陈溟民 张贞湖 张锦 徐旭 何治江
摘 要:依托广州协鑫南方总部项目,针对该项目特点,设计开发了5G+智慧工地系统。该系统深度应用建筑信息模型(building information model,BIM)、人工智能、物联网、云计算等先进信息技术,以工程管理的“质量、安全、进度、成本”为核心驱动,搭建专属5G基站实现5G网络在施工现场全覆盖,研发5G智慧工地7大应用,满足工地通讯、安防、质量、管理等需求,探索建筑业智慧建造新方向,可为类似工程提供参考。
关键词:5G;智慧工地;人工智能
中图分类号:TU17;TU71 文献标志码:B
近些年,随着工程管理复杂度的上升以及互联网等技术的快速发展,使得建筑施工管理与互联网相融合[1-3],建筑施工管理流程走向信息化时代成为了一种新的发展趋势和方向[4]。利用传统的管理技术手段,施工企业或建筑企业很难做到精细化管理[5-6]。但随着建筑行业信息化的到来,传感器、物联网、云计算等技术的发展和成熟,彻底改变了这一局面[7]。特别是5G技术的成熟,万物智联,为建造业赋予全新的智慧大脑、高速的神经网络、深刻的感知系统。利用5G通信技术可以打破时空边界,为智慧工地提供高效的技术保障[8-9]。5G(第五代移动通信技术)以大带宽、低时延、广连接特性,全面支撑建筑信息模型(building information model,BIM)、物联网等技术应用于建筑业,可提供每秒10 GB传输速率、毫秒级时延、每平方公里百万连接,成为赋能建筑业智慧建造的最佳选择[10]。本文依托广州协鑫南方总部项目,基于5G、物联网、人工智能和云计算等技术,设计开发了一套5G+智慧工地系统。
1 5G技术
常见的5G技术包含高频段接入技术、多天线技术、调制编码技术、多址接入技术,以及D2D通信技术等。在小于6 GHz的频段上的集中通信十分拥挤,而采用高频段接入技术,可以在毫米波波段上工作,结合密集的超小基站使用更高频段的通信资源。
5G技术应用于智慧工地主要有以下几点优势:
1)超高速率
5G网络速率为4G通讯技术的数十倍,上下行峰值速率可分别达到10 Gbit/s和20 Gbit/s,有利于智慧工地云平台在较短时间内收集大量的施工现场信息。
2)兼容性强
5G技术融合了2G、3G、4G通信协议及WiFi、近场通信(near field communication,NFC)等通信技术,可以大大减少开发和后期维护成本。
3)穿透性强
工地现场不仅地质环境复杂,而且存放大量的施工机械和建筑材料。相比4G技术,5G技术穿透力极强,可以在各个区域实现实时传输。
4)设备安装简单
相比4G设备,5G设备容量仅为其5%,安装方便,设备体积和重量显著减小。
5)可靠性高、延时低
5G技术的误码率小于十万分之一,可大幅提高数据传输稳定性。5G的时延速度为10 m/s,仅为4G的10%。
2 5G+智慧工地系统总体架构
针对广州协鑫南方总部项目特点,5G+智慧工地系统的架构图如图1所示。系统可以分为表现层、业务层、服务层和设备层。其中,表现层除了提供常见的PC端和移动端外,还加入了智慧工地看板和智慧工地眼镜。业务层主要包含5G移动基站、人员定位、劳务实名等业务模块。针对不同的项目和需求,业务层可进行二次开发。服务层主要包含视频监控系统、AI算法系统、用户管理系统等子系统。设备层主要是系统中用到的传感器设备,包括5G移动基站,巡檢机器人、巡检无人机、监控摄像头、健康亭、闸机等。
5G+智慧工地系统的关键是系统为5G定制网络。系统开通专为建筑工程设计的5G定制网络,解决工地通信痛点。目前,工地通过广州萝岗香雪城基站(113.49533,23.16691)覆盖4G/5G信号,基站位于广州协鑫南方总部东方约200 m。现场网络测试效果:现场4G/5G网络覆盖情况良好;4G网速的下行带宽速率最高可达25.2 Mbit/s,上行带宽速率最高可达5.7 Mbit/s;5G网速的下行带宽速率最高可达271 Mbit/s,上行带宽速率最高可达47.5 Mbit/s。
为保障工地网络覆盖效果,考虑在红线内布设5G专属网络基站,保障工地高空作业区域的网络畅通,并解决建筑高度对5G科技展厅信号的阻挡问题,如图2所示。
其中,点位1:安装于2#塔吊上,覆盖1#、3#、4#、5#塔吊及工地作业面。点位2:安装于停车场告示牌旁(新增点位),覆盖在建写字楼1、2、3和酒店楼层及作业面。4G锚点随5G点位一同安装,保障信号覆盖良好,具体见表1。
现网5G覆盖良好,已可满足基坑阶段作业面覆盖需求;塔吊及高层作业面需专项覆盖。通过地面5G基站、塔吊上的微型基站、地下室智慧信息岛,在工地范围内实现地上5G网络全覆盖、地下关键区域基本信号畅通。
3 系统典型功能应用
3.1 AI视频监控系统
为了更好地满足工地管理需求,工地内部分摄像头接入AI分析系统。平台对布控摄像头的实时监控画面进行AI算法分析,提供以下功能:①火焰报警和烟雾报警可以在火灾发生的第一时间得到报警信息;②周界防护报警用于危险地区安全提醒、敏感地区可疑行为报警、重要物资的定时警戒布防;③安全帽未戴报警和反光衣未穿报警帮助工地进行作业面工人安全规范管理。
为了尽量减少工地项目损失,帮助工地加强疫情期间的安全管理,出入口闸机摄像头具备了口罩佩戴分析功能,可以识别进出场人员口罩佩戴的规范性,为工地现场提供智能监控。实时的口罩佩戴分析功能是通过AI分析算法实现的。算法利用设置在人员必经通道和人员密集场所的摄像头获取的图像,进行画面实时分析,发现未戴或佩戴不规范的情况进行警告并截图留证。AI分析算法通过摄像头不间断地采集真实场景与作业面的图像数据,以周为单位进行训练迭代,不断优化识别准确率和增加可识别口罩的种类,如图3所示。
3.2 劳务双防管理系统
根据协鑫工地人员管理的需求,设计了劳务双防管理系统,即在工地出入口安装了设备。该设备通过运行实名认证系统、监控视频的AI分析系统,实现了劳务人员在进出工地时的双防管理功能。劳务人员进出工地时,必须通过闸机的人脸识别、实名认证系统进行身份认证;劳务人员进出工地必须符合建设工地的安全着装检查。劳务双防管理系统可以对各出入口劳务人员进行实名认证,从而为工地项目的生产与管理提供更好的服务。
3.3 5G建筑职业健康管理系统
本项目在工地实现了5G建筑职业健康管理的功能,通过职业健康管理系统中的健康亭实现了对现场施工人员生理参数的采集功能,并搭载5G网络上传信息到中心管理系统,形成医疗级别体检报告,为工地施工人员的健康保障提供依据。3 min即可完成身高、体重、人体脂肪率、血压、血氧、体温、心率、酒精浓度共8种基础项目的检测。检测通过身份证、指纹认证,数据与人员精准匹配,在后台系统进行数据智能分类、综合统计。
3.4 智能移动巡检系统
智能移动巡检系统通过与人员实名制管理系统联通实现现场人员的实名制复核。AI眼镜可随时随地识别现场人员,即时进行入场安全教育等合规性查验;AI眼镜可调看人员姓名、工种信息,实现现场施工作业人员的合理调配。通过大数据统计和AI眼镜画面,智能移动巡检系统可智能识别质量、安全问題,及时拍照,分类处理并存档,留存可追溯资料。
3.5 远程协作系统
远程协作系统可以实现现场与后台交互,远程专家协同,远程协作检查,如图4所示。通过现场人员佩戴AI眼镜,借助远程协作系统,可让后台专家以第一视角获取现场视频画面,实现现场与后台的远程交互。现场人员可通过AI眼镜,与后台专家进行文字、语音、视频快速沟通,帮助现场问题快速处理。远程协作过程可留存影像资料,方便后期追溯查看。
3.6 5G塔吊720°立体监控系统
5G塔吊720°立体监控系统通过吊钩可视化和AI眼镜视角共享,实现塔吊司机操作无盲区,减少塔吊安全事故隐患,其原理图如图5所示。该系统在塔吊吊钩部位设置了720°立体监控,实现了高清夜视功能,24 h全天候作业,通过5G客户前置设备(customer premise equipment,CPE)将吊钩范围全方位视角画面传输至塔吊司机。塔吊指挥佩戴AI眼镜,将起吊区域的视角画面通过5G网络共享给塔吊司机。
3.7 5G全景AI测距现场监控系统
在2#塔吊制高点安装一台能覆盖单位工程的全景成像测距摄像机,通过基于5G网络的视频监控、激光测距和AI计算完成实时、精准、智能、便捷的空间远程测量数据采集、分析。5G全景AI测距现场监控系统组网结构如图6所示。
5G全景AI测距现场监控系统可实现7项功能:
1)自动检索CAD图纸。系统将远程视频测量结果与CAD图纸进行比对,实现空间三维测量,并通过轴线、间距、尺寸、层高、高度、垂直度、平整度、板厚等测量数据,与CAD设计图纸或专项方案进行比对复核,测量精度达毫米级。
2)模板支撑、脚手架测量。测量脚手架钢管直径,上托、下托自由度,立杆步距、间距、垂直度,横杆离地高度、间距,规范扣件连接,保留历史测量图作为事后追溯的依据。现场模板支撑、脚手架测量如图7所示。
3)预埋构件与轴线偏差监测。系统通过远程视频测量装配式预埋构件与轴线偏差,同时检索施工CAD图纸进行比对,可远程复核预埋件是否偏移。现场预埋构件与轴线偏差监测如图8所示。
4)装配式建筑板面平整度监测。系统通过远程视频监测板面四角标高,计算与基准水准点的垂直高度差,从而实现模板平整度的检测。平整度检测如图9所示。
5)施工全过程数字影像日志。施工全程影像日志、数字化图像存储、隐蔽工程可视化还原,为建设方、施工方、监理方、监管方、审计方提供可视化、量化数据,为事后追溯提供手段。
6)非现场远程视频放样、核样、沉降监测。系统可进行非现场放样、核样、沉降监测,同时自动保存放样、核样、沉降监测的画面和数据。远程视频监测如图10所示。
7)重大危险源之高大模板位移监测。系统可通过多种倾角传感器、激光传感器及红外传感器等设备共同对高大模板进行位移比对监测,采集实时数据并由后台软件智能分析,监测到异常及时报警。现场传感器布设如图11所示。
4 结语
本文依托广州协鑫南方总部项目的工程实例,基于BIM、人工智能、物联网、云计算等先进信息技术,设计开发了5G+智慧工地系统,并阐述了系统的总体架构和典型应用。该系统实现了工地的如下需求:
1)通信需求。能够有效保障工地全周期建设过程中的通信需求,可节省约30%传统通信设备。
2)安防需求。能够有效提升工地的智能安防和行业监管能力,可消除95%的安全隐患。
3)质量需求。能够有效保障施工质量的同时,提高施工现场作业20%的工作效率。
4)管理降本需求。能够有效增强工地精益化管理水平,降低25%管理成本。参考文献:
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(责任编辑:周晓南)
作者简介:陈溟民(1987—),男,工程师,研究方向:土木工程,E-mail:jinsshu1711@sina.com.
通讯作者:张贞湖,E-mail:2049597869@sina.com.
Design and Application of 5G+ Smart Construction Site for
Guangzhou GCL Southern Headquarters Project
CHEN Mingmin ZHANG Zhenhu ZHANG Jin XU Xu HE Zhijiang
(The First Company of China Eighth Engineering Division Ltd,Jinan 250100, China)
Abstract: Based on the Guangzhou GCL Southern Headquarters project,a 5G+ smart construction site system based on the characteristics of the project is designed and developed. which deeply applies advanced information technologies such as BIM, artificial intelligence, internet of things, and cloud computing, and uses the “quality, safety, progress, cost” as the core drive, builds exclusive 5G base stations to achieve full coverage of the 5G network on the construction site, develops 7 major applications of 5G smart construction sites. It can meet the needs of site communication, security, quality, and management cost reduction, and explore new directions for smart construction in the construction industry, providing reference for similar projects.
Key words: 5G; smart construction site; artificial intelligence