基于5G 的工程智能监管系统构想

周锦宏，陈华生

（中国移动通信集团广西有限公司，南宁 530022）

社会发展，促使人类的通信业务数量递增，大带宽、大连接、低时延的需求驱动着通信技术由4G 迈向5G 时代，至此，高速率和大带宽支持成为移动通信系统演进的重要指标[1]。通信运营商正积极开展5G 试点应用，助力各行各业发展转型，不断扩大5G网络应用范围。

工程施工离不开安全风险把控，一旦安全出了问题，其他一切都将成为浮云。虽然每个行业都有自己的安全风险评估和监管体系，但无法杜绝安全生产事故。轻则人员伤残生产停滞，重则人员死亡给家庭成员巨大精神伤痛，造成不良社会影响。究其原因在于传统监控手段无法实现全过程监控，存在投机取巧，捏造检查证据等人为因素。

2019年1月30日，全国首个5G 电厂诞生；2019年4月28日，广西首例基于5G 的远程协同手术顺利完成；2019年5月19日，第16届苏迪曼杯羽毛球混合团体锦标赛实现5G 现场直播。借鉴5G 在医疗、电力、城市、玩具、军事等领域的研究与应用[2-5]，下文将探讨网络工程建设对5G 的需求。

1 需求分析

1.1 现状剖析

网络工程建设分布广，点位不固定，无论无线工程还是有线工程的施工均受制于环境，常见痛点总结如下：

（1）安全监管方式落后。传统监控方式依赖于现场安全员肉眼识别的方式监管，需要耗费极大精力，当人手不足时安全员需身兼多职，稍不留神就有可能发生事故。

（2）施工人员水平参差不齐。施工分包转包现象普遍，安全作业资质真假难辨。施工人员多为农民工出身，受教育水平不高，没有培训课件传承，容易出现知识传授脱节，新手干活缺乏经验，无法对风险准确预判。

（3）工程进度反馈与实际脱轨。现场施工的传统方式由施工人员手工抄录现场信息，逐级汇报信息传递效率低，经常出现少报、漏报甚至瞒报的情况，导致管理人员无法全面准确把控真实进度，部分偏远站点只能采取定期抽样方式开展检查，极易滋生安全隐患。

1.2 需求优化

着眼于“源于实践，回归实践”的理念，以5G 技术为主导，构思一套工程智能监管系统，针对前述痛点提出如下优化需求：

（1）实时现场作业监控。网络工程多在室外非固定区域实施，每个作业地点临时安装一套监控设备根本不现实，故考虑积极利用5G 网络，借助便携迷你型摄像头或无人机将现场视频实时回传，系统将采集图像与云内特征库比对输出提示。

（2）实时远程作业指导。将常用施工方法、作业场景、作业关键节点、风险把控点整理存入数据库内，摄像头对准某场景采集数据回传，系统自动对比输出操作指南、注意事项和可遇到的风险。

（3）实时工程进度记录。将作业环节、受阻类的标志性场景入库，当摄像头对准某场景采集数据回传，系统自动对比锁定当前施工进度所处环节输出提示同时存入后台日志。

2 设计方案

2.1 设计思路

根据需求构思该工程智能监管系统，系统结构如图1所示。

（1）新型安全帽。装载微型摄像头和5G 无线模块，作为现场信息采集窗口。融合卫星定位，RFID（Radio Frequency Identification，无线视频识别）等技术，以NB-IOT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）作为通信载体实现安全帽管理[6-9]。

（2）无人机。用于前期施工环境远程实勘和施工过程定点巡检，从整体评估作业环境风险，保障现场安全文明施工。

（3）手机。作为现场图像采集工具的补充，现场信息采集后调用工程智能监管系统APP 回传，亦可实现移动办公。

（4）5G 无线网络。以5G 网络移动增强带宽为主导，向下兼容4G 网络、卫星定位等功能。

（5）云。将路由器、交换机、数据库、流媒体服务器、存储服务器及智能监管平台统一搭建存放于IDC（Internet Data Center，互联网数据中心）机房，集系统核心于一体。

（6）防火墙。在内外网信息交换过程中阻止非法信息进入计算机运算系统，实现信息过滤隔离。

（7）交换机。在云内部署汇聚交换机，客户端机房部署接入交换机。汇聚层交换机是多台接入交换机的汇聚点，兼做转发及选路。

（8）监控指挥中心。采用分级结构，按区域部署监控现场，后台监控人员根据系统提示，通过超大视频屏幕或VR（Virtual Reality，虚拟现实）/AR（Augmented Reality，增强现实）可穿戴设备随时调取现场情况并做指挥调度。

（9）智能监管平台。具有可视化、可监控、可调度功能，含采集模块、存储模块、智能分析模块、输出模块、报表打印模块、实时通信模块等，良好的人机交互方便随时跟踪施工状态和进展，发现异常自动预警，将风险控制在萌芽状态。

图1 系统结构图

2.2 系统运作原理描述

系统核心监测工作原理如图2所示。

图2 系统工作原理图

首先，每个施工现场至少指定安全员和施工人员各1名，新型安全帽内使用5G 通信卡即时连接5G 网络。对于高危作业环境的现场，还应派出无人机作为辅助。

其次，数据库内预先收集多帧图片构建训练模型，训练获得带标记的特征图片存入分类特征库。现场采集图像通过5G 网络回传至系统进行图像预处理（去抖动、亮度、对比度调节等），利用图像识别算法和AI 技术比对输出施工进度，安全风险预警，操作指南等。

最后，系统将所有输出图像建模为现场第一视角，呈现于可穿戴的VR/AR 设备上，同时呈现于监控指挥中心区域大屏内，实时图像传输和良好的人机交互可让监控人员一眼获悉当前站点的施工进展，主次分明地进行指挥调度。整个系统工作循环反复进行。

3 技术可行性分析

拟定某区域日均施工站点100个，所有站点都在无人机最大航程半径内，每个站点带2路摄像头，每日有效工作时长6小时，要求视频存储不少于3个月，摄像头分辨率为720P，主码流为2Mb/s，逐项分析系统关键单元。

3.1 前端采集单元

本文摄像头要求分辨率为720P60帧，拟采用华为5G 芯片作为内核集成无线通信和视频采集功能，无人机选型考虑国产一流品牌。

3.2 核心控制单元

根据苏迪曼杯的直播经验，现场视频数据的采集原理可参考国内如网易云、海康萤石云的产品，设置公网IP 共享访问。根据文献[10-12]可通过图像AI 算法，Tensorflow 深度学习框架，经训练后可分析人员是否正确穿戴安全帽。考虑动态存储，预计每日存储容量需要：2（Mb/s）/8（bit 转换为Byte）×3600（秒）×6（日有效采集时长）×100（站点数目）×2（单站摄像头数目）=1080000MB，则存储3 个月视频则总容量需要：1080000/1024/1024×90（日）/0.9（硬盘可用系数）=103TB。部署路由器（480Gb/s 交换网单元）、核心交换机（交换容量≥800Gb/s）、汇聚交换机（交换容量≥400Gb/s）各2台互为主备、防火墙1台（15Gb/s 级吞吐量），其余数通设备如服务器、解码器、硬盘录像机的具体数目和性能参数根据当地监控指挥中心架构配置。

3.3 后端输出单元

拟配置大液晶屏幕和X86服务器，视频音响与VR/AR 穿戴技术相结合方式，利用全景拍摄结合3D 图形融合技术构建VR场景特征库；运用三维激光扫描技术构建物品、人像、衣着特征库。穿戴装备时眼前直接呈现3D 全景图像，系统通过Faster RCNN（Regions with Convolutional Neural Networks features，具有卷积神经网络特征的区域）目标检测技术可匹配危险行为或疑似隐患，调出现场画面广播。拟设定监控指挥中心接入带宽1000M，支持多画面监控、轮巡、分组等模式；支持集中录像、图片存储、录像回放、抓图、下载等功能。

综上，可找到合适的硬件和软件资源实现本文构想。新型安全帽和无人机续航能力可考虑结合太阳能电池优化。

4 结束语

生产最重要的是把控安全，而不单停留于制度、规程的制定，必须利用现代化先进科技手段把控关键因素—人。

目前，本文构想已申请年度创新项目计划，拟定试点开展研究工作。针对网络工程建设场地不确定性，抓住关键因素“人”，灵活借助5G 增强型移动带宽、多接入的特点，辅以新型安全帽、无人机、人工智能、云计算、VR/AR 技术的应用，全面提升网络工程建设现代化管理水平。该构想具有可移植性和启发作用，为矿井、隧道、路桥、电力杆塔、基站铁塔、楼宇、工厂、市政开发等工地建设的安全生产监管提供参考依据。