應用無人機的施工安全巡視與預警研究

李少春 凌海濤 吳小林 靳永衛 鮑利佳 王永寬

摘要：該文提出了依托無人機飛行平臺，在可見光、遠紅外光、化學傳感器的基礎上，結合視覺AI、可視化GIS、位置GPS等技術對電力基建現場進行定時定點低空安全巡視巡查，并在此核心業務的基礎上實現一套完整的安全監督和環境監測的智能分析系統。該文探討了系統的設計思路，并結合實際工程案例詳細詮釋了系統應用思路和方法，結果表明，基于無人機的電力基建現場安全監督和環境檢測的智能分析系統，對人的不安全行為、物的不安全狀態、環境的不安全有一定的預判效果，通過高效科學手段有力降低安全事故率、防患未然。

關鍵詞：無人機? ?安全巡視? ?預警? 管控系統

中圖分類號：TU714? ?文獻標識碼：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加快，涌現了大量技術復雜的工程建設項目。然而，大規模的工程也使工程事故頻發[1]。

通過對全國37個大中城市195起重大事故調查與統計分析發現，每起事故都與安全監控不力或險情預報不準有直接關系。提供一套科學有效的施工現場自動化安全監控方法具有十分重要的意義。目前，無人機已成為世界各國爭相研究的熱點課題。

無人機遙感作為一種新型的遙感數據獲取手段，但目前仍較少成功的將無人機應用于施工安全監控的實施案例。該文以無人機遙感技術為依托，結合某抽水蓄能電站施工項目，探討無人機安全巡視與環境檢測的智能分析，提供一套利用無人機進行施工管控的方法，實現對施工人的不安全行為與物的不安全狀態的安全巡視與預警，并在緊急情況發生后幫助管理人員進行風險評估及應急指揮[2]。

1 無人機巡視下的預警救援模式

1.1 預警規則

為了使施工指揮中心的糾偏指令及預警信息通過無人機及時、準確地傳達給現場的人員，需要制定詳實的預警規則。該文根據視覺傳達理論設計了指令傳達與聲光報警規則。

即在無人機上搭載小型機載擴音器，在每個劃分區域中架設的信號塔上安裝信號燈和大型擴音器。

機載擴音器和大型擴音器同步傳達施工指揮中心發出的糾偏指令。信號燈根據聲光報警規則發出光學信號，示意該區域人員區域的安全狀態并在緊急情況發生時指示人員疏散[3]。

1.2 無人機應急救援

無人機應急救援屬于無人機深基坑施工監控的一部分，是系統根據聲光報警規則與信息收集-分析-反饋流程實現的重要功能。應急救援流程如圖1所示。

2無人機施工安全管控系統設計

2.1系統特點

無人機安全監督和環境檢測的智能分析系統的運用將使得傳統的安全監控方法發生變革，顯著提高安全管理的效率[4]。相比于傳統的人工巡視和糾偏應急指揮方法具有的優勢如圖2所示。

2.2系統信息流拓撲

基于上述風險識別分析與無線遙感技術、視覺傳達理論，結合系統模塊功能，構建了電站施工無人機安全監控系統拓撲圖，實現自動化信息采集、信息反饋、指令傳達與糾偏控制的“感-傳-知-控”的集成系統功能[5]。如圖3所示。

整個系統拓撲分為4個層次，最底層為施工現場，現場的無人機監控項目受到無人機監控終端的監控。第2層為無人機監控終端，包括無人機及其搭載設備，無人機監控終端利用機載攝像頭進行視頻監控，利用機載擴音器對下一層施工現場人員發出糾偏指令，利用無人機信號接收器與無線信號與上一層系統控制界面連接，實現監控項目信息的收集與反饋，達到上傳下達的目的。

第3層為系統設備層，為系統服務的設備根據監控需要安裝在電站施工現場，組成無線信號網絡和預報警系統，由系統控制界面控制。最上層為管理層，由施工指揮中心操作系統控制界面，同時控制界面也向施工指揮中心反饋信息。

施工指揮中心與監理、業主、其他單位通過互聯網進行信息匯報，使監理、業主、其他單位能實時了解施工現場安全狀況。

2.3系統平臺設計

平臺的設計基于云平臺設計理念，即系統的信息采集將固定匯聚到特別建設的數據中心用于記錄分析與儲存留檔。系統操作平臺與業主、監理、其他單位通過互聯網進行連接，業主、監理、其他單位可通過登錄數據中心對無人機監控記錄進行查閱和批示。

無人機飛行平臺通過視頻采集的施工現場安全監控信息將通過運營商廣域網（4G模塊）共享到云端服務器，通過4G或WIFI無線網絡實現在系統平臺的視頻監控錄像同步播放或回放。回傳信息在Windows，IOS，Android3個平臺都能實現實時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，所在位置均為現有道路下方。綜合工程環境及周邊管線情況，圍護結構采用地下連續墻加內支撐的形式，地下連續墻厚1 000 mm，開挖面積為5 624 m2。

3.2監控裝置布設

在無人機上搭載CCD攝像頭、信號接收器、飛行防碰撞裝置和機載攝像頭，為合理設置信號塔，將施工電站劃分為10個監控區域，每個監控區域的地下連續墻上架設信號塔，每個信號塔從i1～i10編號，如圖4所示。

3.3施工暴露時間監控

基于施工電站的勘察資料和安全等級，對施工項目進行風險分析，確定鋼支撐架設不及時、基坑暴露時間過長、路面塌陷、管線損壞、管涌等安全風險因素為A類，需進行重點監控與風險響應。

對于每小塊土體，基坑的無支撐暴露時間與基坑變形的風險成正比，需重點監控深基坑的無支撐暴露時間。

施工指揮中心通過系統操作界面設定無人機沿既定路線進行規劃路線的基坑暴露時間巡視與監控。如圖5所示，當前基坑施工進度圖顯示區域2～8正進行土方開挖，可能存在基坑暴露時間較長的風險，故制定巡視監控計劃，設定巡視路線為依次經過信號塔i0～i8，最后返回起飛處i0，如圖6所示。根據施工指揮中心規劃的當日無人機的巡視監控路線，指令通過系統控制界面傳達給信號塔網絡。

為實現區域2～8的無人機基坑暴露時間監控，區域2內的信號塔打開并發出指引信號，指引無人機從起飛處飛行至該區域，該區域信號塔根據預警規則打開黃色信號燈，等待無人機巡視。

無人機通過機載攝像機實時將監控視頻圖像傳至系統操作界面，指揮中心操作人員根據實時施工現場圖像，記錄該區域基坑開挖的狀態與鋼支撐架設狀態，并形成視頻截圖和當日監控報告，上傳至互聯網數據中心留檔。

指揮人員根據當日監控視頻與平臺數據中心的以往記錄比較，確定當前區域基坑無支撐暴露時間。

系統操作平臺調出數據庫中的基坑暴露時間的相關規范和專家組意見，進行風險評估。若確認安全，則該區域信號塔打開綠色信號燈。無人機飛往下一巡視區域；若區域2經過風險評估后發現有安全風險存在，則進入信息反饋即安全糾偏流程。

進入安全糾偏流程后，無人機飛行平臺首先根據聲光報警規則開啟并閃爍信號塔上黃色信號燈，同時開啟擴音器，向該區域施工人員通報基坑暴露時間過長，鋼支撐未及時架設的安全風險。該通報將以音頻形式上傳并保存至系統平臺數據中心留檔。同時，施工指揮中心指揮人員通過現場擴音器及無人機機載擴音器向現場管理人員發出暫停開挖、及時架設鋼支撐的糾偏指令。

現場管理人員應立即到施工指揮中心報道并匯報施工糾偏方案和進展。當施工指揮中心判斷區域2基坑鋼支撐及時架設，基坑不再處于無支撐暴露狀態后，該區域信號塔可打開綠色信號燈，無人機可進行下一區域的巡視與監控。

當全部巡視區域得到巡視且未發現安全風險存在，起飛處i0信號塔打開，指引無人機返回，巡視結束后，操作人員上傳錄像或巡視記錄至系統儲存留檔，供業主、監理或其他單位查閱，至此一個深基坑暴露時間監控流程完畢。

4 結語

為了解決電站施工由于安全監控不力、糾偏措施不及時而發生安全事故的問題，該文提出了依托無人機飛行平臺，利在可見光、遠紅外光、化學傳感器的基礎上，結合視覺AI、可視化GIS、位置GPS等技術對電力基建現場進行定時定點低空安全巡視巡查，并在此核心業務的基礎上實現一套完整的安全監督和環境監測的智能分析系統。

參考文獻

[1]宋吾軍.無人機在施工現場臨邊作業安全檢查中的應用研究[J]. 建筑技藝，2018（9）：55-57.

[2]谷連軍，孟秀軍.無人機巡視非結構化數據服務平臺研究[J].信息技術與信息化，2021（6）：203-206.

[3]趙育橦. 基于無人機的電力巡視技術研究[D]. 阜新：遼寧工程技術大學，2019.

[4]李蕾. 輸電線路無人機巡視管理信息系統設計與實現[D]. 成都：電子科技大學，2019.

[5]賀馳原，鄒鵑竹，劉航.一種大型倉庫無人機巡視系統的設計[J].科技創新與應用，2021（7）：83-85.

[6]崔健.臺風災害下無人機激光雷達技術的電網巡視應用[J].測繪科學，2021，46（4）：63-67.

作者簡介：李少春（1978—），男，碩士，高級工程師，研究方向為安全管理。