無人機(jī)在土木工程應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀與展望

趙鯤

摘要：隨著城市化進(jìn)程的不斷深入發(fā)展，我國土木工程建設(shè)規(guī)模越來越大，社會對建筑工程的需求也越來越多，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)場安全文明建設(shè)等，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。而實(shí)際中，近年來，部分住房與橋梁隧道建設(shè)等頻頻曝出施工現(xiàn)場安全事故，業(yè)主多次投訴開發(fā)商房屋出現(xiàn)漏水、裂縫、墻體傾斜脫落等質(zhì)量問題，橋梁等建筑在使用過程中突發(fā)局部或整體垮塌等現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，施工現(xiàn)場存在的環(huán)境污染問題遲遲沒有得到改善等等。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；土木工程應(yīng)用；研究現(xiàn)狀；展望

掌握土木工程施工現(xiàn)場狀況，如施工進(jìn)度、質(zhì)量問題、安全隱患等，為項(xiàng)目管理者及時(shí)做出決策具有重要的意義。傳統(tǒng)的人工監(jiān)察與攝像頭監(jiān)控方式效率較低且不靈活，無法應(yīng)對突發(fā)事件。因此，該文闡述了無人機(jī)在土木工程前期準(zhǔn)備、施工過程、運(yùn)營維護(hù)三個(gè)不同階段的具體應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了無人機(jī)在土木工程應(yīng)用中所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，并展望了無人機(jī)在土木工程應(yīng)用中的研究方向，如無人機(jī)結(jié)合VR眼鏡實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞等。

1無人機(jī)在土木工程應(yīng)用中的優(yōu)勢

目前，常用的現(xiàn)場進(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于費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且效率低，無形中增加人工成本。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，對于突發(fā)事件反應(yīng)較慢。施工現(xiàn)場環(huán)境污染監(jiān)控，如PM2.5、揚(yáng)塵等，一般通過視頻監(jiān)控、儀器采樣或固定點(diǎn)監(jiān)測，這些方法不僅效率低且布設(shè)范圍有限。

綜上所述，與其他施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方式相比，無人機(jī)有一定的作業(yè)要求，但在施工現(xiàn)場的信息采集、環(huán)境改善等方面有著顯著的優(yōu)勢，具體如下：（1）監(jiān)測范圍廣：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)場與建筑體監(jiān)測，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：無人機(jī)作為平臺，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)動靈活：能夠通過遙控隨時(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)場或建筑體影響；（4）可應(yīng)急救援：在施工現(xiàn)場或建筑體有事故發(fā)生時(shí)，無人機(jī)可以立即出動，全局深入現(xiàn)場觀察實(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)；針對危險(xiǎn)性大、難度大的施工點(diǎn)，遠(yuǎn)程監(jiān)控，無需人工接觸，降低危險(xiǎn)系數(shù)；（6）效率高：無人機(jī)作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間短，可隨時(shí)出動，具有低投入、高效益的特點(diǎn)。

2無人機(jī)在土木工程施工管理階段的應(yīng)用

2.1進(jìn)度管理

工程開工往往都有進(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，無法全面掌控，且依然有不少消極怠工等各種問題。此外，項(xiàng)目施工過程中需要實(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)場的二維畫面，該方法不能夠?qū)κ┕がF(xiàn)場進(jìn)行全面分析。因此，利用無人機(jī)在現(xiàn)場進(jìn)度管理中主要有以下幾個(gè)應(yīng)用與優(yōu)勢：①將高清攝像頭搭載于無人機(jī)，通過設(shè)定固定航線、控制云臺可以在施工現(xiàn)場從不同高度、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無人機(jī)搭載三維激光掃描儀獲取施工現(xiàn)場點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過revit等建模軟件建立三維模型，對比規(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)測整個(gè)工程施工狀況，通過設(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，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；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。

2.2安全監(jiān)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(xiàn)場工作種類多、露天作業(yè)多、人員流動大、地形復(fù)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(jī)械傷害、坍塌事故常有發(fā)生。雖然人們越來越重視信息化現(xiàn)場管理的應(yīng)用，采用遠(yuǎn)程監(jiān)控施工現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)與管理者溝通，但該方法無法做到事故預(yù)防，減少事故發(fā)生。因此，可以應(yīng)用無人機(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)定的場地等；⑤監(jiān)管施工現(xiàn)場設(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)場外監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)和現(xiàn)場人員聯(lián)絡(luò)，預(yù)防事故的發(fā)生。

2.3質(zhì)量管理

無論是現(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。現(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大、運(yùn)輸過程中板間擠壓等產(chǎn)生裂紋，裂縫延伸至整個(gè)板塊，導(dǎo)致構(gòu)建破壞等問題。傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測方法是利用專業(yè)儀器對建筑物或橋梁隧道等各個(gè)部位的力學(xué)性能進(jìn)行測驗(yàn)，用肉眼或者望遠(yuǎn)鏡等輔助工具對其進(jìn)行外觀質(zhì)量測驗(yàn)，對于特別復(fù)雜的工程的特殊部位或者超高層建筑，人工檢測危險(xiǎn)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(chǎn)生檢測遺漏的現(xiàn)象。

3結(jié)語

雖然由于無人機(jī)自身不足、土木工程施工現(xiàn)場特點(diǎn)等因素使得無人機(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，無人機(jī)在土木工程中將會擁有良好的應(yīng)用前景。解決視頻的大數(shù)量存儲與快速處理、無人機(jī)結(jié)合VR眼鏡實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞、無人機(jī)云臺與VR眼鏡聯(lián)動并實(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程、將數(shù)據(jù)處理模塊置于無人機(jī)上可直接將處理結(jié)果傳遞給項(xiàng)目管理者、無人機(jī)的電池瓶頸得以解決等，都是需要進(jìn)一步探索的方向。

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（作者身份證號：652801198908190553）