應(yīng)用無人機(jī)的施工安全巡視與預(yù)警研究

李少春 凌海濤 吳小林 靳永衛(wèi) 鮑利佳 王永寬

摘要：該文提出了依托無人機(jī)飛行平臺(tái)，在可見光、遠(yuǎn)紅外光、化學(xué)傳感器的基礎(chǔ)上，結(jié)合視覺AI、可視化GIS、位置GPS等技術(shù)對電力基建現(xiàn)場進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)低空安全巡視巡查，并在此核心業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一套完整的安全監(jiān)督和環(huán)境監(jiān)測的智能分析系統(tǒng)。該文探討了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并結(jié)合實(shí)際工程案例詳細(xì)詮釋了系統(tǒng)應(yīng)用思路和方法，結(jié)果表明，基于無人機(jī)的電力基建現(xiàn)場安全監(jiān)督和環(huán)境檢測的智能分析系統(tǒng)，對人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全有一定的預(yù)判效果，通過高效科學(xué)手段有力降低安全事故率、防患未然。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)? ?安全巡視? ?預(yù)警? 管控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU714? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper proposes a platform relying on UAV fight， which， based on visible light， far-infrared light and chemical sensors， combined with visual AI， visual GIS， location GPS and other technologies，? carries out the timed and fixed-point low-altitude safety patrol and inspection of power infrastructure sites， and realizes a complete set of intelligent analysis system for safety supervision and environmental monitoring on the basis of this core business. The paper discusses the design idea of the system， and explains the application idea and method of the system in detail in combination with the actual engineering cases. The results show that the intelligent analysis system for safety supervision and environmental detection in power infrastructure sites based on UAV has a certain predictive effect on peoples unsafe behavior， unsafe state of things and environmental unsafety， and effectively rescues the accident rate and takes preventive measures through efficient scientific means.

Key Words： UAV；Safety patrol；Early warning； Control system

近十幾年來我國城市建設(shè)加快，涌現(xiàn)了大量技術(shù)復(fù)雜的工程建設(shè)項(xiàng)目。然而，大規(guī)模的工程也使工程事故頻發(fā)[1]。

通過對全國37個(gè)大中城市195起重大事故調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，每起事故都與安全監(jiān)控不力或險(xiǎn)情預(yù)報(bào)不準(zhǔn)有直接關(guān)系。提供一套科學(xué)有效的施工現(xiàn)場自動(dòng)化安全監(jiān)控方法具有十分重要的意義。目前，無人機(jī)已成為世界各國爭相研究的熱點(diǎn)課題。

無人機(jī)遙感作為一種新型的遙感數(shù)據(jù)獲取手段，但目前仍較少成功的將無人機(jī)應(yīng)用于施工安全監(jiān)控的實(shí)施案例。該文以無人機(jī)遙感技術(shù)為依托，結(jié)合某抽水蓄能電站施工項(xiàng)目，探討無人機(jī)安全巡視與環(huán)境檢測的智能分析，提供一套利用無人機(jī)進(jìn)行施工管控的方法，實(shí)現(xiàn)對施工人的不安全行為與物的不安全狀態(tài)的安全巡視與預(yù)警，并在緊急情況發(fā)生后幫助管理人員進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估及應(yīng)急指揮[2]。

1 無人機(jī)巡視下的預(yù)警救援模式

1.1 預(yù)警規(guī)則

為了使施工指揮中心的糾偏指令及預(yù)警信息通過無人機(jī)及時(shí)、準(zhǔn)確地傳達(dá)給現(xiàn)場的人員，需要制定詳實(shí)的預(yù)警規(guī)則。該文根據(jù)視覺傳達(dá)理論設(shè)計(jì)了指令傳達(dá)與聲光報(bào)警規(guī)則。

即在無人機(jī)上搭載小型機(jī)載擴(kuò)音器，在每個(gè)劃分區(qū)域中架設(shè)的信號(hào)塔上安裝信號(hào)燈和大型擴(kuò)音器。

機(jī)載擴(kuò)音器和大型擴(kuò)音器同步傳達(dá)施工指揮中心發(fā)出的糾偏指令。信號(hào)燈根據(jù)聲光報(bào)警規(guī)則發(fā)出光學(xué)信號(hào)，示意該區(qū)域人員區(qū)域的安全狀態(tài)并在緊急情況發(fā)生時(shí)指示人員疏散[3]。

1.2 無人機(jī)應(yīng)急救援

無人機(jī)應(yīng)急救援屬于無人機(jī)深基坑施工監(jiān)控的一部分，是系統(tǒng)根據(jù)聲光報(bào)警規(guī)則與信息收集-分析-反饋流程實(shí)現(xiàn)的重要功能。應(yīng)急救援流程如圖1所示。

2無人機(jī)施工安全管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)特點(diǎn)

無人機(jī)安全監(jiān)督和環(huán)境檢測的智能分析系統(tǒng)的運(yùn)用將使得傳統(tǒng)的安全監(jiān)控方法發(fā)生變革，顯著提高安全管理的效率[4]。相比于傳統(tǒng)的人工巡視和糾偏應(yīng)急指揮方法具有的優(yōu)勢如圖2所示。

2.2系統(tǒng)信息流拓?fù)?/p>

基于上述風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析與無線遙感技術(shù)、視覺傳達(dá)理論，結(jié)合系統(tǒng)模塊功能，構(gòu)建了電站施工無人機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化信息采集、信息反饋、指令傳達(dá)與糾偏控制的“感-傳-知-控”的集成系統(tǒng)功能[5]。如圖3所示。

整個(gè)系統(tǒng)拓?fù)浞譃?個(gè)層次，最底層為施工現(xiàn)場，現(xiàn)場的無人機(jī)監(jiān)控項(xiàng)目受到無人機(jī)監(jiān)控終端的監(jiān)控。第2層為無人機(jī)監(jiān)控終端，包括無人機(jī)及其搭載設(shè)備，無人機(jī)監(jiān)控終端利用機(jī)載攝像頭進(jìn)行視頻監(jiān)控，利用機(jī)載擴(kuò)音器對下一層施工現(xiàn)場人員發(fā)出糾偏指令，利用無人機(jī)信號(hào)接收器與無線信號(hào)與上一層系統(tǒng)控制界面連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控項(xiàng)目信息的收集與反饋，達(dá)到上傳下達(dá)的目的。

第3層為系統(tǒng)設(shè)備層，為系統(tǒng)服務(wù)的設(shè)備根據(jù)監(jiān)控需要安裝在電站施工現(xiàn)場，組成無線信號(hào)網(wǎng)絡(luò)和預(yù)報(bào)警系統(tǒng)，由系統(tǒng)控制界面控制。最上層為管理層，由施工指揮中心操作系統(tǒng)控制界面，同時(shí)控制界面也向施工指揮中心反饋信息。

施工指揮中心與監(jiān)理、業(yè)主、其他單位通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息匯報(bào)，使監(jiān)理、業(yè)主、其他單位能實(shí)時(shí)了解施工現(xiàn)場安全狀況。

2.3系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

平臺(tái)的設(shè)計(jì)基于云平臺(tái)設(shè)計(jì)理念，即系統(tǒng)的信息采集將固定匯聚到特別建設(shè)的數(shù)據(jù)中心用于記錄分析與儲(chǔ)存留檔。系統(tǒng)操作平臺(tái)與業(yè)主、監(jiān)理、其他單位通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，業(yè)主、監(jiān)理、其他單位可通過登錄數(shù)據(jù)中心對無人機(jī)監(jiān)控記錄進(jìn)行查閱和批示。

無人機(jī)飛行平臺(tái)通過視頻采集的施工現(xiàn)場安全監(jiān)控信息將通過運(yùn)營商廣域網(wǎng)（4G模塊）共享到云端服務(wù)器，通過4G或WIFI無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)平臺(tái)的視頻監(jiān)控錄像同步播放或回放?；貍餍畔⒃赪indows，IOS，Android3個(gè)平臺(tái)都能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像音頻的同步和記錄[6]。

3工程案例

3.1工程概況

某抽水蓄能電站主體施工長度約293 m，寬度20.9～24.74 m，平面呈長條形，開挖深度為16.99～18.94 m，所在位置均為現(xiàn)有道路下方。綜合工程環(huán)境及周邊管線情況，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的形式，地下連續(xù)墻厚1 000 mm，開挖面積為5 624 m2。

3.2監(jiān)控裝置布設(shè)

在無人機(jī)上搭載CCD攝像頭、信號(hào)接收器、飛行防碰撞裝置和機(jī)載攝像頭，為合理設(shè)置信號(hào)塔，將施工電站劃分為10個(gè)監(jiān)控區(qū)域，每個(gè)監(jiān)控區(qū)域的地下連續(xù)墻上架設(shè)信號(hào)塔，每個(gè)信號(hào)塔從i1～i10編號(hào)，如圖4所示。

3.3施工暴露時(shí)間監(jiān)控

基于施工電站的勘察資料和安全等級，對施工項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，確定鋼支撐架設(shè)不及時(shí)、基坑暴露時(shí)間過長、路面塌陷、管線損壞、管涌等安全風(fēng)險(xiǎn)因素為A類，需進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)。

對于每小塊土體，基坑的無支撐暴露時(shí)間與基坑變形的風(fēng)險(xiǎn)成正比，需重點(diǎn)監(jiān)控深基坑的無支撐暴露時(shí)間。

施工指揮中心通過系統(tǒng)操作界面設(shè)定無人機(jī)沿既定路線進(jìn)行規(guī)劃路線的基坑暴露時(shí)間巡視與監(jiān)控。如圖5所示，當(dāng)前基坑施工進(jìn)度圖顯示區(qū)域2～8正進(jìn)行土方開挖，可能存在基坑暴露時(shí)間較長的風(fēng)險(xiǎn)，故制定巡視監(jiān)控計(jì)劃，設(shè)定巡視路線為依次經(jīng)過信號(hào)塔i0～i8，最后返回起飛處i0，如圖6所示。根據(jù)施工指揮中心規(guī)劃的當(dāng)日無人機(jī)的巡視監(jiān)控路線，指令通過系統(tǒng)控制界面?zhèn)鬟_(dá)給信號(hào)塔網(wǎng)絡(luò)。

為實(shí)現(xiàn)區(qū)域2～8的無人機(jī)基坑暴露時(shí)間監(jiān)控，區(qū)域2內(nèi)的信號(hào)塔打開并發(fā)出指引信號(hào)，指引無人機(jī)從起飛處飛行至該區(qū)域，該區(qū)域信號(hào)塔根據(jù)預(yù)警規(guī)則打開黃色信號(hào)燈，等待無人機(jī)巡視。

無人機(jī)通過機(jī)載攝像機(jī)實(shí)時(shí)將監(jiān)控視頻圖像傳至系統(tǒng)操作界面，指揮中心操作人員根據(jù)實(shí)時(shí)施工現(xiàn)場圖像，記錄該區(qū)域基坑開挖的狀態(tài)與鋼支撐架設(shè)狀態(tài)，并形成視頻截圖和當(dāng)日監(jiān)控報(bào)告，上傳至互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心留檔。

指揮人員根據(jù)當(dāng)日監(jiān)控視頻與平臺(tái)數(shù)據(jù)中心的以往記錄比較，確定當(dāng)前區(qū)域基坑無支撐暴露時(shí)間。

系統(tǒng)操作平臺(tái)調(diào)出數(shù)據(jù)庫中的基坑暴露時(shí)間的相關(guān)規(guī)范和專家組意見，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。若確認(rèn)安全，則該區(qū)域信號(hào)塔打開綠色信號(hào)燈。無人機(jī)飛往下一巡視區(qū)域；若區(qū)域2經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)評估后發(fā)現(xiàn)有安全風(fēng)險(xiǎn)存在，則進(jìn)入信息反饋即安全糾偏流程。

進(jìn)入安全糾偏流程后，無人機(jī)飛行平臺(tái)首先根據(jù)聲光報(bào)警規(guī)則開啟并閃爍信號(hào)塔上黃色信號(hào)燈，同時(shí)開啟擴(kuò)音器，向該區(qū)域施工人員通報(bào)基坑暴露時(shí)間過長，鋼支撐未及時(shí)架設(shè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。該通報(bào)將以音頻形式上傳并保存至系統(tǒng)平臺(tái)數(shù)據(jù)中心留檔。同時(shí)，施工指揮中心指揮人員通過現(xiàn)場擴(kuò)音器及無人機(jī)機(jī)載擴(kuò)音器向現(xiàn)場管理人員發(fā)出暫停開挖、及時(shí)架設(shè)鋼支撐的糾偏指令。

現(xiàn)場管理人員應(yīng)立即到施工指揮中心報(bào)道并匯報(bào)施工糾偏方案和進(jìn)展。當(dāng)施工指揮中心判斷區(qū)域2基坑鋼支撐及時(shí)架設(shè)，基坑不再處于無支撐暴露狀態(tài)后，該區(qū)域信號(hào)塔可打開綠色信號(hào)燈，無人機(jī)可進(jìn)行下一區(qū)域的巡視與監(jiān)控。

當(dāng)全部巡視區(qū)域得到巡視且未發(fā)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)存在，起飛處i0信號(hào)塔打開，指引無人機(jī)返回，巡視結(jié)束后，操作人員上傳錄像或巡視記錄至系統(tǒng)儲(chǔ)存留檔，供業(yè)主、監(jiān)理或其他單位查閱，至此一個(gè)深基坑暴露時(shí)間監(jiān)控流程完畢。

4 結(jié)語

為了解決電站施工由于安全監(jiān)控不力、糾偏措施不及時(shí)而發(fā)生安全事故的問題，該文提出了依托無人機(jī)飛行平臺(tái)，利在可見光、遠(yuǎn)紅外光、化學(xué)傳感器的基礎(chǔ)上，結(jié)合視覺AI、可視化GIS、位置GPS等技術(shù)對電力基建現(xiàn)場進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)低空安全巡視巡查，并在此核心業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一套完整的安全監(jiān)督和環(huán)境監(jiān)測的智能分析系統(tǒng)。

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作者簡介：李少春（1978—），男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)榘踩芾怼?/p>