試論無人機(jī)(UAV)賦能的施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理方案

【摘要】基于無人機(jī)賦能的施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理，首先從軍事武器到多領(lǐng)域應(yīng)用入手，掌握無人機(jī)的發(fā)展歷史和持續(xù)外溢，然后分析應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)的施工現(xiàn)場(chǎng)管理實(shí)例，最后對(duì)無人機(jī)對(duì)我國(guó)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理的多方位賦能作用進(jìn)行闡述。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)技術(shù);賦能作用;施工現(xiàn)場(chǎng);現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理

作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，建筑業(yè)正置身于“建筑智造”和建筑工業(yè)化的改革浪潮，同時(shí)也在經(jīng)歷后數(shù)字化時(shí)代新興技術(shù)對(duì)其生態(tài)鏈各要素的滲透、融合、解構(gòu)和改寫。這一背景之下，基于旁站、巡視和平行檢查的傳統(tǒng)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理方案的弊端一一凸顯。就當(dāng)前行業(yè)業(yè)態(tài)而言，施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理普遍以監(jiān)理工程師和監(jiān)理員的人工觀測(cè)為主，以儀器監(jiān)測(cè)為輔，隨之而來的信息采集和記錄大多形諸文字形式的監(jiān)理日記。這種模式受限于人力、物力、技術(shù)和其他現(xiàn)實(shí)條件，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)不斷涌現(xiàn)的海量數(shù)據(jù)無法做到全方位捕捉、全過程復(fù)制、可視化展示和實(shí)時(shí)分析預(yù)警。監(jiān)理過程中習(xí)得的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)也流于片斷，無法復(fù)制和周延。以無人機(jī)（UAV）為代表的新興科技賦能，集高清攝影、現(xiàn)代傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)于一體，為我國(guó)智能監(jiān)理時(shí)代的開啟提供了一種可能。

1、從軍事武器到多領(lǐng)域應(yīng)用：無人機(jī)的發(fā)展歷史和持續(xù)外溢

發(fā)端于上世紀(jì)初的無人機(jī)是兩次世界大戰(zhàn)中海、陸、空三軍反復(fù)進(jìn)行空中魚雷實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物。1918年，美國(guó)陸軍研發(fā)了名為“凱特林小飛蟲”的雙翼無人飛行器。在小型陀螺儀的引導(dǎo)下，“小飛蟲”可運(yùn)載約180磅重的炸藥，以每小時(shí)120英里的速度飛行，并進(jìn)行射程為50英里內(nèi)的轟炸。以“小飛蟲”為代表的早期無人機(jī)未能真正投入戰(zhàn)場(chǎng)，因其遇到了技術(shù)瓶頸：一是地面操作人員不能有效控制“小飛蟲”的起降，二是“小飛蟲”很難維持穩(wěn)定飛行狀態(tài)。隨著無線電射頻技術(shù)的發(fā)展，軍用無人機(jī)在二戰(zhàn)中有了用武之地。美國(guó)海軍的“鐵砧計(jì)劃”和德國(guó)的“弗里茨X”導(dǎo)彈都標(biāo)志著無人機(jī)在軍事領(lǐng)域的突破性應(yīng)用。隨后的冷戰(zhàn)時(shí)代見證了無人機(jī)的空中偵察能力和定位功能的逐步成熟。今天，“全球鷹”和“捕食者”等全自動(dòng)無人機(jī)不僅可以執(zhí)行ISR （情報(bào)、監(jiān)視、偵察）任務(wù)，還可并根據(jù)難度和后果編排攻擊任務(wù)。

無人機(jī)的開發(fā)和多領(lǐng)域應(yīng)用是當(dāng)今世界一大熱點(diǎn)。從1983年雅馬哈研制的第一臺(tái)用于噴灑農(nóng)藥的無人機(jī)到今天超過2000架的注冊(cè)農(nóng)用無人機(jī)，日本已成為當(dāng)仁不讓的農(nóng)業(yè)無人機(jī)大國(guó)。美國(guó)聯(lián)邦政府向其屬下的林務(wù)局、海岸警衛(wèi)隊(duì)等機(jī)構(gòu)提供100多架共享無人機(jī)，用于森林防火和極端氣候預(yù)警等方面的數(shù)據(jù)收集和科研。隨著無人機(jī)在民用市場(chǎng)的潛力日益凸顯，美國(guó)于2012年出臺(tái)《聯(lián)邦航空管理局現(xiàn)代化與改革法》，大力推廣民用無人機(jī)的發(fā)展。無獨(dú)有偶，歐盟各國(guó)政府和企業(yè)也在無人機(jī)的民用領(lǐng)域和商用領(lǐng)域持續(xù)投入資金、資源和技術(shù)。在未來二十年內(nèi)，歐盟有望創(chuàng)造100，000個(gè)與無人機(jī)直接有關(guān)的就業(yè)機(jī)會(huì)，并預(yù)期獲得超過100億歐元的年度經(jīng)濟(jì)收益 。

與西方國(guó)家相比，我國(guó)的無人機(jī)技術(shù)起步較晚，卻擁有最為蓬勃發(fā)展的市場(chǎng)。上世紀(jì)80年代，民用無人機(jī)在我國(guó)的地質(zhì)勘測(cè)和地圖測(cè)繪等領(lǐng)域即嶄露頭角。2010年，中航通用飛機(jī)推出具備實(shí)時(shí)圖像采集與傳輸、無線通信中繼、氣象觀測(cè)以及防雹降雨氣象作業(yè)等功能的“黔中一號(hào)”無人機(jī)。無人機(jī)技術(shù)向其他領(lǐng)域的外溢亦見于農(nóng)業(yè)噴灑、農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、防災(zāi)應(yīng)急、科研、物流等。隨著技術(shù)日臻成熟和成本下降，消費(fèi)級(jí)無人機(jī)近年出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)。以深圳大疆科技為例，這家無人機(jī)公司2010年的營(yíng)業(yè)額為數(shù)百萬(wàn)元，2015年其市場(chǎng)估值即高達(dá)100億元， 其產(chǎn)品80%銷往海外，其中小型無人機(jī)擁有70%的全球市場(chǎng)份額 。

2、應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)的施工現(xiàn)場(chǎng)管理實(shí)例

2017年，美國(guó)大型建筑公司Key Construction 在承建一座造價(jià)逾千萬(wàn)美元的露天休閑設(shè)施時(shí)，將棒球場(chǎng)的草坪播種工作分包給一家園林公司。草坪成型時(shí)效果并不理想。項(xiàng)目經(jīng)理質(zhì)疑分包商播種所用的種子數(shù)量少于規(guī)范要求，可分包商托辭說是出苗率不高。Key Construction管理層得知這一爭(zhēng)議后，使用無人機(jī)對(duì)棒球場(chǎng)進(jìn)行了航拍，隨即得到了高清的正射影像圖。圖中一目了然的是，分包商并未按合同要求朝四個(gè)方向播種。相反，他們只朝兩個(gè)方向進(jìn)行了播種，在中途還隨意切換了方向。無人機(jī)技術(shù)不僅幫助Key Construction解決了施工中的爭(zhēng)議，還節(jié)省了他們的勘測(cè)成本。當(dāng)棒球場(chǎng)沿著地基出現(xiàn)排水不暢時(shí)，管理層使用無人機(jī)進(jìn)行了高空測(cè)繪作業(yè)，然后將測(cè)得的標(biāo)高輸出至Autodesk Revit軟件，計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)各點(diǎn)之間的標(biāo)高差異。這項(xiàng)勘測(cè)工作主要依靠無人機(jī)和建筑軟件，全程費(fèi)時(shí)不過幾小時(shí)，比起傳統(tǒng)的人工測(cè)繪，省時(shí)省力且節(jié)約成本。

同樣值得一提的是，在建筑工人短缺現(xiàn)象日趨嚴(yán)重的今天，全球第二大建筑巨頭小松研發(fā)了基于無人機(jī)技術(shù)、智能機(jī)器控制技術(shù)（iMC）和三維激光掃描的智能施工（Smart Construction）解決方案。該方案的硬件主要來自大疆科技為小松定制的商用四軸無人機(jī)，機(jī)器視覺軟件則由美國(guó)Skycatch公司提供。小松的實(shí)踐證明，無人機(jī)在施工現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)繪多達(dá)25，000，000個(gè)點(diǎn)，而傳統(tǒng)人工測(cè)繪僅能實(shí)現(xiàn)約3，000個(gè)點(diǎn) 。在所費(fèi)時(shí)長(zhǎng)上，無人機(jī)可將傳統(tǒng)人工測(cè)繪耗費(fèi)的一整天縮短至半小時(shí)。除了對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)巡航外，無人機(jī)還可將采集的視頻信息轉(zhuǎn)化為3D圖像，再導(dǎo)入軟件與最初的設(shè)計(jì)進(jìn)行匹配和查找異常，以便現(xiàn)場(chǎng)管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正偏差。

加拿大多倫多大學(xué)近年研發(fā)的InPRO是一個(gè)無人機(jī)賦能施工現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)控方案，它利用輕型自主無人機(jī)的設(shè)計(jì)和導(dǎo)航技術(shù)為高層建筑工程的施工信息采集、進(jìn)度控制和質(zhì)量評(píng)估提供了可靠性、安全性和高效率。InPRO使用全自動(dòng)智能無人機(jī)裝載的數(shù)碼相機(jī)和傳感器記錄施工進(jìn)度并實(shí)時(shí)進(jìn)行評(píng)估。無人機(jī)按既定路線進(jìn)行飛行，遵從指示檢查現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的特定位置，包括真人無法到達(dá)或者不安全的地方。地面控制中心則通過無人機(jī)自帶的Wi-Fi實(shí)時(shí)訪問飛行中捕捉的高清圖像和視頻，并使用計(jì)算機(jī)視覺算法對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)處理，以檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。最后，InPRO將施工進(jìn)度數(shù)據(jù)并入四維建筑信息模型（4D BIM）和施工進(jìn)度報(bào)告中，并將實(shí)際進(jìn)度和計(jì)劃進(jìn)度以不同色塊自動(dòng)標(biāo)示出來，確?，F(xiàn)場(chǎng)各部門有效地追蹤工期進(jìn)展并按時(shí)按質(zhì)按量完成施工任務(wù)。

在舉世矚目的雄安新區(qū)建設(shè)中，河北郵電通信監(jiān)理公司、河北華網(wǎng)監(jiān)理公司、公誠(chéng)管理咨詢公司聯(lián)合河北聯(lián)通公司，引入了基于5G、無人機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)的VR智慧監(jiān)理系統(tǒng)，為我國(guó)監(jiān)理行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型提供了極具參考性的實(shí)例。該系統(tǒng)使用無人機(jī)裝載的云臺(tái)，近距離懸停并對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行360度全景4K高清拍攝，再通過5G網(wǎng)絡(luò)將4K全景視頻實(shí)時(shí)回傳到服務(wù)器中。監(jiān)理人員則佩戴VR眼鏡，如同身臨其境地監(jiān)督著施工現(xiàn)場(chǎng)的人員作業(yè)、工藝和質(zhì)量等。服務(wù)器最終依據(jù)無人機(jī)傳回的視頻自動(dòng)生成施工現(xiàn)場(chǎng)圖像資料和監(jiān)理日志。 借助無人機(jī)技術(shù)的VR智慧監(jiān)理系統(tǒng)使遠(yuǎn)程監(jiān)理從構(gòu)想成為了現(xiàn)實(shí)，降低了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人力物力的需求，同時(shí)也在一定程度上規(guī)避了安全風(fēng)險(xiǎn)。

3、無人機(jī)對(duì)我國(guó)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理的多方位賦能作用

施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理是我國(guó)建設(shè)工程獨(dú)有的重要環(huán)節(jié)，對(duì)施工的質(zhì)量和進(jìn)度提供最直接有效的監(jiān)管。它意味著一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及對(duì)物料、機(jī)械、人員、工藝和程序的日常管理。除此之外，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理還承擔(dān)著安全檢查和風(fēng)險(xiǎn)控制的重責(zé)。隨著我國(guó)建筑業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型，對(duì)施工信息進(jìn)行全角度全過程跟蹤記錄也成了監(jiān)理任務(wù)之一。無人機(jī)技術(shù)在境內(nèi)外建設(shè)項(xiàng)目上的應(yīng)用方興未艾，前文中列舉的實(shí)例揭示了無人機(jī)給我國(guó)獨(dú)有的施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理帶來的諸多益處和可能性。

首先，無人機(jī)的巡航功能為旁站、巡視和平行檢查提供了一種靈活便捷的輔助檢查手段。如同雄安VR智慧監(jiān)理系統(tǒng)所示，今天的無人機(jī)技術(shù)可以對(duì)施工動(dòng)態(tài)進(jìn)行高清晰度全視角智能化的跟蹤。對(duì)于人員無法到達(dá)的地方，無人機(jī)的小巧機(jī)身和高空作業(yè)性能也可保證檢查工作的輕松完成。人眼無法探測(cè)到的模式，無人機(jī)的廣角航拍能生成正射影像并自動(dòng)鑲嵌和勻色，相機(jī)的極近自動(dòng)聚焦功能又可捕捉細(xì)枝末節(jié)。換而言之，無人機(jī)拓展了人工監(jiān)理可達(dá)到的深度和廣度，同時(shí)也為精簡(jiǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員、提高監(jiān)理質(zhì)量以及降低監(jiān)理的時(shí)間成本和資金成本提供了可能。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理亦可借助無人機(jī)技術(shù)加強(qiáng)對(duì)施工進(jìn)度的主動(dòng)調(diào)控。長(zhǎng)期以來，監(jiān)理作為業(yè)主委托的監(jiān)管者，主要依據(jù)承包商編寫的采購(gòu)計(jì)劃和進(jìn)場(chǎng)時(shí)間對(duì)后者報(bào)送的施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行審批，通過監(jiān)理例會(huì)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度會(huì)和專題會(huì)等形式進(jìn)行實(shí)際進(jìn)度的協(xié)調(diào)，并以監(jiān)理日志和監(jiān)理通知的形式記錄、分析和促成施工進(jìn)度的整改。這一模式的有效性受限于信息傳遞的時(shí)效性、準(zhǔn)確率和完整度，同時(shí)也意味著大量的溝通協(xié)調(diào)工作。相形之下，無人機(jī)拍攝的視頻和3D圖像，可以直觀地展現(xiàn)施工過程中的不足，譬如說哪些物料或設(shè)備尚未進(jìn)場(chǎng)，或是哪些結(jié)構(gòu)元件尚未安裝到位，或是哪些施工工藝存在偏差。如同InPRO方案所示，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理人員還可將無人機(jī)與計(jì)算機(jī)軟件和建筑信息模型（BIM）結(jié)合使用，快速查找有可能影響工期的因素，做出相應(yīng)的調(diào)整或糾正。如此一來，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理人員有望在施工進(jìn)度管理上從延時(shí)被動(dòng)響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)時(shí)主動(dòng)控制。

無人機(jī)對(duì)于加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理中的安全管理和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警也意義非凡。首先，和人工巡查相比，無人機(jī)巡航能更及時(shí)更準(zhǔn)確地查找施工安全隱患，譬如說人眼難以察覺的偏移和滲漏，或是高難點(diǎn)位置發(fā)生的設(shè)備故障，或是檢查盲區(qū)內(nèi)的違規(guī)行為。其次，無人機(jī)查勘和巡航可為自然災(zāi)害多發(fā)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)施工提供風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和風(fēng)控監(jiān)理。我國(guó)西藏地區(qū)林芝通往拉薩的公路施工期間，無人機(jī)在風(fēng)險(xiǎn)地圖GIS和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的支持下，順利查勘航飛了海拔近4000米的區(qū)域。無人機(jī)還可協(xié)助監(jiān)理人員在項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)確認(rèn)施工質(zhì)量是否合格。舉例來說，對(duì)于建筑主體的細(xì)微裂縫或隱蔽位置的施工遺留物，無人機(jī)都可比傳統(tǒng)人力驗(yàn)收更為快捷地識(shí)別出來。

至關(guān)重要的是，無人機(jī)技術(shù)為我國(guó)監(jiān)理行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型提供了契機(jī)和動(dòng)力。國(guó)內(nèi)外施工現(xiàn)場(chǎng)管理的經(jīng)驗(yàn)表明，無人機(jī)和其他新興科技具有極高的兼容性和可協(xié)作性。基于無人機(jī)全景視頻的虛擬現(xiàn)實(shí)使得遠(yuǎn)程監(jiān)理和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理二者的邊界開始消融。5G網(wǎng)絡(luò)則意味著有史以來最強(qiáng)大的無人機(jī)多種應(yīng)用場(chǎng)景通信需求解決方案，其中包括為施工監(jiān)理進(jìn)行高速高效的數(shù)據(jù)傳輸和處理。無人機(jī)自身的建模技術(shù)和BIM軟件的結(jié)合使用已有成功實(shí)例，監(jiān)理工作中最重要的進(jìn)度管理和質(zhì)量控制均有望由此得到優(yōu)化。無人機(jī)生成的海量施工數(shù)據(jù)也可引入大數(shù)據(jù)分析的框架中，從中提取的規(guī)律、模式和策略對(duì)于未來建筑項(xiàng)目的施工均具有一定的指導(dǎo)性和可參考性。

結(jié)語(yǔ)：

我們需要警醒的是，智慧監(jiān)理的實(shí)現(xiàn)并不能簡(jiǎn)單地依靠熱點(diǎn)科技本身。真正賦予一個(gè)行業(yè)智能和競(jìng)爭(zhēng)力的，不是生產(chǎn)要素而是生產(chǎn)力。只有在革新思路和專業(yè)知識(shí)的雙重護(hù)航下，無人機(jī)技術(shù)才能名副其實(shí)地助力我們智慧監(jiān)理的進(jìn)程。

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作者簡(jiǎn)介：

傅峻，1971年6月生，江西宜春人，本科，工程師，主要在城市規(guī)劃、建設(shè)項(xiàng)目管理和工程監(jiān)理方面具備豐富的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。