無人機在高邊坡開挖質量智能化管理流程設計★

翟萬超 華開成 蘇義坤

(1.東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.廣東惠清高速公路有限公司，廣東 廣州 510000)

隨著國家對基礎建設投資的加大，作為基礎建設重要組成部分的高速公路的建設如火如荼，建設范圍越來越廣，涉及的地形也越來越復雜。山區、丘陵、盆地等復雜地形也較為常見，因而經常需要在復雜地質環境下進行開挖路塹，其中不乏路塹高邊坡、隧道等地形。所謂高邊坡，依據規范定義是指土質邊坡高度大于20 m或巖質邊坡高度大于30 m的邊坡。高邊坡地勢較高、地形及地質條件復雜、環境背景脆弱，現場實地管理危險性較高。況且高邊坡縱斷面長、橫斷面寬、往往成線性分布，長則甚至幾公里。長距離的高邊坡施工，給現場施工管理帶來較大困難，無形中增加了工程的管理成本，影響投資效益。

高邊坡的開挖質量對高邊坡整體質量的管控影響較大，設計坡率、線性、高度都會對邊坡的穩定性產生影響。為了保證邊坡的坡面平順，穩定，需要重點控制邊坡的開挖質量。以往邊坡開挖形態測量通常采用全站儀、GPS等設備進行單點多次測量，測量效率較低，作業時間較長，而且對于高陡邊坡測量時危險性高、可操性也難以控制、而且受人的主觀影響較大，可追溯性弱。隨著新一代信息技術的出現，過去的質量管理理論、方法和思維已不能適應新的技術、形式、條件、環境等情況的要求，迫切需要新的管理方式來適應這一要求。

然而，國內有關高邊坡的研究大多分散在邊坡的開挖、邊坡的防護、高邊坡的地質結構、高邊坡的穩定性等方面。馬宗源等對邊坡的穩定性進行了分析[1]；李紅衛對邊坡的病害破壞機理進行了研究，找出了機理破壞的因素[2]；于靜對高速公路邊坡防護常見的問題進行了闡述,介紹了邊坡防護的類型,并對削坡減負等邊坡防護的施工工藝作了研究,以保證高速公路邊坡的安全性[3]；何理等研究了高邊坡的爆破開挖，進行了數值模擬，給出了開挖支護的建議[4]；李澤山提出了提高邊坡穩定性的措施與有效的防護方法,確保了高速公路的安全性[5]。基于邊坡施工管理方面：何忠明等曾通過基于集對可拓粗糙集方法的高邊坡爆破施工安全風險評價研究，來提高高邊坡開挖爆破的安全風險的精度，降低爆破的危險性[6]；王灼英等提出高邊坡壓力分散型預應力錨索施工技術來應用于高邊坡的支護與加固[7]；王雍結合公路邊坡的施工質量通病,對邊坡防護類型以及防治質量通病的措施進行了簡單的探討[8]；周碩等針對公路邊坡施工質量通病的防治進行了研究[9]。總之，國內學者的研究主要集中在高邊坡的穩定性方面，高邊坡施工的管理方面的研究較少，尤其是對邊坡施工過程中的質量管理方式更少見。

近年來，隨著科技的進步，工程建設領域的管理方式有了新的突破，利用經濟、有效的智能化管理手段，能夠快速、準確、高效的開展施工現場的智能化管理活動。無人機技術在軍事偵探、空中航拍等領域表現出的優勢，也給工程質量管理，尤其類似高邊坡區段的開挖質量等依靠傳統管理方式不易區段的質量管理方式帶來新的啟示。本文基于無人機低空攝影測量技術為主要技術手段，開展高邊坡區段的開挖質量的管理，探索出基于無人機技術的高邊坡開挖質量的管理方案和管理流程。該智能化管理方案在高邊坡開挖施工質量的管理中具有較好的適用性，值得推廣應用。

1 智能化管理體系

1.1 智能化管理體系基礎

智能是指人類在認識世界和改造世界的活動中，由腦力勞動表現出來的能力，即個體對客觀事物進行合理分析、判斷及有目的的行動和有效的處理周圍環境事宜的綜合能力。通過無人機獲取高邊坡開挖的質量信息，系統工作平臺可以自動獲取、通過軟件進行有效處理，做到分析判斷，將結果傳至客戶端，實現高邊坡開挖質量的自動化管理目標。以高邊坡開挖質量的控制指標作為管理目標，構建以無人機智能化管理的理論支撐、技術支撐為保障，以設計的高邊坡開挖質量的管理方案為基礎的高邊坡開挖質量的智能化管理體系(見圖1)。

1.2 智能化管理軟硬件條件

1.2.1硬件條件

為了確保無人機在高邊坡區段能順利飛行，實現智能化管理目標，無人機的性能應滿足一定的指標(見表1)，飛行要滿足一定的天氣條件。攜帶的相機參數要求：為保證拍攝影像清晰，攜帶相機像素不應低于1 500萬像素,可實現連續拍攝，并能實現定位懸停，保證清晰實時。

1.2.2軟件條件

數據處理軟件的要求：為了保證數據的快速獲取，實時管理，數據處理軟件的處理速度要快，精度要高，要能充分利用硬件資源，可對多架次或不同相機獲取的數據同時處理，信息處理不能出現拉花現象。

表1 無人機飛行器參數指標

無人機低空攝影系統工作平臺見圖2。借助于無人機，通過攜帶低空攝影遙感設備對高速公路邊坡開挖現場進行監測，可以獲取視頻、音頻等信息，利用移動互聯將信息傳至數據服務器，進行數據處理應用。數據存儲器儲存施工過程中歷史數據，供留檔查看。展示在移動終端數據由數據分析人員進行分析處理上傳至系統工作平臺，給現場管理提供決策參考，及時對現場發生的問題做出反應，通過移動終端，將相關指令下達給現場作業人員，進行及時整改。管理人員可以通過移動終端查看現場施工歷史資料。

2 無人機智能化工作流程

2.1 任務區域的確定

根據現場踏勘及收集到的技術資料，以及相應的作業要求，確定無人機航測區域的準確位置，如坐標、高程。通過對當地氣象信息的收集、分析，確定是否適合飛行作業(見表2)。

表2 無人機飛行天氣條件

2.2 航線的規劃

以設計的飛行方案作為指導，進行航線的規劃。為了保證后期的數據處理，高效率的實現智能化管理目標。航線的設計應滿足以下幾點要求：1)航線應按使無人機轉彎次數的長邊方向進行設置；2)應盡可能的避免高邊坡低洼處落地；3)相對航高不宜過高。

2.3 飛行作業

依據制定的航攝方案，根據航測區域所處的地理位置計算出航攝作業期間的太陽高度角，進而選擇合適的航攝時間，保證取得較好的航攝質量。

2.4 數據檢查

飛行作業完成后，為了保證拍攝的質量，便于后期數據的處理與應用，一定要在結束外業之前進行拍攝質量的檢查，檢查內容是著重看相片是否傾斜、旋轉，無人機飛行的航線是否彎曲，相片的重疊度是否滿足要求。如果存在嚴重缺陷，應該再次飛行拍攝，直到獲取質量合格的影像資料，結束外業任務。

2.5 數據的處理與成果提交

數據處理人員將拍攝的影像資料利用專業技術對影像進行拼接糾正，對數據進行處理分析，隨后將傳至工作平臺，現場管理人員可以登錄自己的賬戶，查看相應職責權限范圍內的高邊坡開挖質量信息，實現高邊坡開挖質量的現場的管理。

無人機智能化工作流程如下:

任務區域的確定→航線規劃→飛行作業→數據檢查→數據處理→成果提交。

3 結語

本文以高邊坡的質量智能化管理為視角，提出基于無人機低空攝影技術的智能化管理體系，并給出相應的智能化管理流程。是管理方式的一次全新的嘗試，是對傳統管理方法的創新與提升，不僅可以極大地提高管理效率，也可以提高數據的可獲取性。但在精度和操作程序上有很大的改進空間，需進一步完善。