無(wú)人機(jī)在土木工程應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀與展望

劉細(xì)梅

（華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510641）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷深入發(fā)展，我國(guó)土木工程建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，社會(huì)對(duì)建筑工程的需求也越來(lái)越多，在擴(kuò)大規(guī)模的同時(shí)，也要求實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的保證、生態(tài)環(huán)境的保護(hù)、施工現(xiàn)場(chǎng)安全文明建設(shè)等，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[1-4]。而實(shí)際中，近年來(lái)，部分住房與橋梁隧道建設(shè)等頻頻曝出施工現(xiàn)場(chǎng)安全事故，業(yè)主多次投訴開(kāi)發(fā)商房屋出現(xiàn)漏水、裂縫、墻體傾斜脫落等質(zhì)量問(wèn)題，橋梁等建筑在使用過(guò)程中突發(fā)局部或整體垮塌等現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，施工現(xiàn)場(chǎng)存在的環(huán)境污染問(wèn)題遲遲沒(méi)有得到改善等等[5-11]。要解決土木工程建設(shè)與使用過(guò)程中質(zhì)量、安全、生態(tài)保護(hù)等問(wèn)題，首要任務(wù)是獲取施工現(xiàn)場(chǎng)或建筑體的信息，方便項(xiàng)目管理者迅速及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(lái)，隨著高科技的迅速發(fā)展，在獲取空間信息方面，無(wú)人機(jī)具有靈活機(jī)動(dòng)、快速高效、作業(yè)成本低、作業(yè)范圍廣等優(yōu)勢(shì)[12-13]。因此，除軍事用途外，無(wú)人機(jī)已在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如警務(wù)應(yīng)用、新聞媒體、搶險(xiǎn)救災(zāi)、航空攝影、農(nóng)林監(jiān)測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)、海洋測(cè)繪等[14-15]。無(wú)人機(jī)作為平臺(tái)，可根據(jù)用途搭載不同的裝備，如高清攝像機(jī)、遙感紅外相機(jī)、紅外熱像儀、雷達(dá)、三維掃描儀、農(nóng)用藥品等。為此，我們亦可將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于土木工程中，解決我們?cè)谕聊竟こ讨杏龅降馁|(zhì)量、安全、進(jìn)度、環(huán)境污染、文明施工等問(wèn)題。本文從無(wú)人機(jī)在土木工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、具體應(yīng)用、面臨的挑戰(zhàn)等方面進(jìn)行分析與總結(jié)。

1 無(wú)人機(jī)在土木工程應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

目前，常用的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(guò)于費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且效率低，無(wú)形中增加人工成本。監(jiān)控獲取雖能實(shí)時(shí)獲得信息，但監(jiān)控不靈活、視角單一，且有死角，對(duì)于突發(fā)事件反應(yīng)較慢[10]。

施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染監(jiān)控，如PM2.5、揚(yáng)塵等，一般通過(guò)視頻監(jiān)控、儀器采樣或固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，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(chǎng)為提高空氣質(zhì)量、減少揚(yáng)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]。

總結(jié)來(lái)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(cè)儀、攝像機(jī)等架設(shè)在高處，但這仍屬于固定型檢測(cè)，只能定點(diǎn)監(jiān)控局部信息。相對(duì)而言，無(wú)人機(jī)搭載攝像機(jī)、檢測(cè)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(fēng)險(xiǎn)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(guò)，在風(fēng)力較大或氣溫很低時(shí)，無(wú)人機(jī)飛行會(huì)受到較大影響。

綜上所述，與其他施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集方式相比，無(wú)人機(jī)有一定的作業(yè)要求，但在施工現(xiàn)場(chǎng)的信息采集、環(huán)境改善等方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)，具體如下：

（1）監(jiān)測(cè)范圍廣：低空飛行、巡航高度可調(diào)、速度快、定點(diǎn)懸停、變換視角靈活，因此可以實(shí)現(xiàn)從局部到廣域的點(diǎn)、線、面施工現(xiàn)場(chǎng)與建筑體監(jiān)測(cè)，有利于項(xiàng)目管理者快速、高效地控制局面；

（2）采集信息多樣化：無(wú)人機(jī)作為平臺(tái)，可搭載不同的工具，如攝像機(jī)、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(diǎn)云等多樣信息；

（3）機(jī)動(dòng)靈活：能夠通過(guò)遙控隨時(shí)改變飛行高度、方向、速度、相機(jī)角度等，不受地面施工現(xiàn)場(chǎng)或建筑體影響；

（4）可應(yīng)急救援：在施工現(xiàn)場(chǎng)或建筑體有事故發(fā)生時(shí)，無(wú)人機(jī)可以立即出動(dòng)，全局深入現(xiàn)場(chǎng)觀察實(shí)況，為管理者提供信息以便及時(shí)做出決策；

（5）風(fēng)險(xiǎn)低：不用考慮駕駛員風(fēng)險(xiǎn)，能夠在惡劣環(huán)境等情況下執(zhí)行高危任務(wù)；針對(duì)危險(xiǎn)性大、難度大的施工點(diǎn)，遠(yuǎn)程監(jiān)控，無(wú)需人工接觸，降低危險(xiǎn)系數(shù)；

（6）效率高：無(wú)人機(jī)作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間短，可隨時(shí)出動(dòng)，具有低投入、高效益的特點(diǎn)。

因此，無(wú)人機(jī)參與土木工程建設(shè)，發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)與專長(zhǎng)，監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)，可為施工進(jìn)度、施工質(zhì)量、安全監(jiān)控等提供有力的數(shù)據(jù)。

2 無(wú)人機(jī)在土木工程前期準(zhǔn)備階段的應(yīng)用

在土木工程施工之前需進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作，包括勘察、規(guī)劃、設(shè)計(jì)。其中規(guī)劃與設(shè)計(jì)依賴于勘察階段所獲取的施工地點(diǎn)地形地貌資料。因此，無(wú)人機(jī)在前期準(zhǔn)備工作中主要可用于測(cè)繪制圖，通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍結(jié)合地面控制點(diǎn)獲取高精度的地形地面，如經(jīng)pix4d Mapper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(dòng)獲取地形圖。利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)繪制圖主要有三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）精細(xì)化三維建模；（2）快速更新測(cè)圖；（3）惡劣環(huán)境的作業(yè)手段[16]。

3 無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)主要用于進(jìn)度管理、安全監(jiān)管、質(zhì)量管理、文明施工、成本管理。

（1） 進(jìn)度管理

工程開(kāi)工往往都有進(jìn)度安排，但是實(shí)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(jìn)度緩慢。通常工地進(jìn)度管理采用人工監(jiān)工，該方法不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低，無(wú)法全面掌控，且依然有不少消極怠工等各種問(wèn)題。此外，項(xiàng)目施工過(guò)程中需要實(shí)時(shí)掌握項(xiàng)目的進(jìn)展情況，現(xiàn)在大部分都是單純地利用相機(jī)拍攝施工現(xiàn)場(chǎng)的二維畫(huà)面，該方法不能夠?qū)κ┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全面分析。因此，利用無(wú)人機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度管理中主要有以下幾個(gè)應(yīng)用與優(yōu)勢(shì)：①將高清攝像頭搭載于無(wú)人機(jī)，通過(guò)設(shè)定固定航線、控制云臺(tái)可以在施工現(xiàn)場(chǎng)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(wú)人機(jī)搭載三維激光掃描儀獲取施工現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)revit等建模軟件建立三維模型，對(duì)比規(guī)劃設(shè)計(jì)的BIM模型分析進(jìn)度等，方便項(xiàng)目管理者查找疏漏并及時(shí)制定下一項(xiàng)工作的實(shí)施方案；③從高處監(jiān)測(cè)整個(gè)工程施工狀況，通過(guò)設(shè)置飛行路線，拍攝關(guān)鍵施工點(diǎn)、人工難以接近的現(xiàn)場(chǎng)，幫助管理者從整體上了解施工狀況，并準(zhǔn)確及時(shí)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(shí)視圖與虛擬視圖混合的三維模型，重現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)[16]。

（2） 安全監(jiān)管

隨著“智慧工地”的概念深入人心，人們?cè)絹?lái)越重視工程工地的安全問(wèn)題。施工現(xiàn)場(chǎng)工作種類多、露天作業(yè)多、人員流動(dòng)大、地形復(fù)雜，具有較大的安全隱患。但近年來(lái)，工地上高處墜落、觸電、物體打擊、機(jī)械傷害、坍塌事故常有發(fā)生。雖然人們?cè)絹?lái)越重視信息化現(xiàn)場(chǎng)管理的應(yīng)用，采用遠(yuǎn)程監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)與管理者溝通，但該方法無(wú)法做到事故預(yù)防，減少事故發(fā)生。因此，可以應(yīng)用無(wú)人機(jī)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(xiǎn)地帶是否設(shè)有欄桿或明顯的安全警告標(biāo)志等；③監(jiān)管施工現(xiàn)場(chǎng)交通組織情況，例如交通要道能否有序進(jìn)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(chǎng)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(chǎng)地等；⑤監(jiān)管施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作情況，嚴(yán)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(shí)時(shí)場(chǎng)外監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)和現(xiàn)場(chǎng)人員聯(lián)絡(luò)，預(yù)防事故的發(fā)生[9]。

（3） 質(zhì)量管理

無(wú)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(fēng)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(guò)大、運(yùn)輸過(guò)程中板間擠壓等產(chǎn)生裂紋，裂縫延伸至整個(gè)板塊，導(dǎo)致構(gòu)建破壞等問(wèn)題。傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測(cè)方法是利用專業(yè)儀器對(duì)建筑物或橋梁隧道等各個(gè)部位的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，用肉眼或者望遠(yuǎn)鏡等輔助工具對(duì)其進(jìn)行外觀質(zhì)量測(cè)驗(yàn)，對(duì)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(cè)危險(xiǎn)性大、效率低、難度大，且對(duì)于一些面積大或不易觀察的地方容易產(chǎn)生檢測(cè)遺漏的現(xiàn)象[11]。

結(jié)合無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)與土木工程質(zhì)量問(wèn)題的特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)在土木工程施工過(guò)程至質(zhì)量管理中的應(yīng)用主要為：①無(wú)人機(jī)搭載自動(dòng)掃描攝像頭，圍繞建筑物或橋梁隧道等工程表面飛行，定點(diǎn)懸停觀測(cè)，將圖像傳輸至地面站，經(jīng)圖像處理等軟件技術(shù)自動(dòng)識(shí)別裂縫等信息[9]；②配有360°全景攝像頭的無(wú)人機(jī)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(wèn)題所在位置[8]。

（4）綠色文明施工

近年來(lái)，隨著城市的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)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(wú)人機(jī)在綠色文明施工中的應(yīng)用主要有：①無(wú)人機(jī)搭載PM2.5檢測(cè)儀等專業(yè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵問(wèn)題，自動(dòng)、準(zhǔn)確地識(shí)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(shí)現(xiàn)文明施工。

4 無(wú)人機(jī)在土木運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的應(yīng)用

工程完成后投入運(yùn)營(yíng)，并不意味著對(duì)工程的監(jiān)管結(jié)束。雖然原則上任何一個(gè)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(dá)壽命周期就會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)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(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)與維護(hù)。現(xiàn)在無(wú)人機(jī)已經(jīng)逐步應(yīng)用于工程運(yùn)營(yíng)階段變形檢測(cè)中，主要有：使用無(wú)人機(jī)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(biāo)的定量檢測(cè)以及工程表面各種缺陷的定性檢測(cè)，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(wú)人機(jī)在土木工程應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

使用無(wú)人機(jī)采集信息在時(shí)效性、經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動(dòng)性和采集范圍等方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)，在土木工程領(lǐng)域也得到應(yīng)用與發(fā)展，但若要將無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用于土木工程中還需要一定的時(shí)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(gè)困難：

（1）無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性不確定：根據(jù)土木工程的特點(diǎn)，只能采用多旋翼無(wú)人機(jī)。多旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)論是懸停還是飛行過(guò)程中都處于振動(dòng)狀態(tài)，拍攝視頻或照片中會(huì)有抖動(dòng)，不可避免會(huì)造成圖像與視頻模糊的現(xiàn)象；

（2）無(wú)人機(jī)自身技術(shù)有限，有待進(jìn)一步提高，如飛行受天氣影響大，當(dāng)出現(xiàn)陰雨、霧霾、風(fēng)力大等天氣時(shí)無(wú)法使用，電池巡航時(shí)間受限，一般在15～30min左右，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，以及負(fù)荷受限等；

（3）土木工程施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜，不利于無(wú)人機(jī)飛行，主要體現(xiàn)在施工現(xiàn)場(chǎng)材料、機(jī)械設(shè)備繁多，高度參差不齊，且在不斷變化中，易導(dǎo)致無(wú)人機(jī)墜機(jī)、拍攝效果不清晰；

（4）我國(guó)無(wú)人機(jī)管理相關(guān)規(guī)定滯后：雖然我國(guó)無(wú)人機(jī)發(fā)展迅速，但對(duì)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(wú)人機(jī)應(yīng)用受限，目前無(wú)法大力推廣。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著城市的迅速發(fā)展，社會(huì)對(duì)土木工程質(zhì)量、安全、可持續(xù)發(fā)展等多方面提出越來(lái)越高的要求，而無(wú)人機(jī)憑借高效快速、經(jīng)濟(jì)、作業(yè)成本低、風(fēng)險(xiǎn)低、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)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(wú)人機(jī)可搭載高清相機(jī)、三維掃描儀、PM2.5檢測(cè)儀等設(shè)備采集信息、監(jiān)控與管理施工現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)用于測(cè)繪制圖、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全監(jiān)管、綠色文明施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)監(jiān)測(cè)等多方面，貫穿土木工程項(xiàng)目整個(gè)過(guò)程。

雖然由于無(wú)人機(jī)自身不足、土木工程施工現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)等因素使得無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)在土木工程中將會(huì)擁有良好的應(yīng)用前景。解決視頻的大數(shù)量存儲(chǔ)與快速處理、無(wú)人機(jī)結(jié)合VR眼鏡實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞、無(wú)人機(jī)云臺(tái)與VR眼鏡聯(lián)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)操作者置身于虛擬環(huán)境中的沉浸式體驗(yàn)，減少后期室內(nèi)數(shù)據(jù)處理與三維建模等過(guò)程、將數(shù)據(jù)處理模塊置于無(wú)人機(jī)上可直接將處理結(jié)果傳遞給項(xiàng)目管理者、無(wú)人機(jī)的電池瓶頸得以解決等，都是需要進(jìn)一步探索的方向。