基于5G+技术的大型医疗建筑智慧工地系统应用研究_黄俊豪.pdf

20231Building Construction156基于5G技术的大型医疗建筑智慧工地系统应用研究黄俊豪 周 敏 陆 杨 陈少军 李明月 陈燕安中国建筑第八工程局有限公司南方分公司 广东 深圳 518038摘要：基于4G通信技术的智慧工地系统，难以满足现阶段城市工程的高品质建造和管理需要，而公共5G网络架构下的智慧工地系统面临着数据安全和轻量化，使用者需求定制化和个性化的技术瓶颈。创新性地打造基于5G技术的大型医疗建筑智慧工地系统，以深圳市新华医院为应用实例，通过“鹰眼”AI识别监控系统、5G智慧数据系统、5G智慧监测系统和作战指挥中心远程指挥联动系统的应用，实现了对项目体量大、涉及专业广、建造参与方多的大型医疗建筑项目的智慧化、精细化、信息化全过程管理，为其他医疗类大型公建项目的信息化建设管理提供一定的参考价值。关键词：5G技术；智慧工地；工程管理；信息科技中图分类号：TU17 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0156-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.040Research on Application of 5G+Technology Based Intelligent Construction Site System for Large Medical BuildingsHUANG Junhao ZHOU Min LU Yang CHEN Shaojun LI Mingyue CHEN YananChina Construction Eighth Engineering Division Corp.,Ltd.Southern Company,Shenzhen 518038,Guangdong,ChinaAbstract:The smart construction site system based on 4G communication technology is difficult to meet the needs of high-quality construction and management of urban projects at this stage,while the smart construction site system under the public 5G network architecture is faced with data security and lightweight,customized and personalized technology gap for user needs.This work innovatively builds a smart construction site system for large-scale medical buildings based on 5G+technology.Taking Shenzhen Xinhua Hospital as an application example,through the application of the Eagle Eye AI identification monitoring system,5G+smart data system,5G+smart monitoring system and the remote command linkage system of the battle command center,the smart,refined and information management of whole process was achieved which can provide a certain reference value for the informatization construction management of other large public medical construction projects.Keywords:5G+technology;smart construction site;project management;information technology于4G通信技术，5G通信技术在用户体验速率、峰值速率、流量密度、移动性等技术指标上有明显的提升和改善6-8。表1 4G和5G关键技术指标对比技术指标4G参考值5G参考值用户体验速率10Mib/s0.11.0Gib/s峰值速率1Gib/s20Gib/s流量密度0.1Tib/(skm2)10Tib/(skm2)空口时延10ms1ms移动性350km/h500km/h能效1倍100倍1 基于公共5G网络架构下的智慧工地系统目前，基于5G技术的智慧工地系统通常是部署在公共5G网络架构下，而在面对使用方的需求多变和复杂环境下网络适应性差等情况，此系统有着以下几个方面的技术瓶颈：1）公共5G网络架构难以满足数据安全需求。大型医疗建筑工程作为重要民生项目，其建筑过程中的各种智慧大型医疗建筑具有工程规模大、周期长、施工管理点多面广、各专业界面与接口繁多、协调会议频繁等特点1-2，运用传统的管理办法难以实现项目高品质建造目标。随着信息技术的快速发展，智慧工地建设水平日益提升，为项目管理提供了信息化解决方案。智慧工地是以先进的信息化技术为手段，使用物联网、人工智能、大数据、云计算等新兴技术，通过有效集成建立实时感知、互联互通的基建工程管理平台，有效提升现场管理水平3-5。目前智慧工地系统普遍基于4G通信技术，在项目管理的实际应用场景中常出现以下问题，如低覆盖、低信道宽度的通信网络信号导致智慧工地各应用模块之间联系松散，低数据集成导致应用加载速度缓慢。如表1所示，相对作者简介：黄俊豪（1999），男，本科，助理工程师。通信地址：广东省深圳市福田区深业上城T1写字楼45楼（518038）。电子邮箱：收稿日期：2022-08-30数字建造DIGITAL CONSTRUCTION建筑施工第45卷第1期157设备监测数据、工程项目信息及使用方的视频数据是重要的战略资源，需要严格遵循数据传输的保密性。而基于公共5G网络和本地数据库的传输仅能减少部分数据传输上的安全隐患。2）难以满足定制化网络覆盖需求。建设工地作为临时场景，网络通信只能依靠周围已有的公共基站，部分施工区域和作业面常常处于无信号的状态，使得智慧工地系统无法对这些施工区域进行有效应用和管理，如无法对地下室区域的施工数据进行有效监测。3）难以满足使用者个性化需求。目前的智慧工地由于系统架构固定导致对使用者具体需求的演化能力不足，不利于智慧工地系统的推广和长期使用。4）难以满足终端展示轻量化需求。公共网络的覆盖范围和数据传输能力有限，线缆路的有线部署成本高、安全系数低，这些导致了目前智慧工地设备的数据传输及处理水平低，展示终端难以轻量化。2 基于5G技术的大型医疗建筑智慧工地系统概述及关键技术如上文所述，基于公共5G网络架构下的智慧工地系统存在着一系列技术瓶颈，而大型医疗建筑项目体量大、涉及专业广、建造参与方多，系统应用于此类项目存在部分问题。本文将针对以上问题，创新性地提出基于5G技术的大型医疗建筑智慧工地系统。2.1 系统概述基于已有公共5G网络架构，本文创新性地采用5G“MECCPE”模式网络架构，依托物联网技术、AI技术、云计算技术、GPS定位技术、VR技术等多种信息化技术，建立基于5G技术的大型医疗建筑智慧工地系统。以质量、安全、成本、进度的四大项目管理要素为基础，驱动吊钩可视化、高支模监测、大体积混凝土温度监测、AI安全帽等多个智慧管理应用子系统，实现可视化、多元化、实时化、便捷化、智慧化的智慧工地管理，满足大型医疗建筑的“全时段安全管理”“全周期质量监测”“全过程进度把控”“全方位网络覆盖”等建造要求。此系统搭载的大宽带能够承载多元数据回传，稳定低时延的通信能够实时传输，支持接入大量的智能设备。同时网络架构中的MEC设备和CPE设备提供了高数据处理能力和终端信号覆盖优化能力，能够解决传统智慧工地系统面临的5G信号减弱、宽带布线难、设备算力不足的风险。2.2 关键技术分析2.2.1 多接入边缘计算（MEC）技术多接入边缘计算是一种网络边缘服务器，能够减轻5G核心网、传输网的带宽压力，实现低延迟、高带宽要求，提高基于5G网络下万物互联时代数据处理效率，承接高强度、高密度计算服务，减轻终端设备对高密度数据处理问题时的计算压力，获得优越网络体验。2.2.2 客户前置设备（CPE）客户前置设备是一种信号接入设备，将移动5G高速信号转换成Wi-Fi信号，支持多个移动或固定设备接收信号，减少施工现场宽带部署费用，免除布线环节。在建筑工地现场，部署的CPE设备将已有的5G信号桥接至建筑施工区域内部，实现更加深层次的网络覆盖。3 基于5G技术的大型医疗建筑智慧工地系统的架构由图1可知，新型的5G网络架构由展示层、应用层、系统层、数据层组成，接入的智慧工地设备能够获得5G网络的低延迟、高带宽体验。CPE设备监控大屏智能移动设备电脑屏幕人机界面分析图表预警提示视频图片5G视频监控人脸识别入场AI违章抓拍安全管理深基坑工程监测高支模工程监测脚手架工程监测吊钩可视化鹰眼全局监控VR安全培训质量管理进度管理成本管理“鹰眼”AI识别监控系统5G智慧监测系统作战指挥中心远程指挥联动系统5G智慧数据系统MEC设备系统5G边缘云侧数据处理数据采集传感设备监测部位车辆道闸环境监测车辆追踪人员跟踪实名制门禁5G无人机4K超高清全景球机吊钩可视化摄像机高清枪机音柱激光扫描仪5G基站图1 新华医院项目5G智慧工地系统架构3.1 数据层数据层为智慧工地系统的底层数据采集和处理层级，是智慧工地后续各层次应用的基础。各数据采集设备、传感设备和监测设备部署在项目各处，通过协同部署的CPE设备来获得稳定的5G数据传输；并将采集到的各类数据汇集至MEC设备系统中进行统一的数据处理，降低数据采集设备在硬件上对数据处理能力的需求，充分发挥5G网络在数据传输速度上的优势，同时也能减轻数据传输压力和带宽荷载，防止数据泄露，维护工地内部数据资产的安全。3.2 系统层系统层对MEC设备系统处理后的数据池进行数据筛选，为多个智慧工地子系统进行数据匹配和归档，其子系统包括“鹰眼”AI识别监控系统、5G智慧数据系统、5G智慧监测系统和作战指挥中心远程指挥联动系统。黄俊豪、周敏、陆杨、陈少军、李明月、陈燕安:基于5G技术的大型医疗建筑智慧工地系统应用研究20231Building Construction1583.3 应用层应用层是指基于各子系统实现的建设项目智慧管理应用服务，能够满足智慧工地各方人员的不同定制需求，主要包括安全管理、质量管理、进度管理和成本管理。3.4 展示层展示层是对应用层内数据的集中展示，各子系统中的应用服务可以通过不同的终端设备将信息反馈给用户。各子系统的数据接口以按需集成的方式对设备信息进行调度，使得管理者能够在智慧工地内庞杂的信息数据中检索出符合其功能需要的数据，进行调用、查看，实现PC设备、智能手机和智慧大屏的不同展示需求和效果。4 基于5G技术的大型医疗建筑智慧工地系统的应用特点4.1 系统应用工程背景深圳市新华医院项目是深圳市政府投资建设的重大医疗卫生项目，位于深圳龙华区新区大道与民宝路交会处。本项目为新建门诊（B区）与行政科研楼（C区）、住院医技楼（A区）一栋，地上22层，地下4层，建筑高度99.9 m，总建筑面积50.9万 m2，院区规划床位2 500床，是集医疗、科研、教学为一体的三级甲等综合医院。4.2 系统应用特点4.2.1 5G网络专属基站项目周边建立5G网络专属基站，确保了5G网络的信号覆盖与稳定，能够实现5G网络最高速率900 Mbps，平均速率700 Mbps，为项目所有设备提供高效网络基础。4.2.2 基于CPE定制化专属网络网络传输方面，深圳市新华医院项目根据项目需求以定制化专线网络的形式开通项目范围内的专属5G网络，以5GCPE的形式实现项目内网络信号的全面覆盖，确保项目的5G网络传输畅通无阻，真正意义上将5G网络的“高速”落到工地的每一个角落。4.2.3 基于MEC专属5G云空间深圳市新华医院项目将以往需要中心云或者本地购买的设备，通过中国联通边缘云的形式承载。将各类大数据智慧平台搭载在MEC上。一方面，该边缘云是中国联通在深圳市龙华区部署的边缘节点，可以大大减少网络时延；另一方面，MEC的存在能够减轻整个网络架构下其他设备的数据运算压力，利用5G网络高速特性，实现低延迟的数据处理，大大减少项目本地设备的投入与维护，更加便捷高效。4.2.4 5GMECCPE点位布置综合考虑建筑规模、场地条件、项目工期等实际情况，本项目首先拟定5G网络覆盖方案，如图2所示，保证5G智慧工地系统有效运行，实现施工流程的安全有序和过程信息化资料的安全可靠。MEC设备CPE设备塔吊设备专属5G基站专线网络图2 5G智慧工地系统点位布置示意一方面搭建专属5G基站，实现作业面通信覆盖。针对5G网络覆盖不全的痛点，如地下室和超高作业面无法覆盖，项目部署专线接入且内置CPE装置的智慧工地设备，为该设备以外3050 m区域的其他带Wi-Fi连接的智慧工地设备提供网络。此外，本项目的5G网络覆盖方案将大部分专线接入设备替换成无线Wi-Fi设备，降低了专线部署的成本和设备维护的难度。另一方面，考虑到本项目体量大、建面广，各种设备每时每刻产生和需要处理的数据量级巨大，因此在办公区部署MEC设备，将数据处理和存储留在本地集中进行，提高数据处理效率和安全。5 基于5G技术的大型医疗建筑智慧工地系统的应用要点5.1“鹰眼”AI识别巡检系统基于搭设在塔吊上的4K高清5G全景智能球机、MEC系统上的AI智能分析中心、红外识别等传感设备，能对施工现场，特别是关键区域和多个出入口进行实时安全监控，视觉分析识别违规地点；通过声光警报系统对违规人员进行语言和灯光警告，及时拍照分类处理、存档，提高现场行为安全管控能力，如图3所示。根据现场施工需要，该子系统可联动塔吊监控摄像头与全景云台球机摄像头进行子系统架构的变换，组成5G智慧天眼系统，针对现场的塔机吊装和现场作业进行监控，智能把控现场进度，实现信息化进度管控手段，如图4所示。移动便携巡检与人员实名制系统联通，配合现场闸门和AI智能分析盒的人脸分析功能，实现对现场工人的无感考勤，入场安全教育等合规性查验，提高劳务管理效率。图3 “鹰眼”AI识别巡检系统 图4 5G智慧天眼系统黄俊豪、周敏、陆杨、陈少军、李明月、陈燕安:基于5G技术的大型医疗建筑智慧工地系统应用研究建筑施工第45卷第1期1595.2 5G智慧数据系统5G智慧数据系统将施工现场的智慧电箱、车辆出入口闸机、塔机监测、高支模监测、大体积混凝土监测、扬尘监测等设备的数据集成并展示于可视化看板，如图5所示。管理人员能根据项目节点需求，对展示模块位置、大小进行定制，同时联动BIM节点管理展示当前进度，使得管理人员能够在海量的设备信息中筛选出需求数据和内容，实现精准管控。现场各种开关箱设备和施工现场塔吊照明设备数据汇总于此子系统，管理人员通过现场布控的监测点报警信息和天眼系统，综合判断现场是否出现安全风险，并由此子系统对各种开关箱和施工现场塔吊照明进行反向控制，保证现场大型机械使用安全，降低现场安全风险。5.3 5G智慧监测系统在大型医疗建筑项目中，脚手架、深基坑和高支模等危大工程一旦发生事故，极易出现人员伤亡和财产损失，因此需要项目建设过程中的高度重视。该系统通过在施工前设置特殊的监测点位对重点工程进行实时监测，以提高对危险区域的实时监控和精准预判能力。例如，通过部署地下室温度裂缝监测点、边坡沉降监测点、水位水压监测点对深基坑工程进行监测。部署倾斜监测点、位移监测点和压力监测点对危大工程进行监测，如高支模工程、重点区域脚手架工程等，如图6所示。图5 5G智慧数据系统 图6 高支模支撑体系架体应变曲线5.3.1 大型医疗直加机房大体积混凝土监测子系统施工现场大体积混凝土施工前，布置传感器并将数据接入数据监测平台，替代传统人工测温方式，以分钟级精度读取大体积混凝土温度信息，并且定时启动智能水循环系统进行养护，提高大体积混凝土成形质量。在现场混凝土浇筑时实现全过程监控，远程监控混凝土罐车进退场、布料机架设和混凝土浇筑的定点定位，配合现场管理人员实现远程联动，把控混凝土浇筑流程，实现质量提升。5.3.2 高支模工程监测子系统通过安装在模板支架顶部的传感器，实时监测模板支架的钢管承受压力、架体的竖向位移和倾斜度等数据，并发送至设备信号接收器。高支模监测预警子系统实现了对水平位移、模板沉降、立杆轴力、立杆倾角的监测，分析终端对传输数据的安全性进行计算，数值超过限制值，则通过声光警报、短信发送等方式立即向管理人员预警，并启动相关保护措施。5.3.3 爬架工程监测子系统在爬架系统上布置一体重力传感器，防坠、顶撑监测传感器，无线监测盒子，视频监控摄像头，风压传感器；并将传感器数据关联BIM爬架模型，实时监测防坠及顶撑状态，计算复核机位荷载及现场风压，在数据异常和违规操作时，自动报警并远程停机，进行线上安全交底，并查询历史数据记录，追溯安全、质量问题。5.4 作战中心远程联动指挥系统作战中心远程联动指挥系统由无人机5G直播提供的项目现场宏观监控，掌握现场作业面情况。5G智能安全帽提供的项目现场微观监控组成，以人的视角直播现场情况。此系统的应用，实现了位于作战指挥中心的管理人员对现场作业面的巡检，对现场工作人员的远程指挥，提升了各方管理人员对建设项目的及时管控和有效决策。6 结语本文通过应用智慧工地理念及相关技术，创新性地打造了基于5G技术的大型医疗建筑智慧工地系统。它包括了数据层、系统层、应用层和展示层的系统架构，拥有5G网络专属基站、基于CPE定制化专属网络、MEC专属5G云空间、5GMECCPE精准点位布置的系统特点，并在深圳市新华医院项目成功应用，实现了对项目体量大、涉及专业广、建造参与方多的大型医疗建筑项目的智慧化、精细化、信息化全过程管理，为其他医疗类大型公建项目的信息化建设管理提供一定的参考价值。1 游天亮,吕欣豪,张彧博,等.大型医疗建筑BIM智慧工地综合建造 技术J.施工技术,2020,49(6):35-37.2 张蓓,徐震,方一鸣,等.基于BIM智慧工地的大型医疗建筑综合管 理技术J.安徽建筑,2021,28(2):88-91.3 王晓波.基于物联网技术的电网工程智慧工地研究与实践J.电力 信息与通信技术,2017,15(8):31-36.4 曾凝霜,刘琰,徐波.基于BIM的智慧工地管理体系框架研究J.施工 技术,2015,44(10):96-100.5 陈阳,王攀,李辉,等.基于BIM5G环境的智慧工地集成化应用技 术C.中国图学学会.2021第十届龙图杯全国BIM大赛获奖工 程应用文集.出版地,出版者不详,2021:130.6 杨翊,薛恒岩,陈博文,等.智慧工地5G智能管理与建设J.建筑技术 开发,2021,48(24):95-96.7 魏鸿斌,陈浩源.基于5GMEC的智慧工地研究测试J.数据通信,2020(6):1-4.8 向宇伟,陈新刚,谢永涛,等.5G技术在智慧工地应用探讨J.中国建 设信息化,2020(15):64-65.黄俊豪、周敏、陆杨、陈少军、李明月、陈燕安:基于5G技术的大型医疗建筑智慧工地系统应用研究