無人機(jī)在公路工程項(xiàng)目管理中的應(yīng)用探討

嚴(yán)　恒，王嘉嘉

(1.云南公投建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南　昆明　650032；2.昆明市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南　昆明　650051)

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無人機(jī)在公路工程項(xiàng)目管理中的應(yīng)用探討

嚴(yán)恒1，王嘉嘉2

(1.云南公投建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南昆明650032；2.昆明市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650051)

文章介紹了無人機(jī)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)概況，圍繞公路工程項(xiàng)目管理的實(shí)際需求，分析了無人機(jī)航測系統(tǒng)的組成及主要功能，探討了無人機(jī)在公路養(yǎng)護(hù)和新建項(xiàng)目中的應(yīng)用前景，并提出了需要進(jìn)一步研究的方向，為公路工程項(xiàng)目管理提供決策參考。

公路；項(xiàng)目管理；養(yǎng)護(hù)；無人機(jī)；航測系統(tǒng)；應(yīng)用

0　引言

近年來隨著電子、機(jī)械、攝影攝像等技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)在長航程、傳感器小型化、遠(yuǎn)程控制、航測系統(tǒng)等方面取得了一系列的突破，同時(shí)無人機(jī)具有快速高效、操作簡單、實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)、分辨率高、模塊化、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，因此其在電力巡線、森林防火監(jiān)測、民用領(lǐng)域地圖測繪、地質(zhì)勘測、災(zāi)害監(jiān)測、氣象探測、空中交通管制、邊境控制、通信中繼、搶險(xiǎn)救災(zāi)、農(nóng)藥噴灑等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，無人機(jī)在公路行業(yè)中的運(yùn)用較少，因此本文擬通過無人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成、無人機(jī)與公路養(yǎng)護(hù)、無人機(jī)與新建項(xiàng)目等方面來探討無人機(jī)在公路工程項(xiàng)目管理中的應(yīng)用。

1　無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用概況

1917年，英國人研制成功了世界上第一架無人機(jī)。1991年的海灣戰(zhàn)爭中多國部隊(duì)將無人機(jī)偵察、有人機(jī)偵察、衛(wèi)星偵察和地面?zhèn)刹斓榷喾N手段相結(jié)合組成了全方位立體偵察體系[1]。

在電力系統(tǒng)運(yùn)用方面，日本關(guān)西電力公司聯(lián)合千葉大學(xué)共同開發(fā)了一套無人直升機(jī)輸電線路巡線系統(tǒng)；西班牙馬德里理工大學(xué)的研究者致力于將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)巡線導(dǎo)航的研究[2]；國家電網(wǎng)公司也投入大量精力研發(fā)并建立了專用的飛行巡檢系統(tǒng)，并且進(jìn)行地形圖測量和災(zāi)難應(yīng)急響應(yīng)等工作[3]。

在大地遙感測量方面，2005年由我國研制的高端多用途無人機(jī)遙感系統(tǒng)首飛實(shí)驗(yàn)成功，2010年國家測繪局開始實(shí)施已發(fā)布的有關(guān)無人機(jī)航攝要求的測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括《數(shù)字航攝儀檢定規(guī)程》《無人機(jī)航攝安全作業(yè)基本要求》《無人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)要求》等。這一系列的研究成果使無人機(jī)在礦山測量、城市規(guī)劃測量、海岸地形測量等多方面得到了應(yīng)用[4]。

隨著無人機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，其在很多領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究者探討了無人機(jī)對森林火情監(jiān)測、預(yù)警等的應(yīng)用[5]。江西省基礎(chǔ)測繪院的工程師介紹了利用無人機(jī)對省級園林城市綠化遙感測定后進(jìn)行綠化分類、信息提取等方法[6]。貴州地礦測繪院利用無人機(jī)在地質(zhì)勘查和地質(zhì)災(zāi)害中進(jìn)行應(yīng)用[7]。

在無人機(jī)新技術(shù)方面，國家測繪地理信息局的研究者分析了DLG產(chǎn)生方法，運(yùn)用外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)檢測了DLG成果精度情況[8]；海軍航空工程學(xué)院的研究者對無人機(jī)攜載合成孔徑雷達(dá)遙測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，其軍用和民用價(jià)值巨大[9]。華南理工大學(xué)的學(xué)者基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)對無人機(jī)自主導(dǎo)航與控制，尤其是高度控制進(jìn)行了深入研究[10]。

無人機(jī)在土木工程中的應(yīng)用還不多，重慶交通大學(xué)的王小莉?qū)蛄簷z測的四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要包括動力學(xué)模型、姿態(tài)估計(jì)系統(tǒng)、PID控制系統(tǒng)等，最后對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，遺憾的是作者并沒有開發(fā)出數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，無法達(dá)到橋梁檢測的要求[11]。內(nèi)蒙古師范大學(xué)的學(xué)者對3S技術(shù)在高速公路中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，其中就包含無人機(jī)影像的獲取與處理、填挖方工程量計(jì)算等內(nèi)容[12]。中國公路工程咨詢集團(tuán)的劉曉東對無人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在公路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行了展望，認(rèn)為其規(guī)?；l(fā)展?jié)摿薮骩13]。交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院環(huán)境保護(hù)技術(shù)研究中心的胡健波提出一種基于無人機(jī)航拍技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的公路綠化效果快速檢定技術(shù)，與局部樣方相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)客觀、準(zhǔn)確、定量的公路綠化效果檢定[14]。交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院的黃裕婕基于無人機(jī)對公路滑坡預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，有利于在滑坡災(zāi)害發(fā)生時(shí)快速了解災(zāi)情，為應(yīng)急救援、災(zāi)情評估、災(zāi)后重建等決策提供技術(shù)支持方案[15]。昆明公路管理總段的李興華等利用無人機(jī)航測技術(shù)對公路路堤和崩塌進(jìn)行快速測量，獲取3D數(shù)字信息，為公路維護(hù)管理提供及時(shí)有效的資料[16]。

綜上所述，無人機(jī)技術(shù)在軍事，電力、測繪等行業(yè)運(yùn)用最多，而在公路工程領(lǐng)域雖也有一些運(yùn)用，但是深度和廣度還不夠，基本都處于初步嘗試階段，因此有必要對無人機(jī)在公路工程中的深入運(yùn)用進(jìn)行探討。

2　應(yīng)用于公路工程的無人機(jī)系統(tǒng)組成

2.1系統(tǒng)組成

云南省地處低緯度高原，公路所經(jīng)過的區(qū)域山川、河流密布，溝壑縱橫，高差變化明顯，因此適應(yīng)于公路工程項(xiàng)目管理的無人機(jī)主要由動力系統(tǒng)、續(xù)航系統(tǒng)、地面控制導(dǎo)航系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)共享分析平臺等主成。

無人機(jī)一般分為固定翼和旋翼兩種類型，固定翼需要跑道，旋翼只要有空曠場地即可起飛，為了滿足實(shí)際需要，無人機(jī)的動力系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)懸停時(shí)間長、抖動小的目的，以便可以定點(diǎn)觀測，并且保證采集的畫面不模糊，便于后期分析。

云南省公路穿過的區(qū)域地形地貌復(fù)雜，為了保證無人機(jī)每次能采集到足夠的數(shù)據(jù)以供分析，亟需對當(dāng)前無人機(jī)采用的電池系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在燃料電池、太陽能、新型鋰電池等方面進(jìn)行創(chuàng)新，開發(fā)出長續(xù)航系統(tǒng)。

無人機(jī)的地面導(dǎo)航系統(tǒng)主要由飛行控制軟件組成，主要對無人機(jī)的航跡進(jìn)行規(guī)劃，使用本公司開發(fā)的應(yīng)急搶險(xiǎn)監(jiān)測車作為載體，依托其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，建成導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫和高程信息數(shù)據(jù)庫，保證無人機(jī)巡航的準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的遠(yuǎn)距離跟蹤、控制、回收，可以對飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)管理，在應(yīng)急搶險(xiǎn)監(jiān)測車搭載的高清顯示屏上對無人機(jī)位置進(jìn)行自動漫游追蹤。無人機(jī)執(zhí)行完任務(wù)后即可對其續(xù)航系統(tǒng)進(jìn)行充電，保證了任務(wù)執(zhí)行的可持續(xù)性。

無人機(jī)的圖像采集系統(tǒng)主要由高精度掃描相機(jī)、工程級防護(hù)罩、設(shè)備安裝穩(wěn)定支架、圖像采集控制軟件等組成，實(shí)現(xiàn)采集到的圖像清晰，滿足地形圖等的要求，便于技術(shù)人員分析。

無人機(jī)的視頻采集系統(tǒng)主要由高精度掃描攝像頭、工程級防護(hù)罩、設(shè)備安裝穩(wěn)定支架、視頻采集控制軟件等組成，實(shí)現(xiàn)采集到的視頻清晰、穩(wěn)定，便于技術(shù)人員分析。

無人機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)完成對地面導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送指令的接收與響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)遙控、圖像、視頻大量數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到遠(yuǎn)距離、低時(shí)延、低誤碼率的目標(biāo)，保證信息反饋的及時(shí)有效性。

無人機(jī)的數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)：首先是對傳輸回的圖像、視頻等進(jìn)行視覺分析、景象匹配，消除以下三個(gè)常見問題：(1)無人機(jī)飛行產(chǎn)生的影像抖動；(2)飛行角度高度變化導(dǎo)致目標(biāo)對象的坐標(biāo)移動；(3)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性帶來的對分析軟件的高要求等不利因素。其次，實(shí)現(xiàn)公路路面使用狀況的自動識別，例如路面裂縫、坑槽等病害，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

無人機(jī)的數(shù)據(jù)共享分析平臺：對地面控制導(dǎo)航系統(tǒng)中采集到的各類數(shù)據(jù)應(yīng)能實(shí)時(shí)回傳到主控制中心(集團(tuán)公司總部)，實(shí)現(xiàn)無縫網(wǎng)絡(luò)連接、平臺數(shù)據(jù)庫回溯、網(wǎng)絡(luò)訪問、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制等功能。同時(shí)與本公司開發(fā)的公路養(yǎng)護(hù)管理與應(yīng)急搶險(xiǎn)在線平臺相銜接，保證養(yǎng)護(hù)向著科學(xué)化和精細(xì)化方向發(fā)展。

2.2系統(tǒng)總體功能

本系統(tǒng)的主要功能在于通過將無人機(jī)低空遙感技術(shù)、圖像處理采集技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)平臺等進(jìn)行集成，建立可應(yīng)用于公路工程項(xiàng)目管理的精準(zhǔn)、可視化的無人機(jī)+平臺，多種檢測模塊可以組合，實(shí)現(xiàn)快速掌握工程施工情況，與現(xiàn)有控制手段有效補(bǔ)充，為工程項(xiàng)目管理探索新的方向。

3　無人機(jī)在公路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

無人機(jī)在公路養(yǎng)護(hù)中有著廣泛的應(yīng)用前景，利用無人機(jī)采集數(shù)據(jù)的高精度、實(shí)時(shí)性和靈活性，可以將其應(yīng)用在橋梁檢測、路面檢測和應(yīng)急搶險(xiǎn)等。但是目前也有一些亟待解決的問題：

(1)在橋梁檢測方面應(yīng)解決無人機(jī)飛行穩(wěn)定性、精確移動問題，實(shí)現(xiàn)對檢測對象視圖的三維重現(xiàn)等。

(2)在路面檢測方面應(yīng)確定無人機(jī)的合理飛行高度和速度，實(shí)現(xiàn)道路幾何參數(shù)測量、車轍掃描、平整度測量、路面精細(xì)掃描、路面病害識別與分類評級等目標(biāo)。

(3)在道路應(yīng)急搶險(xiǎn)方面，與行業(yè)相關(guān)單位開發(fā)的公路養(yǎng)護(hù)管理及應(yīng)急搶險(xiǎn)在線平臺相結(jié)合，對高速公路邊坡崩塌、滑坡等突發(fā)情況進(jìn)行及時(shí)追蹤，為災(zāi)害嚴(yán)重程度及損失情況評估提供及時(shí)有效的圖像數(shù)據(jù)資料，加快應(yīng)急響應(yīng)力度。

4　無人機(jī)在公路新建項(xiàng)目中的應(yīng)用

隨著路網(wǎng)的進(jìn)一步完善，公路工程新建項(xiàng)目所處的區(qū)域大多位于山區(qū)，而利用無人機(jī)的低空飛行及數(shù)據(jù)采集功能，可實(shí)現(xiàn)場站位置選址、施工復(fù)測等目標(biāo)，但仍有一些方面亟待進(jìn)一步的細(xì)化研究：

(1)場站選擇：利用無人機(jī)沿路線走向?qū)^(qū)域進(jìn)行全面航測，分析采集到的數(shù)據(jù)選定可以作為駐地、拌合站、預(yù)制場等的場地，同時(shí)對場地面積進(jìn)行預(yù)評估及三維視圖重現(xiàn)。

(2)復(fù)測：目前測繪部門已利用無人機(jī)進(jìn)行地形圖測量，但是亟需提高地形起伏較大區(qū)域的測圖精度，實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)測量與三維視圖重現(xiàn)，便于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

(3)征地拆遷評估：對公路路線走向涉及征地拆遷的房屋、林木等進(jìn)行拍攝，識別并計(jì)算征地范圍內(nèi)的房屋面積，并對林木數(shù)量進(jìn)行分類識別，以便準(zhǔn)確評估征地拆遷工作。

(4)選擇合適取棄土場及石料場：對路線范圍內(nèi)周邊區(qū)域進(jìn)行航拍，并實(shí)現(xiàn)三維重現(xiàn)，對運(yùn)距及料源規(guī)模進(jìn)行初步分析與評估，便于快速確定。

(5)定期對工程進(jìn)度進(jìn)行跟蹤觀測，掌握進(jìn)度情況，實(shí)現(xiàn)對安全隱患點(diǎn)的識別預(yù)警。

5　結(jié)語

隨著遙感技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、材料技術(shù)等的快速發(fā)展，無人機(jī)在民用領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生越來越大的作用，同時(shí)伴隨著創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、互聯(lián)網(wǎng)+、智能交通等的實(shí)施，無人機(jī)技術(shù)在公路工程項(xiàng)目管理中的應(yīng)用將會越來越廣泛，有效提高了工作效率，也為公路工程項(xiàng)目管理探索了新的方向。

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Discussions on the Application of UAVs in Highway Engineering Project Ma-nagement

YAN Heng1，WANG Jia-jia2

(1.Yunnan Gongtou Construction Group Co.，Ltd.，Kunming，Yunnan，650032；2.Kunming Urban Planning & Design Institute，Kunming，Yunnan，650051)

This article introduced the application technology situation of UAVs in civilian areas，and regarding the actual needs of highway engineering project management，it analyzed the composition and main functions of UAV aerial survey system，discussed the application prospects of UAVs in highway maintenance and new projects，and proposed the directions for further research，thereby providing decision-making reference for highway engineering project management.

Highway；Project management；Conservation；UAVs；Aerial survey system；Applications

U415.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.028

1673-4874(2016)08-0109-06

2016-06-12

嚴(yán)恒(1985—)，工程師，碩士，研究方向：瀝青路面養(yǎng)護(hù)；

王嘉嘉(1985—)，工程師，研究方向：市政園林設(shè)計(jì)技術(shù)。