移動通信技術(shù)發(fā)展對安全生產(chǎn)影響

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摘要:為了深入揭示安全生產(chǎn)水平同移動通信技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在聯(lián)系，提出安全生產(chǎn)信息技術(shù)能力的概念及其監(jiān)控管理連接、救援響應監(jiān)測、定位導航追蹤3方面子能力的定義，進而通過構(gòu)建3方面子能力同移動通信主要性能指標之間的關(guān)系模型(SPITC-MC)，并對其進行深入分析和研究。研究結(jié)果表明:SPITCMC模型可以準確詮釋過去移動通信技術(shù)發(fā)展對安全生產(chǎn)水平產(chǎn)生的影響，同時可用于預判未來移動通信技術(shù)發(fā)展對安全生產(chǎn)可能產(chǎn)生的影響程度，從而為后續(xù)相關(guān)工作的開展提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞:安全生產(chǎn);信息技術(shù)能力;移動通信;5G;6G;新基建

引言

隨著社會進步及其對生產(chǎn)能力水平要求不斷提升，安全生產(chǎn)形式愈發(fā)嚴峻。各類生產(chǎn)安全事故時刻威脅著生產(chǎn)者生命健康安全。安全生產(chǎn)水平高低直接關(guān)系到社會發(fā)展穩(wěn)定大局和廣大人民群眾切身利益。影響安全生產(chǎn)的要素多且復雜，通常認為可分為5個方面:安全文化、安全法制、安全責任、安全科技、安全投入［1］。其中安全科技水平直接決定了生產(chǎn)過程中的專業(yè)化、機械化、自動化、信息化、數(shù)字化程度，而通信技術(shù)尤其是移動通信技術(shù)發(fā)展又對社會科技整體水平發(fā)展起著極大促進作用。隨著5G、人工智能(ArtificialIntelligence，AI)、物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IOT)、區(qū)塊鏈、云計算等移動通信及相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展，安全生產(chǎn)能力水平及保障程度也得到持續(xù)提高和增強?！秶野踩O(jiān)管總局關(guān)于推動安全生產(chǎn)科技創(chuàng)新的若干意見》以及國家應急管理部征集的“十四五”應急管理規(guī)劃重點課題研究方向中均明確指出要加強安全生產(chǎn)基礎(chǔ)理論創(chuàng)新研究，總結(jié)和推進物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿信息技術(shù)在風險防控及安全生產(chǎn)中的經(jīng)驗和成果。從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［2－3］在礦山以及電廠生產(chǎn)中的應用、定位導航技術(shù)［4］在遠洋運輸領(lǐng)域中的應用、無線通信技術(shù)在各種應急救援領(lǐng)域的應用［5］、疲勞檢測技術(shù)［6］在長途駕駛領(lǐng)域中的應用等諸多生產(chǎn)應用實例可以看出，移動通信及相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在安全生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用。從現(xiàn)有研究成果的分布情況來看，目前主要集中在特定技術(shù)于特定領(lǐng)域的應用開發(fā)使用方面，對安全生產(chǎn)和移動通信之間內(nèi)在關(guān)系從概念層級進行全局性辨析、比較和研究的成果較少。深入揭示安全生產(chǎn)同移動通信技術(shù)發(fā)展之間的內(nèi)在關(guān)系，全面了解和掌握如何更高效利用移動通信技術(shù)促進安全生產(chǎn)發(fā)展，對提高安全生產(chǎn)水平、合理統(tǒng)籌資源分配、優(yōu)化戰(zhàn)略布局規(guī)劃具有重大現(xiàn)實意義。

1移動通信與安全生產(chǎn)

1．1移動通信技術(shù)發(fā)展過程

移動通信特指通信雙方至少有一方處于運動中的通信，包括海、陸、空范圍全覆蓋通信。移動通信技術(shù)作為通信技術(shù)的重要組成部分，從其誕生到現(xiàn)在大致經(jīng)歷了如下幾個階段:1)第1代移動通信技術(shù)(1G)階段:20世紀80年代初期—90年代初期，該階段通信媒介為模擬載波信號，用戶終端類型為體型較大的模擬終端機(大哥大)，并且造價很高，只能提供有限質(zhì)量的語音通話服務(wù)。2)第2代移動通信技術(shù)(2G)階段:20世紀90年代初期—90年代末期，該階段代表技術(shù)為GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)和CDMA(CodeDivi-sionMultipleAccess)。由于采用了數(shù)字通信，無論從語音通話質(zhì)量還是終端成本方面，都較第1階段有了很大改進。并且支持GPRS(GeneralPacketRadioService)上網(wǎng)和短消息服務(wù)。3)第3代移動通信技術(shù)(3G)階段:21世紀初—2010年前后，該階段主要通信技術(shù)為TD－SCDMA，WC-DMA，CDMA2000。除了通話質(zhì)量有很大提高和網(wǎng)絡(luò)帶寬有明顯提升，還出現(xiàn)了視頻通話、網(wǎng)絡(luò)會議等簡單多媒體業(yè)務(wù)。4)第4代移動通信技術(shù)(4G)階段:21世紀10年代初期———21世紀10年代末期，該階段通信技術(shù)以LTE(LongTermEvolution)和WiMAX技術(shù)為代表，相對前幾個階段最重要的特征為諸如微信、快手、抖音短視頻等各種形式的業(yè)務(wù)層出不窮。5)第5代移動通信技術(shù)(5G)［7－8］階段:21世紀20年代初期開始并且預計到21世紀30年代初期結(jié)束，該階段關(guān)鍵技術(shù)包括軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SoftwareDefinedNet-work，SDN)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NetworkFunctionVirtual-ization，NFV)、網(wǎng)絡(luò)切片(NetworkSlicing)、移動邊緣計算(MobileEdgeComputing，MEC)［9］等。5G技術(shù)主要體現(xiàn)在超高帶寬、超低網(wǎng)絡(luò)時延、超大容量網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)量。VR(VirtualReality)、AR(AugmentedReality)、自動駕駛等新的業(yè)務(wù)將得到普及。6)預計第6階段(6G)［10］:21世紀30年代初期開始，具體技術(shù)范疇和應用場景定義剛剛啟動。移動通信技術(shù)以大約每10a為1個周期經(jīng)歷技術(shù)和設(shè)備更新。3G后期智能手機的出現(xiàn)以及4G時期移動互聯(lián)網(wǎng)應用大爆發(fā)更是極大促進了移動通信技術(shù)同國民經(jīng)濟各行各業(yè)之間的融合與溝通，移動通信技術(shù)正以不可逆轉(zhuǎn)的趨勢深刻影響與改變著社會生產(chǎn)生活的方方面面。

1．2安全生產(chǎn)相關(guān)要素

安全生產(chǎn)在廣義上特指在生產(chǎn)過程中生產(chǎn)者能夠保證人身安全、周邊環(huán)境安全和可持續(xù)發(fā)展。狹義上通常指生產(chǎn)過程中不發(fā)生各種事故，不直接或者間接產(chǎn)生有害物質(zhì)。生產(chǎn)過程涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)等國民經(jīng)濟各行業(yè)領(lǐng)域。影響生產(chǎn)是否安全的要素很多，比如生產(chǎn)工具的機械化水平、自動化水平、信息化水平等，而這些因素又同當時社會經(jīng)濟、科技發(fā)展水平密切相關(guān)。這里重點關(guān)注科技領(lǐng)域移動通信技術(shù)對安全生產(chǎn)的影響。根據(jù)對安全生產(chǎn)要素分析［1］并且結(jié)合國內(nèi)外諸多關(guān)于信息生產(chǎn)力方面的研究成果［11－14］，把影響安全生產(chǎn)機械化、自動化、信息化和數(shù)字化等安全科技水平的所有能力要素總和定義為安全生產(chǎn)信息技術(shù)能力(SafetyProductionInformationTechnologyCapability，SPITC)，SPITC由監(jiān)控管理連接子能力、救援響應檢測子能力、定位導航追蹤子能力3部分組成，如圖1所示。3個子能力各自側(cè)重點不同，監(jiān)控管理連接主要側(cè)重對系統(tǒng)運行和生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控、命令下發(fā)及響應、性能采集等方面內(nèi)容，強調(diào)的是當前可用帶寬及最大連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量。救援響應檢測側(cè)重于對系統(tǒng)主動發(fā)起報警請求的響應，監(jiān)測設(shè)備運行狀況，強調(diào)設(shè)備與管理者之間數(shù)據(jù)交互的反應時延。定位導航追蹤側(cè)重于對目標進行位置記錄、跟蹤及搜索的能力，強調(diào)的是信號覆蓋范圍及強度。3方面子能力雖然各自側(cè)重點不同，但也不是毫無關(guān)聯(lián)。1種能力的提升和改變通常也伴隨著其他方面能力的變化。例如，帶寬的增加可提高對高清視頻傳輸?shù)谋ＷC，有利于監(jiān)控能力提升，同時也為被追蹤目標傳輸更多位置相關(guān)信息從而更精確定位提供保障。系統(tǒng)響應時延的降低同時也有利于對被追蹤目標在緊急狀況下實施救援。只有3方面子能力全方位、均衡的發(fā)展提高才能保證安全生產(chǎn)信息技術(shù)能力水平的整體提高。

2安全生產(chǎn)信息技術(shù)能力

2．1監(jiān)控管理連接

監(jiān)控管理連接是指對生產(chǎn)現(xiàn)場進行實時全方位監(jiān)督、發(fā)送指令、接收響應，涉及到眾多行業(yè)和領(lǐng)域，比如交通運輸、采礦業(yè)、建筑、化工、環(huán)保、核工業(yè)等。從監(jiān)控角度講，超高的帶寬支持是高質(zhì)量監(jiān)控視頻傳輸?shù)那疤?。從管理和連接角度講，允許海量實體同時進行連接是實現(xiàn)全方位覆蓋的保證。在20世紀90年代中后期傳感器技術(shù)逐漸成熟并且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［15］被明確定義之前，可以說并沒有嚴格意義上的管理和連接操作。直到21世紀初，隨著智能傳感器技術(shù)與AI、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度融合，僅井下就出現(xiàn)了風速傳感器、甲烷傳感器、瓦斯傳感器、饋電傳感器、負壓傳感器、各種有害氣體傳感器等多種實時感知井下環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器。物聯(lián)網(wǎng)對安全生產(chǎn)的保障能力達到了前所未有的高度。以物聯(lián)網(wǎng)支持為主要特征的5G提供了eMBB(EnhancedMobileBroadband)和mMTC(MassiveMachineTypeofCommunication)2方面能力［7－8］，不僅能夠保證進行移動狀態(tài)下4K/8K高清分辨率視頻傳輸，還支持對海量連接的處理能力，連接密度能夠達到1個/m2級別。相比之前的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB－IOT(NarrowBandIOT)有了巨大進步。同時5G物聯(lián)網(wǎng)同樣非常適用于電力、化工、鋼廠、造船等其他大型生產(chǎn)型行業(yè)的安全監(jiān)控管理領(lǐng)域。如果說物聯(lián)網(wǎng)完成了大容量連接功能的話，各種有線及無線通信技術(shù)則保證了監(jiān)控和管理功能。最初漏泄電纜通信、低頻透地通信、井下小靈通技術(shù)、大靈通技術(shù)(SCDMA)僅能夠為井下提供質(zhì)量有限的通話連接。隨著GPRS，3G(WCDMA，TD－SCDMA，CDMA2000)出現(xiàn)，已經(jīng)可以為電梯、壓力容器、起重機械、客運索道等特殊設(shè)備提供監(jiān)控服務(wù)。隨后出現(xiàn)的IMS(IPMultime-diaSubsystem)及軟交換技術(shù)在覆蓋距離、頻譜利用效率、帶寬容量等方面都有了長足長進，從而促使電力系統(tǒng)等行業(yè)的安全保障水平有了明顯提升。4G時代可以對液壓支架、采煤機、轉(zhuǎn)載機運行更好的實時監(jiān)控，實現(xiàn)礦井集群調(diào)度，井下視頻監(jiān)控［16］、井下語音視頻通信等，在采礦業(yè)、船舶業(yè)等領(lǐng)域得到了很好的應用。2019年世界機器人大會煤礦機器人的出現(xiàn)已經(jīng)預示著5G注定會與之前各個階段都不相同，必將為安全生產(chǎn)注入強大推進力。

2．2救援響應檢測

救援響應檢測是指對求救目標的回應能力、對告警目標的響應能力、對危險目標的發(fā)現(xiàn)和處置能力。主要體現(xiàn)在諸如火災現(xiàn)場救援、廣播報警通知、疲勞監(jiān)視監(jiān)測、自動無人駕駛以及工業(yè)自動化等領(lǐng)域。核心素質(zhì)要求系統(tǒng)具有超低反應時延，超快應急響應及處置速度。受限于無線技術(shù)傳輸速度和信令時延，無線技術(shù)應用并不是很多，目前用于煤礦瓦斯、火災監(jiān)測系統(tǒng)等報警系統(tǒng)的技術(shù)大多以微波通信、Zigbee，GSM短信息甚至基于光纖有線以太網(wǎng)形式鋪設(shè)。不僅沒能充分挖掘利用移動通信最新技術(shù)在超低時延、超高可靠性方面的潛力，甚至還引入很多無謂的設(shè)備投資。這種情況是亟待重視解決的。疲勞檢測、自動駕駛等領(lǐng)域受限于現(xiàn)有技術(shù)條件、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不能大規(guī)模部署。目前5G重要特性之一URLLC［7－8］(Ultra－reliableandLowLatencyCom-mun-ications)已經(jīng)可以提供毫秒級時延支持，同時隨著MEC、機器學習等技術(shù)的成熟以及移動通信與人工智能的進一步融合，自動駕駛技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、車載AD－HOC技術(shù)以及工業(yè)自動化技術(shù)將迎來難得的發(fā)展機遇。

2．3定位導航追蹤

定位導航追蹤特指對靜止及移動目標位置進行確定和對目的地進行導航。涉及到導航追蹤、精確定位、生命搜索與探測等多個領(lǐng)域。定位導航方面，起源于美國軍方的GPS(GlobalPo-sitioningSystem)由于衛(wèi)星信號覆蓋能力限制，隨后發(fā)展出基于GPS，GSM，GPRS等技術(shù)相結(jié)合的精確定位系統(tǒng)以及基于GPS，GIS(GeographicInformationSystem)技術(shù)的移動危險源監(jiān)控系統(tǒng)。大規(guī)模使用始于3G時代GPS同CDMA移動終端的完美結(jié)合。北斗系統(tǒng)［17］是我國根據(jù)國家安全及經(jīng)濟發(fā)展需要自主研發(fā)的定位通信系統(tǒng)。北斗同3G，4G相結(jié)合已經(jīng)在地址調(diào)查、遠洋漁業(yè)、民用導航等行業(yè)領(lǐng)域中顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢。生命搜索追蹤方面多應用于大型事故發(fā)生后對目標信號捕捉和搜索，例如井下定位搜索技術(shù)。目前國內(nèi)外井下定位使用的技術(shù)主要有漏泄電纜、RFID定位技術(shù)、RSSI定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)和GPS定位技術(shù)等。由于場景特殊，條件復雜多變，例如無線信號穿透巖石壁和金屬壁的傳輸特性由于信號衰減程度不同而有很大差異，使用單一技術(shù)不能有效解決定位和實時通信問題，應該針對不同井下環(huán)境設(shè)計不同定位通信系統(tǒng)。把低頻通信和高頻通信相結(jié)合，把有線和無線相結(jié)合，有源和無源相結(jié)合，針對不同應用場景充分發(fā)揮不同技術(shù)的優(yōu)勢是提升整體水平的關(guān)鍵。5G中的大規(guī)模天線技術(shù)(MassiveMIMO)［18］同北斗技術(shù)的結(jié)合，將會極大擴展信號覆蓋范圍和強度，有效提升定位精度，是未來一段時期研究熱點。

3關(guān)系建模分析

3．1SPITCMC模型

從安全生產(chǎn)信息技術(shù)能力發(fā)展狀況及其同移動通信技術(shù)發(fā)展過程對比可知二者關(guān)系緊密，移動通信技術(shù)各主要性能指標(KeyPerformanceIndicator，KPI)對安全生產(chǎn)信息技術(shù)能力總體水平提升具有決定性影響，如表1所示。表1中每個子能力同移動通信技術(shù)KPI相關(guān)選項已被標出。這里進一步定義并構(gòu)建二者關(guān)系模型為SPITCMC模型(SafetyProductionInformationTechnologyCapabilityandMobileCommunication)，其關(guān)系表達式為:SPITC=xB+yL+zC+uCP+vCL。其中SPITC代表安全生產(chǎn)信息技術(shù)能力值，B(Bandwidth)代表帶寬變量，L(Latency)代表時延變量，C(Connection)代表連接能力變量，CP(CoverandPenetrate)代表覆蓋穿透能力變量，CL(ComputeandLearn)代表計算學習能力變量。x，y，z，u，v分別代表相應的權(quán)重常量，后續(xù)特定需求場景下可根據(jù)因子分析法、熵值法［19］等理論進一步確定各指標權(quán)重參考值。此處僅根據(jù)移動通信技術(shù)不同發(fā)展階段需求特點，初步設(shè)置粗略參考值用于揭示各個階段技術(shù)發(fā)展狀況對安全生產(chǎn)的影響。比如5G最大移動帶寬和最低可靠時延均比4G提升10倍左右，而計算學習能力是5G引入云計算和AI機器學習后才引入的。此模型以量化方式對安全生產(chǎn)能力水平同安全科技水平進行建模，為解決安全生產(chǎn)中的風險分析以及如何高效、有針對性地進行安全生產(chǎn)戰(zhàn)略布局等棘手問題提供解決思路和理論依據(jù)。這里假定以4G為參考基準，不同階段具體參數(shù)值越大表明該階段相應方面能力越強，根據(jù)SPITCMC模型以及移動通信各階段具體參數(shù)對比關(guān)系可得到移動通信技術(shù)各個發(fā)展階段對應的SPITC值，如圖2所示?？梢钥吹?G較4G階段以及6G較5G階段SPITC值均有10倍級左右提升。從圖2可得各個階段SPITC值變化情況，從而為判斷安全生產(chǎn)水平高低以及進行產(chǎn)業(yè)布局和規(guī)劃提供了有力參考和依據(jù)。

3．25G應用及6G愿景分析

5G由于引入AI，SDN/NFV、網(wǎng)絡(luò)切片、MEC、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)［20］等技術(shù)。在災害預警救援、自動駕駛檢測、礦山物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等帶寬需求較高、時延要求敏感、連接數(shù)量很大的領(lǐng)域?qū)瓉肀l(fā)式增長。在2020年初疫情的緊急時刻，武漢火神山等醫(yī)院的AI自動測溫系統(tǒng)和5G云端智能醫(yī)療機器人可以提供導診、清潔消毒、遞送化驗單、送藥送飯等無接觸服務(wù)。警用巡邏機器人可以在防護重點地區(qū)24h不間斷自動運行，實現(xiàn)動態(tài)體溫檢測，降低一線人員被交叉感染的幾率，加快現(xiàn)場的反應速度，對疑似病例進行及時攔截。基于5G的大數(shù)據(jù)技術(shù)也對疫情防控和復工復產(chǎn)起到了不可替代的作用。突如其來的疫情加速了5G在安全生產(chǎn)中的應用，引發(fā)了對如何運用移動通信技術(shù)提升生產(chǎn)安全水平的深刻思考。在安全生產(chǎn)頂層設(shè)計中可以考慮引入網(wǎng)絡(luò)切片［21］技術(shù)思想，針對不同行業(yè)企業(yè)在同一時刻提供包含3方面子能力程度的定制切片。這種切片化的安全生產(chǎn)信息技術(shù)能力服務(wù)適用性強、目標精準，可以有效解決目前資源利用率低的問題，成為移動通信技術(shù)思想應用于安全生產(chǎn)領(lǐng)域的標桿示范案例。未來以5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為主要驅(qū)動力的新基建發(fā)展必將極大提升安全生產(chǎn)水平。根據(jù)SPITCMC模型可知，6G將開始于2030年前后，將引入衛(wèi)星通信等技術(shù)，使得沙漠、高山、草原、海洋甚至水下等區(qū)域的無線信號覆蓋問題得到解決，覆蓋穿透能力及計算學習能力將會較5G有質(zhì)的提升。屆時將為每個使用者創(chuàng)建AI助理，采集、存儲、交互用戶的所說、所見和所思，提供了第四維元素—“靈”(Genie)［22］，完成用戶意圖的獲取和決策的制定在虛擬現(xiàn)實場景中由AI助理完成虛擬交互。例如，在基于數(shù)字孿生技術(shù)的煤礦生產(chǎn)遠程控制系統(tǒng)中，可以在井下創(chuàng)建AI助理“靈”，使其直接同井下進行采煤挖掘作業(yè)的機器設(shè)備進行控制指令的交互操作，從而極大提升井下作業(yè)的安全保障水平。由圖2可知，基于意念驅(qū)動的6G全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)從真實世界體系到虛擬世界體系的延拓，其與各個生產(chǎn)行業(yè)的深度結(jié)合必將把生產(chǎn)中的安全級別提升到前所未有的高度。

4結(jié)論

1)定義和構(gòu)建安全生產(chǎn)信息技術(shù)能力以及SPITC-MC模型詮釋移動通信技術(shù)發(fā)展各個階段對安全生產(chǎn)產(chǎn)生的相對影響，對5G階段及未來的6G階段可能產(chǎn)生的影響進行預判分析。2)提出安全生產(chǎn)行業(yè)重視對移動通信技術(shù)發(fā)展跟蹤推進的重要性，保持行業(yè)及企業(yè)發(fā)展方向同移動通信技術(shù)進步有良好的契合度，最大程度保障安全生產(chǎn)水平。

作者：劉海鵬 周淑秋 單位：中國勞動關(guān)系學院