基于5G和MEC的新型智慧工地應(yīng)用研究

陶詠志，楊海濤，馮九龍，欒曉鵬（北京電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100048）

0 引言

新型智慧工地應(yīng)用基于5G 網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)新性地將MEC 邊緣云和AI、BIM、區(qū)塊鏈等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，在建筑施工過程中，打造智能化應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)了智慧工地的應(yīng)用升級。

本文分析了5G通信技術(shù)在智慧工地的應(yīng)用模式，提出了5G通信技術(shù)在智慧工地建設(shè)中具體應(yīng)用策略，并建立基于MEC 技術(shù)新型智慧工地系統(tǒng)構(gòu)架，闡述了新型智慧工地的典型應(yīng)用及亮點(diǎn)研究。

1 智慧工地發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 智慧工地發(fā)展歷程

智慧工地通過移動通信、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、BIM 和智能設(shè)備等信息化技術(shù)手段，聚焦建筑行業(yè)人、機(jī)、料、法、環(huán)等關(guān)鍵要素，實(shí)現(xiàn)信息自動采集、智能分析及高效管理。

傳統(tǒng)智慧工地是以“BIM+物聯(lián)網(wǎng)”為核心進(jìn)行能力建設(shè)，其中以BIM為核心實(shí)現(xiàn)建筑過程管理，以物聯(lián)網(wǎng)為核心打造前端感知。同時重點(diǎn)在人員管理、機(jī)械設(shè)備、物料管理、質(zhì)量管理、安全管理、綠色施工等方面進(jìn)行應(yīng)用研發(fā)。

近年來，智能建造及智慧工地迅猛發(fā)展，國家對建筑行業(yè)信息化建設(shè)提出了更高要求。2018 年12 月的中央經(jīng)濟(jì)會議首次提出“新基建”這一概念，并明確新基建三大方面，即信息通信基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施、創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施。為更好對接“新基建”，2020 年8月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部會同六部委印發(fā)的《關(guān)于加快推進(jìn)新型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》中首次提出“新城建”概念，即對城市基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化建設(shè)和更新改造。

伴隨以5G、區(qū)塊鏈、MEC 為代表的新一代技術(shù)的蓬勃發(fā)展，預(yù)計(jì)未來智慧工地的發(fā)展將呈現(xiàn)四化的發(fā)展趨勢，即過程數(shù)字化、施工自動化、管理系統(tǒng)化、控制網(wǎng)絡(luò)化。

1.2 智慧工地發(fā)展面臨的技術(shù)瓶頸

基于傳統(tǒng)智慧工地的解決方案，綜合客戶需求及現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)能力，智慧工地在發(fā)展過程中主要面臨以下4個方面的技術(shù)瓶頸。

a）基礎(chǔ)通信需求。工地作為臨時場景，缺乏運(yùn)營商室分網(wǎng)絡(luò)的支持，僅能依靠工地周邊的公有基站進(jìn)行通信，地下空間作業(yè)面、100 m 以上的高空作業(yè)面通常處于無信號的狀態(tài)，為施工作業(yè)通信溝通交流造成困擾。

b）移動設(shè)備應(yīng)用。工地作為多變的場景日新月異，通過傳統(tǒng)有線方式部署視頻監(jiān)控等終端設(shè)備會對后期運(yùn)維造成極大困擾，針對施工場景采用無線接入設(shè)備則更有利于快速部署及有針對性的應(yīng)用。

c）視頻實(shí)時傳輸。傳統(tǒng)智慧工地通常利用專線進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻傳輸，這會造成一定的運(yùn)維及成本壓力；通過4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻傳輸，則受制于帶寬，回傳視頻數(shù)量受限且實(shí)時性較差。

d）設(shè)備遠(yuǎn)程操控。受物聯(lián)網(wǎng)傳輸距離及4G 網(wǎng)絡(luò)時延及上行帶寬限制，遠(yuǎn)程操控設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)。

2 5G及MEC在智慧工地的應(yīng)用模式

2.1 基于新技術(shù)提升工地監(jiān)管效率的應(yīng)用

與傳統(tǒng)監(jiān)管方式相比，利用5G 的技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合MEC、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代科技對行政管理的支撐作用，可以實(shí)現(xiàn)了施工線上線下實(shí)時同步聯(lián)動，利于各級主管部門對違規(guī)行為調(diào)查取證和及時查處，對建設(shè)過程中重大安全隱患及時叫停，跟蹤問題整改進(jìn)度，可大大提高監(jiān)管效率。

2.2 探索前沿技術(shù)、助推典型場景落地的應(yīng)用

通過統(tǒng)一核心流媒體云平臺與應(yīng)用場景中布置的檢測設(shè)備連接，實(shí)時采集、匯總、分析、預(yù)判各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)秒級預(yù)警。探索5G 遠(yuǎn)程塔吊操控、BIM建模、區(qū)塊鏈溯源，實(shí)時高清視頻流媒體、無感知流暢體驗(yàn)等典型應(yīng)用在智慧工地全面落地。

3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 5G及MEC在智慧工地的技術(shù)優(yōu)勢

工地的施工安全、環(huán)境監(jiān)測、智能巡檢等不同類型的業(yè)務(wù)和多樣化的通信場景，對網(wǎng)絡(luò)提出了多樣化的性能需求，而這些性能需求顯然無法通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來滿足，而5G 網(wǎng)絡(luò)所具備的切片能力，使得每個網(wǎng)絡(luò)切片能夠適配不同的業(yè)務(wù)和通信場景，可提供合理的網(wǎng)絡(luò)控制和高效的資源利用。

MEC 可使工地應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理能力的下移、平臺能力下放，自由掌握和處理問題，而不需要層層上行至云端或公共網(wǎng)絡(luò)，這就極大地縮短了業(yè)務(wù)請求上報(bào)、響應(yīng)的時間。處理速度快，能夠非常有效地提升用戶感知。

MEC 將末端存儲資源（NVR）下沉到了網(wǎng)絡(luò)邊緣，根據(jù)業(yè)務(wù)的需求，將需要在本地處理的放至本地；對于本地?zé)o法處理的，則繼續(xù)上行到計(jì)算中心處理，MEC 的部署，大大降低了計(jì)算中心的計(jì)算能耗。MEC服務(wù)器實(shí)時緩存業(yè)務(wù)，極大地發(fā)揮了本地存儲的優(yōu)勢，降低了傳輸?shù)哪芎摹＿@兩點(diǎn)也正是提升能量效率，實(shí)現(xiàn)高速通信的關(guān)鍵。同時，部署在UPF 網(wǎng)絡(luò)側(cè)的MEC 服務(wù)器可以獲取詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)信息和終端信息，還可以作為本區(qū)域的資源控制器對帶寬等資源進(jìn)行調(diào)度和分配。

以“北京大興5G 智慧工地”為例，5G 智慧工地視頻流媒體平臺通過MEC 服務(wù)器可以獲取到終端信息，同時也可以獲取用戶終端的鏈路信息，MEC 服務(wù)器可動態(tài)調(diào)整帶寬資源，利用5G 專屬基站的低延時、大帶寬網(wǎng)絡(luò)能力，可自動為用戶切換適配速率的視頻，這樣避免了視頻卡頓現(xiàn)象的發(fā)生，5G+MEC 的資源搭配提升了用戶體驗(yàn)，保持了技術(shù)落地的先發(fā)性優(yōu)勢。

基于5G+MEC 的技術(shù)優(yōu)勢，建立完整的解決方案，可促進(jìn)AI 自動識別、視頻智能追蹤、BIM 矢量建模結(jié)合、區(qū)塊鏈等新型應(yīng)用，在智慧工地場景充分發(fā)揮高效精準(zhǔn)的應(yīng)用效果。

3.2 5G及MEC在智慧工地的典型應(yīng)用

3.2.1 BIM可視化

BIM 技術(shù)可虛擬呈現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)劃期的所有建造內(nèi)容，包括三維模型、工程量統(tǒng)計(jì)、進(jìn)度模擬等。BIM 可視化則需要結(jié)合工地現(xiàn)場多方位監(jiān)控，從水平、垂直、俯視、仰視、傾斜等不同角度三維建模。5G 網(wǎng)絡(luò)的高帶寬、低時延可精確實(shí)現(xiàn)高矢量數(shù)據(jù)加載，保障BIM可視化實(shí)現(xiàn)多平面重構(gòu)預(yù)加載的最佳體驗(yàn)感。

3.2.2 高清視頻回傳

實(shí)時塔吊視頻、現(xiàn)場施工視頻畫面等通過5G專屬基站與MEC 平臺的專屬切片網(wǎng)絡(luò)推送，可實(shí)時回傳施工現(xiàn)場及典型的遠(yuǎn)程操控應(yīng)用場景。

3.2.3 智能移動巡檢

通過智能物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、頭盔、眼鏡及AI識別等動態(tài)場景的智能化應(yīng)用。

4 基于5G及MEC的智慧工地解決方案

4.1 應(yīng)用整體架構(gòu)

視頻監(jiān)控及各類監(jiān)測終端通過5G CPE 的方式接入5G 網(wǎng)絡(luò)，并通過5G 專屬基站，經(jīng)過承載網(wǎng)和核心網(wǎng)，最終連接至云端平臺進(jìn)行內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理。并通過互聯(lián)網(wǎng)向本地監(jiān)控端、移動端（手機(jī)和PAD）等多終端進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)，真正做到多終端展示，多層級監(jiān)督。智慧工地能力架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧工地能力架構(gòu)圖

4.2 5G+MEC網(wǎng)絡(luò)能力建設(shè)

4.2.1 5G網(wǎng)絡(luò)搭建

5G 專屬基站的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的實(shí)地測量結(jié)果如下：下行達(dá)到634 Mbit/s，上行達(dá)到85 Mbit/s。5G 基站采用3.5 GHz 頻段，頻率范圍為3 400 MHz 至3 600 MHz，通道數(shù)為64T64R。5G 基站線路連接方式如圖2所示。

圖2 5G基站線路連接方式

4.2.2 MEC平臺能力建設(shè)

前端部署的終端網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品通過搭載專用APN 的物聯(lián)網(wǎng)卡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，在整個網(wǎng)絡(luò)鏈路當(dāng)中，5G 核心網(wǎng)側(cè)通過UPF 對物聯(lián)網(wǎng)卡專用APN 進(jìn)行識別，將數(shù)據(jù)流直接分配至機(jī)房內(nèi)進(jìn)行處理，再經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)在終端進(jìn)行展示。MEC部署方式如圖3所示。

圖3 MEC部署方式

通過Tracert 數(shù)據(jù)的路徑后可以發(fā)現(xiàn)，在部署MEC相關(guān)網(wǎng)絡(luò)能力后，數(shù)據(jù)從設(shè)備的網(wǎng)關(guān)側(cè)至MEC 機(jī)房側(cè)，僅需6次路由跳轉(zhuǎn)便可完成全部路徑，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)路由跳轉(zhuǎn)次數(shù)。在時延方面，由于MEC 的部署縮短了傳輸路徑，傳輸?shù)臅r延也大幅降低，平均時延約為15 ms。

4.3 平臺方案亮點(diǎn)應(yīng)用

4.3.1 現(xiàn)場管理可視化

通過3D 多維度，多平面矢量建模，支撐模型實(shí)施加載交互，實(shí)現(xiàn)作業(yè)面施工質(zhì)量、安全、進(jìn)度可視化，支撐政府各級監(jiān)管部門、項(xiàng)目集團(tuán)公司監(jiān)管的多人、多層級同時在線監(jiān)管施工現(xiàn)場作業(yè)情況，對施工現(xiàn)場作業(yè)情況補(bǔ)充監(jiān)管數(shù)據(jù)。

4.3.2 高清視頻回傳

a）塔吊遠(yuǎn)程操控。通過在塔吊上部署的3 路4K、1 路2K，1 路1080P 共計(jì)5 路超高清視頻監(jiān)控?cái)z像頭，并利用5G+切片將視頻回傳至MEC 機(jī)房，再向互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)，完成整條鏈路數(shù)據(jù)傳輸，為塔吊遠(yuǎn)程操控駕駛員提供毫秒級的實(shí)時監(jiān)控視頻，充分滿足塔吊遠(yuǎn)程操控作業(yè)需求。塔吊遠(yuǎn)程操控如圖4所示。

圖4 塔吊遠(yuǎn)程操控

b）固定高清視頻監(jiān)控。1080P 高清視頻和4K 超高清視頻低時延傳輸，實(shí)現(xiàn)管理人員對現(xiàn)場鳥瞰及主要位置實(shí)時監(jiān)控，保證施工現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)控畫面高清、流暢、無延遲傳輸至智慧工地指揮中心。5G 智慧工地點(diǎn)位部分監(jiān)控視頻如圖5所示。

圖5 5G智慧工地點(diǎn)位部分監(jiān)控視頻

4.3.3 5G智能移動巡檢

a）四足機(jī)器人。基于5G+MEC+切片的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，在大幅降低網(wǎng)絡(luò)時延的基礎(chǔ)上（50 ms），通過對四足機(jī)器人在原本可視距離內(nèi)視頻信號及控制信號藍(lán)牙傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行全面5G化的改造，可完成機(jī)器狗對視頻信息的遠(yuǎn)程回傳及操控。在應(yīng)用方面，四足機(jī)器人可由工地管理人員對其進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，通過四足機(jī)器人搭載的視頻監(jiān)控設(shè)備及5G CPE 可將視頻信息進(jìn)行回傳，完成遠(yuǎn)程巡檢工作。同時四足機(jī)器人也可搭載徠卡點(diǎn)云掃描儀，實(shí)時獲取工程三維數(shù)據(jù)，輔助巡檢工作。四足機(jī)器人及輪式移動巡檢如圖6所示。

圖6 四足機(jī)器人及輪式移動巡檢

b）5G智能頭盔。5G智能頭盔搭載四核高性能主控芯片、5MP 廣角攝像頭、北斗&GPS 多重定位等配置，可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)管。5G智能頭盔系統(tǒng)由云端管理系統(tǒng)、前端控制系統(tǒng)、智能頭盔終端3部分組成，利用物聯(lián)網(wǎng)、空間定位、5G移動通信、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，提供具有定位、感知、預(yù)警和音視頻回傳功能的智能巡檢系統(tǒng)，解決安全生產(chǎn)現(xiàn)場作業(yè)過程中的問題，實(shí)現(xiàn)“感知、分析、服務(wù)、指揮、監(jiān)管“五位一體”。

c）5G-AI 眼鏡。5G-AI 眼鏡搭載intel 處理器、640×400分辨率顯示屏、1 300萬像素相機(jī)、1080P 攝像頭、數(shù)字麥克風(fēng)和單揚(yáng)聲器。5G-AI眼鏡集便攜性、移動性、無線接入、人工智能等多種屬性于一身，具有遠(yuǎn)程協(xié)作及巡檢的重要功能。佩戴者通過眼鏡可將第一視角的畫面進(jìn)行存儲，形成巡檢日志；也可通過畫面?zhèn)鬏斉c遠(yuǎn)程人員進(jìn)行語音及文字交流形成作業(yè)協(xié)同。在此基礎(chǔ)上，5G-AI眼鏡在使用過程中，解放佩戴者雙手，保障人員安全。

d）AI 智能識別。在5G 高清視頻傳輸?shù)幕A(chǔ)上，通過系統(tǒng)搭載的AI智能識別模塊，對工地視頻進(jìn)行實(shí)時分析，對工地現(xiàn)場的不安全行為進(jìn)行及時預(yù)警。

AI 功能基于YOLO V5 自研AI 算法，可以實(shí)現(xiàn)火焰報(bào)警、煙霧報(bào)警、周界防護(hù)、未戴安全帽報(bào)警、未穿反光衣報(bào)警、未戴口罩報(bào)警，從發(fā)現(xiàn)到反饋預(yù)警信息僅需1～3 s。在疫情環(huán)境下可有效幫助工地快速復(fù)工復(fù)產(chǎn)，規(guī)范工人日常安全行為管理，防范火災(zāi)等意外發(fā)生。

AI 分析展示系統(tǒng)，可為項(xiàng)目安全管理、質(zhì)量管理提供智能實(shí)時報(bào)警、統(tǒng)計(jì)分析與展示功能。

4.3.4 區(qū)塊鏈鋼構(gòu)件溯源系統(tǒng)

基于區(qū)塊鏈的鋼構(gòu)件溯源系統(tǒng)通過對鋼構(gòu)件分配唯一編號，將鋼結(jié)構(gòu)工程涉及到的10個環(huán)節(jié)進(jìn)行串聯(lián)，將10 個環(huán)節(jié)中涉及到的所有公司、企業(yè)作為單一節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成鋼結(jié)構(gòu)溯源管理聯(lián)盟鏈，將鋼結(jié)構(gòu)工程中涉及到的鋼構(gòu)件的文檔、生產(chǎn)信息等進(jìn)行實(shí)時上鏈，增加權(quán)限控制機(jī)制，最終形成全流程溯源、全數(shù)據(jù)可信、安全可靠的鋼構(gòu)件溯源平臺，可廣泛支持建筑領(lǐng)域中鋼構(gòu)件或裝配式建筑構(gòu)件在全國范圍內(nèi)的溯源管理業(yè)務(wù)。

5 總結(jié)

5G 及MEC、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)正在驅(qū)動新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，成為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基石。傳統(tǒng)工地整體偏向于高消耗、低技術(shù)、高投入、低產(chǎn)出的傳統(tǒng)粗放型發(fā)展模式，面對以新技術(shù)、智能化、數(shù)字化為核心的新基建，觀念轉(zhuǎn)變面臨著巨大的考驗(yàn)和一系列挑戰(zhàn)。基于5G 和MEC 的新型智慧工地應(yīng)用，在技術(shù)上可助推信息化應(yīng)用的突破性發(fā)展，促使新技術(shù)、新手段在建造行業(yè)中的運(yùn)用發(fā)揮到極致，從而加速推進(jìn)建造行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，從根本上實(shí)現(xiàn)工地人、機(jī)、料、法、環(huán)等要素的提升。