賀曉玲，郭 芳

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

全球正迎來新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命，智能化、信息化、工業(yè)化成為變革的重要驅(qū)動力量，是全球各國積極推動的熱點工作。5G技術(shù)在新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的作用也尤為突出，5G技術(shù)的發(fā)展將為鐵路工程建設(shè)提供新思路。

樊則森就當(dāng)前及今后建筑工業(yè)化和智能建造的融合發(fā)展進(jìn)行了研究，提出了7個發(fā)展應(yīng)用點[1]；張雷以市政工程瀝青路面施工作業(yè)為例，提出智能頭盔的應(yīng)用策略[2]；杜黎明等人通過開展智能化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在核電工程現(xiàn)場的應(yīng)用研究，為多項目管理工地智慧管理奠定基石[3]；王超等人系統(tǒng)研究了智慧工地的背景與發(fā)展現(xiàn)狀、國內(nèi)安全生產(chǎn)形勢、安全生產(chǎn)事故的發(fā)生規(guī)律，從管理對象和管理流程兩個切入點，對智慧工地在安全管理中的具體應(yīng)用進(jìn)行了研究分析[4]；李曉軍總結(jié)了智能建造演進(jìn)路徑與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展[5]；劉曉龍等人通過構(gòu)建了云端網(wǎng)絡(luò)式BIM系統(tǒng)，實現(xiàn)所有BIM項目相關(guān)人員，能共同使用BIM項目，增加BIM項目使用的可能性和使用時機(jī)[6]；李雪松研究和實現(xiàn)了一個智慧工地管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以建筑工地安全管理為背景，保障施工現(xiàn)場物資、人員、設(shè)備等重要資源的安全，采用深度學(xué)習(xí)模型對于視頻監(jiān)控中的人員安全帽佩戴情況進(jìn)行識別，實時保障工地人員安全[7]；容建華等人提出“互聯(lián)網(wǎng)+工程管理”的模式，提出了鐵路工程智慧工地管理信息系統(tǒng)設(shè)計方法和實現(xiàn)方式[8]。這些研究主要集中在“互聯(lián)網(wǎng)+”及智慧工地的應(yīng)用方面，未考慮應(yīng)用時面臨的通信需求，對5G技術(shù)的研究應(yīng)用較少。

鐵路工程建設(shè)綜合性強(qiáng)，具有建設(shè)周期長、投資大、涉及面廣、所需物資龐大、人員眾多、需協(xié)調(diào)解決問題較多等特點，在鐵路建設(shè)過程中，所需設(shè)備眾多，目前鐵路信息化已獲得長足發(fā)展，但在建設(shè)期間信息化應(yīng)用方面，仍面臨很大挑戰(zhàn)，尤其在通信條件不佳的偏遠(yuǎn)地區(qū)，信息化工作的推行仍有困難。隨著5G技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，帶來了通信帶寬的重大突破，并以超高速、低延時的獨有特性可以海量接入下游設(shè)備，從而打開更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。此時，將5G技術(shù)與傳統(tǒng)鐵路工程建設(shè)相結(jié)合，解決當(dāng)前鐵路在復(fù)雜、偏遠(yuǎn)環(huán)境下通信不暢、信息傳輸效率低下等問題，為鐵路建設(shè)項目在質(zhì)量、安全、管理方面提供了新的解決方案。

1 基于5G技術(shù)的鐵路工程建設(shè)智慧工地

1.1 鐵路工程建設(shè)智慧工地

鐵路工程建設(shè)智慧工地是指利用先進(jìn)的信息化手段，在項目設(shè)計階段，使用二、三維設(shè)計工具或平臺對工程項目進(jìn)行精確的數(shù)字化設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，開展項目施工階段模擬智能互聯(lián)、智能運(yùn)營，使在建項目實現(xiàn)智能施工、協(xié)同生產(chǎn)、綠色高效的全生命周期管理模式，借助物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，完成施工項目全過程數(shù)據(jù)采集、存儲、分析及數(shù)據(jù)挖掘，通過數(shù)據(jù)分析提供施工過程各階段趨勢預(yù)測，實現(xiàn)工程施工智能預(yù)測、科學(xué)管理，以提高工程管理信息化水平，從而逐步實現(xiàn)綠色、生態(tài)建造。

鐵路工程建設(shè)智慧工地將物聯(lián)網(wǎng)等傳感技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、智慧感應(yīng)、VR等高科技技術(shù)應(yīng)用于在建工程實體、工程設(shè)備、人員裝備、項目工地進(jìn)出口等各類應(yīng)用場景中，實現(xiàn)各類場景的普遍互聯(lián)，形成“虛擬工地”，并結(jié)合成熟的“互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)，實現(xiàn)工程項目場地內(nèi)外管理人員與在建工程施工現(xiàn)場的聯(lián)結(jié)和整合。

鐵路工程建設(shè)智慧工地以實現(xiàn)在建工程項目現(xiàn)場一體化管理為目標(biāo)，將物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)深入應(yīng)用到傳統(tǒng)建筑行業(yè)中，圍繞工程建設(shè)中的人、機(jī)、料、法、環(huán)，實現(xiàn)一種新型的管理模式，使傳統(tǒng)建筑施工現(xiàn)場參建各方均能同步管理、同步監(jiān)督，并為各方提供更加智能的在建項目現(xiàn)場管理信息化解決方案。

1.2 鐵路工程建設(shè)智慧工地架構(gòu)

鐵路工程建設(shè)智慧工地將綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+、5G、GIS+BIM等技術(shù)，對現(xiàn)場人員、物料、安全、質(zhì)量、生產(chǎn)、環(huán)境等要素在施工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集，通過建立統(tǒng)一的鐵路施工項目信息化管理平臺，采集、存儲、分析施工階段工程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)科學(xué)管理、輔助決策功能，從而實現(xiàn)鐵路工程建設(shè)全生命周期管理。基于5G技術(shù)的鐵路建設(shè)智慧工地架構(gòu)，如圖1所示。

（1）終端層：由具有感應(yīng)技術(shù)的器件組成，是架構(gòu)中采集獲取信息的部分。終端層的各類設(shè)備可將獲取的人員位置、環(huán)境、視頻、音頻等信息采集存儲并傳輸至基礎(chǔ)設(shè)施層。

圖1 基于5G技術(shù)的鐵路建設(shè)智慧工地架構(gòu)

（2）基礎(chǔ)設(shè)施層：也叫網(wǎng)絡(luò)層，主要為終端層和平臺層提供通信服務(wù)，在已有骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)、有線網(wǎng)及無線網(wǎng)的基礎(chǔ)上，增加5G專業(yè)基站及5G工業(yè)內(nèi)網(wǎng)，將以上不同的網(wǎng)絡(luò)按照特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相互連接，通過特定的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，使終端層的數(shù)據(jù)能以最佳路徑傳輸至平臺層。

（3）平臺層：是基礎(chǔ)設(shè)施層與應(yīng)用層連接的橋梁，通過集成平臺、數(shù)據(jù)集成、消息集成、API服務(wù)集成、流程集成及身份接入管理等不同功能模塊的應(yīng)用，將接收到的基礎(chǔ)設(shè)施層的數(shù)據(jù)分類、集成管理。

（4）應(yīng)用層：根據(jù)鐵路工程建設(shè)需求部署相關(guān)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，提供相應(yīng)的接口服務(wù)供上層應(yīng)用調(diào)用，實現(xiàn)鐵路工程智慧工地智能化應(yīng)用的場景落地。

2 5G技術(shù)在鐵路工程智慧工地建設(shè)中的應(yīng)用

2.1 人員定位

鐵路工程項目一般為線狀工程，現(xiàn)場人員分散，智慧工地利用5G、藍(lán)牙、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，可實時采集鐵路在建項目現(xiàn)場工作人員位置信息，全過程記錄人員行蹤，尤其對重要崗位及高危崗位人員的位置進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，可為人員安全提供技術(shù)保障，也能為人員管理提供便利條件?？蓪崟r掌握現(xiàn)場作業(yè)狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)控人員掌握到異常情況時，可通過人員定位系統(tǒng)終端設(shè)備向所有人員發(fā)出緊急指令，提示人員撤離。

2.2 物料管理

鐵路工程項目建設(shè)周期長，建設(shè)過程復(fù)雜，其中涉及流程、事項較多，一個項目從計劃、到開展再到順利完工，往往需要多個組織和部門的合作。在整個項目建設(shè)的過程中將產(chǎn)生海量的包括技術(shù)、物流、管理、財務(wù)和人員等相關(guān)的文件及數(shù)據(jù)，目前，這些項目數(shù)據(jù)一般基于項目組織機(jī)構(gòu)分散存儲在不同單位或組織的計算機(jī)終端上。很多鐵路建設(shè)現(xiàn)場，環(huán)境惡劣，通信條件差，線上線下物流流轉(zhuǎn)效率不高，此時通過應(yīng)用5G技術(shù)，支撐多類型智能終端接入，提供消息實時提醒服務(wù)，可有效降低信息延遲，解決物流流轉(zhuǎn)效率低下的問題。同時，可引入二維碼等技術(shù)，對不同類型、不同場地物料進(jìn)行全過程追蹤，根據(jù)工程實際進(jìn)度動態(tài)調(diào)整工序及時間節(jié)點，優(yōu)化工程計劃，從而有效減少施工材料庫存時間，降低工程費用。

2.3 安全管理

目前，鐵路建設(shè)項目周期較長、范圍廣，很多工程項目在自然環(huán)境極其惡劣的地域開展，工程風(fēng)險也隨之加大，為應(yīng)對新挑戰(zhàn)，提升項目現(xiàn)場安全管理水平，全新的項目建設(shè)安全管理模式需大力推廣應(yīng)用。利用5G大帶寬、低延時特性，引入人臉識別技術(shù)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程現(xiàn)場施工視頻實時回傳，同時，通過圖像識別技術(shù)有效識別現(xiàn)場違規(guī)施工現(xiàn)象，有效預(yù)防安全事故的發(fā)生。

2.4 質(zhì)量管控

利用5G低延時、高速率特性，優(yōu)化鐵路工程建設(shè)過程中的質(zhì)量管控手段，如在拌和站管理中，通過統(tǒng)一的信息化平臺集中管理，通過對原材料進(jìn)貨驗收、混凝土生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時動態(tài)采集、混凝土出廠管理等各階段進(jìn)行閉環(huán)管理，確保原材料進(jìn)場數(shù)量、質(zhì)量合格。在鐵路工程項目建設(shè)工地試驗室環(huán)節(jié)，建立統(tǒng)一的試驗室信息化平臺，通過連接各項試驗儀器，對各類試驗進(jìn)行全過程監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集、上傳，利用邊緣計算技術(shù)對各類型數(shù)據(jù)實現(xiàn)快速分析，記錄各階段責(zé)任人，實現(xiàn)對實驗儀器、試驗樣品、技術(shù)資料、試驗報告的全過程動態(tài)管理，為規(guī)范原材料質(zhì)量管理提供數(shù)據(jù)支撐。

2.5 環(huán)境監(jiān)測

施工現(xiàn)場環(huán)境污染是鐵路工程建設(shè)過程中無法避免的問題，生態(tài)保護(hù)措施不到位、建筑污染物處理不當(dāng)?shù)葐栴}也時有發(fā)生，在施工現(xiàn)場可通過設(shè)置包括風(fēng)速傳感儀、溫度傳感儀、PM 2.5顆粒檢測儀等傳感器的微氣象站，實現(xiàn)對溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、噪聲、PM 2.5和PM 10等環(huán)境要素信息進(jìn)行實時監(jiān)測，通過高速傳輸技術(shù)將相關(guān)信息傳輸?shù)街腔酃さ匦畔⒒脚_，聯(lián)動自動環(huán)境處置系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)保處理，實現(xiàn)對環(huán)境的動態(tài)控制。

2.6 應(yīng)急救援

利用5G技術(shù)大帶寬、高速率的特性，解決現(xiàn)有多源異構(gòu)數(shù)據(jù)容量大、數(shù)據(jù)傳輸對寬帶要求較高、連接不穩(wěn)定等問題。可基于現(xiàn)有電子沙盤系統(tǒng)，開展基于BIM+GIS的工程調(diào)度指揮“一張圖”模式研究，提升對工程調(diào)度指揮的一體化協(xié)同能力及應(yīng)急處置能力，實現(xiàn)對既有系統(tǒng)的迭代升級。針對BIM與GIS等大體量數(shù)據(jù)傳輸速率慢，應(yīng)急調(diào)度指揮多方協(xié)同不夠及時、不夠合理等特點，基于5G大帶寬高速率特性，依托邊緣計算能力，解決大體量數(shù)據(jù)傳輸及路徑規(guī)劃指引問題，形成對突發(fā)事件的預(yù)案、組織、響應(yīng)、處置、評估的一體化管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高度互聯(lián)共享、指令快速下達(dá)及應(yīng)急預(yù)案的快速推送，提升鐵路施工期間對突發(fā)應(yīng)急事件的應(yīng)對處置能力；攻克工程調(diào)度多種事件場景快速定位、設(shè)備空間位置感知、路徑智能規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)，形成一套基于數(shù)據(jù)驅(qū)動下的工程調(diào)度指揮和智能決策體系。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

5G技術(shù)通信性能，需要多種技術(shù)相互配合共同實現(xiàn)，其關(guān)鍵技術(shù)如下：

（1）無線傳輸技術(shù)。5G通信中，基站可支持百根天線，這些天線通過Massive MIMO技術(shù)形成大規(guī)模天線陣列，可以同時向更多的用戶發(fā)送和接收信號，從而將移動網(wǎng)絡(luò)的容量提升數(shù)十倍甚至更大。為智慧工地對實時視頻等信息的傳輸提供技術(shù)基礎(chǔ)。

（2）網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)?；贜FV和SDN技術(shù)，面向不同的應(yīng)用場景，如VR、車聯(lián)網(wǎng)、實時視頻音頻等對網(wǎng)絡(luò)的移動性、安全性、時延、可靠性，甚至是計費方式的需求不同，將網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化，切割成多個端到端的虛擬網(wǎng)絡(luò)，為不同用戶不同業(yè)務(wù)打包提供資源，優(yōu)化端到端服務(wù)體驗，具備更好的安全隔離特性。

（3）邊緣計算技術(shù)。5G承載網(wǎng)通過引入新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)邊緣提供電信級的運(yùn)算和存儲資源，解決傳輸側(cè)對不同應(yīng)用場景的支撐問題，實現(xiàn)業(yè)務(wù)處理本地化，降低回傳鏈路負(fù)荷，減小業(yè)務(wù)傳輸時延，提升用戶體驗。

4 結(jié)束語

在以5G技術(shù)為代表的新興信息技術(shù)與傳統(tǒng)建筑行業(yè)融合發(fā)展的背景下，本文基于5G技術(shù)，聚焦鐵路工程建設(shè)智慧工地，結(jié)合5G技術(shù)的基本特征，探索鐵路工程智能建造與5G技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用點。在目前5G技術(shù)處在方興未艾之際，應(yīng)充分利用5G技術(shù)的先進(jìn)性、快速性、便捷性，進(jìn)一步優(yōu)化和完善鐵路智慧工地系統(tǒng)，保障鐵路項目建設(shè)安全，提升鐵路項目施工質(zhì)量，從而有效促進(jìn)鐵路行業(yè)轉(zhuǎn)型升級。