基于5G施工現(xiàn)場智能可視化監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

岳軍政，李澤政，侯慶敏，杲永亮

(中國建筑第八工程局有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和信息化水平的不斷提高，建筑業(yè)也隨之開始進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。由于現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜、露天作業(yè)多、人員流動性大，施工現(xiàn)場管理難等建筑業(yè)自身特點(diǎn)，安全事故仍頻繁發(fā)生。具有關(guān)鍵作用的5G技術(shù)憑借其超高速率、大帶寬、低時延、高可靠等特性應(yīng)用于建筑業(yè)各施工現(xiàn)場業(yè)務(wù)場景，能推動建筑施工現(xiàn)場管理的可視化、智能化和精細(xì)化，同時也會大幅度降低施工現(xiàn)場安全事故的發(fā)生。

建筑行業(yè)對現(xiàn)場管理的可視化、智能化有著尤為迫切需求，而5G技術(shù)的普及為其智能化、可視化提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。通過5G技術(shù)的應(yīng)用對施工現(xiàn)場搭建信息傳感系統(tǒng)設(shè)備，對施工現(xiàn)場的各種信息可以快速傳輸?shù)巾椖抗芾碇行模M(jìn)而實(shí)現(xiàn)對施工現(xiàn)場的可視化管理。施工現(xiàn)場管理的動態(tài)性、時效性以及精準(zhǔn)性較差，傳統(tǒng)的建筑現(xiàn)場管理依舊是以靜態(tài)的管理為主，依賴人工監(jiān)管，缺乏智能化的管理手段來對施工現(xiàn)場的信息實(shí)時采集與傳輸以及實(shí)時的現(xiàn)場安全監(jiān)控。

為了解決相關(guān)研究中表現(xiàn)出的上述問題，該研究設(shè)計了一種可以助力于現(xiàn)場管理的基于5G網(wǎng)絡(luò)的員工識別、定位視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 5G技術(shù)在施工現(xiàn)場智能監(jiān)控可視化系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)施工現(xiàn)場管理需求，大部分施工工地部署了基于可見光及近紅外線攝像頭的安防監(jiān)控系統(tǒng)和工地主要出入口和重點(diǎn)施工地點(diǎn)出入口的射頻刷卡系統(tǒng)。利用這些系統(tǒng)基于5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬低延時物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)更多擴(kuò)展功能，具體施工現(xiàn)場5G智能監(jiān)控示意如圖1所示。

圖1 施工現(xiàn)場5G智能監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of 5G intelligent monitoring system in construction site

由圖1可以看出，所有攝像頭和射頻系統(tǒng)均通過5G網(wǎng)絡(luò)連接到相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理主機(jī)，數(shù)據(jù)管理主機(jī)向人臉識別系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、考勤管理系統(tǒng)、體溫監(jiān)測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。體溫監(jiān)測系統(tǒng)早期用于戶外超高溫或超低溫環(huán)境下的施工人員生命安全保障管理，在新冠疫情期間，該數(shù)據(jù)作為施工現(xiàn)場工作人員的防疫輔助系統(tǒng)提供服務(wù)。在沒有5G網(wǎng)絡(luò)支持的情況下，一般有2種技術(shù)路徑：一是安防監(jiān)控攝像頭數(shù)據(jù)僅可用于安防巡視，無法向其他系統(tǒng)提供必要數(shù)據(jù)；二是設(shè)備采用有線網(wǎng)絡(luò)(以太網(wǎng)或光纖網(wǎng))傳輸數(shù)據(jù)并服務(wù)上述系統(tǒng)，這就導(dǎo)致施工現(xiàn)場接續(xù)過程中相關(guān)設(shè)備被頻繁拆裝，影響接續(xù)工期。

施工現(xiàn)場臨時有線局域網(wǎng)的單線帶寬約為雙向100 Mbps，高速光纖臨時局域網(wǎng)的單線帶寬約為雙向1 000 Mbps，臨時WIFI全覆蓋的通信帶寬并不穩(wěn)定，一般在50～200 Mbps；但5G網(wǎng)絡(luò)的理論單線帶寬約為10 Gbps。且5G網(wǎng)絡(luò)無需施工現(xiàn)場管理人員反復(fù)重新部署網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施，使用5G網(wǎng)絡(luò)會大幅度減少現(xiàn)場管理工作量且減少了因?yàn)榉磸?fù)部署管理網(wǎng)絡(luò)帶來的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)安全問題。

2 該監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能及仿真驗(yàn)證

施工現(xiàn)場管理的核心任務(wù)是工藝接續(xù)。工藝接續(xù)管理的核心任務(wù)是確保指定人員在指定地點(diǎn)安全且保質(zhì)保量完成工作任務(wù)，該監(jiān)控系統(tǒng)以基于5G視頻信號的人臉實(shí)時識別技術(shù)為核心技術(shù)，實(shí)時分析建筑施工現(xiàn)場每個作業(yè)點(diǎn)的工作人員身份，識別非工作人員和體溫異常工作人員，及時作出預(yù)警。如果與傾斜攝影(Smart 3D)技術(shù)相結(jié)合，還可以形成施工現(xiàn)場的實(shí)時進(jìn)度三維模型，導(dǎo)入到建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)系統(tǒng)中，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)的全面可視化。

一般模式下，不考慮BIM三維建模需求，僅從前文圖1數(shù)據(jù)可視化目標(biāo)分析，相同數(shù)據(jù)可視化挖掘架構(gòu)下，以工地WIFI通信系統(tǒng)為參照組，比較二者的數(shù)據(jù)運(yùn)行參數(shù)，具體如表1所示。

表1 工地5G網(wǎng)絡(luò)與WIFI網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)比較表Tab.1 Comparison of operating parameters between 5G network and WIFI network in construction site

由表1可知，敏感度數(shù)據(jù)指機(jī)器人識別算法運(yùn)行結(jié)果中真陽性數(shù)據(jù)在所有陽性數(shù)據(jù)的占比，用于評價識別準(zhǔn)確率。背板帶寬指匯聚層交換機(jī)的實(shí)際運(yùn)行帶寬，總吞吐能力指通過核心交換機(jī)所有端口的總數(shù)據(jù)帶寬。丟包率指考察時間窗口內(nèi)被要求重發(fā)的數(shù)據(jù)包在總數(shù)據(jù)包中的占比，用于反映網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。表1數(shù)據(jù)比較方法使用SPSS下的雙變量校驗(yàn)，當(dāng)<10000、<0.01時，認(rèn)為數(shù)據(jù)具有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。比較發(fā)現(xiàn)，雖然WIFI網(wǎng)絡(luò)條件下相關(guān)識別任務(wù)的敏感度均達(dá)到了95%以上，超出業(yè)內(nèi)公認(rèn)的機(jī)器學(xué)習(xí)識別敏感度下限值，但5G網(wǎng)絡(luò)條件下相關(guān)探頭可以提供更大的數(shù)據(jù)量用于機(jī)器學(xué)習(xí)分析，所以其各項識別的敏感度均顯著高于WIFI網(wǎng)絡(luò)組(<10000，<0.01)。另外，5G網(wǎng)路的網(wǎng)絡(luò)吞吐能力顯著高于WIFI網(wǎng)路，且5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)通信基站由運(yùn)營商提供，現(xiàn)場管理單位無需進(jìn)行基礎(chǔ)通信基站的布局，大幅度削減了管理成本和設(shè)備部署時間成本。

自2020年10月開始將工地中全覆蓋WIFI管理網(wǎng)絡(luò)升級成5G網(wǎng)絡(luò)，至今超過九成職工經(jīng)歷過2種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用環(huán)境。對125名使用過2種管理網(wǎng)絡(luò)施工管理從業(yè)人員進(jìn)行調(diào)查，要求其對網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用效果做出主觀評價，滿分10分，最低0分；計算平均得分，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 現(xiàn)場施工管理人員對5G網(wǎng)絡(luò)可視化管理系統(tǒng)的評價結(jié)果表Tab.2 Evaluation results of site construction management personnel on 5G network visual management system

由表2可知，針對系統(tǒng)易用性、穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)安全性、管理效率等方面的評價，以及上述所有評價的總體均值形成的綜合評價，工作人員給出的主觀評價結(jié)果，5G網(wǎng)絡(luò)均顯著優(yōu)于WIFI網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)槭褂?G網(wǎng)絡(luò)在施工接續(xù)中無需重新部署基站設(shè)備，減少了大量現(xiàn)場管理的工作量，使得現(xiàn)場管理工作量減少，現(xiàn)場管理環(huán)節(jié)得到優(yōu)化，且5G網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的數(shù)據(jù)量，造成可視化系統(tǒng)的實(shí)際算法效能有所增加(詳見前文表1)，以上原因綜合造成了現(xiàn)場施工管理人員對5G網(wǎng)絡(luò)可視化管理系統(tǒng)的評價較高。

3 結(jié)語

該研究并未改變建筑施工現(xiàn)場管理信息系統(tǒng)的整體邏輯，將以往使用其他終端接入通信系統(tǒng)的監(jiān)控終端設(shè)備的并網(wǎng)方式改為5G網(wǎng)絡(luò)，大幅度提升了數(shù)據(jù)帶寬，增加了監(jiān)控數(shù)據(jù)量，使得監(jiān)控可視化系統(tǒng)的整體可用數(shù)據(jù)量增加，監(jiān)控可視化系統(tǒng)的敏感度增加。個案中之前通信系統(tǒng)為施工現(xiàn)場全覆蓋WIFI通信系統(tǒng)，改為5G通信系統(tǒng)后，在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、安全性、數(shù)據(jù)可視化敏感度和現(xiàn)場管理人員主觀評價方面均獲得了顯著的統(tǒng)計學(xué)提升。后續(xù)研究將針對5G通信提供的數(shù)據(jù)環(huán)境進(jìn)行針對可視化功能的深入開發(fā)，形成全新的智能監(jiān)控可視化體系，如引入施工現(xiàn)場三維攝影施工進(jìn)度建模等功能。