通信技术在智慧工地中的应用

陈晓菲

（罗普特科技集团股份有限公司，福建 厦门 361008）

随着我国建筑工地数量和规模井喷式增长，工地现场管理、环境融合、安全保障等突出性问题成为建设单位、施工企业和政府监管部门亟待解决的问题。智慧工地充分利用通信信息技术与互联网平台，通过设备采集、数据传输以及平台信息处理等实现工地的可视化智能管理，提高项目管理的交互性、灵活性和响应速度[1]，能够解决这些突出问题。

1 智慧工地的整体架构

目前智慧工地的整体构架通常分为5 层。信息采集层、网络传送层、数据层、应用层和用户层。数据采集层是工地现场各种设备的监控仪、传感器及视频监控设备。网络传送层负责将采集到的数据进行处理和传送。数据层负责各种数据的存储和认证等服务。应用层是管理平台所在的层级，集成了智慧工地系统各种功能模块。用户层在最顶层，由建设单位、施工企业和政府监管部门组成。

2 智慧工地通信技术应用原则

网络传送层是前端感知层通向系统后台的桥梁和纽带，在智慧工地系统中扮演着不可替代的角色。通信网络部署及技术的运用，决定了智慧工地的数据吞吐能力、交互速度和系统升级潜力。建设中主要应考虑5 个原则[2]。1）实用性。支持各种数据的传输并保证稳定的传输质量。2）可靠性。线路、设备单点故障不影响其他设备的正常运行，重要节点需有备用传输路径且可自动切换。3）前瞻性。适度的先进性，保证其在一定时间内具有技术优势，能够适应技术演进。4）经济性。建设成本及后期运营维护费用较低。5）可扩充性。系统容量、处理能力以及物理联接等方面可扩展。

3 智慧工地应用场景

3.1 传统通信技术应用场景

工地施工条件、施工阶段的不同使智慧工地的场景多样化，传输网络部署须因地制宜，综合规划，具体包括5 个方面。1）有光纤资源工地且前端安装位置相对固定，采用专线接入方式。出入口、材料加工区采用有线方式连接，塔吊通过无线网桥连接回传数据。由于塔吊在施工中不断升高导致塔吊上球机点位不断变化，有线连接不适应要求。其方位位置图如图1 所示，由于塔吊相对于基站之间的关系是动态，所以这位信息的传输带来了一定的阻碍。塔吊一般是工地的制高点，既可作监控点，又可作无线网桥的中继点。在智慧工地A 中，由于所建构筑物较多，高度不同，楼与楼之间的监控点有遮挡，采用5G 技术可以有效地降低有线连接方式的不足。因此须将塔吊作为一个传输中继点，在塔吊上配置背靠背无线网桥。

5G 专线接入优点传输质量稳定，可支持大带宽需求，可靠性较高，可扩充性较好。光纤为现有资源，无须新建，建设成本较低，经济性较高。但专线接入受资源约束明显，缺乏灵活部署能力。例如，无资源则建设周期较长，建设成本较高。2）无光纤资源工地或是前端设备安装位置不固定，宜采用无线连接方式。在工地部署带4G 功能和内置SD 卡的枪型摄像机或带4G 功能的DVR，摄像机的视频监控数据存储到本地SD 卡或DVR 中，在收到客户端的触发指令后将实时监控视频或存储视频通过移动网络回传至系统后台。3）无线接入具有施工灵活、工期短、扩展性强的优点。但4G 网络的局限性也是很明显的。首先，施工场地无线网络覆盖不足，导致信息传输质量低，甚至无法传输。其次4G 通信技术时延在250 ms 以上，远程画面延迟明显。再次4G 上行带宽低，而对行业的支撑取决于上行带宽的大小[1]。同时，具有4G 功能的摄像机价格较高，从成本上没有优势。

图1 塔吊作为传输中继示例

3.2 5G通信技术应用场景

随着智慧工地的发展，网络层需要更短的时延、更大的带宽，更广的连接，更高的安全性， 5G 技术以人和物通信为中心的特点能够较好的满足这些需求。5G 的网络速度是4G 的11.2 倍（现网5G 实测下行带宽约为4G，上行带宽200 Mbps），5G 网络每平方千米最大连接数将是4G 的10倍，毫秒级的空口时延是4G 的1/10（约5ms）。5G 网络还具有网络切片能力，能够在各类终端设备与云平台之间搭建可管可控、能力匹配的差异化连接通道。

3.2.1 无人机测绘

5G 通过使用大规模多输入多输出技术（Massive MIMO），可形成垂直方向的波束，支持不同高度的通信。通过快速部署5G 网络可以实现对空覆盖，无人机可快速对施工区域进行数字化测绘。借助5G 上行的大带宽能力，低空的无人机实时能第一时间将采集的数字化地形信息回传数据中心。

3.2.2 远程操控

进行工程机械的远程操控需要多路实时高清视频回传，同时需要低延迟的通信进行安全可靠的控制。 通过施工区域部署的5G 网络可以实现多路大带宽视频回传，通过部署用户面下沉，可以进一步降低通信延迟。实现操控人员在控制中心可对多个设备实现多人对多机，一人对多机的远程控制[2]。

3.2.3 施工过程可视化回放

工程机械通过5G 网络将实时的车辆作业数据回传云端，实现施工数据的存储、 查询和分析。通过云端部署的大数据分析引擎，可实时对施工质量进行监测与预警，也可以通过云平台必要时进行数据回溯。

4 5G技术在智能工地中的应用展望

5G 技术的低时延、高带宽和大连接特性和高安全性可靠性不但带来了移动通信领域深刻的变革，也将为智慧工地领域带来在传统通信方式无法实现的功能。

4.1 多机联动应用

工地内信息交互较为复杂，不同专业、不同工种和不同识别内容共同交织在一起。项目部门的办公成了关键的应用体系内容。传统的群聊办公程序已经完全不适用于大型工地内的应用场景，这时通过5G 技术作为重要的载体，能够实现远程巡检、隐检、预检并留存佐证记录，实现远程语音、文字以及视频交互，同步指导，解决施工技术难题。尤其是实际的施工区域，在施工区域部署的5G 本地网关和边缘计算节点上可部署机械智能施工云平台。多台工程机械通过5G 网络连接到智能施工云平台，实时交互作业信息，在云平台的指挥下实现多机协作[3]。

4.2 视频监控应用

在5G 架构中，视频传输的稳定性得到了极大的提高。采用移动网接入方式，视频监控的应用关键参数是上行带宽，4G 单扇区上行带宽约为50 Mbps（FDD-LTE 20 Mbps 载频），5G 单扇区上行带宽约为200 Mbps（100 Mbps 载频），可大幅提升接入的探头数量或接入更高画质的探头[4]。

5G 视频监控结合AI，能够从应急的角度对于现场进行实时的监控，并且及早发现问题以及各类危害的隐患。在这个过程中5G 技术无论是从传输速度还是传输的稳定性上，都十分强大。并且5G 网络内链接可视化的电子眼识别技术能够有效地针对厂内物品的智能识别，自动发现未戴安全帽、烟火等安全问题并发出预警。同时根据人脸识别的景象及内容，对现场工作人员的实际情况也能得到实时的监测，有效地对人力资源进行协调管理。实现人力资源管控的精准定位。

4.3 AR/VR应用

由于4G 的带宽不足，时延偏大，4G 网络难以胜任AR/VR 的接入，AR/VR 设备只能采用有线联接，造成设备笨重、联接复杂、清晰度不足等问题，极大限制了应用范围。而5G 的高带宽、低时延全面解决了这些难题，带来的是无线化、轻量化以及高分辨率的头盔。

MTP（Motion To Photons）时延指从头动到显示相应画面的时间，目前行业公认MTP 时延低于20ms 可大幅减少VR 眩晕，MTP 详细时延分解参数见表1。其中最重要的动作捕捉参数能够在1ms 的精度范围内，为智慧工地内的应用提供了高效的硬件保障。4G 的空口时延约为15 ms ～20 ms ，不满足要求[3]。目前5G 正式商用的版本为R15，支持eMBB（ Enhanced Mobile Broadband），增强移动宽带业务，空口时延约为4 ms～6 ms，可满足MTP时延要求。到了R16 版本，5G 还将提供超可靠低延迟通信（URLLC）业务的支持，可提供空口低至1 ms 时延的接入。实现了远程VR/AR 应用的重要硬件保障。5G 架构促进了各个硬件终端的有机融合。

表1 MTP 时延分解

监理人员可以利用VR 眼镜、PC 管理系统接入服务器，对施工工艺、安全、质量等进行监督，并及时督促问题整改。

监控平台结合人脸识别技术对设备进行启用认证，在工地吊装设备上安装智能识别设备，塔吊设备操作员通过身份识别方可启动吊装设备。

5 结语

综上所述，在智慧工地的建设中，应根据现场条件、投资大小以及具体需求等选择合适的通信组网技术。

建筑业改革正在围绕生产经营、技术研发和管理活动不断创新。只有把现代通信技术和人工智能技术渗透到项目管理之中，使“智慧工地”成为建造技术升级和管理模式变革的重要载体，才能实现中国建筑转型升级和持续健康发展，助力中国建造立于世界建筑业未来发展潮头。