無人機在土木工程應用中的研究現狀與展望

趙鯤

摘要：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。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。

關鍵詞：無人機；土木工程應用；研究現狀；展望

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。

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。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。

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。

2無人機在土木工程施工管理階段的應用

2.1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；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。

2.2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。

2.3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。

3結語

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。

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（作者身份證號：652801198908190553）