移动通信技术对安全生产的影响

移动通信技术对安全生产的影响

摘要:为了深入揭示安全生产水平同移动通信技术发展的内在联系，提出安全生产信息技术能力的概念及其监控管理连接、救援响应监测、定位导航追踪3方面子能力的定义，进而通过构建3方面子能力同移动通信主要性能指标之间的关系模型(SPITC-MC)，并对其进行深入分析和研究。研究结果表明:SPITCMC模型可以准确诠释过去移动通信技术发展对安全生产水平产生的影响，同时可用于预判未来移动通信技术发展对安全生产可能产生的影响程度，从而为后续相关工作的开展提供参考和借鉴。

关键词:安全生产;信息技术能力;移动通信;5G;6G;新基建

随着社会进步及其对生产能力水平要求不断提升，安全生产形式愈发严峻。各类生产安全事故时刻威胁着生产者生命健康安全。安全生产水平高低直接关系到社会发展稳定大局和广大人民群众切身利益。影响安全生产的要素多且复杂，通常认为可分为5个方面:安全文化、安全法制、安全责任、安全科技、安全投入［1］。其中安全科技水平直接决定了生产过程中的专业化、机械化、自动化、信息化、数字化程度，而通信技术尤其是移动通信技术发展又对社会科技整体水平发展起着极大促进作用。随着5G、人工智能(ArtificialIntelligence，AI)、物联网(InternetofThings，IOT)、区块链、云计算等移动通信及相关技术快速发展，安全生产能力水平及保障程度也得到持续提高和增强。《国家安全监管总局关于推动安全生产科技创新的若干意见》以及国家应急管理部征集的“十四五”应急管理规划重点课题研究方向中均明确指出要加强安全生产基础理论创新研究，总结和推进物联网、移动互联网、大数据、云计算等前沿信息技术在风险防控及安全生产中的经验和成果。从物联网技术［2－3］在矿山以及电厂生产中的应用、定位导航技术［4］在远洋运输领域中的应用、无线通信技术在各种应急救援领域的应用［5］、疲劳检测技术［6］在长途驾驶领域中的应用等诸多生产应用实例可以看出，移动通信及相关技术已经在安全生产领域发挥了重大作用。从现有研究成果的分布情况来看，目前主要集中在特定技术于特定领域的应用开发使用方面，对安全生产和移动通信之间内在关系从概念层级进行全局性辨析、比较和研究的成果较少。深入揭示安全生产同移动通信技术发展之间的内在

关系，全面了解和掌握如何更高效利用移动通信技术促进安全生产发展，对提高安全生产水平、合理统筹资源分配、优化战略布局规划具有重大现实意义。

1移动通信与安全生产

1．1移动通信技术发展过程。移动通信特指通信双方至少有一方处于运动中的通信，包括海、陆、空范围全覆盖通信。移动通信技术作为通信技术的重要组成部分，从其诞生到现在大致经历了如下几个阶段:1)第1代移动通信技术(1G)阶段:20世纪80年代初期—90年代初期，该阶段通信媒介为模拟载波信号，用户终端类型为体型较大的模拟终端机(大哥大)，并且造价很高，只能提供有限质量的语音通话服务。2)第2代移动通信技术(2G)阶段:20世纪90年代初期—90年代末期，该阶段代表技术为GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)和CDMA(CodeDivi-sionMultipleAccess)。由于采用了数字通信，无论从语音通话质量还是终端成本方面，都较第1阶段有了很大改进。并且支持GPＲS(GeneralPacketＲadioService)上网和短消息服务。3)第3代移动通信技术(3G)阶段:21世纪初—2010年前后，该阶段主要通信技术为TD－SCDMA，WC-DMA，CDMA2000。除了通话质量有很大提高和网络带宽有明显提升，还出现了视频通话、网络会议等简单多媒体业务。4)第4代移动通信技术(4G)阶段:21世纪10年代初期———21世纪10年代末期，该阶段通信技术以LTE(LongTermEvolution)和WiMAX技术为代表，相对前几个阶段最重要的特征为诸如微信、快手、抖音短视频等各种形式的业务层出不穷。5)第5代移动通信技术(5G)［7－8］阶段:21世纪20年代初期开始并且预计到21世纪30年代初期结束，该阶段关键技术包括软件定义网络(SoftwareDefinedNet-work，SDN)、网络功能虚拟化(NetworkFunctionVirtual-ization，NFV)、网络切片(NetworkSlicing)、移动边缘计算(MobileEdgeComputing，MEC)［9］等。5G技术主要体现在超高带宽、超低网络时延、超大容量网络连接数量。VＲ(VirtualＲeality)、AＲ(Augmented Ｒeality)、自动驾驶等新的业务将得到普及。6)预计第6阶段(6G)［10］:21世纪30年代初期开始，具体技术范畴和应用场景定义刚刚启动。移动通信技术以大约每10a为1个周期经历技术和设备更新。3G后期智能手机的出现以及4G 时期移动互联网应用大爆发更是极大促进了移动通信技术同国民经济各行各业之间的融合与沟通，移动通信技术正以不可逆转的趋势深刻影响与改变着社会生

产生活的方方面面。1．2安全生产相关要素。安全生产在广义上特指在生产过程中生产者能够保证人身安全、周边环境安全和可持续发展。狭义上通常指生产过程中不发生各种事故，不直接或者间接产生有害物质。生产过程涉及到工业、农业、交通运输业等国民经济各行业领域。影响生产是否安全的要素很多，比如生产工具的机械化水平、自动化水平、信息化水平等，而这些因素又同当时社会经济、科技发展水平密切相关。这里重点关注科技领域移动通信技术对安全生产的影响。根据对安全生产要素分析［1］并且结合国内外诸多关于信息生产力方面的研究成果［11－14］，把影响安全生产机械化、自动化、信息化和数字化等安全科技水平的所有能力要素总和定义为安全生产信息技术能力(SafetyProductionInformationTechnologyCapability，SPITC)，SPITC由监控管理连接子能力、救援响应检测子能力、定位导航追踪子能力3部分组成，如图1所示。3个子能力各自侧重点不同，监控管理连接主要侧重对系统运行和生产过程进行实时监控、命令下发及响应、性能采集等方面内容，强调的是当前可用带宽及最大连接网络节点数量。救援响应检测侧重于对系统主动发起报警请求的响应，监测设备运行状况，强调设备与管理者之间数据交互的反应时延。定位导航追踪侧重于对目标进行位置记录、跟踪及搜索的能力，强调的是信号覆盖范围及强度。3方面子能力虽然各自侧重点不同，但也不是毫无关联。1种能力的提升和改变通常也伴随着其他方面能力的变化。例如，带宽的增加可提高对高清视频传输的保证，有利于监控能力提升，同时也为被追踪目标传输更多位置相关信息从而更精确定位提供保障。系统响应时延的降低同时也有利于对被追踪目标在紧急状况下实施救援。只有3方面子能力全方位、均衡的发展提高才能保证安全生产信息技术能力水平的整体提高。

2安全生产信息技术能力

2．1监控管理连接。监控管理连接是指对生产现场进行实时全方位监督、发送指令、接收响应，涉及到众多行业和领域，比如交通运输、采矿业、建筑、化工、环保、核工业等。从监控角度讲，超高的带宽支持是高质量监控视频传输的前提。从管理和连接角度讲，允许海量实体同时进行连接是实现全方位覆盖的保证。在20世纪90年代中后期传感器技术逐渐成熟并且物联网技术［15］被明确定义之前，可以说并没有严格意义上的管理和连接操作。直到21世纪初，随着

智能传感器技术与AI、物联网技术的深度融合，仅井下就出现了风速传感器、甲烷传感器、瓦斯传感器、馈电传感器、负压传感器、各种有害气体传感器等多种实时感知井下环境数据的传感器。物联网对安全生产的保障能力达到了前所未有的高度。以物联网支持为主要特征的5G提供了eMBB(EnhancedMobileBroadband)和mMTC(MassiveMachineTypeofCommunication)2方面能力［7－8］，不仅能够保证进行移动状态下4K/8K高清分辨率视频传输，还支持对海量连接的处理能力，连接密度能够达到1个/m2级别。相比之前的窄带物联网NB－IOT(NarrowBandIOT)有了巨大进步。同时5G物联网同样非常适用于电力、化工、钢厂、造船等其他大型生产型行业的安全监控管理领域。如果说物联网完成了大容量连接功能的话，各种有线及无线通信技术则保证了监控和管理功能。最初漏泄电缆通信、低频透地通信、井下小灵通技术、大灵通技术(SCDMA)仅能够为井下提供质量有限的通话连接。随着GPＲS，3G(WCDMA，TD－SCDMA，CDMA2000)出现，已经可以为电梯、压力容器、起重机械、客运索道等特殊设备提供监控服务。随后出现的IMS(IPMultime-diaSubsystem)及软交换技术在覆盖距离、频谱利用效率、带宽容量等方面都有了长足长进，从而促使电力系统等行业的安全保障水平有了明显提升。4G时代可以对液压支架、采煤机、转载机运行更好的实时监控，实现矿井集群调度，井下视频监控［16］、井下语音视频通信等，在采矿业、船舶业等领域得到了很好的应用。2019年世界机器人大会煤矿机器人的出现已经预示着5G 注定会与之前各个阶段都不相同，必将为安全生产注入强大推进力。2．2救援响应检测。救援响应检测是指对求救目标的回应能力、对告警目标的响应能力、对危险目标的发现和处置能力。主要体现在诸如火灾现场救援、广播报警通知、疲劳监视监测、自动无人驾驶以及工业自动化等领域。核心素质要求系统具有超低反应时延，超快应急响应及处置速度。受限于无线技术传输速度和信令时延，无线技术应用并不是很多，目前用于煤矿瓦斯、火灾监测系统等报警系统的技术大多以微波通信、Zigbee，GSM短信息甚至基于光纤有线以太网形式铺设。不仅没能充分挖掘利用移动通信最新技术在超低时延、超高可靠性方面的潜力，甚至还引入很多无谓的设备投资。这种情况是亟待重视解决的。疲劳检测、自动驾驶等领域受限于现有技术条件、网络架构不能大规模部署。目前5G重要特性之一U ＲLLC［7－8］(Ultra－reliableandLowLatencyCom-mun-ications)已经可以提

供毫秒级时延支持，同时随着MEC、机器学习等技术的成熟以及移动通信与人工智能的进一步融合，自动驾驶技术、车联网技术、车载AD－HOC技术以及工业自动化技术将迎来难得的发展机遇。2．3定位导航追踪。定位导航追踪特指对静止及移动目标位置进行确定和对目的地进行导航。涉及到导航追踪、精确定位、生命搜索与探测等多个领域。定位导航方面，起源于美国军方的GPS(GlobalPo-sitioningSystem)由于卫星信号覆盖能力限制，随后发展出基于GPS，GSM，GPＲS等技术相结合的精确定位系统以及基于GPS，GIS(GeographicInformationSystem)技术的移动危险源监控系统。大规模使用始于3G时代GPS同CDMA移动终端的完美结合。北斗系统［17］是我国根据国家安全及经济发展需要自主研发的定位通信系统。北斗同3G，4G相结合已经在地址调查、远洋渔业、民用导航等行业领域中显现出巨大的发展潜力和优势。生命搜索追踪方面多应用于大型事故发生后对目标信号的捕捉和搜索，例如井下定位搜索技术。目前国内外井下定位使用的技术主要有漏泄电缆、ＲFID定位技术、ＲSSI定位技术、ZigBee定位技术和GPS定位技术等。由于场景特殊，条件复杂多变，例如无线信号穿透岩石壁和金属壁的传输特性由于信号衰减程度不同而有很大差异，使用单一技术不能有效解决定位和实时通信问题，应该针对不同井下环境设计不同定位通信系统。把低频通信和高频通信相结合，把有线和无线相结合，有源和无源相结合，针对不同应用场景充分发挥不同技术的优势是提升整体水平的关键。5G中的大规模天线技术(MassiveMIMO)［18］同北斗技术的结合，将会极大扩展信号覆盖范围和强度，有效提升定位精度，是未来一段时期研究热点。 3关系建模分析

3．1SPITCMC模型。从安全生产信息技术能力发展状况及其同移动通信技术发展过程对比可知二者关系紧密，移动通信技术各主要性能指标(KeyPerformanceIndicator，KPI)对安全生产信息技术能力总体水平提升具有决定性影响，如表1所示。表1中每个子能力同移动通信技术KPI相关选项已被标出。这里进一步定义并构建二者关系模型为SPITCMC模型(SafetyProductionInformationTechnologyCapabilityandMobileCommunicatio n)，其关系表达式为:SPITC=xB+yL+zC+uCP+vCL。其中SPITC代表安全生产信息技术能力值，B(Bandwidth)代表带宽变量，L(Latency)代表时延变量，

C(Connection)代表连接能力变量，CP(CoverandPenetrate)代表覆盖穿透能力变量，CL(ComputeandLearn)代表计算学习能力变量。x，y，z，u，v分别代表相应的权重常量，后续特定需求场景下可根据因子分析法、熵值法［19］等理论进一步确定各指标权重参考值。此处仅根据移动通信技术不同发展阶段需求特点，初步设置粗略参考值用于揭示各个阶段技术发展状况对安全生产的影响。比如5G 最大移动带宽和最低可靠时延均比4G提升10倍左右，而计算学习能力是5G引入云计算和AI机器学习后才引入的。此模型以量化方式对安全生产能力水平同安全科技水平进行建模，为解决安全生产中的风险分析以及如何高效、有针对性地进行安全生产战略布局等棘手问题提供解决思路和理论依据。这里假定以4G 为参考基准，不同阶段具体参数值越大表明该阶段相应方面能力越强，根据SPITCMC模型以及移动通信各阶段具体参数对比关系可得到移动通信技术各个发展阶段对应的SPITC值，如图2所示。可以看到5G较4G阶段以及6G较5G阶段SPITC值均有10倍级左右提升。从图2可得各个阶段SPITC值变化情况，从而为判断安全生产水平高低以及进行产业布局和规划提供了有力参考和依据。3．25G 应用及6G愿景分析。5G由于引入AI，SDN/NFV、网络切片、MEC、区块链、大数据［20］等技术。在灾害预警救援、自动驾驶检测、矿山物联网、工业互联网等带宽需求较高、时延要求敏感、连接数量很大的领域将会迎来爆发式增长。在2020年初新冠疫情的紧急时刻，武汉火神山等医院的AI自动测温系统和5G云端智能医疗机器人可以提供导诊、清洁消毒、递送化验单、送药送饭等无接触服务。警用巡逻机器人可以在防护重点地区24h不间断自动运行，实现动态体温检测，降低一线人员被交叉感染的几率，加快现场的反应速度，对疑似病例进行及时拦截。基于5G的大数据技术也对疫情防控和复工复产起到了不可替代的作用。突如其来的疫情加速了5G在安全生产中的应用，引发了对如何运用移动通信技术提升生产安全水平的深刻思考。在安全生产顶层设计中可以考虑引入网络切片［21］技术思想，针对不同行业企业在同一时刻提供包含3方面子能力程度的定制切片。这种切片化的安全生产信息技术能力服务适用性强、目标精准，可以有效解决目前资源利用率低的问题，成为移动通信技术思想应用于安全生产领域的标杆示范案例。未来以5G和工业互联网为主要驱动力的新基建发展必将极大提升安全生产水平。根据SPITCMC模型可知，6G将开始于2030年前后，将引入卫星通信等

技术，使得沙漠、高山、草原、海洋甚至水下等区域的无线信号覆盖问题得到解决，覆盖穿透能力及计算学习能力将会较5G有质的提升。届时将为每个使用者创建AI助理，采集、存储、交互用户的所说、所见和所思，提供了第四维元素—“灵”(Genie)［22］，完成用户意图的获取和决策的制定在虚拟现实场景中由AI助理完成虚拟交互。例如，在基于数字孪生技术的煤矿生产远程控制系统中，可以在井下创建AI助理“灵”，使其直接同井下进行采煤挖掘作业的机器设备进行控制指令的交互操作，从而极大提升井下作业的安全保障水平。由图2可知，基于意念驱动的6G全新网络架构能够实现从真实世界体系到虚拟世界体系的延拓，其与各个生产行业的深度结合必将把生产中的安全级别提升到前所未有的高度。

4结论

1)定义和构建安全生产信息技术能力以及SPITC-MC模型诠释移动通信技术发展各个阶段对安全生产产生的相对影响，对5G阶段及未来的6G阶段可能产生的影响进行预判分析。2)提出安全生产行业重视对移动通信技术发展跟踪推进的重要性，保持行业及企业发展方向同移动通信技术进步有良好的契合度，最大程度保障安全生产水平。