基于5G的智能头盔系统在应急通信中的应用*

1 引言

现代意义的应急通信，一般是指在出现自然的或人为的突发性紧急情况时，同时包括重要节假日、重要会议等通信需求骤增应急保障时，综合利用各种通信资源，保障救援、紧急救助和必要通信所需的通信手段和方法，是一种具有暂时性的、为应对自然或人为紧急情况而提供的特殊通信机制。

综观全世界，每时每刻都在发生着各种灾难和事故。在这些重大的事件中，及时快捷的信息传递是赢得主动，减少损失，拯救生命的最基本要素。在事故中如何做好应急保障，使人民生命财产得到更好的保护，考验着一个城市的救援能力，而保障生产和现场作业人员的人身安全更多的体现在所穿戴的防护用品上，其中最重要的就是对头部的防护。智能安全帽作为一种基本的头部安全防护装备，广泛应用于各行业现场作业中。安全帽的佩戴已经成为一项必要的安全规范，它可以有效的防止现场作业人员受到坠落物、硬质物体的冲击或挤压，减小冲击力，消除或减轻其对人体头部的伤害，保护现场作业人员的生命安全。

5G的三大应用场景为增强移动宽带（eMBB）、大规模物联（mMTC）及高可靠低时延（uRLLC）。随着5G通信技术的普及，海量机器通信使得智能安全帽的应用更为出色，即可以满足低时延的视频大数据传输、大量接入等，发挥智能安全帽更完整的作用。完整功能的智能安全帽应具有视频、语音、图像即时传输，GPS/北斗定位精准等功能，并可以与服务器后台进行实时数据通信。后台指挥中心可以根据智能安全帽传送的数据进行决策，从而调整指挥救援策略。

2 应急通信现场作业安全系统

应急通信现场作业安全系统主要由多个智能安全帽、后端服务平台（现场作业安全管理软件、监视屏、平台服务器）组成。

图1 应用系统框架

如图1所示，多个智能安全帽获取现场的视频信息，通过5G移动网络把视频和位置信息传输给后端服务平台；后台管理中心可以实时查看各个智能头盔的视频和位置信息，并通过语音通话与智能头盔配带者进行交互，实现指挥操作功能,在智能头盔超出区域时向其报警及在智能头盔失去联系向管理者发出告警信息。

在很多应急场合，需要对现场实时进行技术诊断，现场作业人员通常不具备相关技能，通过在监控室中实时查看现场，技术管理人员能远程指导操作，协同完成通信救缓指挥工作。

现场作业安全系统具备以下功能，一是定位功能，技术管理人员可以清楚的了解现场作业人员的位置情况，工作区域越界及时发出告警，保证现场作业人员的安全。二是人员信息调取功能，在发生事故时可以及时调取现场作业人员的应急信息，方便及时救援，提高了现场作业人员的安全性。三是音视频对讲功能，可实现高空与地面或井下与地面双方更直接、更快捷、更准确地相互传达信息，便于指挥人员做出正确判断，及时发出指令，提高工作效率为应急现场作业增加了安全保障。对实现安全生产“可控、能控、再控”起到了积极的推动作用。

3 5G技术的革新

与前4代技术相比，5G不仅是移动通信技术的顺序提升，它更以全新的网络架构和性能，赋予应急管理等垂直行业的信息化发展。具体到应急通信管理，5G在应急通信保障、地质灾害监测预警、应急救援等业务领域已经取得了实质进展。随着5G通信技术的落地和推广就用，探索建设基于5G通信技术的应急通信保障体系成为业界普通关注的热点。5G的三大业务eMBB(增强移动宽带)、mMtc(海量机器类通信)和uRLLC(超可靠低时延通信)从技术上分析，可以支持应急通信的大部分业务和应用场量，如图2所示。

图2 4G/5G性能对比

智能安全帽集成了GPS/北斗定位、语音识别、远程音视频对讲、高清回传、LED辅助照明等功能，配合管理软件使用实现现场作业人员的实时定位、轨迹查询、电子围栏和人员统计等，确保建设场景的远端在线指导，同时，定位技术有助于统一指挥调度和甄别工人是否长时间未移动。

5G到来之后，针对大带宽的业务很典型的就是高清视频、AR、VR为代表的大视频应用。以4K/8K的视频为例，在无压缩情形下，需要高达100 Gbit/s的传输速率，即使经过百倍压缩后，也需要1 Gbit/s，而目前的4G技主将不能满足需要。在应急通信的特殊情况下，大多数需要实时回传现场视频或高清图片，基于4G的网络不能满足智能安全帽的最大功能作用。同时，应急通信系统对实时性的要求尤其突出，进而需要网络拥有快速响应能力，网格需要支持极低的时延，才能达到实时指挥调动的要求。图2是4G/5G网络的对比图[1]，可以看出，5G网络将会是一个多技术融合的多业务网格。

基于5G技术的智能安全帽可以发送警报，具有录像、视频、拍照、对讲、卫星定位、安全防护预警等功能。提供紧急调度、远程指挥、作业协调等服务。

4 应急通信模型

应急通信可以对现场各种灾害进行现场实时勘察，并通过公网或者卫星通信把实时视频流传回市应急指挥中心（现场指挥部）。市应急指挥中心根据视频信息，评估灾害破坏情况，确定救援方案，如图3所示。

图3 应急通信系统

通信指挥中心相当于网络应急保障和调度的大脑中枢，实时监控到智能安全帽的各项数据情况，通过应急通信保障平台对网络性能提前进行智能预判和及时告警，配合可视化调度系统，网络调度人员便可坐阵指挥中心全程可视化指导前端救缓人员进行作业，及时解决、排除救缓中各类随时出现的问题及隐患[4]。应急通信指挥系统可以完成以下功能：

（1）远程监控：可以实时查看任一智能安全帽的监控摄像头；

（2）通话指挥：可以呼叫现场任一智能安全帽，与其进行通话指挥；

（3）轨迹追踪：在地图显示所有接入系统的智能安全帽的位置，能记录其轨迹；

（4）安全报警：可以划定区域，在智能安全帽超出区域时向其报警，在智能安全帽与系统失去联系时向管理中心报警；

（5）设备管理：管理所有智能安全帽的基础信息、接入状态等。

如图4所示，多个智能安全帽的数据通过网络（移动通信网、无线网络等）传输到多媒体数据集群，由多媒体数据集群进行分片接收处理，存储到数据存储集群，更新业务数据库中的数据索引。

用户、维护和管理人员访问应用服务集群，从业务数据库获取设备和数据索引信息，由应用服务集群请求数据存储集群，结果由应用服务集群返回给客户端。

图4 平台框架图

在数据传输和客户端访问的前端，都通过负载均衡来实现对高并发访问的分流控制。

5 结束语

4G改变生活，5G改变社会。5G与生俱来的2B基因与大带宽、低时延、广连接的特性，使其不仅服务于广大个人用户，同时肩负着赋能千行百业数字化转型的使命，为全社会信息化、智能化建设提速。

现场作业安全系统可用于建筑行业、国电系统、石油系统等领域的应急通信中，智能安全帽预计可以达到数万量级的使用量，在新基建的驱动下极具发展前景。