基于5G技術的發(fā)電廠基建智慧工地安全監(jiān)管系統(tǒng)應用研究

姜英偉 林佳飛 王穎 倪芳

(1.內(nèi)蒙古京寧熱電有限責任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；2.北京京能信息技術有限公司，北京 100000)

0 引言

發(fā)電廠建設項目具有投資規(guī)模大、周期長、參與人員眾多等特點。當前，由于建筑施工管理方式粗放、安全管理人員水平較低，發(fā)電廠基建期安全管理面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

隨著信息技術的快速發(fā)展，智慧工地建設水平日益提升。智慧工地是以先進的信息化技術為手段，通過有效集成和使用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動應用、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術，建立實時感知、互聯(lián)互通的基建工程現(xiàn)場管理平臺，可有效提升工程現(xiàn)場管理水平[1-3]。

人工智能、BIM、RFID定位等新興技術的探索與應用，為智慧工地安全管理提供了新的思路與方向[4-6]。但是，智慧工地的投入成本與實際效益不平衡的問題制約著其推廣進度。如何在投入成本與實際效益之間取得平衡，實現(xiàn)投入少、收益高、應用時間長的項目目標，成為智慧工地管理系統(tǒng)建設急需解決的問題[7]。

本文以內(nèi)蒙古京寧熱電有限責任公司二期工程建設項目(以下簡稱“京寧二期項目”)為例，從系統(tǒng)特點、系統(tǒng)架構、系統(tǒng)應用、應用效果4個方面對京寧二期基于5G技術的發(fā)電廠基建智慧工地安全監(jiān)管系統(tǒng)進行分析。

1 系統(tǒng)特點

1.1 面向工人

一方面，為施工人員提供入場、體檢、培訓和考勤等的便捷服務，提升施工人員主人翁意識，保障施工安全；另一方面，通過遠程視頻實時監(jiān)控、人臉識別、違章抓拍等手段加強安全監(jiān)管，為現(xiàn)場安全管理提供便捷有效的監(jiān)控手段。

1.2 突出重點

基于電力建設項目特點，有重點地選擇智慧工地安全監(jiān)管功能，以解決投入成本與實際效益不平衡的問題。

該系統(tǒng)具有三個方面的功能：一是對危險與重點工程主動監(jiān)管，如對高支模、腳手架和深基坑進行實時監(jiān)測；二是加強工程亮點宣傳，收集工程建設的亮點，持續(xù)進行宣傳；三是管理和保存隱蔽工程數(shù)字檔案，為后期項目運維提供支撐。

1.3 創(chuàng)新驅動

該系統(tǒng)的技術創(chuàng)新主要體現(xiàn)在兩個方面：一是融合使用新技術，如5G傳輸技術、VR虛擬技術、人臉識別技術、違章抓拍技術等；二是創(chuàng)新應用方式，如系統(tǒng)中使用了無線纜的視頻監(jiān)控攝像頭，通過高空鷹眼+固定攝像頭+無人機進行全面監(jiān)控。

1.4 持續(xù)應用

該系統(tǒng)采用的門禁、考勤、VR安全培訓、健康體檢等硬件與軟件設備可基本滿足運維期持續(xù)應用的需求，或者在運維期根據(jù)實際需求進行簡單的功能配置或開發(fā)即可。

2 系統(tǒng)架構

2.1 功能架構

該系統(tǒng)分為設備層、網(wǎng)絡層、業(yè)務功能層和分析展現(xiàn)層4個層次，如圖1所示。

2.1.1 設備層

設備層主要是為網(wǎng)絡層和業(yè)務功能層提供硬件基礎，主要包括測點監(jiān)測設備、攝像頭類設備、無人機、門禁閘機、智慧健康亭、VR虛擬技術和服務器等。

2.1.2 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層是指滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和信息安全的網(wǎng)絡系統(tǒng)。根據(jù)實際運行需求，該系統(tǒng)采用5G網(wǎng)絡、無線網(wǎng)橋和雙向隔離網(wǎng)閘等設備。

2.1.3 業(yè)務功能層

業(yè)務功能層是指為了滿足智慧工地各類人員需求而定制的智慧應用業(yè)務，主要包括重點工程管理、人員安全管理和智慧安全管理三個應用層次。

2.1.4 分析展現(xiàn)層

分析展現(xiàn)層是對應用數(shù)據(jù)進行分析和轉化，并通過各類終端將信息反饋給用戶。

該系統(tǒng)通過BI軟件進行數(shù)據(jù)接口、BI數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)報表的定制展現(xiàn)，實現(xiàn)PC端、移動端、智慧大屏數(shù)據(jù)的統(tǒng)一展現(xiàn)。

2.2 網(wǎng)絡架構

在系統(tǒng)構建過程中，注重現(xiàn)場實際情況和網(wǎng)絡安全。5G技術的應用為該項目的視頻監(jiān)控和危重工程的數(shù)據(jù)監(jiān)控提供了有力支撐?；?G技術的網(wǎng)絡架構圖如圖2所示。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇5G網(wǎng)絡、網(wǎng)橋連接、有線網(wǎng)絡相結合的方式。一方面，確保網(wǎng)絡穩(wěn)定；另一方面，有效降低了成本。例如，設置在煙囪頂?shù)您椦蹟z像頭，因5G信號不穩(wěn)定、敷設光纖成本高且施工不便，選擇網(wǎng)橋方式接入就近光纖，既節(jié)約了成本，又保證了網(wǎng)絡的穩(wěn)定。

此外，網(wǎng)絡安全也是系統(tǒng)建設必須考慮的重要問題。該系統(tǒng)通過采用雙向網(wǎng)閘、防火墻、VPN等技術保證了網(wǎng)絡的安全性。

3 系統(tǒng)應用

3.1 人員管理

3.1.1 勞務實名制

該系統(tǒng)使用人臉識別閘機進行勞務實名制管理，主要應用在以下三個方面：

圖1 系統(tǒng)功能架構圖

圖2 基于5G技術的網(wǎng)絡架構圖

(1)入場管理。采用人臉識別技術，施工人員無須帶卡進出工地，為施工人員提供便利。同時，無須對入場人員進行身份核對，提高了入廠人員管理效率。

(2)考勤管理。使用閘機進行考勤簽到，實現(xiàn)自動考勤；通過實名制考勤，保證了考勤的公平、公正，避免了勞務糾紛。

(3)人員管理。統(tǒng)計實時在場人員、當日人員入場情況、當日考勤人數(shù)等信息，便于掌握工地人員狀況；記錄、核對入場人員數(shù)量變動趨勢，便于及時了解各施工單位的施工人員數(shù)量等；將入場人員數(shù)量與當日考勤人數(shù)進行對比，督促施工單位及時進行人員數(shù)據(jù)更新。

3.1.2 智慧健康亭

智慧健康亭為施工人員提供了操作便捷、可自助服務的體檢設備，提供常規(guī)檢測和生化檢測等檢測設備。主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

(1)自愿體檢。員工刷身份證即可進行體檢，自助進行身高、體重、血壓、血氧、心電圖等體檢操作。

(2)強制體檢。對于身體處于不健康狀態(tài)的員工，可以對其進行相關指標的檢測，避免人員在不安全狀態(tài)下從事危險作業(yè)，以有效保證施工安全。

3.1.3 VR安全培訓

傳統(tǒng)的安全培訓存在效率不高、流于形式等問題。通過VR虛擬現(xiàn)實技術，設置安全事故場景，讓施工人員進行切身體驗，提高安全意識。該系統(tǒng)的VR安全培訓具有以下兩個特點：

(1)簡潔的培訓場景設計。培訓場景均選自真實、常見的安全事故案例，具有較強的針對性。采用了極其簡便的操作流程，主要操作僅需使用兩個按鍵。在場景培訓完成后，介紹真實事故案例，分析事故發(fā)生原因，有效提升了受訓人員的安全意識。

(2)實用的培訓方式。一是在人員進行入場安全教育時進行培訓，鼓勵施工人員積極體驗VR培訓場景；二是在人員違章后，強制進行全面的安全培訓場景教育學習。

3.1.4 AI違章抓拍

該系統(tǒng)通過AI和人臉識別技術，使用攝像頭和移動布控球對未佩戴安全帽等行為進行違章抓拍，可減少安全監(jiān)管人員數(shù)量、提升安全監(jiān)管效率。

3.2 工程管理

3.2.1 重點工程監(jiān)測

腳手架、深基坑和高支模一旦發(fā)生事故，極易出現(xiàn)人員傷亡和財產(chǎn)損失，因此需要高度重視。該系統(tǒng)通過設置明顯的監(jiān)測點對重點工程進行實時監(jiān)測，以提高施工人員和管理人員對危險區(qū)域的重視程度。例如，采用裂縫監(jiān)測點、邊坡沉降監(jiān)測點對深基坑工程進行監(jiān)測；采用傾斜監(jiān)測點、位移監(jiān)測和壓力監(jiān)測點對高支模工程進行監(jiān)測；采用傾斜監(jiān)測點、位移監(jiān)測點對重點腳手架進行監(jiān)測。

3.2.2 隱蔽工程管理

對于隱蔽工程而言，傳統(tǒng)的紙質(zhì)文件記錄的方式難以充分記錄相關工程信息。因此，該系統(tǒng)采用圖片和視頻的方式進行工程信息記錄與管理。同時，增加了手機上傳視頻和照片的留檔功能，完善了隱蔽工程留存資料的內(nèi)容，為運維管理提供了數(shù)字化檔案。

該系統(tǒng)的隱蔽工程管理流程簡潔，只需由施工單位提出驗收申請、建立單位進行審核，再由建設單位進行批準即可。

3.2.3 工程亮點管理

“宣傳工程亮點、爭做亮點工程”是該項目進行亮點工程管理的原則。以往，各項目均設有工程亮點的宣傳欄，大大增加了項目成本。京寧二期項目將工程亮點圖片集中收集，在系統(tǒng)大屏上統(tǒng)一展示，既具有較好的宣傳效果，又節(jié)約了項目成本。

3.3 智慧視頻管理

3.3.1 無線纜全面安全監(jiān)控

在工程基建期，現(xiàn)場施工環(huán)境復雜、交叉作業(yè)多，經(jīng)常出現(xiàn)線纜被挖斷的問題。該系統(tǒng)采用5G網(wǎng)絡、無線網(wǎng)橋等進行無線傳輸，采用太陽能板和電池進行供電，無須敷設遠距離的網(wǎng)絡和供電線纜，縮短了建設工期、節(jié)省了施工成本。

該系統(tǒng)充分考慮基建安全監(jiān)控的需求，采用固定攝像頭對室外工程項目進行監(jiān)管，采用移動布控球對重點區(qū)域和室內(nèi)區(qū)域進行監(jiān)管，采用鷹眼攝像頭從高處進行監(jiān)視，采用無人機對鷹眼攝像頭不易監(jiān)視的區(qū)域進行補充監(jiān)視，實現(xiàn)了施工現(xiàn)場的全區(qū)域監(jiān)控。

3.3.2 AR實景監(jiān)控

該系統(tǒng)借助全景攝像頭進行施工現(xiàn)場的全景監(jiān)控。將固定攝像頭和布控球以攝像頭標簽的方式加載至頁面進行聯(lián)合監(jiān)控，可快速調(diào)取相應區(qū)域的實景信息。AR實景監(jiān)控頁面示意圖如圖3所示。

圖3 AR實景監(jiān)控頁面示意圖(截圖)

3.3.3 記錄建設過程

該系統(tǒng)通過攝像頭和無人機定期對施工進展進行抓拍，持續(xù)記錄工程建設過程，為工程建設保存數(shù)字圖像檔案。

3.4 分析展現(xiàn)

3.4.1 報表制作

該系統(tǒng)采用BI軟件制作拖拽式圖表，為業(yè)務人員和最終用戶提供便捷的報表制作和數(shù)據(jù)分析功能，如新建數(shù)據(jù)連接、新建報表類型、新建數(shù)據(jù)、報表設計和報表預覽等。同時，通過數(shù)據(jù)庫的相關信息連接關聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)JDBC、JNDI、多維數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫的連接。

3.4.2 多種展現(xiàn)方式

該系統(tǒng)具有PC瀏覽器、手機APP和大屏幕等多種展現(xiàn)方式。例如，通過PC瀏覽器進行辦公室遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)查看與分析、系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)維護等；通過手機APP進行數(shù)據(jù)查看和上傳等；通過大屏幕對項目信息進行展示，方便相關人員了解工程建設情況。

3.4.3 大屏展現(xiàn)應用

大屏展現(xiàn)功能分為智慧視頻監(jiān)控、項目里程碑、人員管理和工程管理4個模塊，具體功能如下：

(1)快速了解工程建設進展。通過鷹眼攝像頭模塊了解工程進展，通過項目里程碑模塊了解里程碑進度，通過人員管理模塊了解人員情況，通過工程管理模塊了解工程相關內(nèi)容。

(2)分析施工方案。例如，以往通過在冷卻塔塔吊上安裝攝像頭進行實地監(jiān)測，操作不便且危險性較高。京寧二期項目通過采用無人機拍攝技術，實現(xiàn)了場地的實時監(jiān)控，便于直觀分析施工方案。

(3)宣傳工程建設。通過大屏幕宣傳工程建設內(nèi)容，包括工程進展情況、工程亮點圖片等。

4 應用效果

(1)強調(diào)以人為本的管理理念。在京寧二期項目基建過程中，既要關注施工進度，又要關注施工人員管理。同時，應加強對施工安全的管理。

(2)探索5G網(wǎng)絡基礎設施建設。積極探索5G技術在火力發(fā)電廠工程中的應用，與運營商共同建設和完善5G網(wǎng)絡，為基建期智慧工地建設提供了有力支撐，也為運維期5G網(wǎng)絡的應用提供了良好條件。

(3)實施節(jié)能減排措施。該系統(tǒng)在規(guī)劃時充分考慮了基建設備和軟件移交運維期的使用需求，采用綠色能源，既有效延長了系統(tǒng)的使用壽命，又提升了系統(tǒng)的使用價值。

(4)助力智慧工地發(fā)展。該系統(tǒng)收集的進場施工人員統(tǒng)計數(shù)據(jù)、工程建設進展數(shù)據(jù)、監(jiān)測點數(shù)據(jù)等信息可為后續(xù)智慧工地建設提供參考，有助于智慧工地的建設與推廣。

5 結語

本文結合京寧二期項目特點，從面向工人、突出重點、創(chuàng)新驅動和持續(xù)應用4個方面，結合5G技術，構建了智慧工地安全監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了大部分設備與軟件可以移交至運維期使用的目標，有效解決了智慧工地投入成本與實際效益不平衡的問題。