5 G 通信在道路、桥梁、隧道工程施工中的应用分析

吕福瑞

1 引言

近年来，随着国务院发布的《中国制造2025》战略被提升到国家层面，智能化设备在生活生产方面的运用逐步被重视起来。智能驾驶、视觉导航、融合定位技术都由之前的军事、航天航空等“高精尖”领域逐渐转变到大众的生活中，逐渐向着智能自动化的工业化发展。但是在工业制造中，每个行业之间的差异性较大，统一规划发展进步缓慢。依靠新兴科技基础为支持的无人机行业、物联网行业、自动化行业迅速崛起，这也促使了国内的以WiFi、蓝牙3.0 等短距离通信技术、定位技术、视觉分析技术、等众多科学技术得到了迅猛的发展[1]。例如，大疆的无人机通信链接采用了成熟的WiFi、蓝牙技术、广播信号技术，实力远远压制国外的同类产品。

2 国内现状

国内的无人机、高精度视觉分析、传感器定位、激光扫描等技术的单一行业运用已经非常成熟[2]，例如，大疆的无人机通信链接采用了成熟的WiFi、蓝牙技术、广播信号技术以及空中红外线、超声波等定位模式；工业分拣机器人的快递、运输及无人驾驶方面的运用；再包括测量行业的激光扫描与点云成像技术。而国内这些新兴技术在工程施工方面的运用少之又少，现阶段的工程建设施工仅仅使用以BIM、CAD 等软件为辅助，依旧依靠人力为基础配合机械施工的作业方式。不仅低效、高成本且在某些高难度施工段往往以生命为代价完成建设施工。例如，云南大柱山隧道，突泥、涌水、高地热、有毒气体等复杂且极其危险的条件下施工，可能付出的就是生命的代价。

3 道路施工面临的主要问题

3.1 劳动力面临的挑战

3.1.1 工人老龄化

20 世纪开始，发达国家人口的平均寿命从47 岁上升到75 岁，但出生率在逐年下降，使发达国家的平均年龄以前所未有的速度上升，据估计到2050 年，欧洲的平均年龄将达到60 岁。对于中国这样的发展中国家，尽管这种速度来得迟一点，但也已经到来[3]。

根据国家统计局2017 年发布的《2017 年农民工监测调查报告》显示，受农村人口结构变化等影响，农民工平均年龄不断提高，在建筑业迅猛发展的背后，建筑工人“老龄化”问题日益凸显，农民工平均年龄几乎以每年1.5～3.0 的速度逐年递增，且呈加快态势。根据2015 年国家住建部下发的《关于加强建筑工人职业培训工作的指导意见》（建人〔2015〕43 号）要健全建筑工人技能培训、技能鉴定体系的同时企业也要采取新的措施应对劳动力短缺的问题。对于建筑行业当前备受关注的装配式建筑，如果得到全面普及，未来仅需要传统建筑生产方式大约50%的工人。而道路、桥梁、隧道工程都是在远离大城市的乡村甚至山间，相比建筑业工作条件要艰苦得多，生产工艺也更为落后。

3.1.2 高学历人群的缺失

随着我国高等教育的普及，高学历毕业人群几乎每年都在刷新最高纪录，而恰恰相反的是由于国家经济水平的提高、全面小康的普及，这些从高等学府里走出来的年轻人在道路、桥梁、隧道工程等工作条件较为艰苦的“偏远工地”的就业人数较少[4]。

其次，随着国家提倡应届毕业大学生自主创新创业，根据2017 年我国双一流大学的应届生就业质量报告来看，全国2017 届大学毕业生自主创业比例为2.9%、2017 届高职高专毕业生自主创业比例约为3.8%，据统计，近年来各项创业大赛参赛队伍数量在逐年增加，仅2019 年《第五届中国“互联网+”大学生创新创业大赛》本科在校生的报名比列达到了20%[5～8]。

工人老龄化和高学历人群的缺失，应届毕业生创业比例的逐步提高，同时还伴随着出生率的降低、20 世纪90 年代的计划生育。综合以上情况来看，我国基础建设劳动力的短缺已成定局，而对于道路、桥梁、隧道这样工作化境更加恶劣的地方面临的挑战尤为的巨大。

3.2 施工技术的问题

由于施工人员多数以农民工为主体，大部分没有经过专业的培训与训练，整体素质、教育水平有待提高，对较为专业化的施工过程无法进行有效的控制，施工经验较丰富的群体却面临着身体素质的下降和其他因素离开条件较为艰苦的工地，导致施工经验无法有效传递下去，直接导致施工过程中施工质量的下降和施工可靠性不足等不利因素的产生[9]。而农民工整体意识观念的落后也直接导致了工程项目施工的水平无法提高，对施工项目整体都产生了不利影响。如果提高对施工人员的选拔要求，增设工程施工的技术培训势必大大增加工程项目的总成本。

3.3 施工安全的问题

道路、桥梁、隧道施工的主要作业地点位于山间，其地势险峻、地质复杂、不可控因素显著。

3.3.1 山体滑坡

由于山间地质条件复杂、对施工环境的不熟悉等因素，且山体滑坡大多发生突然、破坏性大、破坏面积大，在这些复杂的情况下无法有效控制灾害的发生，在道路施工过程中，山体滑坡威胁了施工人员的生命安全也影响了施工器械、车辆的安全，造成了不可控的安全隐患[10]。

3.3.2 高空坠落

据统计，在道路、桥梁、隧道施工过程中，高空坠落施工造成的人员死亡约占总死亡人数的45.43%，是施工安全事故中最常见的类型。其主要发生在桥梁施工、山区垂直施工。但是由于山区地势高低起伏、施工环境比较恶劣、施工条件差等特点，高空坠落施工频发，严重的威胁了作业人员的生命安全[11]。

3.3.3 隧道施工安全问题

隧道施工过程中，由于作业环境陌生、地质条件较为恶劣、未知性较其他工程较高，主要容易发生山体坍塌、突泥、涌水、高地热、有毒气体等极其危险且复杂的安全隐患。而隧道中的山体坍塌问题占总施工事故的17.51%[12，13]。其任意一种都对隧道中的施工人员造成极其严重的生命安全威胁。

4 技术浅析

4.1 概述

5G 是第五代移动通信技术的简称，其高速度、广覆盖、低延迟的特性使人与人、物与物、人与物之间原有的界限被打破，未来所有人和物将处于一个数字生态系统中，以数字和信息化的方式交流。从全球视角来看，目前的5G 无论是技术、设备还是标准都已经取得较大的成果，使5G 的场景应用成为世界关注的焦点。5G 通信和大数据分析、人工智能等新一代的IT 技术相结合，催生了多种新应用与新科技，如VR 技术、物联网技术、无人机等新兴产业的升级，极大地推动了中国新型科技的诞生，为中国创造打下了坚实的基础。而反观道路、桥梁、隧道施工行业，仍然使用着普通的大型机械配合工人施工，两者相比显得尤为“原始”。庆幸的是，如今我国站在了5G通信的风口，通过各方资源的整合可以营造先进、方便、安全、高效的施工环境，亦可改善多项安全隐患，保护工人和设备的生命财产安全。

4.2 特性

5G 通信网络依靠自身的高速度、广覆盖、低延迟3 个特性再配合如视觉分析、短距离定位等新兴技术即可组成一个运用于道路、桥梁、隧道施工行业的智能交互系统[14]。技术架构分析如下。

4.2.1 高速度

依靠5G 的高速度、高带宽作为信息化通信的桥梁，为人与人、物与物、人与物之间的交互使用提供了基础。在施工场地布置5G 通信网络作为施工智能交互的基础条件，完成施工任务后也可以作为民用设备保留下来，及提供了施工过程的便利也保证了人们生产生活的需要方便了施工期间的多种器械、传感器等设备之间的数据交互，也方便了施工人员对施工的监督。

4.2.2 广覆盖

依靠5G 的广覆盖特性，可以利用汽车物联网、网络无人机的设备完成对施工过程的监管控制，实现施工场地与周边环境的交互，将工地与周边环境融为一体，为施工提供安全预警、故障提现等情况提供了可靠的解决方案[15]。

4.2.3 低延迟

依靠5G 的低延迟特性，可以在施工现场布置高清视频监控体系，方便监理人员的施工监督，缩短了施工工地与设计单位和监理、检测等企业的沟通距离，极大地简化了现有的工地管理体系，提高了施工效率。

5 道路施工应用分析

5.1 测量模式

通过多种新兴技术的整合，基于5G 通信为背景扩展多种施工设备，逐步将传统的依靠人力翻山越岭的测量模式取缔。主要提供了一种无人机测量方案。

5.1.1 固定翼无人机采集总平面图

由于公路建设多处于山区、乡镇附近的狭长布局，以固定翼无人机长续航、高载重的特性，将激光扫描测量仪器或高精度拍摄像机等信息采集设备装入固定翼无人机中。在无人机飞行前，规划好无人机的航线以及拍摄参数。在无人机飞行途中，通过地面站的远程遥感控制以保证三角测量或倾斜测量信息采集的完整性与可靠性。无人机空中采集的数据保存在自身的信息储存单元或中央数据库中，将采集的数据传输至图像合成软件中，并生成项目初期的总平面图实景模型[16]。

5.1.2 垂直起降无人机采集精准数据

利用垂直起降无人机结合了多旋翼无人机和固定翼无人机的特点，可以完成对区域的覆盖拍摄也可以完成对点的多角度拍摄，利用其操作方便灵活的特性。可以填补总平面图实景模型中存在缺失和不足的地方。最重要的是，对于道路建设设计过程中需要重点测量的区域，通过自身携带的高精度相机和激光扫描测量仪对区域内作覆盖性多角度的重复采集，再将采集的数据传输至图像合成软件中，并生成项目初期的施工局部实景模型。

并按照绘制出的三维立体实景模型，和人工测量的岩土分析的报告，完成施工设计图纸。并对施工量和工程造价等前期工作进行计算，安排施工大型机械设备。并将工程相关图纸上传至中央数据处理器以方便施工后期的监管[17]。

5.2 网络架设模式

5.2.1 施工准备前期

施工场地选择完成后，大型施工机械还没有进场时，多旋翼无人机上搭载广播定位设备、RTK 发射器等定位设备，以及5G 信号发射器，采用无人机集群技术，将上百架定位多旋翼无人机依靠施工场地为基础，呈阵列状分布到施工的两侧和上空。完成对施工场地的全信号覆盖，辅助后期工程机械的作业定位。

在施工现场布置中央数据处理器及服务器，为后期施工过程中的万物互联提供中心数据平台。并通过5G 网络将中央数据库的数据与工程各方单位联系起来，各方单位都可以在远程通过授权查看施工现场情况。

5.2.2 施工准备后期

工程车辆、工程机械等设备装载视觉分析传感器、广播定位设备、RTK 接收器以及5G 信号装置的智能车辆，逐步实现机械科技代替人工作业的前景，使其可以依靠广播定位和RTK 定位完成对自身位置的大致分析，主要依靠激光定位设备实现分米级定位，再使用视觉分析设备对施工作业目标分析按照程序施工[18]。工程机械进场后，依照施工设计图纸，对工程机械进行程序规划和工作量计算后，上传至中央数据库，服务器处理数据后，再通过5G 网络传送至各工程机械。

并在施工现场周围架设激光雷达、视觉分析以及超高清摄像头等设备以方便后期的施工过程管理，和施工机械的控制。

5.3 施工模式

通过场外架设的激光雷达以及视觉分析配合集群多旋翼无人机搭载的RTK 发射器，确定各施工段的基础平面和施工区域的基础标线，以更加精确的控制工程机械对施工质量的控制。视觉分析搭配超高清摄像头还可以对施工作业区域内的土方量进行估算，并整合数据后上传至中央数据处理器，作为施工方管理工地的参考依据。通过施工现场假设的超高清摄像头，全天候采集施工现场情况，储存于中央数据处理器中，配合视觉分析传感器可以对施工现场的危险情况进行预警，施工过程中通过传感器和人工反馈施工进度和施工质量上传至中央数据处理器，项目负责人就可以在远程掌控施工现场的情况。

6 桥梁施工应用分析

桥梁施工基础的施工模式与道路施工模式相同，都是基于5G 通信技术在施工现场铺设通信网络，整合广播定位设备、RTK 发射器等定位设备和激光雷达、视觉分析以及超高清摄像头等设备以实现对施工机械的控制[19，20]。根据桥梁建设的特殊性对桥梁施工进行分析。

6.1 施工安全

针对桥梁施工中的高空坠落危险性使用无人机技术进行控制，在垂直施工时采取无人机监管技术，一架无人机跟随一个施工过程或一个施工人员，对周围环境的安全性进行分析，通过视觉分析设备逐步代替以生命安全作为代价的危险工作中。空中部署用于监控施工过程和铺设通信网络的集群式无人机[21]，实现以多旋翼无人机作为基础呈半球型分布搭配固定翼无人机在高空盘旋监控组成的架构。通过各架无人机中的气压计对施工现场的天气因素进行采集，上传中央数据处理器并在计算后对施工现场的人员和器械发布实时天气情况如大风预警等。

6.2 施工监管

在施工过程中通过集群无人机对桥面施工进行控制，采用RTK 技术和激光定位技术实现桥面施工过程中厘米级的监控，以达到辅助施工、控制施工质量和精度的目的。中央数据处理器对桥面架设过程中的桥面平整度和整体结构与设计图纸进行比对，对超出误差的部分通过网络对相关段施工负责人员和工程师进行警告。

7 隧道施工应用分析

隧道施工基础的施工模式与道路施工模式相同，都是基于5G 通信技术在施工现场铺设通信网络，针对隧道施工中的环境不确定性的危险因素，逐步实现自动化机械代替人工施工，将前线工人的作业区域转变为后方，以达到保护人员生命安全的目的。通过整合广播定位设备、激光定位等定位设备和激光雷达、视觉分析以及超高清摄像头等设备以实现对施工机械的控制。根据隧道建设的特殊性对桥梁施工进行分析。

7.1 融合定位技术

现有的定位技术主要分为室外定位和室内定位，根据隧道施工的特性，其无GPS 定位信号、岩土对磁场的干扰较大的特点。施工现场使用以广播定位为基础构建米级定位网络，增设视觉分析定位和光追踪定位实现亚米级定位，在通过5G 通信网络利用伪卫星技术和激光定位精准的完成工程机械的毫米级定位。将多个定位系统融合，能够有效减少定位盲区，降低定位误差，提高定位精度。通过基于地图的拟合技术、各级定位系统等多种途径和方式，通过反馈式融合定位决策机制统一输出最终的定位结果，以提升定位的精度。

7.2 地下遥感技术

在隧道施工现场和盾构机上布置气体传感器、震动传感器、红外线传感器等传感设备，通过上传中央数据处理器和服务器计算后，基于融合定位技术和现场布置传感器反馈的数据，对盾构机的行进路径进行调整和施工现场情况对施工人员和工程师进行预警。

8 结语

结合5G 技术和无人机、高精度视觉分析、传感器定位、激光扫描等技术的整合，对道路、桥梁、隧道的施工可运用性进行分析，对5G 技术运用在工程施工方面的可能性进行展望和归纳。对5G 技术、无人机、融合定位技术进行了可行性分析，通过云计算、大数据、人工智能等技术的整合，为工程施工行业提供一套可行的方案，以解决未来将面临的劳动力短缺问题，提供科技与经验的融合实现工程行业的崭新未来。