無人機(jī)智能巡檢技術(shù)在大型水電工程施工監(jiān)管中的應(yīng)用研究

馮 康，郭 翔，趙保國

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

大型水電工程施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)面廣，特種機(jī)械設(shè)備多、交叉作業(yè)多，危險(xiǎn)源多，且一線勞務(wù)人員素質(zhì)參差不齊，安全意識(shí)薄弱，對(duì)施工安全管理工作造成了很大壓力，有效的施工監(jiān)管可減少施工現(xiàn)場(chǎng)事故的發(fā)生率。傳統(tǒng)的監(jiān)管方法主要依靠人力巡檢，隨著科技的發(fā)展，通過安裝監(jiān)控的方式實(shí)時(shí)監(jiān)管越來越成為主流，但這兩種方式發(fā)揮的作用均很有限：一是施工作業(yè)面廣，工序多，傳統(tǒng)人工巡檢效率低，且監(jiān)管人員頻繁的穿梭于施工現(xiàn)場(chǎng)，安全難以得以保障；此外，人工巡檢成效和監(jiān)管人員的責(zé)任心、知識(shí)程度、管理能力有很大關(guān)系，人員責(zé)任不強(qiáng)、能力不足將大大影響監(jiān)管效果。二是實(shí)時(shí)監(jiān)控方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境要求較高，使用范圍有限，監(jiān)控盲區(qū)還需采取傳統(tǒng)人工巡檢方式；且查看監(jiān)控人員責(zé)任心不強(qiáng)也會(huì)大大影響監(jiān)管效果。

無人機(jī)具有小巧靈活、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，且可實(shí)現(xiàn)高分辨率影像的采集，在工程建設(shè)、生態(tài)環(huán)保等工作中越來越受到關(guān)注。石先闖[1]、孫娜[2]等將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用在水土流失治理中，付化勝[3]將無人機(jī)航攝及三維建模技術(shù)應(yīng)用在河道采砂監(jiān)管中，劉少宇等[4]將無人機(jī)航攝技術(shù)應(yīng)用于露天礦山監(jiān)管中，謝洪斌等[5]將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于礦山精細(xì)化監(jiān)管中，張家犇等[6]將無人機(jī)航攝技術(shù)應(yīng)用到港口工程施工安全監(jiān)管中，張李均將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用到水土保持監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)管理中，胡云華等[7]將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)管中，劉文壯等[8]將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用到河湖岸線監(jiān)管中。但經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)無人機(jī)監(jiān)管多停留在利用傳統(tǒng)影像或通過三維建模來判斷目標(biāo)動(dòng)態(tài)，多屬事后發(fā)覺，達(dá)不到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管的要求。針對(duì)這一現(xiàn)狀，提出了利用無人機(jī)與圖像識(shí)別技術(shù)深度融合來構(gòu)建無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管，提高監(jiān)管成效，保障施工安全。

1 項(xiàng)目概況

某大型抽水蓄能電站樞紐工程主要建筑物由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關(guān)站等組成，裝機(jī)容量1800MW，為一等大型工程。

該電站二期施工區(qū)施工面積約3.2km2，上下庫最大高差超600m，南北最長跨度約5km，具有范圍大、高差大、跨度長的特點(diǎn)，這些客觀因素導(dǎo)致人工監(jiān)管安全困難重重，人員到場(chǎng)慢，監(jiān)管效率低。

本次項(xiàng)目服務(wù)區(qū)域包括電站施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)廠交通道路、通風(fēng)洞、上下庫連接公路、上下庫、業(yè)主營地等室外施工區(qū)域，服務(wù)內(nèi)容主要通過無人機(jī)巡檢+目標(biāo)識(shí)別方式，巡檢識(shí)別基建現(xiàn)場(chǎng)不少于15種的典型違章，及時(shí)推送至手機(jī)端發(fā)出短信警報(bào)信息，并遠(yuǎn)程通過喊話器及時(shí)制止違章行為，進(jìn)而解決現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)督力量薄弱的問題，提升抽水蓄能電站在安全方面的智能化管控水平。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)型選擇

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選取某型號(hào)旋翼無人機(jī)，該無人機(jī)具有以下特點(diǎn)。

(1)續(xù)航能力強(qiáng)。該無人機(jī)擁有55分鐘的續(xù)航能力，還支持熱插拔，可以在無需關(guān)機(jī)的情況下，先更換一塊電池再更換另一塊，更換電池后也不再需要花時(shí)間重啟系統(tǒng)和軟件。

(2)精準(zhǔn)復(fù)拍。借助在線任務(wù)錄制和精準(zhǔn)復(fù)拍功能，飛手在完成一次巡檢任務(wù)后，可從錄制的樣片中框選出興趣目標(biāo)區(qū)域，無人機(jī)可精準(zhǔn)記錄位置角度和構(gòu)圖信息。在后期自動(dòng)化巡檢中，通過AI算法自主比對(duì)實(shí)時(shí)畫面并調(diào)整拍攝角度，無人機(jī)每次作業(yè)都能拍到同一目標(biāo)區(qū)域。

(3)智能避障。該無人機(jī)通過將雙目視覺和紅外傳感器同時(shí)引入到機(jī)身的6個(gè)面上，實(shí)現(xiàn)了全向感知和避障。

(4)智能跟蹤。針對(duì)移動(dòng)中的目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)自主識(shí)別、定位并持續(xù)跟蹤。

(5)多重冗余。飛行過程中如某個(gè)系統(tǒng)突發(fā)故障，冗余系統(tǒng)會(huì)迅速開啟，保證安全降落。

2.2 典型違章行為識(shí)別

根據(jù)項(xiàng)目要求，結(jié)合天氣及施工現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)基建施工現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行每周不少于5次，每次不少于2小時(shí)的安全巡檢，經(jīng)梳理，監(jiān)測(cè)的典型違章行為見表1。

表1 違章監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.3 智能識(shí)別模型構(gòu)建

利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識(shí)別技術(shù)，構(gòu)建了適用于違章巡檢的智能識(shí)別模型，使用圖像標(biāo)簽樣本對(duì)模型進(jìn)行了訓(xùn)練，而后進(jìn)行智能識(shí)別。根據(jù)要求收集整理前期數(shù)據(jù)訓(xùn)練集，共收集訓(xùn)練用影像3000余張，并組織人員對(duì)影像集進(jìn)行人工樣本標(biāo)注，然后將制作好的數(shù)據(jù)樣本集送入模型進(jìn)行多次迭代訓(xùn)練和調(diào)參，而后得到識(shí)別用的權(quán)重參數(shù)文件，將權(quán)重文件和待檢測(cè)目標(biāo)同時(shí)輸入到網(wǎng)絡(luò)模型中，即可輸出預(yù)測(cè)目標(biāo)識(shí)別結(jié)果。

智能識(shí)別模塊主要包括數(shù)據(jù)集收集與標(biāo)注、網(wǎng)絡(luò)模型調(diào)優(yōu)調(diào)參、識(shí)別目標(biāo)特征信息提取、輸出權(quán)重及實(shí)際目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別，整體流程如圖1所示。

圖1 整體流程圖

2.4 手機(jī)APP開發(fā)

針對(duì)識(shí)別結(jié)果的報(bào)警功能，進(jìn)行了相關(guān)報(bào)警APP的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作，主要設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 手機(jī)APP設(shè)計(jì)流程圖

2.5 空中喊話器

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了基于無人機(jī)的報(bào)警喊話裝置配備，在無人機(jī)飛行巡檢過程中配合完成相關(guān)問題的現(xiàn)場(chǎng)喊話通知。喊話喇叭可在機(jī)腹無損安裝，不影響無人機(jī)六向避障，不占用云臺(tái)安裝位。

3 應(yīng)用分析

無人機(jī)智能巡檢4個(gè)月以來，總計(jì)飛行時(shí)長約10080分鐘，拍攝照片10340張，共發(fā)現(xiàn)違章258起。按照出現(xiàn)頻次的大小排序，具體見表2。結(jié)合人工判別，識(shí)別精度統(tǒng)計(jì)見表3。

表2 違章情況統(tǒng)計(jì)表

表3 識(shí)別精度統(tǒng)計(jì)表

3.1 數(shù)據(jù)分析

從違章行為出現(xiàn)頻次來看，施工區(qū)域人員未帶安全帽、高處作業(yè)人員未戴安全繩、運(yùn)渣車倒渣無人指揮等違章行為多次出現(xiàn)，焊工距離氣瓶不足10m、電線未架空、裝載機(jī)違規(guī)載人等違章行為偶爾出現(xiàn)，10kV戶外箱式變壓器未設(shè)安全圍欄、汽車起重機(jī)作業(yè)無人指揮、挖掘機(jī)違規(guī)載人等從未出現(xiàn)。

3.2 從識(shí)別精度分析

機(jī)動(dòng)或農(nóng)用三輪車進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，人員未戴安全帽，洞、坑旁未設(shè)置警示標(biāo)志和防護(hù)設(shè)施、電線未架空等目標(biāo)特征明顯的違章行為識(shí)別率較高，運(yùn)渣車倒渣無人指揮、三級(jí)電箱未按標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置等目標(biāo)特征不明顯或存在多目標(biāo)特征的違章行為識(shí)別率較低，后經(jīng)核對(duì)前期訓(xùn)練樣本，發(fā)現(xiàn)識(shí)別率高的項(xiàng)目，前期樣本也較多，識(shí)別率較低的項(xiàng)目，前期樣本較少，識(shí)別精度對(duì)訓(xùn)練樣本的數(shù)量與質(zhì)量依賴性較大。

隨著樣本數(shù)量的增多，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)不斷地對(duì)模型進(jìn)行新的數(shù)據(jù)樣本集填充，以此來提升智能模型識(shí)別精度。后期在無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)的輔助下，現(xiàn)場(chǎng)違章的行為及類別均有明顯下降。其中，施工區(qū)域人員未帶安全帽、高處作業(yè)人員未戴安全繩、渣場(chǎng)區(qū)域運(yùn)渣車倒渣無人指揮、三級(jí)配電箱基礎(chǔ)未按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置等違章行為大量減少，其他違章行為出現(xiàn)頻次也有不同幅度的降低。

4 結(jié)語

安全生產(chǎn)重于一切，大型水電工程建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)巡檢模式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且監(jiān)管人員來回穿梭于施工現(xiàn)場(chǎng)，安全難以得到保障。本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)，具備全時(shí)、全域、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)立體化的監(jiān)管，減少了人力物力投入，提高了監(jiān)管效率，為持續(xù)探索大型工程建設(shè)項(xiàng)目安全監(jiān)管新模式提供了借鑒?？吹絻?yōu)勢(shì)的同時(shí)，該系統(tǒng)也存在一些不足，一是無人機(jī)在續(xù)航能力、抗惡劣天氣上仍有短板，二是系統(tǒng)在違章自動(dòng)化識(shí)別率上仍有提升空間，在無人機(jī)選型、識(shí)別模型的選擇及優(yōu)化上還有待進(jìn)一步研究。