替”思維的有效手段。通信行業相關企業應該更主動的推動融合任務，及時將5G 的能力和發展情況具有針對性的同步給建筑行業整個產業鏈上的企業。此外，打通建造產業鏈不應局限于建造設計生產施工幾個階段，還應該加強業主或者運維階段的聯系，5G 網絡賦能應該是長期的，在施工階段的5G投入只有延續為長期服務，實現“臨時到永久”的服務轉變，兩個行業才能實現真正的雙贏。

4.2 政策推進，打造5G 建造各階段試點示范

政策推動是發展保障。2021 年《5G 應用“揚帆”行動計劃》印發，同年國家發展改革委、國家能源局、工業和信息化部等部門發布《能源領域5G 應用實施方案》，該方案中提到推進開展智能制造及建造+5G 典型應用場景，重點提到5G+無人機采集施工現場地形地貌、5G 移動攝像機、遠程監造等場景，整體來看這個文件要求相對寬泛、5G+建造場景覆蓋不全面，也沒有后續推進動作，在住建行業內影響不大。政策持續推進行業融合，政府牽頭搭建5G+建造融合的支撐平臺，挑選并推廣5G+建造試點示范工程是推進行業進一步融合的保障因素，通過試點示范實現兩個行業協同探索跨行業融合的切入點和最佳實踐，也可增強建造行業上下游對5G 應用的認可度。

4.3 深度融入建造價值鏈，服務中國建造

深度融入建造價值鏈是發展之根本。跨行業融合發展真正的目的是實現兩個行業的雙贏，5G 進入建造價值鏈是第一步，真正深入建造價值鏈才是發展的根本。一是要探索如何進入建造價值鏈，二是要探索如何實現勘察設計到施工運維整個鏈條上的落地應用，三是要實現規模應用、推廣最佳實踐。在深度融入之后，重點是價值化，應以建造價值鏈降本增效、5G 服務易復制低成本為唯一目標，建造行業落實5G 智能應用，通信行業落實不同場景5G 建設方案、不同應用5G 網絡服務標準，使5G 真正的服務中國建造。

4.4 培養融合型人才，打造5G 智能建造生力軍

融合型人才是動力。智能建造是信息技術與工程建造融合的創新結果，培養智能建造創新型工程科技人才關鍵[8]。立足5G 智能建造長期發展需求，可采用學校智能建造專業增加通信知識、建立聯合團隊等方式，培養智能建造與通信知識兼備的融合型人才，迅速壯大5G 智能建造人才隊伍，保障后期穩步發展。行業融合前期，也可建立專家咨詢顧問機制，建造價值鏈相關企業聘請通信專家，通信相關企業邀請建造專家，專家深入另一個行業，開展技術交流和技術指導，快速推進5G 智能建造融合發展。

5.總結

5G 智能建造融合發展任重而道遠，這不僅僅是兩個行業的深度融合，更是人的融合，只要兩個行業都對融合充滿信心、付諸努力，5G 必定能從多個角度賦能智能建造發展，基于5G 網絡的智能設備、遠程設備自由的在施工現場的場景總會到來。