5G 智能建造融合发展现状与关键路径

2024-03-15郝旭光马营营宋梅

中国建设信息化 2024年4期

郝旭光马营营宋梅

(1.华电煤业集团有限公司；2.联通数字科技有限公司；3.中国矿业大学（北京）)

自2008 年IB M 提出“智慧地球”概念以来，相继出现了智慧城市、智能制造等行业智慧化名词，建筑行业也出现了智慧工地、智能建筑和智能建造等概念。5G 技术的诞生为全行业、全生态提供了万物互联的基础网络技术[1]。伴随着新基站热潮，5G 在工业互联网、远程医疗、智慧矿山等领域的应用实践屡见不鲜。

2020 年7 月，住房和城乡建设部等13 个部门联合发布《关于智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，指导意见中提出要建立健全跨领域跨行业协同创新体系，建立智能建造与建筑工业化协同发展的产业体系，在建造全过程加大移动通信、人工智能等新计技术集成与创新应用[2]。2021 年底，住房和城乡建设部按照指导意见要求，总结推广智能建造可复制经验做法，确定124 个案例为第一批智能建造新技术新产品创新服务典型案例。2022 年，《“十四五”建筑业发展规划》中提出“十四五”期间智能建造与新型建筑工业化协同发展产业体系基本建立，打造建筑产业互联网平台、加快建筑机器人研发和应用[3]。可见，国家正在大力推进建筑行业向智能建造方向转型升级，鼓励上中下游企业开展智能建造相关工作。

但是，5G 技术与建筑行业的融合进程较慢，在住房和城乡建设部公布的124 个智能建造新技术新产品创新服务典型案例中，仅有一项为5G 在建造工程中的应用案例。基于此，本文就5G 技术在建造全过程中有哪些应用场景、存在哪些推广难题以及如何破解进行分析，探索建筑行业与通信行业、建造与移动通信技术真正融合的关键路径。

1.智能建造内涵

智能建造即通过数字化、信息化等先进技术，实现建造过程各环节的智能化、智慧化，涵盖数字化设计、部品部件生产、智能化装备、自动化施工、智慧化运营甚至产业互联网等整个产业链的智能化升级。通过梳理智能建造相关文献[4,5]，结合实际应用总结了建造过程各个阶段主要任务，数字化转型后对应的智能建造过程如图1 所示。

图1 建造阶段对应智能应用对照分析图

智能建造的整个过程中，勘察设计阶段将由智能勘察设备、基于BIM 的数字化设计软件、基于BIM 的工程自动算量等技术代替原有的CAD 设计图纸等手段；生产阶段柔性自动化生产线和智能工厂将大幅提高预制构件的生产效率和质量；物联网和定位技术将使得运输阶段位置信息、车辆信息等更加透明可跟踪；施工阶段将更多的采用智能装备、自动化设备、移动智慧设备、数字化工艺等实现智慧工地和智慧工地管理；楼宇、园区或其他建造项目的运维工作不仅是智慧城市建设的基础，更是智能建造的延伸，建造过程的重要数据全部可视可查，鲜活的有数据的BIM 模型成为CIM 模型的基础构成单元，运维和智慧城市建设融为一体。四个层级的产业互联网贯穿智能建造过程，为智能建造提供资源，同时从建造过程获取大量施工和施工单位相关数据，形成建造大数据分析决策模式，实现建造从粗犷式生产到精细化高质量生产。

2.5G智能建造应用场景及应用现状

2.1 5G 技术分析

5G 技术即第五代移动通信技术，与4G 采用了完全不同的网络模式。基于软件定义网络（Software Defined Network，SDN）的5G 网络架构，通过控制面与数据面解耦分离模式，网络更开放很灵活，提高了5G 网络的传输效率及网络的智能化，使得运营商可以打造更多创新服务，如根据不同应用设置带宽和时延的网络切片服务。同时多接入边缘计算（Multi-Access Edge Computing，MEC）也为5G在不同业务应用上提供了重要技术基础，如通过部分核心网功能下沉到边缘，实现1ms 的时延，也为5G 在应用服务中提供更大可能性。

5G 的关键技术决定了其特色应用场景。一是eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带），用户体验速率将提升至1Gbit/s，主要适用于大量移动带宽业务；二是uRLLC（Ultra-Reliable Low Latency Communications，高可靠低时延连接），时延低至1ms，适用于远程控制等时延和可靠连接要求高的场景；三是mMTC（massive Machine-Type Communications，海量机器类通信），主要适用于大规模物联网业务，是万物互联的基础。

2.2 5G 智慧建造应用场景

结合5G 的特性和智能建造各过程的应用需求，可以分析出5G 在智能建造的应用场景，简单可以归为五大类，分别是5G 服务智能设备、5G 服务远程操控改造、5G 服务海量物联网终端、5G 服务智慧应用、5G 服务C 端用户，具体如图2 所示。

图2 5G智能建造融合应用层场景

（1）5G 服务智能设备指在智能建造相关机器人设备直接采用5G 通信模组，如放样机器人、激光扫描仪、无人机、巡检机器人、制造机器人，实现5G 装备的现场测量数据直接回传至云端，在云端对数据进行实时分析，再回传至互联网平台。

（2）5G 服务远程操控主要指5G 网络支撑施工现场的塔吊、升降机、铲车等大型机械设备进行远程操控的改造，实现现场设备的远程操控；支撑部品部件制造工厂的龙门吊、墙板生产线的机器设备进行远程操控或自动控制的改造，实现无人工厂。

（3）5G 服务海量物联网是指海量的物联网采集前端通过5G 网络通信可以实时回传大量数据。如施工现场的摄像头设备利用5G 大带宽特性实现超高清视频、全景视频的实时回传、云端分析；深基坑监测、高支模监测、钢结构变形监测、遍布制造工厂质量安全检测传感器等海量物联网监测设备的数据低时延回传后台分析并即时预警。

（4）5G 服务智慧应用是基于5G 与云计算、人工智能、物联网等基础能力相互融合，产生的“1+1＞2”的智慧应用服务，实现“轻终端、重云端”的灵活应用。如5G+视频+AI 可以实现视频多方利用、AI 能力灵活配置、前端设备安装简便；5G+北斗实现更快速精准的定位应用。

（5）5G 服务C 端用户，一是指前期设计施工阶段的C端用户，二是指前期的5G 网络建设直接服务于智慧园区，5G 网络建设实现“临-永结合”，前期对施工阶段服务、后期对运维阶段服务。

（6）5G 将成为建筑产业互联网的强有力的基础设备，将项目级、企业级、监管级需要的数据实时回传云端，助力产业真正实现互联。

2.3 5G 智能建造应用现状

由于5G 智能建造是通信行业与建筑行业的融合应用，从前文中可以了解到两个行业的政策都在推动行业融合，进一步从通信行业和建筑行业两个角度分析5G 智能建造的实际应用情况。

2.3.1 通信行业着力深入5G 智慧工地，深入建造过程有限

从工信部发布的《5G 应用“扬帆”行动计划》来看，通信行业不断推动5G 与行业的融合应用，同时为了促进我国5G 应用产业创新发展，工信部已推动举办了五届“绽放杯”5G 应用征集大赛。通过各届绽放杯大赛的公示结果，我们可以清晰的了解到5G 在各行各业的应用案例和应用成效。以2021 年第四届“绽放杯”大赛为例，比赛共收到参赛项目12281 个，获得全国三等奖以上奖项的项目共计96个，其中工业互联网相关项目20 余个，智慧医疗、智慧城市、智慧园区相关项目相对较多，矿山、电力、石油行业的5G应用也均有四五项，然而建造行业仅徐大堡核电站5G 智慧工地一个项目获得二等奖，入围全国赛的300 个项目中，仅有3 个建造行业项目，均为智慧工地应用。

同时，三大运营商发布的5G 与建筑行业的融合应用中普遍为5G 智慧工地，2019 年中国联通与中建八局公司合作了全国首个5G 智慧工地，在京东集团总部二期2 号楼项目开展了远程操控[6]，整体来看，运营商主要着眼于5G 智慧工地的应用。从论文发表情况来看，也是关于5G 在智慧工地方面的应用较多[7]。关于5G 智慧工地的关注点，前期主要集中在高清视频、智能视觉分析相关应用，后期中国联通将BIM、现场5G 移动智能设备融入方案。但是，总体来说运营商在智能建造的应用有限，5G 与智能建造的融合范围不够广。

2.3.2 建筑行业规避网络需求，5G 深入建造过程尚浅

住房和城乡建设部为推动智能建造和建筑工业化发展，收集并发布了第一批智能建造新技术新产品创新服务典型案例共计124 项。案例分为自主创新数字化设计软件、部品部件智能生产线、智慧施工管理、建筑产业互联网平台、建筑机器人五部分，其中仅在智慧施工管理一类中有一项5G应用《5G 高清视频远程监管一体化系统在北京市大兴临空经济区发展服务中心的应用》，该案例由中国联通提供，对5G 切片服务、5G 超高清视频、5G 移动穿戴设备、5G+BIM协同等方面的应用进行了介绍。

智能建造设备创新案例共13 项，其中有混凝土抗压强度智能检测机器人、三维测绘机器人、墙板安装机器人等多种智能设备。分析这些智能设备，可以发现设备的移动方式主要为四种：一是设备固定不动，二是轻量设备人工挪动，三是人为遥控行走，四是固定范围内自动导航；数据处理方式主要有三种：一是通过有线连接服务器，二是本次存储、延迟推送，三是本地连接电脑进行处理。可见，智能设备中的控制和数据传输问题采用规避的方式，并未得到解决。数字化设计、智能生产线、产业互联网等其他部分也没有5G相关应用。分析124 项案例可以看出，建筑行业在智能建造应用的设计中对于网络问题主要采用避开的方式，如采用本地化、规避大数据传输等传统解决方式，可见5G 技术在建造行业的影响还有待深入。

3.5G智能建造发展瓶颈问题

3.1 建造行业采取“规避/替代”策略，5G 应用意识较差

智能建造新技术新产品的应用案例分析结论清晰地体现出，建造行业在各方面的应用创新或设计时，“规避/替代”网络的策略很大程度上阻碍了5G 网络在智能建造应用过程中的落地。“规避/替代”主要是指主动避免过程中的短板或寻找次优方案替代这个短板，比如因为塔吊上不具备网络，很多方案会选择网桥的方式，但是网桥频段未被授权很容易被干扰；现场网络不足，移动机器人会首选人工操控。当然，“规避/替代”思维主要由于建造施工现场具备临时性、普遍网络条件差的历史背景导致的。

3.2 5G 在建造行业落地场景局限，5G 推广能力差

目前运营商主动参与的智能建造过程集中在施工阶段的房建工程，除了徐大堡核电站的5G 智慧工地案例，但是建造主体除了房屋建筑，还包含轨道、公路等线性工程，城轨、隧道、桥梁等各种类型项目，应用场景覆盖不全面，导致5G在建造行业落地场景受限。笔者通过调查分析，发现主要原因有三个：一是运营商5G 网络覆盖存在困难，轨道、公路、隧道等不同场景下，5G 网络建设方案复杂；二是工地场景普遍具有临时性，施工阶段用户主要为施工总承包单位，政府、企业、开发商对5G 网络需求不明确，5G 建设存在临时投入或需重复投入情况，对于运营商来说，具有高投入低回报风险。至此导致第三个原因，运营商一直未能发布施工现场5G网络套餐、收费情况，“一定很贵”的想法使一些住建行业人员望而却步，影响5G 推广。

3.3 5G 技术和生态处于发展阶段，应用实效表现较弱

2019 年中国率先发布5G 商用牌照，2020 年下半年北京基本实现NSA（4G 与5G 非独立组网，共用4G 核心网）架构向SN（4G 与5G 独立组网）架构转换，其他的城市逐步转换中，uRLLC、mMTC 两个场景商用落地条件还不是特别成熟，同时目前5G 芯片资源相对匮乏，运营商5G 基站成本高，所以在部分场景上5G 的应用实效与愿景存在偏差。5G 的应用场景还没有完全被打开，导致部分人对5G 的体验仅停留在速度快的感知上，一定程度上影响了建造行业对5G 应用的探索，5G 与建造过程强相关的融合点相对缺乏，阻碍了当前5G 应用在建造行业推广应用的进程。

4.5G智能建造发展关键路径

4.1 推动跨行业融合，建立5G 与智能建造产业链的强联系

跨行业融合是关键点。在5G 与智能建造融合的进程上，只有做到跨行业融合、全产业链融合，通信行业的一部人了解建筑行业，建筑行业的一部分人了解通信行业，两个行业才有机会共同发展，这也将会是改变建筑行业“规避/代替”思维的有效手段。通信行业相关企业应该更主动的推动融合任务，及时将5G 的能力和发展情况具有针对性的同步给建筑行业整个产业链上的企业。此外，打通建造产业链不应局限于建造设计生产施工几个阶段，还应该加强业主或者运维阶段的联系，5G 网络赋能应该是长期的，在施工阶段的5G投入只有延续为长期服务，实现“临时到永久”的服务转变，两个行业才能实现真正的双赢。

4.2 政策推进，打造5G 建造各阶段试点示范

政策推动是发展保障。2021 年《5G 应用“扬帆”行动计划》印发，同年国家发展改革委、国家能源局、工业和信息化部等部门发布《能源领域5G 应用实施方案》，该方案中提到推进开展智能制造及建造+5G 典型应用场景，重点提到5G+无人机采集施工现场地形地貌、5G 移动摄像机、远程监造等场景，整体来看这个文件要求相对宽泛、5G+建造场景覆盖不全面，也没有后续推进动作，在住建行业内影响不大。政策持续推进行业融合，政府牵头搭建5G+建造融合的支撑平台，挑选并推广5G+建造试点示范工程是推进行业进一步融合的保障因素，通过试点示范实现两个行业协同探索跨行业融合的切入点和最佳实践，也可增强建造行业上下游对5G 应用的认可度。

4.3 深度融入建造价值链，服务中国建造

深度融入建造价值链是发展之根本。跨行业融合发展真正的目的是实现两个行业的双赢，5G 进入建造价值链是第一步，真正深入建造价值链才是发展的根本。一是要探索如何进入建造价值链，二是要探索如何实现勘察设计到施工运维整个链条上的落地应用，三是要实现规模应用、推广最佳实践。在深度融入之后，重点是价值化，应以建造价值链降本增效、5G 服务易复制低成本为唯一目标，建造行业落实5G 智能应用，通信行业落实不同场景5G 建设方案、不同应用5G 网络服务标准，使5G 真正的服务中国建造。

4.4 培养融合型人才，打造5G 智能建造生力军

融合型人才是动力。智能建造是信息技术与工程建造融合的创新结果，培养智能建造创新型工程科技人才关键[8]。立足5G 智能建造长期发展需求，可采用学校智能建造专业增加通信知识、建立联合团队等方式，培养智能建造与通信知识兼备的融合型人才，迅速壮大5G 智能建造人才队伍，保障后期稳步发展。行业融合前期，也可建立专家咨询顾问机制，建造价值链相关企业聘请通信专家，通信相关企业邀请建造专家，专家深入另一个行业，开展技术交流和技术指导，快速推进5G 智能建造融合发展。