基于“5G+AI”的施工现场智慧安全监管平台的研究

韩成愈，刘 洋，龚戈勇

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210009）

0 引 言

安全风险存在于日常施工现场的各个阶段，依靠传统的人巡监管模式不仅耗时耗力、劳动强度大、危险性高，而且无法实时全方位监控。近年来，随着5G等信息技术的快速发展，以5G、AI、大数据以及云平台为代表的各类技术发展趋向成熟，在政府的治理、监督与服务，企业的安全、生产与管理方面可利用信息化技术有效提高管理效能。通过积极探索5G和AI技术的结合，为施工现场的安全生产监管探索新的管理模式。

1 5G技术和AI技术

1.1 5G技术

作为新一代宽带无线移动通信技术，5G系统的网络能力和网络结构都与过去移动通信系统有很大不同。国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）定义了5G系统的关键指标特征，主要包括高速率、低时延以及大连接，与4G系统相比，5G网络在接入带宽、网络容量、联接密度、网络时延、能源效率、频谱效率、可靠性等方面都得到了较大的提升。对应5G系统的各项关键指标，ITU定义了5G的3大类应用场景，如图1所示[1]。

增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）场景能够实现对以“人”为中心各类社交、娱乐等个人用户通信性能的提升，实现人与人之间通信的极致应用体验，适用于对带宽及数据流量要求高的移动宽带业务，如高速移动上网、超高清（移动8K点播）及3D视频直播和社交、随时随地云存取、增强现实/虚拟现实（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）等。

大规模机器类通信（massive Machine Type Communication，mMTC）场景和高可靠低时延通信（ultra-Reliableand Low Latency Communications，uRLLC） 场景主要面向“物”与“物”之间连接的应用。其中，mMTC场景用于海量设备的网络接入场景，如3GPP所提出的嵌于蜂窝系统的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技术和增强机器类通信（enhance Machine Type Communication，eMTC）技术可用来支持各类海量机器类通信应用，提供多连接的承载通道，满足各类物联网业务中发送较低的数据以及对传输资料延迟与成本有较低需求的广覆盖连接，面向以各类传感器进行数据采集为目标的工业物联网、环境监测、城市管理、智能家居等应用场景。uRLLC场景涉及两个方面的内容，一个是超可靠，指通信过程中数据包的块差错率（Block Error Ratio，BLER）至少达到目标BLER的10-5或10-6量级。另一个是低时延，指通信网络的空口时延需满足低于最大时延要求，如5 ms、1 ms或更低。uRLLC场景主要面向垂直行业的特殊应用需求，包括远程医疗、自动无人驾驶汽车、工业制造及自动化等。

相对于传统无线网络“统一接入、单一效能”的运营模式，5G依托其自身网元虚拟化、架构开放化以及编排智能化的技术保障，能够通过资源和能力定制化，提供综合型、具备差异化能力且服务质量保障、灵活便捷的“专属”网络。在安全监管领域，利用5G网络高速率、低时延、大容量等特征，不仅能够在现场和监管中心之间实现实时、高品质、双向对称的大规模数据流全交换，而且便于有效突破各个信息系统之间的信息互换，完成各监管、实施与救援部门的数据融合交换，在应用场景中达到身临其境的效果。

1.2 人工智能技术

人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术基于海量数据的机器学习和深度分析，在分析结果的基础上构成智能系统平台，完成需要耗费传统大量人力物力才能完成的工作，关键在于需要庞大的参考数据作为计算机“思考”和“决策”的基础。经过多年的发展，数据量指数级的增长为机器学习提供了大量的学习基础，算法仓库的不断完善不仅为人工智能技术提供了分辨的能力，而且提供了决策的方法。AI技术通过赋予机器智能，对人的意识和思维信息过程进行模拟，从而使机器设备具备人类的思考能力或实现脑力劳动自动化，帮助人们解决各种工作和生活问题。AI以其智慧、高效等优势被广泛运用于各个领域[2]。

AI领域的关键技术包括自然语言处理、AR/VR、统计机器学习、知识图谱、人机交互、神经网络以及深度学习等，其框架如图2所示。

图2 人工智能框架

在计算机科学、神经生理学、大数据及图像识别等新技术的驱动下，当前AI技术进入了快速发展阶段，以AI芯片为核心单元的运算能力得到了持续提升，推动AI技术成为新一轮产业变革的核心驱动力。深刻改变现有的生产生活方式，使社会生产力和劳动生产率得到整体跃升。据相关机构的预测，AI技术将是众多智能产业发展的突破点，2026年全球AI技术市场规模总值将达到1.500×1011美元。AI技术的应用场景也已经从前期的碎片化过渡到深度融合的一体化模式，从单点应用场景转换为多元化的应用场景，从技术升级迈向产业升级，在智慧城市管理和智能生产制造等众多等场景中将得到更加广泛及深入的应用，人类工作的领域也与AI技术息息相关[3]。

2 构建施工现场安全监管平台

2.1 总体架构设计

基于“5G+AI”的施工现场，智慧安全监管平台充分利用5G低时延、大带宽以及广连接等持性，在解决施工现场通信的痛点难点基础上，充分结合AI人工智能等信息化手段，围绕施工过程的安全质量等问题对施工现场的“人机料法环测”全要素进行全方位、立体式的实时性监测，实现施工现场安全监管的可视化和智能管理。“5G+AI”的施工现场智慧安全监管平台解决方案如图3所示。

图3 “5G+AI”的施工现场智慧安全监管平台解决方案

整套施工现场安全监管体系的建设方案可采用面向服务的架构（Service-Oriented Architecture，SOA），包含终端层、接入层、中台层以及应用层，为智慧施工现场安全监管平台可视化提供相关的服务[4]。监管体系的系统架构如图4所示。

图4 监管体系系统架构

在终端层建立技术统一及标准化、数据规范化于一体的终端信息采集规范，利用自动识别技术完成前端硬件或内、外部系统数据接口的数据采集。接入层是整个安全监管平台的数据中枢核心。终端数据、视频数据以及管理数据等在数据接入层进行数据清洗、转换、加载，形成集成的、面向主题的且不容易丢失的数据仓库，用于日常安全监管数据的共享、决策支持等。中台层集中多数据源，统一数据分析口径，为不同场景预设不同的方式，以提高数据分析效率等。应用层作为智慧安全监管平台的业务核心，向用户提供相关的安全监管应用服务，各模块之间通过服务总线实现各业务之间的业务交互。

2.2 数据来源

2.2.1 固定点位监测

在关键点位安装太阳能供电的视频监控，强化对工程车辆、人员及施工设备等方面的全方位现场录像取证。视频监控搭载高像素红外高清智能球机，支持高倍数的光学变焦和数码变焦，可以看清数百米之外的汽车牌照号码，能够实时监管作业面情况。首先对工程车辆的类型和车牌、驾驶员行为以及车辆行径轨迹进行不断点监测，其次对周边人员实施人脸识别，再次对火源（如抽烟、打火机、火柴等）等诸多不正常行为进行监测，最后对运行设备利用物联感应数据采集设备、视频等监控施工现场设备的运行安全状态。

2.2.2 无人机巡视

无人机可对临时工程和重点区域等进行有效补充监控。无人机搭配AI智能芯片，根据点云数据实现自动避障和计算，规划出最优飞行路线，应用实时动态（Real Time Kinematic，RTK）高精度定位技术实现无人机自主巡检。无人机AI算法云边协同快速识别人工行为特征，通过无人机实现高空全景巡检以及高速安全的5G网络，快速发现现场全景甚至是周边的异常情况。

2.3 数据运行

采集的数据通过5G网络低延时、高速率或部分点位的高效传输线路传送到数据业务层，经过视频图像管理平台的数据提取，再经过人工智能模型组成的AI智能分析中台的数据处理，备份到统一管理云平台输出到风险识别智能监控系统，发现危险，发出预警，最终在终端用户的手机、智能安全帽、智能手环、PC或者驾驶管理舱体现出来。

2.4 数据输出展示

安全监管的主要目的的是防止危险的发生，防患于未然，那么预防和应急处置就是数据采集和处理后需要输出展现的。通过全场景覆盖，重要运营数据全可视化，分级动态监管，实施多维分析，通知到人，人员分为3类，一是项目现场人员，一般是消息到智能手环、手机终端App；二是项目经理，一般是消息到项目管理PC端；三是公司管理部门，一般是管理驾驶舱的监控大屏。消息的及时统一性能实现快速联动，对应急时间进行评估、研判以及分析，辅助制定相关应急预案。整个施工工地安全监管体系的逻辑如图5所示。

3 “5G+AI”智慧安全监管平台的优势

（1）定制化的5G网络，满足监管数据的传输需求。根据施工现场实际的监管需求，可提供定制化的5G网络覆盖方案，并结合现在无线信号传输需求，满足高达1GB以上的时间传输速率，支持各类高清广角摄像头的低时延和高清数据传输。实现施工现场监管数据通信覆盖难点（包括地下室、超高作业面）的移动网络覆盖。

（2）实现施工现场信息的“多跨协同”。将施工现场多维度的安全风险信息分析、预警、管控、处置整合在一个平台内，实现了安全监管的全过程及全方位的管理。在安全监管感知方面，通过智慧安全监管平台相关的5G监控设备+物联感知设备已经实现车辆、人员、设备等多项安全风险全覆盖动态实时监测。

（3）有效提升监管效率。与传统的监管巡视方式不同，基于“5G+AI”智慧安全监管平台通过5G移动摄像头、物联网感知设备、无人机方式实现高效的数据传输和机动灵活的视频采集，高清画面和AR监控图像通过5G专网流畅的传送到监管中心，实现全天候全方位实时监管，有效减少现场安全巡视人员的工作量，实现施工现场安全监管的全面覆盖和监管效率的极大提升。

（4）实现安全监控智能化。通过摄像头、物联网感知传感器等数据采集设备采集的监管数据，利用AI技术对施工现场安全事故易发高发区域的违规、高危行为场景进行7×24 h不间断识别，自动预判危险源，及时提醒和报警（通过短信、平台提示等方式推送到管理者的手机），以便现场监管人员第一时间掌握现场，进行相关的应急处置，有效防范违规作业及安全事故的发生。

4 结 论

“5G+人工智能”的时代，社会信息生态高度发达，数据的不断丰富也为进一步为提升人工智能和大数据技术提供了更多的进步空间，在5G时代，充分发挥信息化技术优势，应用到生活的方方面面，必将给人民的生活带来更多的精彩和提供更安全的工作社会安全保障。本文通过研究利用“5G+AI”构建施工现场安全监管平台改变了施工现场传统的监管方式，提升施工现场安全风险管控和隐患治理能力，实现施工现场安全监管移动监视、遥控、巡查、预警、报警等业务的闭环，对安全风险全覆盖的监管。