廣州協(xié)鑫南方總部項(xiàng)目5G+智慧工地的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳溟民　張貞湖　張錦　徐旭　何治江

摘 要：依托廣州協(xié)鑫南方總部項(xiàng)目，針對(duì)該項(xiàng)目特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了5G+智慧工地系統(tǒng)。該系統(tǒng)深度應(yīng)用建筑信息模型（building information model，BIM）、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)信息技術(shù)，以工程管理的“質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本”為核心驅(qū)動(dòng)，搭建專屬5G基站實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)在施工現(xiàn)場全覆蓋，研發(fā)5G智慧工地7大應(yīng)用，滿足工地通訊、安防、質(zhì)量、管理等需求，探索建筑業(yè)智慧建造新方向，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：5G;智慧工地;人工智能

中圖分類號(hào)：TU17;TU71? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

近些年，隨著工程管理復(fù)雜度的上升以及互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，使得建筑施工管理與互聯(lián)網(wǎng)相融合[1-3]，建筑施工管理流程走向信息化時(shí)代成為了一種新的發(fā)展趨勢(shì)和方向[4]。利用傳統(tǒng)的管理技術(shù)手段，施工企業(yè)或建筑企業(yè)很難做到精細(xì)化管理[5-6]。但隨著建筑行業(yè)信息化的到來，傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展和成熟，徹底改變了這一局面[7]。特別是5G技術(shù)的成熟，萬物智聯(lián)，為建造業(yè)賦予全新的智慧大腦、高速的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深刻的感知系統(tǒng)。利用5G通信技術(shù)可以打破時(shí)空邊界，為智慧工地提供高效的技術(shù)保障[8-9]。5G（第五代移動(dòng)通信技術(shù)）以大帶寬、低時(shí)延、廣連接特性，全面支撐建筑信息模型（building information model，BIM）、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用于建筑業(yè)，可提供每秒10 GB傳輸速率、毫秒級(jí)時(shí)延、每平方公里百萬連接，成為賦能建筑業(yè)智慧建造的最佳選擇[10]。本文依托廣州協(xié)鑫南方總部項(xiàng)目，基于5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和云計(jì)算等技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套5G+智慧工地系統(tǒng)。

1 5G技術(shù)

常見的5G技術(shù)包含高頻段接入技術(shù)、多天線技術(shù)、調(diào)制編碼技術(shù)、多址接入技術(shù)，以及D2D通信技術(shù)等。在小于6 GHz的頻段上的集中通信十分擁擠，而采用高頻段接入技術(shù)，可以在毫米波波段上工作，結(jié)合密集的超小基站使用更高頻段的通信資源。

5G技術(shù)應(yīng)用于智慧工地主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）超高速率

5G網(wǎng)絡(luò)速率為4G通訊技術(shù)的數(shù)十倍，上下行峰值速率可分別達(dá)到10 Gbit/s和20 Gbit/s，有利于智慧工地云平臺(tái)在較短時(shí)間內(nèi)收集大量的施工現(xiàn)場信息。

2）兼容性強(qiáng)

5G技術(shù)融合了2G、3G、4G通信協(xié)議及WiFi、近場通信（near field communication，NFC）等通信技術(shù)，可以大大減少開發(fā)和后期維護(hù)成本。

3）穿透性強(qiáng)

工地現(xiàn)場不僅地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，而且存放大量的施工機(jī)械和建筑材料。相比4G技術(shù)，5G技術(shù)穿透力極強(qiáng)，可以在各個(gè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。

4）設(shè)備安裝簡單

相比4G設(shè)備，5G設(shè)備容量僅為其5%，安裝方便，設(shè)備體積和重量顯著減小。

5）可靠性高、延時(shí)低

5G技術(shù)的誤碼率小于十萬分之一，可大幅提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。5G的時(shí)延速度為10 m/s，僅為4G的10%。

2 5G+智慧工地系統(tǒng)總體架構(gòu)

針對(duì)廣州協(xié)鑫南方總部項(xiàng)目特點(diǎn)，5G+智慧工地系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)可以分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、服務(wù)層和設(shè)備層。其中，表現(xiàn)層除了提供常見的PC端和移動(dòng)端外，還加入了智慧工地看板和智慧工地眼鏡。業(yè)務(wù)層主要包含5G移動(dòng)基站、人員定位、勞務(wù)實(shí)名等業(yè)務(wù)模塊。針對(duì)不同的項(xiàng)目和需求，業(yè)務(wù)層可進(jìn)行二次開發(fā)。服務(wù)層主要包含視頻監(jiān)控系統(tǒng)、AI算法系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)。設(shè)備層主要是系統(tǒng)中用到的傳感器設(shè)備，包括5G移動(dòng)基站，巡檢機(jī)器人、巡檢無人機(jī)、監(jiān)控?cái)z像頭、健康亭、閘機(jī)等。

5G+智慧工地系統(tǒng)的關(guān)鍵是系統(tǒng)為5G定制網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)開通專為建筑工程設(shè)計(jì)的5G定制網(wǎng)絡(luò)，解決工地通信痛點(diǎn)。目前，工地通過廣州蘿崗香雪城基站（113.49533，23.16691）覆蓋4G/5G信號(hào)，基站位于廣州協(xié)鑫南方總部東方約200 m?，F(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)測(cè)試效果：現(xiàn)場4G/5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況良好;4G網(wǎng)速的下行帶寬速率最高可達(dá)25.2 Mbit/s，上行帶寬速率最高可達(dá)5.7 Mbit/s;5G網(wǎng)速的下行帶寬速率最高可達(dá)271 Mbit/s，上行帶寬速率最高可達(dá)47.5 Mbit/s。

為保障工地網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果，考慮在紅線內(nèi)布設(shè)5G專屬網(wǎng)絡(luò)基站，保障工地高空作業(yè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)暢通，并解決建筑高度對(duì)5G科技展廳信號(hào)的阻擋問題，如圖2所示。

其中，點(diǎn)位1：安裝于2#塔吊上，覆蓋1#、3#、4#、5#塔吊及工地作業(yè)面。點(diǎn)位2：安裝于停車場告示牌旁（新增點(diǎn)位），覆蓋在建寫字樓1、2、3和酒店樓層及作業(yè)面。4G錨點(diǎn)隨5G點(diǎn)位一同安裝，保障信號(hào)覆蓋良好，具體見表1。

現(xiàn)網(wǎng)5G覆蓋良好，已可滿足基坑階段作業(yè)面覆蓋需求;塔吊及高層作業(yè)面需專項(xiàng)覆蓋。通過地面5G基站、塔吊上的微型基站、地下室智慧信息島，在工地范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)地上5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋、地下關(guān)鍵區(qū)域基本信號(hào)暢通。

3 系統(tǒng)典型功能應(yīng)用

3.1 AI視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為了更好地滿足工地管理需求，工地內(nèi)部分?jǐn)z像頭接入AI分析系統(tǒng)。平臺(tái)對(duì)布控?cái)z像頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面進(jìn)行AI算法分析，提供以下功能：①火焰報(bào)警和煙霧報(bào)警可以在火災(zāi)發(fā)生的第一時(shí)間得到報(bào)警信息;②周界防護(hù)報(bào)警用于危險(xiǎn)地區(qū)安全提醒、敏感地區(qū)可疑行為報(bào)警、重要物資的定時(shí)警戒布防;③安全帽未戴報(bào)警和反光衣未穿報(bào)警幫助工地進(jìn)行作業(yè)面工人安全規(guī)范管理。

為了盡量減少工地項(xiàng)目損失，幫助工地加強(qiáng)疫情期間的安全管理，出入口閘機(jī)攝像頭具備了口罩佩戴分析功能，可以識(shí)別進(jìn)出場人員口罩佩戴的規(guī)范性，為工地現(xiàn)場提供智能監(jiān)控。實(shí)時(shí)的口罩佩戴分析功能是通過AI分析算法實(shí)現(xiàn)的。算法利用設(shè)置在人員必經(jīng)通道和人員密集場所的攝像頭獲取的圖像，進(jìn)行畫面實(shí)時(shí)分析，發(fā)現(xiàn)未戴或佩戴不規(guī)范的情況進(jìn)行警告并截圖留證。AI分析算法通過攝像頭不間斷地采集真實(shí)場景與作業(yè)面的圖像數(shù)據(jù)，以周為單位進(jìn)行訓(xùn)練迭代，不斷優(yōu)化識(shí)別準(zhǔn)確率和增加可識(shí)別口罩的種類，如圖3所示。

3.2 勞務(wù)雙防管理系統(tǒng)

根據(jù)協(xié)鑫工地人員管理的需求，設(shè)計(jì)了勞務(wù)雙防管理系統(tǒng)，即在工地出入口安裝了設(shè)備。該設(shè)備通過運(yùn)行實(shí)名認(rèn)證系統(tǒng)、監(jiān)控視頻的AI分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了勞務(wù)人員在進(jìn)出工地時(shí)的雙防管理功能。勞務(wù)人員進(jìn)出工地時(shí)，必須通過閘機(jī)的人臉識(shí)別、實(shí)名認(rèn)證系統(tǒng)進(jìn)行身份認(rèn)證;勞務(wù)人員進(jìn)出工地必須符合建設(shè)工地的安全著裝檢查。勞務(wù)雙防管理系統(tǒng)可以對(duì)各出入口勞務(wù)人員進(jìn)行實(shí)名認(rèn)證，從而為工地項(xiàng)目的生產(chǎn)與管理提供更好的服務(wù)。

3.3 5G建筑職業(yè)健康管理系統(tǒng)

本項(xiàng)目在工地實(shí)現(xiàn)了5G建筑職業(yè)健康管理的功能，通過職業(yè)健康管理系統(tǒng)中的健康亭實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場施工人員生理參數(shù)的采集功能，并搭載5G網(wǎng)絡(luò)上傳信息到中心管理系統(tǒng)，形成醫(yī)療級(jí)別體檢報(bào)告，為工地施工人員的健康保障提供依據(jù)。3 min即可完成身高、體重、人體脂肪率、血壓、血氧、體溫、心率、酒精濃度共8種基礎(chǔ)項(xiàng)目的檢測(cè)。檢測(cè)通過身份證、指紋認(rèn)證，數(shù)據(jù)與人員精準(zhǔn)匹配，在后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)智能分類、綜合統(tǒng)計(jì)。

3.4 智能移動(dòng)巡檢系統(tǒng)

智能移動(dòng)巡檢系統(tǒng)通過與人員實(shí)名制管理系統(tǒng)聯(lián)通實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場人員的實(shí)名制復(fù)核。AI眼鏡可隨時(shí)隨地識(shí)別現(xiàn)場人員，即時(shí)進(jìn)行入場安全教育等合規(guī)性查驗(yàn);AI眼鏡可調(diào)看人員姓名、工種信息，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場施工作業(yè)人員的合理調(diào)配。通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和AI眼鏡畫面，智能移動(dòng)巡檢系統(tǒng)可智能識(shí)別質(zhì)量、安全問題，及時(shí)拍照，分類處理并存檔，留存可追溯資料。

3.5 遠(yuǎn)程協(xié)作系統(tǒng)

遠(yuǎn)程協(xié)作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場與后臺(tái)交互，遠(yuǎn)程專家協(xié)同，遠(yuǎn)程協(xié)作檢查，如圖4所示。通過現(xiàn)場人員佩戴AI眼鏡，借助遠(yuǎn)程協(xié)作系統(tǒng)，可讓后臺(tái)專家以第一視角獲取現(xiàn)場視頻畫面，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場與后臺(tái)的遠(yuǎn)程交互。現(xiàn)場人員可通過AI眼鏡，與后臺(tái)專家進(jìn)行文字、語音、視頻快速溝通，幫助現(xiàn)場問題快速處理。遠(yuǎn)程協(xié)作過程可留存影像資料，方便后期追溯查看。

3.6 5G塔吊720°立體監(jiān)控系統(tǒng)

5G塔吊720°立體監(jiān)控系統(tǒng)通過吊鉤可視化和AI眼鏡視角共享，實(shí)現(xiàn)塔吊司機(jī)操作無盲區(qū)，減少塔吊安全事故隱患，其原理圖如圖5所示。該系統(tǒng)在塔吊吊鉤部位設(shè)置了720°立體監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了高清夜視功能，24 h全天候作業(yè)，通過5G客戶前置設(shè)備（customer premise equipment，CPE）將吊鉤范圍全方位視角畫面?zhèn)鬏斨了跛緳C(jī)。塔吊指揮佩戴AI眼鏡，將起吊區(qū)域的視角畫面通過5G網(wǎng)絡(luò)共享給塔吊司機(jī)。

3.7 5G全景AI測(cè)距現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)

在2#塔吊制高點(diǎn)安裝一臺(tái)能覆蓋單位工程的全景成像測(cè)距攝像機(jī)，通過基于5G網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控、激光測(cè)距和AI計(jì)算完成實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、智能、便捷的空間遠(yuǎn)程測(cè)量數(shù)據(jù)采集、分析。5G全景AI測(cè)距現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

5G全景AI測(cè)距現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)7項(xiàng)功能：

1）自動(dòng)檢索CAD圖紙。系統(tǒng)將遠(yuǎn)程視頻測(cè)量結(jié)果與CAD圖紙進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)空間三維測(cè)量，并通過軸線、間距、尺寸、層高、高度、垂直度、平整度、板厚等測(cè)量數(shù)據(jù)，與CAD設(shè)計(jì)圖紙或?qū)ｍ?xiàng)方案進(jìn)行比對(duì)復(fù)核，測(cè)量精度達(dá)毫米級(jí)。

2）模板支撐、腳手架測(cè)量。測(cè)量腳手架鋼管直徑，上托、下托自由度，立桿步距、間距、垂直度，橫桿離地高度、間距，規(guī)范扣件連接，保留歷史測(cè)量圖作為事后追溯的依據(jù)。現(xiàn)場模板支撐、腳手架測(cè)量如圖7所示。

3）預(yù)埋構(gòu)件與軸線偏差監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程視頻測(cè)量裝配式預(yù)埋構(gòu)件與軸線偏差，同時(shí)檢索施工CAD圖紙進(jìn)行比對(duì)，可遠(yuǎn)程復(fù)核預(yù)埋件是否偏移?，F(xiàn)場預(yù)埋構(gòu)件與軸線偏差監(jiān)測(cè)如圖8所示。

4）裝配式建筑板面平整度監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測(cè)板面四角標(biāo)高，計(jì)算與基準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)的垂直高度差，從而實(shí)現(xiàn)模板平整度的檢測(cè)。平整度檢測(cè)如圖9所示。

5）施工全過程數(shù)字影像日志。施工全程影像日志、數(shù)字化圖像存儲(chǔ)、隱蔽工程可視化還原，為建設(shè)方、施工方、監(jiān)理方、監(jiān)管方、審計(jì)方提供可視化、量化數(shù)據(jù)，為事后追溯提供手段。

6）非現(xiàn)場遠(yuǎn)程視頻放樣、核樣、沉降監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可進(jìn)行非現(xiàn)場放樣、核樣、沉降監(jiān)測(cè)，同時(shí)自動(dòng)保存放樣、核樣、沉降監(jiān)測(cè)的畫面和數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測(cè)如圖10所示。

7）重大危險(xiǎn)源之高大模板位移監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可通過多種傾角傳感器、激光傳感器及紅外傳感器等設(shè)備共同對(duì)高大模板進(jìn)行位移比對(duì)監(jiān)測(cè)，采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并由后臺(tái)軟件智能分析，監(jiān)測(cè)到異常及時(shí)報(bào)警?，F(xiàn)場傳感器布設(shè)如圖11所示。

4 結(jié)語

本文依托廣州協(xié)鑫南方總部項(xiàng)目的工程實(shí)例，基于BIM、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)信息技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了5G+智慧工地系統(tǒng)，并闡述了系統(tǒng)的總體架構(gòu)和典型應(yīng)用。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工地的如下需求：

1）通信需求。能夠有效保障工地全周期建設(shè)過程中的通信需求，可節(jié)省約30%傳統(tǒng)通信設(shè)備。

2）安防需求。能夠有效提升工地的智能安防和行業(yè)監(jiān)管能力，可消除95%的安全隱患。

3）質(zhì)量需求。能夠有效保障施工質(zhì)量的同時(shí)，提高施工現(xiàn)場作業(yè)20%的工作效率。

4）管理降本需求。能夠有效增強(qiáng)工地精益化管理水平，降低25%管理成本。參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：周曉南）

作者簡介：陳溟民（1987—），男，工程師，研究方向：土木工程，E-mail：jinsshu1711@sina.com.

通訊作者：張貞湖，E-mail：2049597869@sina.com.

Design and Application of 5G+ Smart Construction Site for

Guangzhou GCL Southern Headquarters Project

CHEN Mingmin ZHANG Zhenhu ZHANG Jin XU Xu HE Zhijiang

（The First Company of China Eighth Engineering Division Ltd，Jinan 250100， China）

Abstract： Based on the Guangzhou GCL Southern Headquarters project，a 5G+ smart construction site system based on the characteristics of the project is designed and developed. which deeply applies advanced information technologies such as BIM， artificial intelligence， internet of things， and cloud computing， and uses the “quality， safety， progress， cost” as the core drive， builds exclusive 5G base stations to achieve full coverage of the 5G network on the construction site， develops 7 major applications of 5G smart construction sites. It can meet the needs of site communication， security， quality， and management cost reduction， and explore new directions for smart construction in the construction industry， providing reference for similar projects.

Key words： 5G; smart construction site; artificial intelligence