無人機在高速公路建設(shè)施工管理中的應用研究

摘要 在郊區(qū)大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中，時常面臨著施工區(qū)域廣、工程量大和施工人員不足等難題，因而通常難以做到對現(xiàn)場即時監(jiān)控與管理，從而可能導致建設(shè)過程中產(chǎn)生管理疏漏。該文旨在探討無人機技術(shù)在我國貴州省某高速公路建設(shè)項目中的應用，以此實現(xiàn)施工流程的信息化管控，大幅度增強建設(shè)管理效能，并有效降低安全事故發(fā)生率，進而保障工程品質(zhì)。無人機技術(shù)的應用不僅能夠顯著增加對難以觸及或觀察區(qū)域的檢測頻次，還能減少潛在視覺盲區(qū)，更能有效避免人工進入高、陡、滑、深等危險地帶進行作業(yè)的需求，規(guī)避潛在的安全風險。

關(guān)鍵詞 無人機；高速公路建設(shè)；信息化；施工管理

中圖分類號 U415 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）04-0167-03

0 引言

如今工程項目逐步趨于規(guī)模化、復雜化和國際化，信息溝通與傳播的強度大幅提升，導致施工信息化管理的需求也不斷擴展。面對復雜多變的施工信息管理難題，傳統(tǒng)的管理方式因其信息獲取效率低下、數(shù)據(jù)資源匱乏、安全保障不足和容易受到個人主觀判斷等影響，已難以滿足實際工程需求。因此，通過采納前沿的信息集成技術(shù)，針對建筑施工領(lǐng)域特有的信息管理要求和最新的技術(shù)方案，探索構(gòu)建高效能的工程項目信息管理系統(tǒng)，是突破當前施工項目管理困難的核心策略。隨著社會不斷演進和科技持續(xù)革新，無人機近地面遙感技術(shù)因其卓越的性能和廣泛的應用前景而成為研究熱點，該技術(shù)主要通過采集目標的三維空間位置、幾何形態(tài)、輻射特性和光譜信息，實現(xiàn)精準定位與高效數(shù)據(jù)收集，以無人駕駛飛行器作為移動平臺，集成高精確度可見光攝像機與熱紅外攝像機等先進傳感器，確保全面無遺漏地獲取影像，大幅度提高郊外大型建設(shè)項目的施工效能和精確性，無人機技術(shù)在高速公路的建設(shè)和運維信息化管控等交通領(lǐng)域扮演著核心角色[1，2]?；诖?，該文深入探討無人機技術(shù)在我國貴州省某高速公路實際工程中的應用，通過融合全球定位系統(tǒng)、遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，實現(xiàn)施工現(xiàn)場實時高效的信息平臺可視化管理，通過構(gòu)建系統(tǒng)平臺，管理者能夠即時訪問并獲取施工現(xiàn)場的詳細信息，實現(xiàn)對工程項目動態(tài)的有效監(jiān)管并實時制定決策。

1 工程概況

以貴州省某高速公路為工程實例，此公路作為該區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)布局中的“二橫”線路，構(gòu)成該路網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，被認定為省級重點建設(shè)工程項目。項目橋隧占比高達55%以上，橋隧相接且結(jié)構(gòu)復雜，顯著增加了該項目施工組織的難度，施工便道的規(guī)劃與建設(shè)面臨諸多挑戰(zhàn)。此外，工程發(fā)展與生態(tài)保護之間的矛盾需加以重視并尋求解決方案。項目橫跨三個市級行政區(qū)和五個縣級區(qū)域，地理位置坐落于區(qū)域核心經(jīng)濟帶，其土地資產(chǎn)的市場價值顯著，但面臨著土地供應與需求之間的緊張關(guān)系和在實施征地與拆遷過程中的困難挑戰(zhàn)。針對提升現(xiàn)場管理效率、應對縮減人力成本和確保施工安全等迫切需求，該文聚焦于探討無人機在該高速公路建設(shè)與施工管理中的潛在工程效益，利用無人機的近地面遙感功能，對建設(shè)施工現(xiàn)場信息實現(xiàn)實時收集，提升對復雜且具有挑戰(zhàn)性的作業(yè)區(qū)域的監(jiān)督效能，減少施工人員在潛在危險環(huán)境下工作的風險。此外，通過三維重建技術(shù)，確?，F(xiàn)場原始狀態(tài)的可追溯性，為決策提供更為直觀和可靠的數(shù)據(jù)支持。

2 無人機技術(shù)的高速公路施工管理應用方案設(shè)計

2.1 無人機施工管理方案設(shè)計

考慮到高速公路等大型建設(shè)項目施工管理的需要，采用無人機執(zhí)行施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息收集任務，經(jīng)過全面分析所收集數(shù)據(jù)，生成反映施工品質(zhì)、現(xiàn)場安全狀況和項目進展分析報告。首先，將信息匯總并保留至數(shù)據(jù)庫，然后，利用便攜式設(shè)備即時向工作人員顯示最新數(shù)據(jù)，輔助其進行判斷并迅速應對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題。當管理人員需要查閱實地以往數(shù)據(jù)時，能夠通過便攜設(shè)備請求直接接入資料庫進行閱覽。該文圍繞高速公路建設(shè)施工信息管理的核心理念，探討無人機技術(shù)在該領(lǐng)域中的應用策略及無人機技術(shù)和施工信息管理的協(xié)同關(guān)系，在該協(xié)同管理架構(gòu)內(nèi)，深入評估數(shù)據(jù)的獲取、處理和運用等3個方面的高效性。以地貌信息收集為例，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集主要依賴人工操作，采用傳統(tǒng)測量工具進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的測量收集，該方案不僅效能低下，還存在嚴重人力成本負擔，而無人機作為一種新穎的智能化裝備，具有機動性高、可廣泛收集數(shù)據(jù)和對地理障礙敏感度低等顯著特性，能夠迅速獲取現(xiàn)場訊息，明顯提升數(shù)據(jù)搜集效能。全面數(shù)據(jù)采集是工程管理中的重要環(huán)節(jié)。當前數(shù)據(jù)處理的各階段仍廣泛依賴人工操作，這不僅導致處理效率低下，還帶來過多人為不確定性因素，為了保證數(shù)據(jù)處理過程高效率、實現(xiàn)操作自動化和降低數(shù)據(jù)精確度損失，引入計算機圖像分析、航空三角測量和區(qū)域網(wǎng)調(diào)整等技術(shù)手段，精細加工可見光成像資料。在多種工作環(huán)境中，深入探討并調(diào)整測量參數(shù)，確保與項目管理需求形成一致性進行規(guī)范對接，構(gòu)建統(tǒng)一操作流程。數(shù)據(jù)挖掘的首要任務在于全面分析案例高速公路建設(shè)項目、專業(yè)工序流程和安全操作標準等文檔資料，以此為基礎(chǔ)，建立依托于無人機技術(shù)的自動化高速公路建設(shè)施工管理平臺，并嚴格把控數(shù)據(jù)處理過程中生成的施工品質(zhì)、安全防護、項目時間規(guī)劃和應急處理等標準化測量數(shù)字資料。將上述經(jīng)規(guī)范化處理的數(shù)據(jù)集成到智能化監(jiān)控和決策平臺，開展多維度信息對比研究，高效評估工程現(xiàn)場中各項工序的施工品質(zhì)、安全防護措施和完成進度等關(guān)鍵指標，從而促使項目管理實現(xiàn)更高層次的精密度與數(shù)字化[3]。

2.2 無人機施工管理程序

通過融合理論分析和實際飛行拍攝測試，制定詳盡的無人機近地飛行拍攝測量操作規(guī)程，作業(yè)步驟如圖1所示。

3 公路工程施工進度管理應用

該文以貴州省某高速公路段為例，運用無人機技術(shù)實施周期性數(shù)據(jù)收集，獲取該工程的完整施工動態(tài)。該案例公路段總長度為12.585 km，由三人團隊在特定路段部署六個地面控制點，并借助GPS RTK技術(shù)精確測量控制點的坐標信息。隨后，通過無人機迅速收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，整個數(shù)據(jù)采集過程大約耗時4 h，共計獲取245張航拍照片。最后，將航空影像資料輸入數(shù)據(jù)處理工具，執(zhí)行半自動化處理。在5 h內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理并得到三維點云與數(shù)字正射影像（DOM）。無人機監(jiān)控下施工項目進度評估內(nèi)容主要包括拆遷工作（如當前已完成12處拆遷，累計影響1.86 km的道路尚未被清除）、臨時設(shè)施（如已分別建4個拌和站與鋼筋加工場地，并均計劃增設(shè)2個）、橋梁工程（如已開工與待開工橋墩數(shù)量分別為137個與318個）、涵洞建設(shè)（如已啟動涵洞工程共計7座）和現(xiàn)場設(shè)備配置（如現(xiàn)有125臺樁機）。通過分析生成的三維點云與DOM等數(shù)字結(jié)果，可系統(tǒng)化提煉數(shù)據(jù)，從而迅速獲取施工區(qū)域的拆遷進度、臨時設(shè)施建設(shè)狀態(tài)、道路基面高度及橋梁與涵洞的建設(shè)動態(tài)，可高效構(gòu)建現(xiàn)場實際狀況與管理層間的溝通紐帶，為實現(xiàn)整體施工進程精確監(jiān)控提供核心數(shù)據(jù)資源，并輔助作出決策。需要說明的是，無人機工程項目的時間規(guī)劃與控制涉及以下核心模塊：（1）征拆進度，具體指拆遷工作完成情況及其對路線長度的影響；（2）臨時設(shè)施建設(shè)與選址，包括施工便道的開通與硬化拌和及拌和站、鋼筋加工廠和預制梁場的建設(shè)進度；（3）關(guān)注路基工程的路基清表、填挖高程調(diào)整和路基寬度；（4）詳細記錄橋梁建設(shè)工作面及外露部分的進度；（5）追蹤涵洞工程的開工情況；（6）管理樁機、架橋機和塔吊等設(shè)備[4]。

4 公路工程施工質(zhì)量控制應用

4.1 路基邊坡施工質(zhì)量控制

以往傳統(tǒng)的邊坡質(zhì)量控制方法需要技術(shù)工人前往現(xiàn)場，采用測量設(shè)備對邊坡的輪廓線和陡度進行人工檢查，此方案收集的數(shù)據(jù)有限，同時存在較高安全風險。通過無人機進行近地面遙感作業(yè)來收集邊坡施工區(qū)域數(shù)據(jù)，能夠迅速識別潛在質(zhì)量問題，從而有效降低工程成本和風險。以該文案例高速公路某路段為例，針對K70+950～K71+050區(qū)段右側(cè)的多級路基邊坡，通過輕型旋翼無人機在1.5 h以內(nèi)高效完成全域數(shù)據(jù)采集任務，共計獲取390張航拍影像。將航拍影像資料輸入特定數(shù)據(jù)處理工具，執(zhí)行半自動化處理。在5 h以內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理任務，將地面分辨率設(shè)定為0.82 cm，并確保平面位置的誤差不超過±0.03 m，同時保證高程的誤差維持在±0.05 m以內(nèi)，上述參數(shù)完全符合城市測繪規(guī)范中針對比例尺為1：1 000地形圖精度的標準，數(shù)據(jù)集適合作為評價邊坡穩(wěn)定性和工程進展情況的有效量化依據(jù)。利用生成的高精度三維點云數(shù)據(jù)和DOM，能夠深入分析坡面邊界、傾斜角度、平臺寬度、高度差及安全防護措施的狀態(tài)，從而為施工建設(shè)現(xiàn)場的實際操作提供精確指導[5]。

由圖2可見，當實際的高邊坡輪廓與設(shè)計方案存在偏離，如第五級邊坡的實際傾斜度較設(shè)計更為陡峭，項目管理者能夠迅速識別出此類差異，該無人機監(jiān)測結(jié)果能夠即時指示現(xiàn)場人員采取糾正措施，有效防止工程失誤累積，從而避免巨額工程成本損失。

4.2 疏浚置換施工質(zhì)量控制

疏浚淤泥并置換新填料施工的質(zhì)量控制對高速公路在投入使用后的路基沉降具有顯著影響。當前的疏浚置換操作過程中，承擔測量任務的專業(yè)人員往往借助全站儀或GPSRTK等設(shè)備，采用格網(wǎng)法或斷面法的方式，對施工區(qū)域進行實地考察，記錄地面狀況和高程數(shù)據(jù)，此方法收集地理信息效率較低，獲得數(shù)據(jù)集規(guī)模有限，并且整個實地測量過程和后續(xù)數(shù)據(jù)分析都需要人工操作，最終量測結(jié)果還可能會受到操作者的專業(yè)技術(shù)能力和心理狀況等不確定主觀因素影響。無人機可以通過航行線路規(guī)劃高效收集疏浚置換過程中的詳細信息，并采用自動化數(shù)據(jù)處理手段制成具備極高解析度的正射影像地圖，進而獲取精準至厘米級的地形細節(jié)，該方案可極大加快收集清淤換填相關(guān)數(shù)據(jù)的速度并提高數(shù)據(jù)精確度，保障信息的公正性與可信度。

5 公路工程施工安全管理應用

邊坡的穩(wěn)定性受到多種關(guān)鍵因素制約，包括邊坡自身建造質(zhì)量和周圍環(huán)境等因素的影響。在施工階段，因測量技術(shù)手段的局限性導致對周圍環(huán)境數(shù)據(jù)收集不足，從而時常忽略周邊環(huán)境因素對邊坡安全穩(wěn)定性的潛在影響。選取該文案例高速公路某施工區(qū)段中的高陡邊坡為研究對象，利用無人機設(shè)備采集該邊坡及周邊環(huán)境詳細信息，通過應用三維建模技術(shù)，實現(xiàn)對邊坡頂端排水設(shè)施精確評估，結(jié)果顯示存在兩處人工開鑿溝渠，這些溝渠在強降雨期間會引發(fā)集中水流沖刷，對邊坡穩(wěn)定性構(gòu)成嚴重威脅。通過無人機收集數(shù)據(jù)，項目負責人能夠即時對山坡頂部的排水系統(tǒng)進行必要優(yōu)化與改進，從而有效預防潛在工程災害。此外，高速公路建設(shè)過程冗長，而貴州省雨季降水相對豐富，會顯著增加正在挖掘邊坡的受損風險，從而威脅到施工的安全性，采用在緊急救援中無人機的近地面遙感技術(shù)，能夠迅速獲取山體滑坡后地貌的現(xiàn)狀，通過數(shù)據(jù)分析來計算滑坡的覆蓋范圍、影響地域和滑坡總體積，為救援團隊和資源合理分配提供精確數(shù)據(jù)支持。

6 結(jié)論

該文以我國貴州省某高速公路為實際工程案例，借助無人機近地面遙感先進技術(shù)，來增強高速公路施工信息管理平臺效能，從而大幅度優(yōu)化管理成效，降低安全隱患，確保工程品質(zhì)，使建設(shè)效率顯著提升。

在道路施工管理過程中，管理人員可實現(xiàn)隔空管理，僅通過計算機界面即可清晰且全面掌握工程進展狀況。在工程進度監(jiān)管方面，可通過三維點云等數(shù)據(jù)迅速獲取施工區(qū)域拆遷進度、臨時設(shè)施建設(shè)狀態(tài)和路基及涵洞等建設(shè)動態(tài)，在質(zhì)量控制方面，可顯著提升對難以觸及或直接觀測區(qū)域的檢查力度，有效減少被忽視區(qū)域。在安全管理方面，可減少員工進入高、陡、滑、深等危險區(qū)域執(zhí)行任務次數(shù)，降低安全事故風險。數(shù)據(jù)全面追蹤能力突出，能夠精確復原以往場景的三維圖像，為工程建設(shè)和日常運營等供給足夠數(shù)據(jù)資料。未來在選取更為先進的無人機檢測設(shè)備和數(shù)據(jù)信息分析系統(tǒng)時，應精準聚焦于所需監(jiān)控的多樣化目標和難題，加速施工現(xiàn)場管理信息化進程，確保施工動態(tài)的高精度和高效率實時監(jiān)控和管理，支撐建設(shè)過程的科學決策與高效組織，助力綠色智能高速公路建設(shè)方面呈現(xiàn)顯著實用價值。

參考文獻

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[5]祁宇超，李全林，孫梅.無人機管理技術(shù)在公路建設(shè)的應用探討[J].福建交通科技， 2022（1）：93-97.

收稿日期：2024-08-28

作者簡介：許維平（1986—），男，本科，助理工程師，從事高速公路綠色交通數(shù)字信息化工作。