5G移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)在建筑施工管理中的應(yīng)用

王 卿，肖光華

(1.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司常州市分公司，江蘇 常州 213000；2.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213147)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)高度重視物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計(jì)算等技術(shù)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。依靠全時(shí)、遠(yuǎn)程、準(zhǔn)確的通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)建筑施工過(guò)程及使用過(guò)程的安全管理，彌補(bǔ)當(dāng)前建筑施工及管理中存在的不足，以減少事故發(fā)生的可能性。

1 MEC關(guān)鍵技術(shù)

1.1 MEC技術(shù)特點(diǎn)

移動(dòng)邊緣計(jì)算(Mobile Edge Computing，MEC)，是第五代移動(dòng)通信(5G)的關(guān)鍵技術(shù)，可利用無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)就近提供電信用戶IT所需服務(wù)和云端計(jì)算功能，而創(chuàng)造出一個(gè)具備高性能、低延遲與高帶寬的電信級(jí)服務(wù)環(huán)境，加速網(wǎng)絡(luò)中各項(xiàng)內(nèi)容、服務(wù)及應(yīng)用的快速下載，讓消費(fèi)者享有不間斷的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

從技術(shù)的演進(jìn)發(fā)展來(lái)看，MEC技術(shù)作為5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，它在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣給應(yīng)用開發(fā)商和內(nèi)容提供商提供了云計(jì)算能力和IT服務(wù)環(huán)境，具備廣連接、低時(shí)延、大寬帶、實(shí)時(shí)訪問(wèn)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息、位置信息感知等特點(diǎn)。

從產(chǎn)業(yè)的價(jià)值生態(tài)來(lái)看，移動(dòng)邊緣計(jì)算可以創(chuàng)建一個(gè)全新的生態(tài)系統(tǒng)和價(jià)值鏈，包括應(yīng)用開發(fā)商、內(nèi)容提供商、IT企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商、運(yùn)營(yíng)商等。運(yùn)營(yíng)商可以向授權(quán)的第三方開放無(wú)線接入網(wǎng)，允許第三方面向移動(dòng)用戶、企業(yè)或垂直細(xì)分市場(chǎng)靈活、快速地部署創(chuàng)新的應(yīng)用和服務(wù)。

1.2 MEC技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1)網(wǎng)絡(luò)開放：MEC可提供平臺(tái)開放能力，在服務(wù)平臺(tái)上集成第三方應(yīng)用或在云端部署第三方應(yīng)用。

2)能力開放：通過(guò)公開API的方式為運(yùn)行在MEC平臺(tái)主機(jī)上的第三方MEC應(yīng)用提供包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息、位置信息等多種服務(wù)。能力開放子系統(tǒng)從功能角度可以分為能力開放信息、API和接口。API支持的網(wǎng)絡(luò)能力開放主要包括網(wǎng)絡(luò)及用戶信息開放、業(yè)務(wù)及資源控制功能開放。

3)資源開放：資源開放系統(tǒng)主要包括IT基礎(chǔ)資源的管理(如CPU、GPU、計(jì)算能力、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)等)，能力開放控制以及路由策略控制。

4)管理開放：平臺(tái)管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)路由控制模塊進(jìn)行路由策略設(shè)置，可針對(duì)不同用戶、設(shè)備或者第三方應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面的控制。

5)本地轉(zhuǎn)發(fā)：MEC可以對(duì)需要本地處理的數(shù)據(jù)流進(jìn)行本地轉(zhuǎn)發(fā)和路由。

6)計(jì)費(fèi)和安全。

7)移動(dòng)性：終端在基站之間移動(dòng)，在小區(qū)之間移動(dòng)，跨MEC平臺(tái)的移動(dòng)。

2 MEC解決方案

2.1 行業(yè)背景

由于建筑行業(yè)的特殊性，建筑施工過(guò)程中普遍存在人身安全問(wèn)題、建筑材料及施工質(zhì)量問(wèn)題、施工進(jìn)度和設(shè)備等財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題、建筑工地?fù)P塵污染問(wèn)題等，現(xiàn)有的實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)技術(shù)主要依賴視頻監(jiān)控和無(wú)線傳感技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用有線方式建設(shè)會(huì)大大增加初期建設(shè)成本，而借助運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)又會(huì)造成流量成本的負(fù)擔(dān)以及受到網(wǎng)絡(luò)傳輸不穩(wěn)定因素的影響。為此，MEC技術(shù)提供了計(jì)算處理、存儲(chǔ)緩存、虛擬交換等功能，也提供了分流、規(guī)則管理、DNS解析、第三方應(yīng)用托管、服務(wù)提供等功能，還提供了平臺(tái)的編排與調(diào)度、應(yīng)用的管理與維護(hù)、邊緣云基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃編排、服務(wù)的調(diào)度、應(yīng)用接入、管理和維護(hù)以及數(shù)據(jù)面的監(jiān)測(cè)和控制。其數(shù)據(jù)傳輸方式如圖1所示。

圖1 MEC數(shù)據(jù)傳輸示意圖

此外，MEC可以部署到運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)。部署在基站中，分單基站部署和多基站部署，前者是MEC設(shè)備串聯(lián)在BBU與接入層設(shè)備之間，后者是在傳輸匯聚點(diǎn)(核心機(jī)房或匯聚機(jī)房等)部署MEC。

2.2 視頻監(jiān)控平臺(tái)

視頻監(jiān)控綜合平臺(tái)是基于5G_MEC網(wǎng)絡(luò)研發(fā)，同時(shí)兼容LTE網(wǎng)絡(luò)。視頻監(jiān)控綜合平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)瀏覽、錄像回放、監(jiān)控點(diǎn)管理、告警等豐富的視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)功能。視頻監(jiān)控綜合平臺(tái)充分利用MEC在擁有充足網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下無(wú)視環(huán)境限制的特點(diǎn)，相較傳統(tǒng)4G攝像頭，基本可以實(shí)現(xiàn)“流量本地化”；相較有線攝像頭則免去布線工程，分別從流量資費(fèi)與布線兩方面最大程度減少客戶的成本。針對(duì)建筑工地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)鋪線難、安裝環(huán)境惡劣以及地區(qū)偏僻等不利監(jiān)控場(chǎng)景，視頻監(jiān)控綜合平臺(tái)結(jié)合MEC技術(shù)可得到廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：①本地寬帶高速通道，適合寬窄帶大數(shù)據(jù)高并發(fā)數(shù)傳輸。②高安全性，4G/5G加密通道傳輸。③高穩(wěn)定性，無(wú)掉線，抗干擾。④易維護(hù)性，運(yùn)營(yíng)商后臺(tái)維護(hù)。⑤高安全性，數(shù)據(jù)本地交互。⑥高穩(wěn)定性，邊緣部署。⑦低成本，不占用骨干網(wǎng)帶寬，網(wǎng)絡(luò)成本低，降低客戶使用成本。

2.3 無(wú)線監(jiān)控解決方案

2.3.1 方案組成

方案主要由3大內(nèi)容組成：MEC網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控平臺(tái)、攝像頭終端。MEC智能監(jiān)控的機(jī)制是MEC對(duì)視頻流量的本地化處理，把通過(guò)基站采集上來(lái)的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)專線寬帶送到監(jiān)控存儲(chǔ)中心，監(jiān)控中心從存儲(chǔ)中心實(shí)時(shí)調(diào)取視頻。整套系統(tǒng)工作方法：在監(jiān)控定位所在基站側(cè)或者所在傳輸鏈路上部署 MEC，然后打通攝像頭與監(jiān)控平臺(tái)之間路由，攝像頭與監(jiān)控中心之間通過(guò)內(nèi)部協(xié)議建立連接，攝像頭掉電重啟等異常情況可重新運(yùn)行后自動(dòng)連上監(jiān)控平臺(tái)。解決方案充分展現(xiàn)MEC優(yōu)勢(shì)，攝像頭側(cè)上行流量，在MEC側(cè)終結(jié)。無(wú)需消耗骨干網(wǎng)資源，無(wú)需擔(dān)心大量部署攝像頭產(chǎn)生的流量對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成擁塞。同時(shí)攝像頭側(cè)與監(jiān)控平臺(tái)自動(dòng)建立連接。通過(guò)MEC建立低時(shí)延穩(wěn)定通道，以達(dá)到有線監(jiān)控的穩(wěn)定性。支持在MEC側(cè)作AI或者視頻編解碼分析，減少前端終端與后端處理中心壓力，節(jié)省處理成本，提高效率。

2.3.2 實(shí)現(xiàn)功能

設(shè)備通過(guò)專屬監(jiān)控軟件，可實(shí)時(shí)操縱監(jiān)控各安全卡點(diǎn)，支持視頻時(shí)間軸功能，可在線回放視頻，支持視頻時(shí)間點(diǎn)查詢功能，監(jiān)控人員通過(guò)選取視頻回放時(shí)間節(jié)點(diǎn)，可從視頻回放設(shè)置節(jié)點(diǎn)開始回放，使回放查詢更加方便。

1)實(shí)時(shí)監(jiān)控。移動(dòng)端支持監(jiān)控區(qū)域劃分，每一臺(tái)移動(dòng)端設(shè)備可通過(guò)對(duì)監(jiān)控進(jìn)行區(qū)域劃分，進(jìn)行職責(zé)劃分，明確監(jiān)控人員區(qū)域職責(zé)；實(shí)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域?qū)崟r(shí)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)監(jiān)控區(qū)域事故做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

2)應(yīng)急管理。監(jiān)控平臺(tái)提供應(yīng)急管理服務(wù)，當(dāng)視頻監(jiān)控區(qū)域出現(xiàn)事故時(shí)，提供事故報(bào)警界面，任何監(jiān)控人員只需提交報(bào)警信息，即可通過(guò)平臺(tái)推送到每一個(gè)應(yīng)急處理人員手中，及時(shí)做好事故處理與區(qū)域信息了解，為事故后續(xù)提供處理依據(jù)。

3)多方協(xié)防。監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)對(duì)事故區(qū)域進(jìn)行區(qū)域劃分，在協(xié)調(diào)應(yīng)急處理人員時(shí)，也通過(guò)監(jiān)控信息劃分事故區(qū)域，應(yīng)急人員可將其推送到每一個(gè)監(jiān)控管理人員手中，做到對(duì)監(jiān)控區(qū)域及時(shí)了解，快速處理已發(fā)生事故區(qū)域，預(yù)防未發(fā)生事故區(qū)域，多方協(xié)防，將事故危險(xiǎn)與損失降到最低。

2.3.3 方案對(duì)比

相較傳統(tǒng)4G無(wú)線監(jiān)控，MEC無(wú)線監(jiān)控解決方案主要解決許多場(chǎng)景地處偏遠(yuǎn)、鋪線難的問(wèn)題，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，將視頻信息進(jìn)行本地存儲(chǔ)、本地處理，具有更低時(shí)延，可以快速建設(shè)，節(jié)約建設(shè)時(shí)間成本。也就是說(shuō)，MEC網(wǎng)路可以一鍵部署，解決網(wǎng)絡(luò)部署繁雜、速度慢的問(wèn)題，其建設(shè)要素如表1所示。

表1 MEC與傳統(tǒng)4G、有線建設(shè)要素對(duì)比

3 案例分析

以某工地自動(dòng)巡檢機(jī)器人為例，其主要承擔(dān)偏遠(yuǎn)地區(qū)和夜晚的無(wú)人值守的工作。主要設(shè)備包括攝像頭(配套監(jiān)控平臺(tái))、網(wǎng)關(guān)(4G)、SIM卡等前端設(shè)備；服務(wù)器(部署MEC)、MEC軟件、網(wǎng)卡、路由器、防火墻、機(jī)柜、路由器、UPS、寬帶(用于MEC遠(yuǎn)程維護(hù))等機(jī)房設(shè)備以及基站室分、BBU、AAU傳輸設(shè)備、光纖(MEC服務(wù)器到客戶機(jī)房之間)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。其費(fèi)用包括設(shè)備、維保、培訓(xùn)、施工在內(nèi)約9萬(wàn)元。由于屬于移動(dòng)裝置，所以需要無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，一個(gè)傳統(tǒng)的1080p攝像頭流量費(fèi)一天在50 G，流量費(fèi)每個(gè)月上萬(wàn)元，非常昂貴，通過(guò)使用MEC 的方式可以達(dá)到“0”流量的效果，節(jié)約流量成本，很大程度上減輕人員巡檢壓力和提高巡檢的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

5G_MEC合理地利用了MEC邊緣網(wǎng)絡(luò)的特性，提高了邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的利用率，穩(wěn)定、性價(jià)比高的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)促進(jìn)了智慧工地的規(guī)模化部署，有助于提高建筑施工質(zhì)量，降低建設(shè)和生產(chǎn)成本，還可以對(duì)新建工程項(xiàng)目施工質(zhì)量的改進(jìn)提供幫助，實(shí)現(xiàn)建筑施工與維護(hù)的一體化管理的目的。