黃飛新，劉春峰，王 超

(1.廣東惠清高速公路有限公司，廣州 510960；2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 330013)

0 引言

隨著建設(shè)工程項(xiàng)目的日趨大型化、復(fù)雜化和國際化，信息的交流與傳遞日趨頻繁，各方面的信息鋪天蓋地，施工信息化管理的需求越來越高。面對(duì)如此宏大的施工信息化管理需求，傳統(tǒng)的管理模式、管理方法因其信息獲取率低、數(shù)據(jù)量少、安全性差、易受人主觀因素影響等，導(dǎo)致傳統(tǒng)的管理模式和管理方法難以滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求，所以有必要借助于新一代的信息化技術(shù)，結(jié)合施工信息化管理的特征趨勢(shì)和新型施工信息化工具，尋找施工信息化的工程管理手段來解決工程項(xiàng)目管理存在的問題[1-3]。

隨著社會(huì)進(jìn)步和技術(shù)發(fā)展，無人機(jī)超低空遙感技術(shù)備受關(guān)注，它以獲取觀測(cè)目標(biāo)的空間位置、幾何、輻射、光譜信息為應(yīng)用目標(biāo)，以無人駕駛飛機(jī)為飛行平臺(tái)，以可見光相機(jī)、熱紅外相機(jī)等為傳感器[4]，具有獨(dú)特的空中鳥瞰視角，不僅具有基本無死角的全景影像，而且覆蓋范圍大，更適用于野外大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)管理[5]。無人機(jī)技術(shù)在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，因此，本文通過對(duì)無人機(jī)技術(shù)在高速公路建設(shè)施工信息化管理方面的應(yīng)用進(jìn)行研究，并借助3S技術(shù)(GPS、RS、GIS)在系統(tǒng)中的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工程現(xiàn)場(chǎng)可視化、信息化、平臺(tái)化管理。管理者通過系統(tǒng)平臺(tái)可以隨時(shí)查看施工現(xiàn)場(chǎng)信息，及時(shí)掌控施工現(xiàn)場(chǎng)概況，為其提供決策參考依據(jù)。

1 建設(shè)項(xiàng)目概況

惠清高速公路位于廣東省中部地區(qū)，是廣東省高速公路規(guī)劃網(wǎng)“二橫”線—汕湛高速公路的重要組成部分，屬省重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。項(xiàng)目全線橋隧比超過50%，橋隧相連，結(jié)構(gòu)較多，施工組織難度大，施工便道規(guī)劃、建設(shè)困難，工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)矛盾突出，項(xiàng)目隧道多且地質(zhì)復(fù)雜，橋梁結(jié)構(gòu)物多，與既有運(yùn)營高速公路、鐵路交叉施工，安全管控敏感點(diǎn)多，管控難度大。項(xiàng)目跨越三市五縣區(qū)，位于珠三角，土地資源附加值高，土地供需矛盾突出，征地拆遷難度大。因此，為了進(jìn)一步提高施工現(xiàn)場(chǎng)管理效率、降低人力和管理成本、減少安全事故，該項(xiàng)目開展了“基于無人機(jī)技術(shù)的高速公路建設(shè)施工信息化管理應(yīng)用”，在施工現(xiàn)場(chǎng)開創(chuàng)性地使用新技術(shù)，借助無人機(jī)低空遙感技術(shù)，快速獲取高速公路建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息，增加對(duì)“高、陡、滑、深”等復(fù)雜作業(yè)工點(diǎn)的檢查，減少人員在危險(xiǎn)環(huán)境的作業(yè)，另外通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)原貌進(jìn)行三維還原，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可追溯。從工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度及應(yīng)急管理等四個(gè)方面實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)的施工信息化管理，進(jìn)而較好地保證了工程質(zhì)量和工程進(jìn)度。

2 基于無人機(jī)技術(shù)的高速公路建設(shè)管理總體部署

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)高速公路建設(shè)管理的需求，利用無人機(jī)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用分析，形成現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量、安全、進(jìn)度數(shù)據(jù)。一方面將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；另一方面，將現(xiàn)場(chǎng)信息展示于移動(dòng)終端，指導(dǎo)管理人員做出合理決策，及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的問題作出反應(yīng)。當(dāng)管理人員需要調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)歷史信息時(shí)，可通過移動(dòng)終端申請(qǐng)?jiān)L問數(shù)據(jù)庫。其具體的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)

2.2 管理方案

以高速公路建設(shè)施工信息化管理基本原理和工程實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)為依托，圍繞無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用和高速公路建設(shè)管理，研究兩者之間的契合點(diǎn)，分別從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用等三個(gè)方面開展研究。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

以地形數(shù)據(jù)采集為例，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式是通過人員使用儀器進(jìn)行實(shí)地采樣，效率低且人力成本高。無人機(jī)作為一種新型的智能設(shè)備，具有機(jī)動(dòng)靈活、大范圍采集數(shù)據(jù)、受地形限制小等優(yōu)點(diǎn)，可快速采集現(xiàn)場(chǎng)信息數(shù)據(jù)，大大提高數(shù)據(jù)采集效率。但針對(duì)工程管理的具體需求，如何制定一套完整的數(shù)據(jù)采集作業(yè)流程，如何保證無人機(jī)的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量、安全自動(dòng)巡線飛行，是亟需解決的問題。因此，以工程管理需求為導(dǎo)向，研究無人機(jī)搭載平臺(tái)和遙感器的業(yè)務(wù)應(yīng)用方向、主要性能參數(shù)。借鑒傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的技術(shù)路線和規(guī)范要求，針對(duì)高速公路建設(shè)管理需求，制定施工信息化數(shù)據(jù)采集的規(guī)范化作業(yè)流程。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是工程信息流的重要中間環(huán)節(jié)，接收無人機(jī)采集的多源信息數(shù)據(jù)。目前，數(shù)據(jù)處理流程中人工介入環(huán)節(jié)多，存在效率低、人為影響因素多等問題。為保證數(shù)據(jù)處理的高效率、自動(dòng)化、低精度衰減，采用空中三角測(cè)量、計(jì)算機(jī)視覺、區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)對(duì)可見光影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，研究確定處理參數(shù)與工程管理需求之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成規(guī)范化的處理流程。通過數(shù)據(jù)成果的表觀質(zhì)量和精度情況，研究不同的傳感器對(duì)工程管理需求的響應(yīng)程度，指導(dǎo)并優(yōu)化數(shù)據(jù)采集階段遙感器的選擇。

2.2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

通過整理與分析惠清高速公路建設(shè)項(xiàng)目各分部分項(xiàng)工程施工規(guī)范、安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化手冊(cè)等資料，研究基于無人機(jī)技術(shù)的高速公路建設(shè)管理的關(guān)鍵指標(biāo)，形成基于無人機(jī)技術(shù)的高速公路建設(shè)智能管理系統(tǒng)。針對(duì)數(shù)據(jù)處理生成的多種數(shù)字成果，研究工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度及應(yīng)急管理規(guī)范化數(shù)字成果的組成與提取方法。將規(guī)范化數(shù)字成果輸入智能管理系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)比對(duì)，評(píng)判現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量、安全、進(jìn)度情況，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、信息化管理。

2.3 工作流程

經(jīng)過充分的理論研究和實(shí)地航測(cè)，總結(jié)出一套完整的無人機(jī)超低空攝影測(cè)量作業(yè)流程，主要流程如圖2所示。

圖2 無人機(jī)超低空攝影測(cè)量作業(yè)流程

3 工程進(jìn)度管理應(yīng)用

本文以惠清高速公路TJ17標(biāo)段為例，利用無人機(jī)定期對(duì)該標(biāo)段的工程施工進(jìn)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而獲取該標(biāo)段的工程進(jìn)度信息，其具體的工程進(jìn)度管理內(nèi)容如表1所示。該標(biāo)段全長11.604km。利用3人組成的信息采集小組，在TJ17標(biāo)沿線布設(shè)5個(gè)地面控制點(diǎn)，使用GPS RTK測(cè)得控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后利用無人機(jī)快速采集施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間約為3h，共獲取航片數(shù)225張，飛行記錄如表2所示。

表1 無人機(jī)工程進(jìn)度管理內(nèi)容

表2 TJ17標(biāo)某月飛行記錄

將航攝影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行半自動(dòng)化處理。4h內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理，生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DOM，平面位置中誤差為±0.5m，符合《城市測(cè)量規(guī)范》中的1:2000正射影像圖精度要求(如圖3、圖4所示)，可作為全線進(jìn)度管理的數(shù)據(jù)依據(jù)?；谏傻娜S點(diǎn)云和DOM等數(shù)字成果，可進(jìn)一步規(guī)范化數(shù)據(jù)提取，快速獲取施工現(xiàn)場(chǎng)拆遷進(jìn)度、臨建建設(shè)完成情況、路基現(xiàn)狀高程、橋梁與涵洞開工情況等信息(表3)，從而有效建立施工現(xiàn)場(chǎng)與管理人員之間的數(shù)據(jù)鏈，為全線施工進(jìn)度管理提供決策依據(jù)。

圖3 TJ17標(biāo)某月無人機(jī)拆遷進(jìn)度跟蹤1

圖4 TJ17標(biāo)某月無人機(jī)拆遷進(jìn)度跟蹤2

表3 無人機(jī)施工進(jìn)度現(xiàn)狀

4 工程質(zhì)量管理應(yīng)用

4.1 邊坡工程

傳統(tǒng)方式須技術(shù)人員攜帶測(cè)量儀器實(shí)地對(duì)邊坡坡口線、坡率等進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，獲取數(shù)據(jù)量少且危險(xiǎn)性高。利用無人機(jī)超低空遙感技術(shù)進(jìn)行邊坡施工現(xiàn)場(chǎng)信息采集，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量隱患，減少工程損失。

以惠清高速公路TJ3標(biāo)K65+940～K66+040段左側(cè)五級(jí)路塹邊坡為例，利用小型旋翼無人機(jī)Phantom4 Pro在1h內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集，獲取航片380張。將航攝影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行半自動(dòng)化處理。4h內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理，地面分辨率為0.73cm，平面位置中誤差為±0.03m，高程中誤差為±0.05m，符合《城市測(cè)量規(guī)范》中的1:500地形圖精度要求，可作為邊坡質(zhì)量、安全、進(jìn)度管理的數(shù)據(jù)依據(jù)?；谏傻母呔热S點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DOM，可進(jìn)一步對(duì)坡口線、坡率、坡高、平臺(tái)寬、安全防護(hù)情況進(jìn)行提取分析，有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖5 無人機(jī)邊坡管理數(shù)字成果

圖6 無人機(jī)邊坡管理開挖線與設(shè)計(jì)線對(duì)比

從圖5、圖6中可以發(fā)現(xiàn)：高邊坡實(shí)際坡口線與設(shè)計(jì)不一致，五級(jí)坡實(shí)際坡率比設(shè)計(jì)稍陡等，管理人員可第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題，并及時(shí)督導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行整改，及時(shí)糾錯(cuò)，避免了數(shù)百萬元的工程損失。

4.2 清淤換填

清淤換填的施工質(zhì)量直接影響高速公路營運(yùn)期間的路面沉降程度。目前，在清淤換填施工過程中，主要由測(cè)量人員使用全站儀、GPS RTK按照斷面法或網(wǎng)格法進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，對(duì)地表情況、高程進(jìn)行記錄。這種對(duì)地形進(jìn)行抽樣測(cè)量的方式，可獲取的數(shù)據(jù)量少，而且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與后續(xù)數(shù)據(jù)處理需依靠人工完成，測(cè)量結(jié)果易受人員的技術(shù)水平和情緒影響。

利用無人機(jī)通過航線規(guī)劃可快速獲取清淤換填階段性數(shù)據(jù)。以惠清高速公路TJ1標(biāo)BK55+320～BK55+410段清淤換填為例，通過自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理生成了高精度正射影像圖，獲取了cm級(jí)的地形數(shù)據(jù)，較大地提高了清淤換填數(shù)據(jù)獲取的效率，保證了數(shù)據(jù)的客觀性、真實(shí)性。

圖7 無人機(jī)清淤換填管理(換填后)

5 工程安全管理應(yīng)用

邊坡穩(wěn)定性影響因素主要包括邊坡坡體施工質(zhì)量(邊坡開挖、錨固、排水工程等)和邊坡周邊環(huán)境對(duì)坡體的影響。施工過程中，由于缺乏對(duì)邊坡周邊大范圍環(huán)境信息采集的技術(shù)手段，往往忽視邊坡周邊環(huán)境對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響。

以惠清高速公路TJ4標(biāo)一處高邊坡為例，利用無人機(jī)對(duì)邊坡本體及周邊環(huán)境信息進(jìn)行采集，通過高精度三維建模，對(duì)邊坡上方的排水情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩處人為水溝，在雨量較大時(shí)，極易對(duì)坡體造成集中沖刷。管理人員根據(jù)無人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)成果，及時(shí)對(duì)邊坡上方排水設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，有效避免了后續(xù)可能導(dǎo)致的工程損失。

另外，高速公路建設(shè)周期長，廣東地區(qū)雨季降雨量大，對(duì)正在開挖的邊坡易造成破壞，危及施工安全。無人機(jī)超低空遙感技術(shù)應(yīng)用于應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)信息獲取，可快速獲取邊坡滑塌后的地形情況，通過數(shù)據(jù)處理與分析，獲知滑塌面積、影響區(qū)域及滑塌方量，為應(yīng)急人員、設(shè)備的有效投入提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖8 無人機(jī)邊坡隱患管理

6 結(jié)論與展望

無人機(jī)低空遙感技術(shù)進(jìn)行施工信息化管理在惠清高速公路的運(yùn)用，有效提升了項(xiàng)目的管理效率，減少了安全風(fēng)險(xiǎn)，保證了工程質(zhì)量，較好地保證了工程進(jìn)度。

(1)進(jìn)度上管理者“足不出戶”，在電腦上可直觀、全面了解工程建設(shè)；質(zhì)量上提高對(duì)不易到達(dá)或觀察區(qū)域的檢查頻率，減少盲區(qū)。

(2)安全上降低人員到“高、陡、滑、深”等區(qū)域的作業(yè)頻率，減少安全隱患。

(3)數(shù)據(jù)可追溯性強(qiáng)，可以對(duì)歷史原貌三維重現(xiàn)，為項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)營提供數(shù)據(jù)支持。

目前由于受科技等條件的限制，管理的范圍與精度還受限，但隨著人工智能時(shí)代的到來，基于無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)根據(jù)實(shí)際需求而逐步拓展，在此領(lǐng)域有極大的研究潛力和應(yīng)用前景。對(duì)于未來如何選擇合適的搭載平臺(tái)與傳感器，有針對(duì)性地解決所需要監(jiān)測(cè)的對(duì)象與問題，隨著技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)踐的深入，將會(huì)大有所為。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的施工信息化管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而指導(dǎo)工程的科學(xué)管理、合理安排施工，推動(dòng)綠色、智慧高速公路，具有重要的意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。