無人機在土木工程應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀

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摘要：掌握土木工程施工現(xiàn)場狀況，如施工進度、質(zhì)量問題、安全隱患等，為項目管理者及時做出決策具有重要的意義。傳統(tǒng)的人工監(jiān)察與攝像頭監(jiān)控方式效率較低且不靈活，無法應(yīng)對突發(fā)事件。因此，該文闡述了無人機在土木工程前期準備、施工過程、運營維護三個不同階段的具體應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了無人機在土木工程應(yīng)用中所面臨的機遇與挑戰(zhàn)，并展望了無人機在土木工程應(yīng)用中的研究方向，如無人機結(jié)合VR眼鏡實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳遞等。

關(guān)鍵詞：無人機；土木工程；進度管理；安全監(jiān)管；質(zhì)量管理

0引言

隨著城市化進程的不斷深入發(fā)展，我國土木工程建設(shè)規(guī)模越來越大，社會對建筑工程的需求也越來越多，在擴大規(guī)模的同時，也要求實現(xiàn)質(zhì)量的保證、生態(tài)環(huán)境的保護、施工現(xiàn)場安全文明建設(shè)等，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[1-4]。而實際中，近年來，部分住房與橋梁隧道建設(shè)等頻頻曝出施工現(xiàn)場安全事故，業(yè)主多次投訴開發(fā)商房屋出現(xiàn)漏水、裂縫、墻體傾斜脫落等質(zhì)量問題，橋梁等建筑在使用過程中突發(fā)局部或整體垮塌等現(xiàn)象也時有發(fā)生，施工現(xiàn)場存在的環(huán)境污染問題遲遲沒有得到改善等等[5-11]。要解決土木工程建設(shè)與使用過程中質(zhì)量、安全、生態(tài)保護等問題，首要任務(wù)是獲取施工現(xiàn)場或建筑體的信息，方便項目管理者迅速及時發(fā)現(xiàn)問題并快速做出決策，減少甚至杜絕安全事故的發(fā)生、提高工程質(zhì)量、保證工程順利完成。近年來，隨著高科技的迅速發(fā)展，在獲取空間信息方面，無人機具有靈活機動、快速高效、作業(yè)成本低、作業(yè)范圍廣等優(yōu)勢[12-13]。因此，除軍事用途外，無人機已在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如警務(wù)應(yīng)用、新聞媒體、搶險救災(zāi)、航空攝影、農(nóng)林監(jiān)測、氣象監(jiān)測、海洋測繪等[14-15]。無人機作為平臺，可根據(jù)用途搭載不同的裝備，如高清攝像機、遙感紅外相機、紅外熱像儀、雷達、三維掃描儀、農(nóng)用藥品等。為此，我們亦可將無人機應(yīng)用于土木工程中，解決我們在土木工程中遇到的質(zhì)量、安全、進度、環(huán)境污染、文明施工等問題。本文從無人機在土木工程中的應(yīng)用優(yōu)勢、具體應(yīng)用、面臨的挑戰(zhàn)等方面進行分析與總結(jié)。

1無人機在土木工程應(yīng)用中的優(yōu)勢

目前，常用的現(xiàn)場進度掌控、安全監(jiān)管等施工信息采集方式主要有兩類，一是人工獲取，二是監(jiān)控獲取。人工獲取較靈活但過于費時、費力，且效率低，無形中增加人工成本。監(jiān)控獲取雖能實時獲得信息，但監(jiān)控不靈活、視角單一，且有死角，對于突發(fā)事件反應(yīng)較慢[10]。施工現(xiàn)場環(huán)境污染監(jiān)控，如PM2.5、揚塵等，一般通過視頻監(jiān)控、儀器采樣或固定點監(jiān)測，這些方法不僅效率低且布設(shè)范圍有限。而現(xiàn)在的施工現(xiàn)場為提高空氣質(zhì)量、減少揚塵等，大部分采用沿固定路線布設(shè)水管噴射水汽或使用抑塵射霧器等設(shè)備，一定程度上能改善施工環(huán)境，但效率較低，成本較高[10]?？偨Y(jié)來看，常用的信息采集方式大部分為地面監(jiān)控，少部分為空中監(jiān)控，如RM2.5檢測儀、攝像機等架設(shè)在高處，但這仍屬于固定型檢測，只能定點監(jiān)控局部信息。相對而言，無人機搭載攝像機、檢測儀、定位傳感器等專用設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送至地面不僅成本低、操縱靈活、安全風險小、覆蓋區(qū)域廣，且是一種新穎、可靠、低成本高收益的土木工程數(shù)據(jù)采集方式，只不過，在風力較大或氣溫很低時，無人機飛行會受到較大影響。綜上所述，與其他施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方式相比，無人機有一定的作業(yè)要求，但在施工現(xiàn)場的信息采集、環(huán)境改善等方面有著顯著的優(yōu)勢，具體如下：（1）監(jiān)測范圍廣：低空飛行、巡航高度可調(diào)、速度快、定點懸停、變換視角靈活，因此可以實現(xiàn)從局部到廣域的點、線、面施工現(xiàn)場與建筑體監(jiān)測，有利于項目管理者快速、高效地控制局面；（2）采集信息多樣化：無人機作為平臺，可搭載不同的工具，如攝像機、三維激光掃描儀、紅外熱像儀等。因此根據(jù)需要可以獲取感興趣區(qū)域的圖像、視頻、三維激光點云等多樣信息；（3）機動靈活：能夠通過遙控隨時改變飛行高度、方向、速度、相機角度等，不受地面施工現(xiàn)場或建筑體影響；（4）可應(yīng)急救援：在施工現(xiàn)場或建筑體有事故發(fā)生時，無人機可以立即出動，全局深入現(xiàn)場觀察實況，為管理者提供信息以便及時做出決策；（5）風險低：不用考慮駕駛員風險，能夠在惡劣環(huán)境等情況下執(zhí)行高危任務(wù)；針對危險性大、難度大的施工點，遠程監(jiān)控，無需人工接觸，降低危險系數(shù)；（6）效率高：無人機作業(yè)準備時間短，可隨時出動，具有低投入、高效益的特點。因此，無人機參與土木工程建設(shè)，發(fā)揮自己的優(yōu)勢與專長，監(jiān)控施工現(xiàn)場，可為施工進度、施工質(zhì)量、安全監(jiān)控等提供有力的數(shù)據(jù)。

2無人機在土木工程前期準備階段的應(yīng)用

在土木工程施工之前需進行前期準備工作，包括勘察、規(guī)劃、設(shè)計。其中規(guī)劃與設(shè)計依賴于勘察階段所獲取的施工地點地形地貌資料。因此，無人機在前期準備工作中主要可用于測繪制圖，通過無人機航拍結(jié)合地面控制點獲取高精度的地形地面，如經(jīng)pix4dMapper等軟件處理獲取地面正射影像與三維模型、基于空三加密后的正射影像經(jīng)MicrostationV8.0軟件自動獲取地形圖。利用無人機進行測繪制圖主要有三點優(yōu)勢：（1）精細化三維建模；（2）快速更新測圖；（3）惡劣環(huán)境的作業(yè)手段[16]。

3無人機在土木工程施工管理階段的應(yīng)用

在土木工程施工管理階段，無人機主要用于進度管理、安全監(jiān)管、質(zhì)量管理、文明施工、成本管理。（1）進度管理工程開工往往都有進度安排，但是實際上由于各種原因，如土木工程施工行業(yè)的從業(yè)人員復(fù)雜，大部分從業(yè)者文化程度較低、整體素質(zhì)不高，返工或緩工等現(xiàn)象普遍存在，進度緩慢。通常工地進度管理采用人工監(jiān)工，該方法不僅費時、費力、效率低，無法全面掌控，且依然有不少消極怠工等各種問題。此外，項目施工過程中需要實時掌握項目的進展情況，現(xiàn)在大部分都是單純地利用相機拍攝施工現(xiàn)場的二維畫面，該方法不能夠?qū)κ┕がF(xiàn)場進行全面分析。因此，利用無人機在現(xiàn)場進度管理中主要有以下幾個應(yīng)用與優(yōu)勢：①將高清攝像頭搭載于無人機，通過設(shè)定固定航線、控制云臺可以在施工現(xiàn)場從不同高度、不同角度監(jiān)督工人們施工，可以更有效地監(jiān)視和規(guī)范員工的行為；②無人機搭載三維激光掃描儀獲取施工現(xiàn)場點云數(shù)據(jù)，通過revit等建模軟件建立三維模型，對比規(guī)劃設(shè)計的BIM模型分析進度等，方便項目管理者查找疏漏并及時制定下一項工作的實施方案；③從高處監(jiān)測整個工程施工狀況，通過設(shè)置飛行路線，拍攝關(guān)鍵施工點、人工難以接近的現(xiàn)場，幫助管理者從整體上了解施工狀況，并準確及時地做出決策[16]；④結(jié)合航空攝影技術(shù)、虛擬圖像技術(shù)可生成真實視圖與虛擬視圖混合的三維模型，重現(xiàn)施工現(xiàn)場[16]。（2）安全監(jiān)管隨著“智慧工地”的概念深入人心，人們越來越重視工程工地的安全問題。施工現(xiàn)場工作種類多、露天作業(yè)多、人員流動大、地形復(fù)雜，具有較大的安全隱患。但近年來，工地上高處墜落、觸電、物體打擊、機械傷害、坍塌事故常有發(fā)生。雖然人們越來越重視信息化現(xiàn)場管理的應(yīng)用，采用遠程監(jiān)控施工現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)問題后及時與管理者溝通，但該方法無法做到事故預(yù)防，減少事故發(fā)生。因此，可以應(yīng)用無人機監(jiān)管安全，減少甚至杜絕事故發(fā)生，做好預(yù)防工作，包括：①監(jiān)管施工人員是否按照規(guī)范安全作業(yè)，例如是否佩戴安全帽、高空作業(yè)是否有系安全帶等；②監(jiān)管施工單位是否按照安全管理規(guī)定執(zhí)行，例如邊坡等危險地帶是否設(shè)有欄桿或明顯的安全警告標志等；③監(jiān)管施工現(xiàn)場交通組織情況，例如交通要道能否有序進出車輛、是否有擁堵現(xiàn)象、消防通道是否通暢等；④監(jiān)管施工現(xiàn)場建筑材料堆放情況，例如鋼筋、水泥等材料是否放置在規(guī)定的場地等；⑤監(jiān)管施工現(xiàn)場設(shè)備操作情況，嚴禁人員在已吊起的構(gòu)件下面或起重臂下旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)作業(yè)、行走或停留等；⑥管理者實時場外監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題及時和現(xiàn)場人員聯(lián)絡(luò)，預(yù)防事故的發(fā)生[9]。（3）質(zhì)量管理無論是現(xiàn)澆式還是現(xiàn)在大力提倡的裝配式土木工程施工，都存在有質(zhì)量隱患?，F(xiàn)澆式土木工程施工中由于風荷載、地基不均勻沉降、混凝土配合比等因素，易導(dǎo)致建筑物、橋梁隧道等產(chǎn)生混凝土蜂窩麻面、露筋甚至裂縫等現(xiàn)象。裝配式土木工程施工中由于部分疊合板跨度過大、運輸過程中板間擠壓等產(chǎn)生裂紋，裂縫延伸至整個板塊，導(dǎo)致構(gòu)建破壞等問題。傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測方法是利用專業(yè)儀器對建筑物或橋梁隧道等各個部位的力學性能進行測驗，用肉眼或者望遠鏡等輔助工具對其進行外觀質(zhì)量測驗，對于特別復(fù)雜的工程的特殊部位或者超高層建筑，人工檢測危險性大、效率低、難度大，且對于一些面積大或不易觀察的地方容易產(chǎn)生檢測遺漏的現(xiàn)象[11]。結(jié)合無人機的優(yōu)勢與土木工程質(zhì)量問題的特點，無人機在土木工程施工過程至質(zhì)量管理中的應(yīng)用主要為：①無人機搭載自動掃描攝像頭，圍繞建筑物或橋梁隧道等工程表面飛行，定點懸停觀測，將圖像傳輸至地面站，經(jīng)圖像處理等軟件技術(shù)自動識別裂縫等信息[9]；②配有360°全景攝像頭的無人機三維建模技術(shù)，結(jié)合圖像特征提取技術(shù)，記錄質(zhì)量問題所在位置[8]。（4）綠色文明施工近年來，隨著城市的發(fā)展，環(huán)境保護是人人關(guān)心的話題，因此土木工程施工也要求綠色、文明施工，那么無人機在綠色文明施工中的應(yīng)用主要有：①無人機搭載PM2.5檢測儀等專業(yè)設(shè)備，監(jiān)測施工現(xiàn)場揚塵問題，自動、準確地識別寬廣區(qū)域的污染源[10]；②掌握材料和設(shè)施堆放、廢物廢渣清理、夏季涼棚及冬季暖棚、照明設(shè)施等情況，實現(xiàn)文明施工。

4無人機在土木運營維護階段的應(yīng)用

工程完成后投入運營，并不意味著對工程的監(jiān)管結(jié)束。雖然原則上任何一個建筑物或橋梁隧道等都有一定的使用壽命周期，但部分工程在未達壽命周期就會出現(xiàn)質(zhì)量問題，類似于2017年4月14日杭州蕭山一段剛建成8年的高架橋坍塌的事件常有發(fā)生，因此我們有必要在工程運營階段進行監(jiān)測與維護?，F(xiàn)在無人機已經(jīng)逐步應(yīng)用于工程運營階段變形檢測中，主要有：使用無人機獲取橋梁隧道、建筑物等表面信息，借助圖像提取技術(shù)提取裂縫，獲得裂縫寬度大小、混凝土塌落狀況等指標的定量檢測以及工程表面各種缺陷的定性檢測，比較變形允許值，管理者可快速判斷是否需采取措施預(yù)防坍塌等事故發(fā)生。

5無人機在土木工程應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

使用無人機采集信息在時效性、經(jīng)濟性、機動性和采集范圍等方面都有明顯的優(yōu)勢，在土木工程領(lǐng)域也得到應(yīng)用與發(fā)展，但若要將無人機廣泛應(yīng)用于土木工程中還需要一定的時間，至今許多相關(guān)理論、技術(shù)、方法還不夠完善，主要面臨以下幾個困難：（1）無人機穩(wěn)定性不確定：根據(jù)土木工程的特點，只能采用多旋翼無人機。多旋翼無人機無論是懸停還是飛行過程中都處于振動狀態(tài)，拍攝視頻或照片中會有抖動，不可避免會造成圖像與視頻模糊的現(xiàn)象；（2）無人機自身技術(shù)有限，有待進一步提高，如飛行受天氣影響大，當出現(xiàn)陰雨、霧霾、風力大等天氣時無法使用，電池巡航時間受限，一般在15～30min左右，無法長時間作業(yè)，以及負荷受限等；（3）土木工程施工現(xiàn)場復(fù)雜，不利于無人機飛行，主要體現(xiàn)在施工現(xiàn)場材料、機械設(shè)備繁多，高度參差不齊，且在不斷變化中，易導(dǎo)致無人機墜機、拍攝效果不清晰；（4）我國無人機管理相關(guān)規(guī)定滯后：雖然我國無人機發(fā)展迅速，但對操作員資質(zhì)和技能、禁飛區(qū)域、飛行監(jiān)控等管理不完善，導(dǎo)致無人機應(yīng)用受限，目前無法大力推廣。

6結(jié)語

隨著城市的迅速發(fā)展，社會對土木工程質(zhì)量、安全、可持續(xù)發(fā)展等多方面提出越來越高的要求，而無人機憑借高效快速、經(jīng)濟、作業(yè)成本低、風險低、機動靈活等優(yōu)勢受到人們的關(guān)注，并在土木工程領(lǐng)域得到應(yīng)用與推廣。根據(jù)需要，無人機可搭載高清相機、三維掃描儀、PM2.5檢測儀等設(shè)備采集信息、監(jiān)控與管理施工現(xiàn)場，應(yīng)用于測繪制圖、進度管理、質(zhì)量管理、安全監(jiān)管、綠色文明施工、運營維護監(jiān)測等多方面，貫穿土木工程項目整個過程。雖然由于無人機自身不足、土木工程施工現(xiàn)場特點等因素使得無人機在土木工程的應(yīng)用中面臨一些挑戰(zhàn)，但相信隨著相關(guān)理論與技術(shù)的發(fā)展、管理規(guī)定的不斷完善，無人機在土木工程中將會擁有良好的應(yīng)用前景。解決視頻的大數(shù)量存儲與快速處理、無人機結(jié)合VR眼鏡實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳遞、無人機云臺與VR眼鏡聯(lián)動并實現(xiàn)操作者置身于虛擬環(huán)境中的沉浸式體驗，減少后期室內(nèi)數(shù)據(jù)處理與三維建模等過程、將數(shù)據(jù)處理模塊置于無人機上可直接將處理結(jié)果傳遞給項目管理者、無人機的電池瓶頸得以解決等，都是需要進一步探索的方向。

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作者：劉細梅 單位：華南理工大學 土木與交通學院