5 G 通信在道路、橋梁、隧道工程施工中的應(yīng)用分析

呂福瑞

1 引言

近年來，隨著國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》戰(zhàn)略被提升到國家層面，智能化設(shè)備在生活生產(chǎn)方面的運用逐步被重視起來。智能駕駛、視覺導(dǎo)航、融合定位技術(shù)都由之前的軍事、航天航空等“高精尖”領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)變到大眾的生活中，逐漸向著智能自動化的工業(yè)化發(fā)展。但是在工業(yè)制造中，每個行業(yè)之間的差異性較大，統(tǒng)一規(guī)劃發(fā)展進步緩慢。依靠新興科技基礎(chǔ)為支持的無人機行業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、自動化行業(yè)迅速崛起，這也促使了國內(nèi)的以WiFi、藍牙3.0 等短距離通信技術(shù)、定位技術(shù)、視覺分析技術(shù)、等眾多科學(xué)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展[1]。例如，大疆的無人機通信鏈接采用了成熟的WiFi、藍牙技術(shù)、廣播信號技術(shù)，實力遠遠壓制國外的同類產(chǎn)品。

2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)的無人機、高精度視覺分析、傳感器定位、激光掃描等技術(shù)的單一行業(yè)運用已經(jīng)非常成熟[2]，例如，大疆的無人機通信鏈接采用了成熟的WiFi、藍牙技術(shù)、廣播信號技術(shù)以及空中紅外線、超聲波等定位模式；工業(yè)分揀機器人的快遞、運輸及無人駕駛方面的運用；再包括測量行業(yè)的激光掃描與點云成像技術(shù)。而國內(nèi)這些新興技術(shù)在工程施工方面的運用少之又少，現(xiàn)階段的工程建設(shè)施工僅僅使用以BIM、CAD 等軟件為輔助，依舊依靠人力為基礎(chǔ)配合機械施工的作業(yè)方式。不僅低效、高成本且在某些高難度施工段往往以生命為代價完成建設(shè)施工。例如，云南大柱山隧道，突泥、涌水、高地熱、有毒氣體等復(fù)雜且極其危險的條件下施工，可能付出的就是生命的代價。

3 道路施工面臨的主要問題

3.1 勞動力面臨的挑戰(zhàn)

3.1.1 工人老齡化

20 世紀開始，發(fā)達國家人口的平均壽命從47 歲上升到75 歲，但出生率在逐年下降，使發(fā)達國家的平均年齡以前所未有的速度上升，據(jù)估計到2050 年，歐洲的平均年齡將達到60 歲。對于中國這樣的發(fā)展中國家，盡管這種速度來得遲一點，但也已經(jīng)到來[3]。

根據(jù)國家統(tǒng)計局2017 年發(fā)布的《2017 年農(nóng)民工監(jiān)測調(diào)查報告》顯示，受農(nóng)村人口結(jié)構(gòu)變化等影響，農(nóng)民工平均年齡不斷提高，在建筑業(yè)迅猛發(fā)展的背后，建筑工人“老齡化”問題日益凸顯，農(nóng)民工平均年齡幾乎以每年1.5～3.0 的速度逐年遞增，且呈加快態(tài)勢。根據(jù)2015 年國家住建部下發(fā)的《關(guān)于加強建筑工人職業(yè)培訓(xùn)工作的指導(dǎo)意見》（建人〔2015〕43 號）要健全建筑工人技能培訓(xùn)、技能鑒定體系的同時企業(yè)也要采取新的措施應(yīng)對勞動力短缺的問題。對于建筑行業(yè)當前備受關(guān)注的裝配式建筑，如果得到全面普及，未來僅需要傳統(tǒng)建筑生產(chǎn)方式大約50%的工人。而道路、橋梁、隧道工程都是在遠離大城市的鄉(xiāng)村甚至山間，相比建筑業(yè)工作條件要艱苦得多，生產(chǎn)工藝也更為落后。

3.1.2 高學(xué)歷人群的缺失

隨著我國高等教育的普及，高學(xué)歷畢業(yè)人群幾乎每年都在刷新最高紀錄，而恰恰相反的是由于國家經(jīng)濟水平的提高、全面小康的普及，這些從高等學(xué)府里走出來的年輕人在道路、橋梁、隧道工程等工作條件較為艱苦的“偏遠工地”的就業(yè)人數(shù)較少[4]。

其次，隨著國家提倡應(yīng)屆畢業(yè)大學(xué)生自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，根據(jù)2017 年我國雙一流大學(xué)的應(yīng)屆生就業(yè)質(zhì)量報告來看，全國2017 屆大學(xué)畢業(yè)生自主創(chuàng)業(yè)比例為2.9%、2017 屆高職高專畢業(yè)生自主創(chuàng)業(yè)比例約為3.8%，據(jù)統(tǒng)計，近年來各項創(chuàng)業(yè)大賽參賽隊伍數(shù)量在逐年增加，僅2019 年《第五屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽》本科在校生的報名比列達到了20%[5～8]。

工人老齡化和高學(xué)歷人群的缺失，應(yīng)屆畢業(yè)生創(chuàng)業(yè)比例的逐步提高，同時還伴隨著出生率的降低、20 世紀90 年代的計劃生育。綜合以上情況來看，我國基礎(chǔ)建設(shè)勞動力的短缺已成定局，而對于道路、橋梁、隧道這樣工作化境更加惡劣的地方面臨的挑戰(zhàn)尤為的巨大。

3.2 施工技術(shù)的問題

由于施工人員多數(shù)以農(nóng)民工為主體，大部分沒有經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)與訓(xùn)練，整體素質(zhì)、教育水平有待提高，對較為專業(yè)化的施工過程無法進行有效的控制，施工經(jīng)驗較豐富的群體卻面臨著身體素質(zhì)的下降和其他因素離開條件較為艱苦的工地，導(dǎo)致施工經(jīng)驗無法有效傳遞下去，直接導(dǎo)致施工過程中施工質(zhì)量的下降和施工可靠性不足等不利因素的產(chǎn)生[9]。而農(nóng)民工整體意識觀念的落后也直接導(dǎo)致了工程項目施工的水平無法提高，對施工項目整體都產(chǎn)生了不利影響。如果提高對施工人員的選拔要求，增設(shè)工程施工的技術(shù)培訓(xùn)勢必大大增加工程項目的總成本。

3.3 施工安全的問題

道路、橋梁、隧道施工的主要作業(yè)地點位于山間，其地勢險峻、地質(zhì)復(fù)雜、不可控因素顯著。

3.3.1 山體滑坡

由于山間地質(zhì)條件復(fù)雜、對施工環(huán)境的不熟悉等因素，且山體滑坡大多發(fā)生突然、破壞性大、破壞面積大，在這些復(fù)雜的情況下無法有效控制災(zāi)害的發(fā)生，在道路施工過程中，山體滑坡威脅了施工人員的生命安全也影響了施工器械、車輛的安全，造成了不可控的安全隱患[10]。

3.3.2 高空墜落

據(jù)統(tǒng)計，在道路、橋梁、隧道施工過程中，高空墜落施工造成的人員死亡約占總死亡人數(shù)的45.43%，是施工安全事故中最常見的類型。其主要發(fā)生在橋梁施工、山區(qū)垂直施工。但是由于山區(qū)地勢高低起伏、施工環(huán)境比較惡劣、施工條件差等特點，高空墜落施工頻發(fā)，嚴重的威脅了作業(yè)人員的生命安全[11]。

3.3.3 隧道施工安全問題

隧道施工過程中，由于作業(yè)環(huán)境陌生、地質(zhì)條件較為惡劣、未知性較其他工程較高，主要容易發(fā)生山體坍塌、突泥、涌水、高地熱、有毒氣體等極其危險且復(fù)雜的安全隱患。而隧道中的山體坍塌問題占總施工事故的17.51%[12，13]。其任意一種都對隧道中的施工人員造成極其嚴重的生命安全威脅。

4 技術(shù)淺析

4.1 概述

5G 是第五代移動通信技術(shù)的簡稱，其高速度、廣覆蓋、低延遲的特性使人與人、物與物、人與物之間原有的界限被打破，未來所有人和物將處于一個數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)中，以數(shù)字和信息化的方式交流。從全球視角來看，目前的5G 無論是技術(shù)、設(shè)備還是標準都已經(jīng)取得較大的成果，使5G 的場景應(yīng)用成為世界關(guān)注的焦點。5G 通信和大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新一代的IT 技術(shù)相結(jié)合，催生了多種新應(yīng)用與新科技，如VR 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無人機等新興產(chǎn)業(yè)的升級，極大地推動了中國新型科技的誕生，為中國創(chuàng)造打下了堅實的基礎(chǔ)。而反觀道路、橋梁、隧道施工行業(yè)，仍然使用著普通的大型機械配合工人施工，兩者相比顯得尤為“原始”。慶幸的是，如今我國站在了5G通信的風口，通過各方資源的整合可以營造先進、方便、安全、高效的施工環(huán)境，亦可改善多項安全隱患，保護工人和設(shè)備的生命財產(chǎn)安全。

4.2 特性

5G 通信網(wǎng)絡(luò)依靠自身的高速度、廣覆蓋、低延遲3 個特性再配合如視覺分析、短距離定位等新興技術(shù)即可組成一個運用于道路、橋梁、隧道施工行業(yè)的智能交互系統(tǒng)[14]。技術(shù)架構(gòu)分析如下。

4.2.1 高速度

依靠5G 的高速度、高帶寬作為信息化通信的橋梁，為人與人、物與物、人與物之間的交互使用提供了基礎(chǔ)。在施工場地布置5G 通信網(wǎng)絡(luò)作為施工智能交互的基礎(chǔ)條件，完成施工任務(wù)后也可以作為民用設(shè)備保留下來，及提供了施工過程的便利也保證了人們生產(chǎn)生活的需要方便了施工期間的多種器械、傳感器等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，也方便了施工人員對施工的監(jiān)督。

4.2.2 廣覆蓋

依靠5G 的廣覆蓋特性，可以利用汽車物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)無人機的設(shè)備完成對施工過程的監(jiān)管控制，實現(xiàn)施工場地與周邊環(huán)境的交互，將工地與周邊環(huán)境融為一體，為施工提供安全預(yù)警、故障提現(xiàn)等情況提供了可靠的解決方案[15]。

4.2.3 低延遲

依靠5G 的低延遲特性，可以在施工現(xiàn)場布置高清視頻監(jiān)控體系，方便監(jiān)理人員的施工監(jiān)督，縮短了施工工地與設(shè)計單位和監(jiān)理、檢測等企業(yè)的溝通距離，極大地簡化了現(xiàn)有的工地管理體系，提高了施工效率。

5 道路施工應(yīng)用分析

5.1 測量模式

通過多種新興技術(shù)的整合，基于5G 通信為背景擴展多種施工設(shè)備，逐步將傳統(tǒng)的依靠人力翻山越嶺的測量模式取締。主要提供了一種無人機測量方案。

5.1.1 固定翼無人機采集總平面圖

由于公路建設(shè)多處于山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)附近的狹長布局，以固定翼無人機長續(xù)航、高載重的特性，將激光掃描測量儀器或高精度拍攝像機等信息采集設(shè)備裝入固定翼無人機中。在無人機飛行前，規(guī)劃好無人機的航線以及拍攝參數(shù)。在無人機飛行途中，通過地面站的遠程遙感控制以保證三角測量或傾斜測量信息采集的完整性與可靠性。無人機空中采集的數(shù)據(jù)保存在自身的信息儲存單元或中央數(shù)據(jù)庫中，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至圖像合成軟件中，并生成項目初期的總平面圖實景模型[16]。

5.1.2 垂直起降無人機采集精準數(shù)據(jù)

利用垂直起降無人機結(jié)合了多旋翼無人機和固定翼無人機的特點，可以完成對區(qū)域的覆蓋拍攝也可以完成對點的多角度拍攝，利用其操作方便靈活的特性。可以填補總平面圖實景模型中存在缺失和不足的地方。最重要的是，對于道路建設(shè)設(shè)計過程中需要重點測量的區(qū)域，通過自身攜帶的高精度相機和激光掃描測量儀對區(qū)域內(nèi)作覆蓋性多角度的重復(fù)采集，再將采集的數(shù)據(jù)傳輸至圖像合成軟件中，并生成項目初期的施工局部實景模型。

并按照繪制出的三維立體實景模型，和人工測量的巖土分析的報告，完成施工設(shè)計圖紙。并對施工量和工程造價等前期工作進行計算，安排施工大型機械設(shè)備。并將工程相關(guān)圖紙上傳至中央數(shù)據(jù)處理器以方便施工后期的監(jiān)管[17]。

5.2 網(wǎng)絡(luò)架設(shè)模式

5.2.1 施工準備前期

施工場地選擇完成后，大型施工機械還沒有進場時，多旋翼無人機上搭載廣播定位設(shè)備、RTK 發(fā)射器等定位設(shè)備，以及5G 信號發(fā)射器，采用無人機集群技術(shù)，將上百架定位多旋翼無人機依靠施工場地為基礎(chǔ)，呈陣列狀分布到施工的兩側(cè)和上空。完成對施工場地的全信號覆蓋，輔助后期工程機械的作業(yè)定位。

在施工現(xiàn)場布置中央數(shù)據(jù)處理器及服務(wù)器，為后期施工過程中的萬物互聯(lián)提供中心數(shù)據(jù)平臺。并通過5G 網(wǎng)絡(luò)將中央數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)與工程各方單位聯(lián)系起來，各方單位都可以在遠程通過授權(quán)查看施工現(xiàn)場情況。

5.2.2 施工準備后期

工程車輛、工程機械等設(shè)備裝載視覺分析傳感器、廣播定位設(shè)備、RTK 接收器以及5G 信號裝置的智能車輛，逐步實現(xiàn)機械科技代替人工作業(yè)的前景，使其可以依靠廣播定位和RTK 定位完成對自身位置的大致分析，主要依靠激光定位設(shè)備實現(xiàn)分米級定位，再使用視覺分析設(shè)備對施工作業(yè)目標分析按照程序施工[18]。工程機械進場后，依照施工設(shè)計圖紙，對工程機械進行程序規(guī)劃和工作量計算后，上傳至中央數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器處理數(shù)據(jù)后，再通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳送至各工程機械。

并在施工現(xiàn)場周圍架設(shè)激光雷達、視覺分析以及超高清攝像頭等設(shè)備以方便后期的施工過程管理，和施工機械的控制。

5.3 施工模式

通過場外架設(shè)的激光雷達以及視覺分析配合集群多旋翼無人機搭載的RTK 發(fā)射器，確定各施工段的基礎(chǔ)平面和施工區(qū)域的基礎(chǔ)標線，以更加精確的控制工程機械對施工質(zhì)量的控制。視覺分析搭配超高清攝像頭還可以對施工作業(yè)區(qū)域內(nèi)的土方量進行估算，并整合數(shù)據(jù)后上傳至中央數(shù)據(jù)處理器，作為施工方管理工地的參考依據(jù)。通過施工現(xiàn)場假設(shè)的超高清攝像頭，全天候采集施工現(xiàn)場情況，儲存于中央數(shù)據(jù)處理器中，配合視覺分析傳感器可以對施工現(xiàn)場的危險情況進行預(yù)警，施工過程中通過傳感器和人工反饋施工進度和施工質(zhì)量上傳至中央數(shù)據(jù)處理器，項目負責人就可以在遠程掌控施工現(xiàn)場的情況。

6 橋梁施工應(yīng)用分析

橋梁施工基礎(chǔ)的施工模式與道路施工模式相同，都是基于5G 通信技術(shù)在施工現(xiàn)場鋪設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，整合廣播定位設(shè)備、RTK 發(fā)射器等定位設(shè)備和激光雷達、視覺分析以及超高清攝像頭等設(shè)備以實現(xiàn)對施工機械的控制[19，20]。根據(jù)橋梁建設(shè)的特殊性對橋梁施工進行分析。

6.1 施工安全

針對橋梁施工中的高空墜落危險性使用無人機技術(shù)進行控制，在垂直施工時采取無人機監(jiān)管技術(shù)，一架無人機跟隨一個施工過程或一個施工人員，對周圍環(huán)境的安全性進行分析，通過視覺分析設(shè)備逐步代替以生命安全作為代價的危險工作中。空中部署用于監(jiān)控施工過程和鋪設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)的集群式無人機[21]，實現(xiàn)以多旋翼無人機作為基礎(chǔ)呈半球型分布搭配固定翼無人機在高空盤旋監(jiān)控組成的架構(gòu)。通過各架無人機中的氣壓計對施工現(xiàn)場的天氣因素進行采集，上傳中央數(shù)據(jù)處理器并在計算后對施工現(xiàn)場的人員和器械發(fā)布實時天氣情況如大風預(yù)警等。

6.2 施工監(jiān)管

在施工過程中通過集群無人機對橋面施工進行控制，采用RTK 技術(shù)和激光定位技術(shù)實現(xiàn)橋面施工過程中厘米級的監(jiān)控，以達到輔助施工、控制施工質(zhì)量和精度的目的。中央數(shù)據(jù)處理器對橋面架設(shè)過程中的橋面平整度和整體結(jié)構(gòu)與設(shè)計圖紙進行比對，對超出誤差的部分通過網(wǎng)絡(luò)對相關(guān)段施工負責人員和工程師進行警告。

7 隧道施工應(yīng)用分析

隧道施工基礎(chǔ)的施工模式與道路施工模式相同，都是基于5G 通信技術(shù)在施工現(xiàn)場鋪設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，針對隧道施工中的環(huán)境不確定性的危險因素，逐步實現(xiàn)自動化機械代替人工施工，將前線工人的作業(yè)區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)楹蠓剑赃_到保護人員生命安全的目的。通過整合廣播定位設(shè)備、激光定位等定位設(shè)備和激光雷達、視覺分析以及超高清攝像頭等設(shè)備以實現(xiàn)對施工機械的控制。根據(jù)隧道建設(shè)的特殊性對橋梁施工進行分析。

7.1 融合定位技術(shù)

現(xiàn)有的定位技術(shù)主要分為室外定位和室內(nèi)定位，根據(jù)隧道施工的特性，其無GPS 定位信號、巖土對磁場的干擾較大的特點。施工現(xiàn)場使用以廣播定位為基礎(chǔ)構(gòu)建米級定位網(wǎng)絡(luò)，增設(shè)視覺分析定位和光追蹤定位實現(xiàn)亞米級定位，在通過5G 通信網(wǎng)絡(luò)利用偽衛(wèi)星技術(shù)和激光定位精準的完成工程機械的毫米級定位。將多個定位系統(tǒng)融合，能夠有效減少定位盲區(qū)，降低定位誤差，提高定位精度。通過基于地圖的擬合技術(shù)、各級定位系統(tǒng)等多種途徑和方式，通過反饋式融合定位決策機制統(tǒng)一輸出最終的定位結(jié)果，以提升定位的精度。

7.2 地下遙感技術(shù)

在隧道施工現(xiàn)場和盾構(gòu)機上布置氣體傳感器、震動傳感器、紅外線傳感器等傳感設(shè)備，通過上傳中央數(shù)據(jù)處理器和服務(wù)器計算后，基于融合定位技術(shù)和現(xiàn)場布置傳感器反饋的數(shù)據(jù)，對盾構(gòu)機的行進路徑進行調(diào)整和施工現(xiàn)場情況對施工人員和工程師進行預(yù)警。

8 結(jié)語

結(jié)合5G 技術(shù)和無人機、高精度視覺分析、傳感器定位、激光掃描等技術(shù)的整合，對道路、橋梁、隧道的施工可運用性進行分析，對5G 技術(shù)運用在工程施工方面的可能性進行展望和歸納。對5G 技術(shù)、無人機、融合定位技術(shù)進行了可行性分析，通過云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的整合，為工程施工行業(yè)提供一套可行的方案，以解決未來將面臨的勞動力短缺問題，提供科技與經(jīng)驗的融合實現(xiàn)工程行業(yè)的嶄新未來。