無人機在土木工程應用中的研究現狀
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摘要：掌握土木工程施工現場狀況，如施工進度、質量問題、安全隱患等，為項目管理者及時做出決策具有重要的意義。傳統的人工監察與攝像頭監控方式效率較低且不靈活，無法應對突發事件。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用現狀，探討了無人機在土木工程應用中所面臨的機遇與挑戰，并展望了無人機在土木工程應用中的研究方向，如無人機結合VR眼鏡實現實時數據傳遞等。
關鍵詞：無人機；土木工程；進度管理；安全監管；質量管理
0引言
隨著城市化進程的不斷深入發展，我國土木工程建設規模越來越大，社會對建筑工程的需求也越來越多，在擴大規模的同時，也要求實現質量的保證、生態環境的保護、施工現場安全文明建設等，實現可持續發展[1-4]。而實際中，近年來，部分住房與橋梁隧道建設等頻頻曝出施工現場安全事故，業主多次投訴開發商房屋出現漏水、裂縫、墻體傾斜脫落等質量問題，橋梁等建筑在使用過程中突發局部或整體垮塌等現象也時有發生，施工現場存在的環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與使用過程中質量、安全、生態保護等問題，首要任務是獲取施工現場或建筑體的信息，方便項目管理者迅速及時發現問題并快速做出決策，減少甚至杜絕安全事故的發生、提高工程質量、保證工程順利完成。近年來，隨著高科技的迅速發展，在獲取空間信息方面，無人機具有靈活機動、快速高效、作業成本低、作業范圍廣等優勢[12-13]。因此，除軍事用途外，無人機已在多個領域得到廣泛應用，如警務應用、新聞媒體、搶險救災、航空攝影、農林監測、氣象監測、海洋測繪等[14-15]。無人機作為平臺，可根據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、農用藥品等。為此，我們亦可將無人機應用于土木工程中，解決我們在土木工程中遇到的質量、安全、進度、環境污染、文明施工等問題。本文從無人機在土木工程中的應用優勢、具體應用、面臨的挑戰等方面進行分析與總結。
1無人機在土木工程應用中的優勢
目前，常用的現場進度掌控、安全監管等施工信息采集方式主要有兩類，一是人工獲取，二是監控獲取。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。監控獲取雖能實時獲得信息，但監控不靈活、視角單一，且有死角，對于突發事件反應較慢[10]。施工現場環境污染監控，如PM2.5、揚塵等，一般通過視頻監控、儀器采樣或固定點監測，這些方法不僅效率低且布設范圍有限。而現在的施工現場為提高空氣質量、減少揚塵等，大部分采用沿固定路線布設水管噴射水汽或使用抑塵射霧器等設備，一定程度上能改善施工環境，但效率較低，成本較高[10]。總結來看，常用的信息采集方式大部分為地面監控，少部分為空中監控，如RM2.5檢測儀、攝像機等架設在高處，但這仍屬于固定型檢測，只能定點監控局部信息。相對而言，無人機搭載攝像機、檢測儀、定位傳感器等專用設備將數據傳送至地面不僅成本低、操縱靈活、安全風險小、覆蓋區域廣，且是一種新穎、可靠、低成本高收益的土木工程數據采集方式，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，與其他施工現場數據采集方式相比，無人機有一定的作業要求，但在施工現場的信息采集、環境改善等方面有著顯著的優勢，具體如下：（1）監測范圍廣：低空飛行、巡航高度可調、速度快、定點懸停、變換視角靈活，因此可以實現從局部到廣域的點、線、面施工現場與建筑體監測，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。因此根據需要可以獲取感興趣區域的圖像、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，不受地面施工現場或建筑體影響；（4）可應急救援：在施工現場或建筑體有事故發生時，無人機可以立即出動，全局深入現場觀察實況，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，能夠在惡劣環境等情況下執行高危任務；針對危險性大、難度大的施工點，遠程監控，無需人工接觸，降低危險系數；（6）效率高：無人機作業準備時間短，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，發揮自己的優勢與專長，監控施工現場，可為施工進度、施工質量、安全監控等提供有力的數據。
2無人機在土木工程前期準備階段的應用
在土木工程施工之前需進行前期準備工作，包括勘察、規劃、設計。其中規劃與設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，通過無人機航拍結合地面控制點獲取高精度的地形地面，如經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勢：（1）精細化三維建模；（2）快速更新測圖；（3）惡劣環境的作業手段[16]。
3無人機在土木工程施工管理階段的應用
在土木工程施工管理階段，無人機主要用于進度管理、安全監管、質量管理、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的從業人員復雜，大部分從業者文化程度較低、整體素質不高，返工或緩工等現象普遍存在，進度緩慢。通常工地進度管理采用人工監工，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，現在大部分都是單純地利用相機拍攝施工現場的二維畫面，該方法不能夠對施工現場進行全面分析。因此，利用無人機在現場進度管理中主要有以下幾個應用與優勢：①將高清攝像頭搭載于無人機，通過設定固定航線、控制云臺可以在施工現場從不同高度、不同角度監督工人們施工，可以更有效地監視和規范員工的行為；②無人機搭載三維激光掃描儀獲取施工現場點云數據，通過revit等建模軟件建立三維模型，對比規劃設計的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從高處監測整個工程施工狀況，通過設置飛行路線，拍攝關鍵施工點、人工難以接近的現場，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結合航空攝影技術、虛擬圖像技術可生成真實視圖與虛擬視圖混合的三維模型，重現施工現場[16]。（2）安全監管隨著“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。施工現場工作種類多、露天作業多、人員流動大、地形復雜，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、坍塌事故常有發生。雖然人們越來越重視信息化現場管理的應用，采用遠程監控施工現場，發現問題后及時與管理者溝通，但該方法無法做到事故預防，減少事故發生。因此，可以應用無人機監管安全，減少甚至杜絕事故發生，做好預防工作，包括：①監管施工人員是否按照規范安全作業，例如是否佩戴安全帽、高空作業是否有系安全帶等；②監管施工單位是否按照安全管理規定執行，例如邊坡等危險地帶是否設有欄桿或明顯的安全警告標志等；③監管施工現場交通組織情況，例如交通要道能否有序進出車輛、是否有擁堵現象、消防通道是否通暢等；④監管施工現場建筑材料堆放情況，例如鋼筋、水泥等材料是否放置在規定的場地等；⑤監管施工現場設備操作情況，嚴禁人員在已吊起的構件下面或起重臂下旋轉范圍內作業、行走或停留等；⑥管理者實時場外監控，發現問題及時和現場人員聯絡，預防事故的發生[9]。（3）質量管理無論是現澆式還是現在大力提倡的裝配式土木工程施工，都存在有質量隱患。現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，易導致建筑物、橋梁隧道等產生混凝土蜂窩麻面、露筋甚至裂縫等現象。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生裂紋，裂縫延伸至整個板塊，導致構建破壞等問題。傳統的質量檢測方法是利用專業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量測驗，對于特別復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生檢測遺漏的現象[11]。結合無人機的優勢與土木工程質量問題的特點，無人機在土木工程施工過程至質量管理中的應用主要為：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，經圖像處理等軟件技術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，結合圖像特征提取技術，記錄質量問題所在位置[8]。（4）綠色文明施工近年來，隨著城市的發展，環境保護是人人關心的話題，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用主要有：①無人機搭載PM2.5檢測儀等專業設備，監測施工現場揚塵問題，自動、準確地識別寬廣區域的污染源[10]；②掌握材料和設施堆放、廢物廢渣清理、夏季涼棚及冬季暖棚、照明設施等情況，實現文明施工。
4無人機在土木運營維護階段的應用
工程完成后投入運營，并不意味著對工程的監管結束。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質量問題，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生，因此我們有必要在工程運營階段進行監測與維護。現在無人機已經逐步應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防坍塌等事故發生。
5無人機在土木工程應用中的挑戰
使用無人機采集信息在時效性、經濟性、機動性和采集范圍等方面都有明顯的優勢，在土木工程領域也得到應用與發展，但若要將無人機廣泛應用于土木工程中還需要一定的時間，至今許多相關理論、技術、方法還不夠完善，主要面臨以下幾個困難：（1）無人機穩定性不確定：根據土木工程的特點，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，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象；（2）無人機自身技術有限，有待進一步提高，如飛行受天氣影響大，當出現陰雨、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，以及負荷受限等；（3）土木工程施工現場復雜，不利于無人機飛行，主要體現在施工現場材料、機械設備繁多，高度參差不齊，且在不斷變化中，易導致無人機墜機、拍攝效果不清晰；（4）我國無人機管理相關規定滯后：雖然我國無人機發展迅速，但對操作員資質和技能、禁飛區域、飛行監控等管理不完善，導致無人機應用受限，目前無法大力推廣。
6結語
隨著城市的迅速發展，社會對土木工程質量、安全、可持續發展等多方面提出越來越高的要求，而無人機憑借高效快速、經濟、作業成本低、風險低、機動靈活等優勢受到人們的關注，并在土木工程領域得到應用與推廣。根據需要，無人機可搭載高清相機、三維掃描儀、PM2.5檢測儀等設備采集信息、監控與管理施工現場，應用于測繪制圖、進度管理、質量管理、安全監管、綠色文明施工、運營維護監測等多方面，貫穿土木工程項目整個過程。雖然由于無人機自身不足、土木工程施工現場特點等因素使得無人機在土木工程的應用中面臨一些挑戰，但相信隨著相關理論與技術的發展、管理規定的不斷完善，無人機在土木工程中將會擁有良好的應用前景。解決視頻的大數量存儲與快速處理、無人機結合VR眼鏡實現實時數據傳遞、無人機云臺與VR眼鏡聯動并實現操作者置身于虛擬環境中的沉浸式體驗，減少后期室內數據處理與三維建模等過程、將數據處理模塊置于無人機上可直接將處理結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。
參考文獻：
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[4]席宴賓.如何加強土木工程施工項目質量管理[J].工程建設與設計，2018（18）：225-226.
作者：劉細梅 單位：華南理工大學 土木與交通學院
