基于5G的智能頭盔系統(tǒng)在應(yīng)急通信中的應(yīng)用*

1 引言

現(xiàn)代意義的應(yīng)急通信，一般是指在出現(xiàn)自然的或人為的突發(fā)性緊急情況時，同時包括重要節(jié)假日、重要會議等通信需求驟增應(yīng)急保障時，綜合利用各種通信資源，保障救援、緊急救助和必要通信所需的通信手段和方法，是一種具有暫時性的、為應(yīng)對自然或人為緊急情況而提供的特殊通信機制。

綜觀全世界，每時每刻都在發(fā)生著各種災(zāi)難和事故。在這些重大的事件中，及時快捷的信息傳遞是贏得主動，減少損失，拯救生命的最基本要素。在事故中如何做好應(yīng)急保障，使人民生命財產(chǎn)得到更好的保護，考驗著一個城市的救援能力，而保障生產(chǎn)和現(xiàn)場作業(yè)人員的人身安全更多的體現(xiàn)在所穿戴的防護用品上，其中最重要的就是對頭部的防護。智能安全帽作為一種基本的頭部安全防護裝備，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)現(xiàn)場作業(yè)中。安全帽的佩戴已經(jīng)成為一項必要的安全規(guī)范，它可以有效的防止現(xiàn)場作業(yè)人員受到墜落物、硬質(zhì)物體的沖擊或擠壓，減小沖擊力，消除或減輕其對人體頭部的傷害，保護現(xiàn)場作業(yè)人員的生命安全。

5G的三大應(yīng)用場景為增強移動寬帶（eMBB）、大規(guī)模物聯(lián)（mMTC）及高可靠低時延（uRLLC）。隨著5G通信技術(shù)的普及，海量機器通信使得智能安全帽的應(yīng)用更為出色，即可以滿足低時延的視頻大數(shù)據(jù)傳輸、大量接入等，發(fā)揮智能安全帽更完整的作用。完整功能的智能安全帽應(yīng)具有視頻、語音、圖像即時傳輸，GPS/北斗定位精準等功能，并可以與服務(wù)器后臺進行實時數(shù)據(jù)通信。后臺指揮中心可以根據(jù)智能安全帽傳送的數(shù)據(jù)進行決策，從而調(diào)整指揮救援策略。

2 應(yīng)急通信現(xiàn)場作業(yè)安全系統(tǒng)

應(yīng)急通信現(xiàn)場作業(yè)安全系統(tǒng)主要由多個智能安全帽、后端服務(wù)平臺（現(xiàn)場作業(yè)安全管理軟件、監(jiān)視屏、平臺服務(wù)器）組成。

圖1 應(yīng)用系統(tǒng)框架

如圖1所示，多個智能安全帽獲取現(xiàn)場的視頻信息，通過5G移動網(wǎng)絡(luò)把視頻和位置信息傳輸給后端服務(wù)平臺；后臺管理中心可以實時查看各個智能頭盔的視頻和位置信息，并通過語音通話與智能頭盔配帶者進行交互，實現(xiàn)指揮操作功能,在智能頭盔超出區(qū)域時向其報警及在智能頭盔失去聯(lián)系向管理者發(fā)出告警信息。

在很多應(yīng)急場合，需要對現(xiàn)場實時進行技術(shù)診斷，現(xiàn)場作業(yè)人員通常不具備相關(guān)技能，通過在監(jiān)控室中實時查看現(xiàn)場，技術(shù)管理人員能遠程指導操作，協(xié)同完成通信救緩指揮工作。

現(xiàn)場作業(yè)安全系統(tǒng)具備以下功能，一是定位功能，技術(shù)管理人員可以清楚的了解現(xiàn)場作業(yè)人員的位置情況，工作區(qū)域越界及時發(fā)出告警，保證現(xiàn)場作業(yè)人員的安全。二是人員信息調(diào)取功能，在發(fā)生事故時可以及時調(diào)取現(xiàn)場作業(yè)人員的應(yīng)急信息，方便及時救援，提高了現(xiàn)場作業(yè)人員的安全性。三是音視頻對講功能，可實現(xiàn)高空與地面或井下與地面雙方更直接、更快捷、更準確地相互傳達信息，便于指揮人員做出正確判斷，及時發(fā)出指令，提高工作效率為應(yīng)急現(xiàn)場作業(yè)增加了安全保障。對實現(xiàn)安全生產(chǎn)“可控、能控、再控”起到了積極的推動作用。

3 5G技術(shù)的革新

與前4代技術(shù)相比，5G不僅是移動通信技術(shù)的順序提升，它更以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和性能，賦予應(yīng)急管理等垂直行業(yè)的信息化發(fā)展。具體到應(yīng)急通信管理，5G在應(yīng)急通信保障、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預警、應(yīng)急救援等業(yè)務(wù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了實質(zhì)進展。隨著5G通信技術(shù)的落地和推廣就用，探索建設(shè)基于5G通信技術(shù)的應(yīng)急通信保障體系成為業(yè)界普通關(guān)注的熱點。5G的三大業(yè)務(wù)eMBB(增強移動寬帶)、mMtc(海量機器類通信)和uRLLC(超可靠低時延通信)從技術(shù)上分析，可以支持應(yīng)急通信的大部分業(yè)務(wù)和應(yīng)用場量，如圖2所示。

圖2 4G/5G性能對比

智能安全帽集成了GPS/北斗定位、語音識別、遠程音視頻對講、高清回傳、LED輔助照明等功能，配合管理軟件使用實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)人員的實時定位、軌跡查詢、電子圍欄和人員統(tǒng)計等，確保建設(shè)場景的遠端在線指導，同時，定位技術(shù)有助于統(tǒng)一指揮調(diào)度和甄別工人是否長時間未移動。

5G到來之后，針對大帶寬的業(yè)務(wù)很典型的就是高清視頻、AR、VR為代表的大視頻應(yīng)用。以4K/8K的視頻為例，在無壓縮情形下，需要高達100 Gbit/s的傳輸速率，即使經(jīng)過百倍壓縮后，也需要1 Gbit/s，而目前的4G技主將不能滿足需要。在應(yīng)急通信的特殊情況下，大多數(shù)需要實時回傳現(xiàn)場視頻或高清圖片，基于4G的網(wǎng)絡(luò)不能滿足智能安全帽的最大功能作用。同時，應(yīng)急通信系統(tǒng)對實時性的要求尤其突出，進而需要網(wǎng)絡(luò)擁有快速響應(yīng)能力，網(wǎng)格需要支持極低的時延，才能達到實時指揮調(diào)動的要求。圖2是4G/5G網(wǎng)絡(luò)的對比圖[1]，可以看出，5G網(wǎng)絡(luò)將會是一個多技術(shù)融合的多業(yè)務(wù)網(wǎng)格。

基于5G技術(shù)的智能安全帽可以發(fā)送警報，具有錄像、視頻、拍照、對講、衛(wèi)星定位、安全防護預警等功能。提供緊急調(diào)度、遠程指揮、作業(yè)協(xié)調(diào)等服務(wù)。

4 應(yīng)急通信模型

應(yīng)急通信可以對現(xiàn)場各種災(zāi)害進行現(xiàn)場實時勘察，并通過公網(wǎng)或者衛(wèi)星通信把實時視頻流傳回市應(yīng)急指揮中心（現(xiàn)場指揮部）。市應(yīng)急指揮中心根據(jù)視頻信息，評估災(zāi)害破壞情況，確定救援方案，如圖3所示。

圖3 應(yīng)急通信系統(tǒng)

通信指揮中心相當于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急保障和調(diào)度的大腦中樞，實時監(jiān)控到智能安全帽的各項數(shù)據(jù)情況，通過應(yīng)急通信保障平臺對網(wǎng)絡(luò)性能提前進行智能預判和及時告警，配合可視化調(diào)度系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)調(diào)度人員便可坐陣指揮中心全程可視化指導前端救緩人員進行作業(yè)，及時解決、排除救緩中各類隨時出現(xiàn)的問題及隱患[4]。應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)可以完成以下功能：

（1）遠程監(jiān)控：可以實時查看任一智能安全帽的監(jiān)控攝像頭；

（2）通話指揮：可以呼叫現(xiàn)場任一智能安全帽，與其進行通話指揮；

（3）軌跡追蹤：在地圖顯示所有接入系統(tǒng)的智能安全帽的位置，能記錄其軌跡；

（4）安全報警：可以劃定區(qū)域，在智能安全帽超出區(qū)域時向其報警，在智能安全帽與系統(tǒng)失去聯(lián)系時向管理中心報警；

（5）設(shè)備管理：管理所有智能安全帽的基礎(chǔ)信息、接入狀態(tài)等。

如圖4所示，多個智能安全帽的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)（移動通信網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等）傳輸?shù)蕉嗝襟w數(shù)據(jù)集群，由多媒體數(shù)據(jù)集群進行分片接收處理，存儲到數(shù)據(jù)存儲集群，更新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)索引。

用戶、維護和管理人員訪問應(yīng)用服務(wù)集群，從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫獲取設(shè)備和數(shù)據(jù)索引信息，由應(yīng)用服務(wù)集群請求數(shù)據(jù)存儲集群，結(jié)果由應(yīng)用服務(wù)集群返回給客戶端。

圖4 平臺框架圖

在數(shù)據(jù)傳輸和客戶端訪問的前端，都通過負載均衡來實現(xiàn)對高并發(fā)訪問的分流控制。

5 結(jié)束語

4G改變生活，5G改變社會。5G與生俱來的2B基因與大帶寬、低時延、廣連接的特性，使其不僅服務(wù)于廣大個人用戶，同時肩負著賦能千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的使命，為全社會信息化、智能化建設(shè)提速。

現(xiàn)場作業(yè)安全系統(tǒng)可用于建筑行業(yè)、國電系統(tǒng)、石油系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)急通信中，智能安全帽預計可以達到數(shù)萬量級的使用量，在新基建的驅(qū)動下極具發(fā)展前景。