無人機在建築施工現場的應用研究

1.引言

隨着國家經濟的發展，大型建築越來越多，隨即出現的施工現場問題也愈發嚴重。如何確保在整個建築施工生命週期中不再出現安全、質量事故，引起了大家的廣泛關注。無人機，這是一種不需要駕駛員駕駛的飛機，開始主要用於軍事試驗的靶機使用，隨着技術的不斷革新，結構的不斷優化，逐步應用到更廣泛的軍事打擊活動中。隨着無人機應用技術的成熟，加上成本及維修費用低廉，在人們日常活動中也開始快速的普及及運用，特別是我們日常隨處可見的航拍活動。它與成像設備等結合可以實現應用的擴展，完成更多地任務。在當前經濟高速發展的背景下，無人機在基建行業的運用具有無限發展空間和前景。

2.無人機技術特徵和發展與市場規模分析與預計

2.1無人機技術特徵

2.1.1無人機全球定位導航技術

全球定位導航技術在生活中的運用隨處可見，如使用手機自帶導航地圖去市圖書館、選擇某條比較快的路線導航去武漢大學、使用美團外賣去某家評價比較高的餐廳就餐等等。我們常見的無人機航拍就是使用全球定位技術，預先選定飛行路線，使無人機搭載高清攝像頭按照選定的路線飛行，這樣就可以實現無人機的自動航拍。這項技術不僅使用在軍用領域，民用領域目前也已廣泛的開展運用，如：在施工安全評價的應用過程中，利用無人機的全球定位導航技術，精確控制無人機的飛行路線來對施工現場安全狀況進行評估，監督檢查施工過程中的安全生產情況。

2.1.2紅外熱成像技術

自然界的物體，只要自身温度高於絕對零度(-273.16°C)，都會產生紅外輻射，發出紅外線，利用紅外探測器就能探測出物體的散發的紅外輻射能量，通過光學成像物鏡就可以將物體的紅外能量分佈，反映到紅外探測器的光敏元件上，就可以獲得物體的紅外熱像圖。隨着新技術、新材料的應用，無人機攜帶熱成像設備進行組合使用廣泛應用於各個行業領域，開創了無人機使用的高速發展時期。無人機通過與相機設備和紅外成像儀組合使用，可以在能見度較低、有危險的區域進行紅外成像探測，提前發現災難發生的徵兆，為預警、救援提供信息技術支持。

2.1.3無人機遙感測控技術

無人機遙感測控技術是利用無人機的無人駕駛飛行技術與遙感傳感器技術和遙感遙測技術的綜合應用，來獲得目標區域的遙感數據信息。特點是把無人機作為空中平台，遙感傳感器採集相關信息，然後通過計算機系統對收集的信息按照要求製作出圖像。是集成了遙感、遙控、遙測技術與計算機技術的新型應用技術。此技術是對衞星遙感技術的補充，在衞星無法覆蓋、應急不及時以及人員無法進入的時候，可以利用無人機遙感遙測技術對危險區域進行測控。目前該技術已廣泛用於地質災害的檢查、空中救援指揮以及環境遙感遙感的監測方面。與傳統的測繪方法相比較，具有成本低、應用靈活、可維護性好、安全性高、可實現危險區域探測等優勢。

2.2無人機發展及市場規模分析與預計

無人機出現在上世紀20年代，早期無人機的發展和運用主要集中在軍事領域，被用作靶機，後來逐漸應用於軍事作戰、情報偵查、遙測測量等方面。20世紀80年代以來，隨着計算機技術、新材料技術、通訊技術的運用，各種傳感器在體積、重量、探測精度等方面不斷的優化，無人機的性能方面也在提高，應用的範圍越來越廣泛，應用的領域也越來越多。在人員無法到達和危險區域的巡檢、安全及防疫監控、農林植保監護、測繪與地理信息等領域廣泛的被應用並快速的發展。

無人機行業市場規模分析及預測

國外：無人機技術處於領先地位的是美國，09年以來，美國在無人機技術創新方面取得重大突破並實現大規模商用。以色列作為無人機出口大國，其核心技術依賴於美國。全球無人機市場市場發展日趨成熟，主要體現在消費級和軍用無人機方面，工業級無人機應用市場的不斷拓展和軍用小型監控無人機市場的不斷增長，同時也在推動全球無人機產業規模的不斷擴大。2015年至2019年，全球無人機市場規模年均複合增長率為19.40%，2019年全球軍用無人機和民用無人機市場規模分別為703.30億元、657.38億元，分別佔比51.69%、48.31%。預計到2024年，全球無人機市場規模將突破5,000億元。

2015-2024年全球無人機市場規模分析及預測

近年來，民用無人機主要集中在消費級無人機方面，隨着應用範圍的拓展工業無人機將實現快速發展，預計2020年全球工業無人機市場規模將超過消費級無人機。

中國：我國的無人機研究起步較晚，開始也主要是用於軍事方面，在民用方面的探索發展主要集中在改革開放以後，目前我國從事無人機行業的單位有300多家，形成整套研發、製造、銷售、服務體系有150家左右，2014年我國無人機銷售2萬多架，我國消費級無人機市場規模為283.33億元，佔全球相應市場規模的比例為74.29%、工業無人機的市場規模為151.79億元，佔全球相應市場規模的比例為55.00%。我國已在全球無人機行業已佔有重要一席。

3. 建築施工中存在的問題

3.1施工現場環境污染問題

近年來，隨着國內基建項目的發展，造成了城市的霧霾的加劇，環境問題成了當今社會人們關注的焦點問題。建築工程佔地面積大，歷時較長，施工過程中極容易引起環境問題。建築施工產生的粉塵等還會降低附近的空氣質量，引起過路人的反感；固體和液體廢棄物不進行處理，直接排放後還會造成水質污染；建築工地上機械噪音大，一些企業為趕工期，在居民休息時間段仍進行施工，嚴重影響附近居民的生活質量。

3.2施工效率較低

根據有關調查顯示，目前我國基建項目花費常常超出預計80%，工程進度落後計劃20個月。這些反映出目前基建施工過程的作業效率比較低。基建工地的施工效率受當地的氣候、施工管理人員和作業工人的素質、管理方式及技術等因素影響較大，在極端氣温和雨雪等惡劣天氣不適合施工，施工管理人員和作業工人的素質高低對於施工效率也有重大影響，往往決定了工程的質量好壞。天氣因素屬於不可控因素，而施工管理人員及作業工人素質是可以提高的。

3.3工程施工質量控制力度不夠

近年來，隨着我國社會的不斷髮展和經濟的不斷進步，我國建築施工行業也得到了快速發展，工程施工質量能否達到規定水準，直接關係着工程的交付使用，而工程質量又與施工現場管理有着密切的聯繫。在施工過程中，一方面，由於企業、項目管理漏洞的存在或一些企業為了降低成本，導致劣質建築材料被應用於施工過程，嚴重破壞了工程質量。另一方面，施工作業人員的不規範操作，隨意對設計圖紙和施工方案進行更改，遇到問題不能及時做出迴應和解決，對工程質量產生了不良影響。

3.4安全管理不全面

安全第一是施工現場第一關注點，安全問題不僅是影響工程質量，更涉及到現場施工人員的人身生命安全。建築工地經常出現安全事故卻不斷出現，部分企業對安全的管理仍在做書面形式主義，並未重視安全無小事的問題，施工人員對現場出現的安全問題還存在僥倖心理。首先，企業施工現場管理人員和施工作業人員的安全意識淡薄，工作過程中沒有較強的安全紅線意識，企業也未對施工作業人員進行系統的安全教育，企業管理上未制定完善的安全管理制度和施工現場監督機制，安全責任不明確。其次，施工作業人員受教育程度低，對建築工程中的相關技術不熟悉，在施工過程中，未按國家標準和相關法規進行施工作業，各職能部門相互協調力度不夠，施工作業人員擅自離崗，缺乏自我約束意識，這些行為都是成為建築施工安全的隱患，增加了安全事故發生的概率。

4.無人機在建設施工中的應用

隨着國民經濟的發展，建築施工的人力成本越來越高，無人機在建築行業中的扮演的角色就變得越來越重要。通過無人機的運用，我們可以獲取到以往人員和重型機械無法到達的地方的航拍影像。將這些航拍影像變成實用的勘測與分析資料為管理人員提供整個建築流程的監控、設計與現場實時作業的快捷管理。無人機圖像獲取技術和圖像處理技術的逐漸成熟，對建築施工現場管理特點、建築施工現場影響因素、工程驗收等方面效果顯著。無人機在建築施工現場文明施工、環境污染控制、進度管理和安全管理方面的應用被看好，尤其是在監測人員安全施工、質量監控方面的應用優勢更為突出。

4.1無人機在建築施工區域環境污染控制的運用

無人機在建築施工現場的應用受到廣泛好評，無人機通過視頻監測和儀器採樣，應用於環境污染監控，可以自動、準確地識別寬廣區域的污染源。對環境的監測功能與施工建築領域相結合，針對不同施工現場的施工特點和地理特徵，技術人員可以對作業區域進行調整和劃分，確定圖像採集點和採集的方法，讓無人機按照規定的路線進行圖像採集，從而有利於提高環境污染防治的效率，減少施工現場的環境污染。無人機設備可以檢測施工現場中的PM2.5 含量，並根據檢測結果對施工環節中所使用的材料及相應操作步驟進行調整，實現了控制施工現場污染指數的效果。同時，無人機高空對施工現場不同設備、材料的分佈情況、施工進度進行直接觀察，有助於項目管理人員規範施工現場佈置，為工作人員營造一個安全文明綠色的施工環境。

4.2 無人機在提高施工效率方面的應用

根據施工需要，按照特定的時間設定，利用無人機拍攝施工現場的施工情況，識別現場的施工進度；通過圖像的前後變化對比可以檢測現場人員的工作狀態及進度，合理調配勞動人員配置，分析與優化施工現場的人員結構。無人機拍攝到的影像可以為監管團隊提供參考，在很大程度上提高施工效率。

4.3無人機在建築施工現場質量管理方面的應用

無人機航拍技術是當前無人機行業最為成熟的應用，拍攝精度高，影像結果更為直觀，作業效率高。在對施工質量過程監控及驗收時，利用無人機可以有效獲取整體建築信息，看清工程建設死角，避免工程出現偷工減料等情況。制定科學合理的施工規劃，加強質量控制，實現管理規範化。

4.4無人機在現場安全管理方面的運用

建築施工現場存在嚴重的安全隱患，而安全事故的發生往往是突然的，監管者需要實時觀察施工的安全情況防患於未然，傳統監督監察方式是人工監督和監控監督，人工監察較靈活但是過於的費時、費力，且效率較低，無形中增加人工成本，監控雖然能讓監管者獲得實時信息，但是監控不靈活、視角單一，且有死角，對於突發事件反應比較慢。無人機搭載高清攝像頭可對建築施工現場進行多角度拍攝，對於施工現場的違規作業、違章指揮、違反勞動紀律的行為進行及時提醒和取證工作。而且，無人機還能捕捉到較高的設備安裝情況，這是定點監控很難做到的。還可以利用收集來的數據信息，配合第三方施工現場管理軟件，對施工現場工人作業管理、安全規範管理等進行統一調整和優化。

4.5施工現場無人機應用步驟及注意事項

4.5.1無人機現場作業的基本步驟

根據拍照取樣需求，使用無人機搭載相應的監控設備。 根據建築工地的實際情況，無人機最好身軀小巧 ，續航能力好 ，通訊距離長。而現場監控設備需要圖像分辨率高、感光度高。光線不好情況下圖片噪點少，這樣有助於晚上的拍攝。

對施工現場監管人員進行無人機監控設備操作的培訓 。由於無人機的電池續航能力較差，大概只能用1個小時，而無人機在建築工地要全天候的工作，就需要給無人機配備許多電池來維持其正常工作，並且需要不斷更換電池，增加了操作人員的工作負荷。無人機在飛行拍攝的過程中，需要穩定飛行才能保證拍攝質量，而穩定的飛行受到天氣因素及操作人員的水平影響，在相同的天氣狀況下，操作人員的操作水平決定了圖像的清晰程度，因此需要對操作人員加強培訓。

根據施工現場的具體情況，飛行路線的確定。考慮無人機的信號範圍、續航時間限制 ，建築工地人員複雜、器械材料種類繁多，不利於無人機採集圖像，且空間混亂、高度參差不齊，不適合無人機飛行，因此對於操作人員有較高的要求。因此需要對工地物體的堆積和器械的操作標準化，減少無人機和物體發生碰撞，也有利於採集圖像。保證以最優的飛行路線滿足施工現場所有點的監控需求 。

施工現場無人機監控設備測試 。 在施工現場按照已經確定的飛行路線對無人機監控設備進行測試，主要考察無人機監控設備能否按照擬定路線飛行，在監控現場的拍攝取樣情況，以及視頻數據的實時傳輸情況。

4.5.2施工現場操作無人機的注意事項

無人機電池續航時間較短，普通型號的無人機續航時間通常在 0.5-1.0h 之間。而無人機在建築工地要全天候的工作，就需要給無人機配備許多電池或需要多台無人機依次來維持其正常工作。

受陰雨及霧霾天氣的影響，給無人機帶來一些安全隱患，雨天及其它惡劣天氣無人機不能工作。

由於施工現場的鋼結構建築會對無人機的指南針功能產生干擾，無人機抗干擾能力較差，對飛行的穩定性產生一定影響。需要在控制好成本的前提下，提升無人機的抗干擾能力。

5.結語

在人工成本越來越高的背景下，隨着通信、導航、定位以及新能源等技術的發展，無人機技術以其獨特的優勢將在建築工程施工的各個階段發揮越來越重要的作用，在建築工程施工中的應用頻率及需求將會不斷加大。隨着社會的發展，無人機和建築施工監管相結合的案例將會大量湧現。

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