基于“5G+AI”的施工現場智慧安全監管平臺的研究

韓成愈，劉 洋，龔戈勇

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引 言

安全風險存在于日常施工現場的各個階段，依靠傳統的人巡監管模式不僅耗時耗力、勞動強度大、危險性高，而且無法實時全方位監控。近年來，隨著5G等信息技術的快速發展，以5G、AI、大數據以及云平臺為代表的各類技術發展趨向成熟，在政府的治理、監督與服務，企業的安全、生產與管理方面可利用信息化技術有效提高管理效能。通過積極探索5G和AI技術的結合，為施工現場的安全生產監管探索新的管理模式。

1 5G技術和AI技術

1.1 5G技術

作為新一代寬帶無線移動通信技術，5G系統的網絡能力和網絡結構都與過去移動通信系統有很大不同。國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）定義了5G系統的關鍵指標特征，主要包括高速率、低時延以及大連接，與4G系統相比，5G網絡在接入帶寬、網絡容量、聯接密度、網絡時延、能源效率、頻譜效率、可靠性等方面都得到了較大的提升。對應5G系統的各項關鍵指標，ITU定義了5G的3大類應用場景，如圖1所示[1]。

增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）場景能夠實現對以“人”為中心各類社交、娛樂等個人用戶通信性能的提升，實現人與人之間通信的極致應用體驗，適用于對帶寬及數據流量要求高的移動寬帶業務，如高速移動上網、超高清（移動8K點播）及3D視頻直播和社交、隨時隨地云存取、增強現實/虛擬現實（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）等。

大規模機器類通信（massive Machine Type Communication，mMTC）場景和高可靠低時延通信（ultra-Reliableand Low Latency Communications，uRLLC） 場景主要面向“物”與“物”之間連接的應用。其中，mMTC場景用于海量設備的網絡接入場景，如3GPP所提出的嵌于蜂窩系統的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術和增強機器類通信（enhance Machine Type Communication，eMTC）技術可用來支持各類海量機器類通信應用，提供多連接的承載通道，滿足各類物聯網業務中發送較低的數據以及對傳輸資料延遲與成本有較低需求的廣覆蓋連接，面向以各類傳感器進行數據采集為目標的工業物聯網、環境監測、城市管理、智能家居等應用場景。uRLLC場景涉及兩個方面的內容，一個是超可靠，指通信過程中數據包的塊差錯率（Block Error Ratio，BLER）至少達到目標BLER的10-5或10-6量級。另一個是低時延，指通信網絡的空口時延需滿足低于最大時延要求，如5 ms、1 ms或更低。uRLLC場景主要面向垂直行業的特殊應用需求，包括遠程醫療、自動無人駕駛汽車、工業制造及自動化等。

相對于傳統無線網絡“統一接入、單一效能”的運營模式，5G依托其自身網元虛擬化、架構開放化以及編排智能化的技術保障，能夠通過資源和能力定制化，提供綜合型、具備差異化能力且服務質量保障、靈活便捷的“專屬”網絡。在安全監管領域，利用5G網絡高速率、低時延、大容量等特征，不僅能夠在現場和監管中心之間實現實時、高品質、雙向對稱的大規模數據流全交換，而且便于有效突破各個信息系統之間的信息互換，完成各監管、實施與救援部門的數據融合交換，在應用場景中達到身臨其境的效果。

1.2 人工智能技術

人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術基于海量數據的機器學習和深度分析，在分析結果的基礎上構成智能系統平臺，完成需要耗費傳統大量人力物力才能完成的工作，關鍵在于需要龐大的參考數據作為計算機“思考”和“決策”的基礎。經過多年的發展，數據量指數級的增長為機器學習提供了大量的學習基礎，算法倉庫的不斷完善不僅為人工智能技術提供了分辨的能力，而且提供了決策的方法。AI技術通過賦予機器智能，對人的意識和思維信息過程進行模擬，從而使機器設備具備人類的思考能力或實現腦力勞動自動化，幫助人們解決各種工作和生活問題。AI以其智慧、高效等優勢被廣泛運用于各個領域[2]。

AI領域的關鍵技術包括自然語言處理、AR/VR、統計機器學習、知識圖譜、人機交互、神經網絡以及深度學習等，其框架如圖2所示。

圖2 人工智能框架

在計算機科學、神經生理學、大數據及圖像識別等新技術的驅動下，當前AI技術進入了快速發展階段，以AI芯片為核心單元的運算能力得到了持續提升，推動AI技術成為新一輪產業變革的核心驅動力。深刻改變現有的生產生活方式，使社會生產力和勞動生產率得到整體躍升。據相關機構的預測，AI技術將是眾多智能產業發展的突破點，2026年全球AI技術市場規模總值將達到1.500×1011美元。AI技術的應用場景也已經從前期的碎片化過渡到深度融合的一體化模式，從單點應用場景轉換為多元化的應用場景，從技術升級邁向產業升級，在智慧城市管理和智能生產制造等眾多等場景中將得到更加廣泛及深入的應用，人類工作的領域也與AI技術息息相關[3]。

2 構建施工現場安全監管平臺

2.1 總體架構設計

基于“5G+AI”的施工現場，智慧安全監管平臺充分利用5G低時延、大帶寬以及廣連接等持性，在解決施工現場通信的痛點難點基礎上，充分結合AI人工智能等信息化手段，圍繞施工過程的安全質量等問題對施工現場的“人機料法環測”全要素進行全方位、立體式的實時性監測，實現施工現場安全監管的可視化和智能管理。“5G+AI”的施工現場智慧安全監管平臺解決方案如圖3所示。

圖3 “5G+AI”的施工現場智慧安全監管平臺解決方案

整套施工現場安全監管體系的建設方案可采用面向服務的架構（Service-Oriented Architecture，SOA），包含終端層、接入層、中臺層以及應用層，為智慧施工現場安全監管平臺可視化提供相關的服務[4]。監管體系的系統架構如圖4所示。

圖4 監管體系系統架構

在終端層建立技術統一及標準化、數據規范化于一體的終端信息采集規范，利用自動識別技術完成前端硬件或內、外部系統數據接口的數據采集。接入層是整個安全監管平臺的數據中樞核心。終端數據、視頻數據以及管理數據等在數據接入層進行數據清洗、轉換、加載，形成集成的、面向主題的且不容易丟失的數據倉庫，用于日常安全監管數據的共享、決策支持等。中臺層集中多數據源，統一數據分析口徑，為不同場景預設不同的方式，以提高數據分析效率等。應用層作為智慧安全監管平臺的業務核心，向用戶提供相關的安全監管應用服務，各模塊之間通過服務總線實現各業務之間的業務交互。

2.2 數據來源

2.2.1 固定點位監測

在關鍵點位安裝太陽能供電的視頻監控，強化對工程車輛、人員及施工設備等方面的全方位現場錄像取證。視頻監控搭載高像素紅外高清智能球機，支持高倍數的光學變焦和數碼變焦，可以看清數百米之外的汽車牌照號碼，能夠實時監管作業面情況。首先對工程車輛的類型和車牌、駕駛員行為以及車輛行徑軌跡進行不斷點監測，其次對周邊人員實施人臉識別，再次對火源（如抽煙、打火機、火柴等）等諸多不正常行為進行監測，最后對運行設備利用物聯感應數據采集設備、視頻等監控施工現場設備的運行安全狀態。

2.2.2 無人機巡視

無人機可對臨時工程和重點區域等進行有效補充監控。無人機搭配AI智能芯片，根據點云數據實現自動避障和計算，規劃出最優飛行路線，應用實時動態（Real Time Kinematic，RTK）高精度定位技術實現無人機自主巡檢。無人機AI算法云邊協同快速識別人工行為特征，通過無人機實現高空全景巡檢以及高速安全的5G網絡，快速發現現場全景甚至是周邊的異常情況。

2.3 數據運行

采集的數據通過5G網絡低延時、高速率或部分點位的高效傳輸線路傳送到數據業務層，經過視頻圖像管理平臺的數據提取，再經過人工智能模型組成的AI智能分析中臺的數據處理，備份到統一管理云平臺輸出到風險識別智能監控系統，發現危險，發出預警，最終在終端用戶的手機、智能安全帽、智能手環、PC或者駕駛管理艙體現出來。

2.4 數據輸出展示

安全監管的主要目的的是防止危險的發生，防患于未然，那么預防和應急處置就是數據采集和處理后需要輸出展現的。通過全場景覆蓋，重要運營數據全可視化，分級動態監管，實施多維分析，通知到人，人員分為3類，一是項目現場人員，一般是消息到智能手環、手機終端App；二是項目經理，一般是消息到項目管理PC端；三是公司管理部門，一般是管理駕駛艙的監控大屏。消息的及時統一性能實現快速聯動，對應急時間進行評估、研判以及分析，輔助制定相關應急預案。整個施工工地安全監管體系的邏輯如圖5所示。

3 “5G+AI”智慧安全監管平臺的優勢

（1）定制化的5G網絡，滿足監管數據的傳輸需求。根據施工現場實際的監管需求，可提供定制化的5G網絡覆蓋方案，并結合現在無線信號傳輸需求，滿足高達1GB以上的時間傳輸速率，支持各類高清廣角攝像頭的低時延和高清數據傳輸。實現施工現場監管數據通信覆蓋難點（包括地下室、超高作業面）的移動網絡覆蓋。

（2）實現施工現場信息的“多跨協同”。將施工現場多維度的安全風險信息分析、預警、管控、處置整合在一個平臺內，實現了安全監管的全過程及全方位的管理。在安全監管感知方面，通過智慧安全監管平臺相關的5G監控設備+物聯感知設備已經實現車輛、人員、設備等多項安全風險全覆蓋動態實時監測。

（3）有效提升監管效率。與傳統的監管巡視方式不同，基于“5G+AI”智慧安全監管平臺通過5G移動攝像頭、物聯網感知設備、無人機方式實現高效的數據傳輸和機動靈活的視頻采集，高清畫面和AR監控圖像通過5G專網流暢的傳送到監管中心，實現全天候全方位實時監管，有效減少現場安全巡視人員的工作量，實現施工現場安全監管的全面覆蓋和監管效率的極大提升。

（4）實現安全監控智能化。通過攝像頭、物聯網感知傳感器等數據采集設備采集的監管數據，利用AI技術對施工現場安全事故易發高發區域的違規、高危行為場景進行7×24 h不間斷識別，自動預判危險源，及時提醒和報警（通過短信、平臺提示等方式推送到管理者的手機），以便現場監管人員第一時間掌握現場，進行相關的應急處置，有效防范違規作業及安全事故的發生。

4 結 論

“5G+人工智能”的時代，社會信息生態高度發達，數據的不斷豐富也為進一步為提升人工智能和大數據技術提供了更多的進步空間，在5G時代，充分發揮信息化技術優勢，應用到生活的方方面面，必將給人民的生活帶來更多的精彩和提供更安全的工作社會安全保障。本文通過研究利用“5G+AI”構建施工現場安全監管平臺改變了施工現場傳統的監管方式，提升施工現場安全風險管控和隱患治理能力，實現施工現場安全監管移動監視、遙控、巡查、預警、報警等業務的閉環，對安全風險全覆蓋的監管。