无人机在建筑施工现场的应用研究
1.引言
随着国家经济的发展，大型建筑越来越多，随即出现的施工现场问题也愈发严重。如何确保在整个建筑施工生命周期中不再出现安全、质量事故，引起了大家的广泛关注。无人机，这是一种不需要驾驶员驾驶的飞机，开始主要用于军事试验的靶机使用，随着技术的不断革新，结构的不断优化，逐步应用到更广泛的军事打击活动中。随着无人机应用技术的成熟，加上成本及维修费用低廉，在人们日常活动中也开始快速的普及及运用，特别是我们日常随处可见的航拍活动。它与成像设备等结合可以实现应用的扩展，完成更多地任务。在当前经济高速发展的背景下，无人机在基建行业的运用具有无限发展空间和前景。
2.无人机技术特征和发展与市场规模分析与预计
2.1无人机技术特征
2.1.1无人机全球定位导航技术
全球定位导航技术在生活中的运用随处可见，如使用手机自带导航地图去市图书馆、选择某条比较快的路线导航去武汉大学、使用美团外卖去某家评价比较高的餐厅就餐等等。我们常见的无人机航拍就是使用全球定位技术，预先选定飞行路线，使无人机搭载高清摄像头按照选定的路线飞行，这样就可以实现无人机的自动航拍。这项技术不仅使用在军用领域，民用领域目前也已广泛的开展运用，如：在施工安全评价的应用过程中，利用无人机的全球定位导航技术，精确控制无人机的飞行路线来对施工现场安全状况进行评估，监督检查施工过程中的安全生产情况。
2.1.2红外热成像技术
自然界的物体，只要自身温度高于绝对零度(-273.16°C)，都会产生红外辐射，发出红外线，利用红外探测器就能探测出物体的散发的红外辐射能量，通过光学成像物镜就可以将物体的红外能量分布，反映到红外探测器的光敏元件上，就可以获得物体的红外热像图。随着新技术、新材料的应用，无人机携带热成像设备进行组合使用广泛应用于各个行业领域，开创了无人机使用的高速发展时期。无人机通过与相机设备和红外成像仪组合使用，可以在能见度较低、有危险的区域进行红外成像探测，提前发现灾难发生的征兆，为预警、救援提供信息技术支持。
2.1.3无人机遥感测控技术
无人机遥感测控技术是利用无人机的无人驾驶飞行技术与遥感传感器技术和遥感遥测技术的综合应用，来获得目标区域的遥感数据信息。特点是把无人机作为空中平台，遥感传感器采集相关信息，然后通过计算机系统对收集的信息按照要求制作出图像。是集成了遥感、遥控、遥测技术与计算机技术的新型应用技术。此技术是对卫星遥感技术的补充，在卫星无法覆盖、应急不及时以及人员无法进入的时候，可以利用无人机遥感遥测技术对危险区域进行测控。目前该技术已广泛用于地质灾害的检查、空中救援指挥以及环境遥感遥感的监测方面。与传统的测绘方法相比较，具有成本低、应用灵活、可维护性好、安全性高、可实现危险区域探测等优势。
2.2无人机发展及市场规模分析与预计
无人机出现在上世纪20年代，早期无人机的发展和运用主要集中在军事领域，被用作靶机，后来逐渐应用于军事作战、情报侦查、遥测测量等方面。20世纪80年代以来，随着计算机技术、新材料技术、通讯技术的运用，各种传感器在体积、重量、探测精度等方面不断的优化，无人机的性能方面也在提高，应用的范围越来越广泛，应用的领域也越来越多。在人员无法到达和危险区域的巡检、安全及防疫监控、农林植保监护、测绘与地理信息等领域广泛的被应用并快速的发展。
无人机行业市场规模分析及预测
国外：无人机技术处于领先地位的是美国，09年以来，美国在无人机技术创新方面取得重大突破并实现大规模商用。以色列作为无人机出口大国，其核心技术依赖于美国。全球无人机市场市场发展日趋成熟，主要体现在消费级和军用无人机方面，工业级无人机应用市场的不断拓展和军用小型监控无人机市场的不断增长，同时也在推动全球无人机产业规模的不断扩大。2015年至2019年，全球无人机市场规模年均复合增长率为19.40%，2019年全球军用无人机和民用无人机市场规模分别为703.30亿元、657.38亿元，分别占比51.69%、48.31%。预计到2024年，全球无人机市场规模将突破5,000亿元。
2015-2024年全球无人机市场规模分析及预测
近年来，民用无人机主要集中在消费级无人机方面，随着应用范围的拓展工业无人机将实现快速发展，预计2020年全球工业无人机市场规模将超过消费级无人机。
中国：我国的无人机研究起步较晚，开始也主要是用于军事方面，在民用方面的探索发展主要集中在改革开放以后，目前我国从事无人机行业的单位有300多家，形成整套研发、制造、销售、服务体系有150家左右，2014年我国无人机销售2万多架，我国消费级无人机市场规模为283.33亿元，占全球相应市场规模的比例为74.29%、工业无人机的市场规模为151.79亿元，占全球相应市场规模的比例为55.00%。我国已在全球无人机行业已占有重要一席。
3. 建筑施工中存在的问题
3.1施工现场环境污染问题
近年来，随着国内基建项目的发展，造成了城市的雾霾的加剧，环境问题成了当今社会人们关注的焦点问题。建筑工程占地面积大，历时较长，施工过程中极容易引起环境问题。建筑施工产生的粉尘等还会降低附近的空气质量，引起过路人的反感;固体和液体废弃物不进行处理，直接排放后还会造成水质污染;建筑工地上机械噪音大，一些企业为赶工期，在居民休息时间段仍进行施工，严重影响附近居民的生活质量。
3.2施工效率较低
根据有关调查显示，目前我国基建项目花费常常超出预计80%，工程进度落后计划20个月。这些反映出目前基建施工过程的作业效率比较低。基建工地的施工效率受当地的气候、施工管理人员和作业工人的素质、管理方式及技术等因素影响较大，在极端气温和雨雪等恶劣天气不适合施工，施工管理人员和作业工人的素质高低对于施工效率也有重大影响，往往决定了工程的质量好坏。天气因素属于不可控因素，而施工管理人员及作业工人素质是可以提高的。
3.3工程施工质量控制力度不够
近年来，随着我国社会的不断发展和经济的不断进步，我国建筑施工行业也得到了快速发展，工程施工质量能否达到规定水准，直接关系着工程的交付使用，而工程质量又与施工现场管理有着密切的联系。在施工过程中，一方面，由于企业、项目管理漏洞的存在或一些企业为了降低成本，导致劣质建筑材料被应用于施工过程，严重破坏了工程质量。另一方面，施工作业人员的不规范操作，随意对设计图纸和施工方案进行更改，遇到问题不能及时做出回应和解决，对工程质量产生了不良影响。
3.4安全管理不全面
安全第一是施工现场第一关注点，安全问题不仅是影响工程质量，更涉及到现场施工人员的人身生命安全。建筑工地经常出现安全事故却不断出现，部分企业对安全的管理仍在做书面形式主义，并未重视安全无小事的问题，施工人员对现场出现的安全问题还存在侥幸心理。首先，企业施工现场管理人员和施工作业人员的安全意识淡薄，工作过程中没有较强的安全红线意识，企业也未对施工作业人员进行系统的安全教育，企业管理上未制定完善的安全管理制度和施工现场监督机制，安全责任不明确。其次，施工作业人员受教育程度低，对建筑工程中的相关技术不熟悉，在施工过程中，未按国家标准和相关法规进行施工作业，各职能部门相互协调力度不够，施工作业人员擅自离岗，缺乏自我约束意识，这些行为都是成为建筑施工安全的隐患，增加了安全事故发生的概率。
4.无人机在建设施工中的应用
随着国民经济的发展，建筑施工的人力成本越来越高，无人机在建筑行业中的扮演的角色就变得越来越重要。通过无人机的运用，我们可以获取到以往人员和重型机械无法到达的地方的航拍影像。将这些航拍影像变成实用的勘测与分析资料为管理人员提供整个建筑流程的监控、设计与现场实时作业的快捷管理。无人机图像获取技术和图像处理技术的逐渐成熟，对建筑施工现场管理特点、建筑施工现场影响因素、工程验收等方面效果显著。无人机在建筑施工现场文明施工、环境污染控制、进度管理和安全管理方面的应用被看好，尤其是在监测人员安全施工、质量监控方面的应用优势更为突出。
4.1无人机在建筑施工区域环境污染控制的运用
无人机在建筑施工现场的应用受到广泛好评，无人机通过视频监测和仪器采样，应用于环境污染监控，可以自动、准确地识别宽广区域的污染源。对环境的监测功能与施工建筑领域相结合，针对不同施工现场的施工特点和地理特征，技术人员可以对作业区域进行调整和划分，确定图像采集点和采集的方法，让无人机按照规定的路线进行图像采集，从而有利于提高环境污染防治的效率，减少施工现场的环境污染。无人机设备可以检测施工现场中的PM2.5 含量，并根据检测结果对施工环节中所使用的材料及相应操作步骤进行调整，实现了控制施工现场污染指数的效果。同时，无人机高空对施工现场不同设备、材料的分布情况、施工进度进行直接观察，有助于项目管理人员规范施工现场布置，为工作人员营造一个安全文明绿色的施工环境。
4.2 无人机在提高施工效率方面的应用
根据施工需要，按照特定的时间设定，利用无人机拍摄施工现场的施工情况，识别现场的施工进度;通过图像的前后变化对比可以检测现场人员的工作状态及进度，合理调配劳动人员配置，分析与优化施工现场的人员结构。无人机拍摄到的影像可以为监管团队提供参考，在很大程度上提高施工效率。
4.3无人机在建筑施工现场质量管理方面的应用
无人机航拍技术是当前无人机行业最为成熟的应用，拍摄精度高，影像结果更为直观，作业效率高。在对施工质量过程监控及验收时，利用无人机可以有效获取整体建筑信息，看清工程建设死角，避免工程出现偷工减料等情况。制定科学合理的施工规划，加强质量控制，实现管理规范化。
4.4无人机在现场安全管理方面的运用
建筑施工现场存在严重的安全隐患，而安全事故的发生往往是突然的，监管者需要实时观察施工的安全情况防患于未然，传统监督监察方式是人工监督和监控监督，人工监察较灵活但是过于的费时、费力，且效率较低，无形中增加人工成本，监控虽然能让监管者获得实时信息，但是监控不灵活、视角单一，且有死角，对于突发事件反应比较慢。无人机搭载高清摄像头可对建筑施工现场进行多角度拍摄，对于施工现场的违规作业、违章指挥、违反劳动纪律的行为进行及时提醒和取证工作。而且，无人机还能捕捉到较高的设备安装情况，这是定点监控很难做到的。还可以利用收集来的数据信息，配合第三方施工现场管理软件，对施工现场工人作业管理、安全规范管理等进行统一调整和优化。
4.5施工现场无人机应用步骤及注意事项
4.5.1无人机现场作业的基本步骤
4.5.1.1根据拍照取样需求，使用无人机搭载相应的监控设备。 根据建筑工地的实际情况，无人机最好身躯小巧 ，续航能力好 ，通讯距离长。而现场监控设备需要图像分辨率高、感光度高。光线不好情况下图片噪点少，这样有助于晚上的拍摄。
4.5.1.2对施工现场监管人员进行无人机监控设备操作的培训 。由于无人机的电池续航能力较差，大概只能用1个小时，而无人机在建筑工地要全天候的工作，就需要给无人机配备许多电池来维持其正常工作，并且需要不断更换电池，增加了操作人员的工作负荷。无人机在飞行拍摄的过程中，需要稳定飞行才能保证拍摄质量，而稳定的飞行受到天气因素及操作人员的水平影响，在相同的天气状况下，操作人员的操作水平决定了图像的清晰程度，因此需要对操作人员加强培训。
4.5.1.3根据施工现场的具体情况，飞行路线的确定。考虑无人机的信号范围、续航时间限制 ，建筑工地人员复杂、器械材料种类繁多，不利于无人机采集图像，且空间混乱、高度参差不齐，不适合无人机飞行，因此对于操作人员有较高的要求。因此需要对工地物体的堆积和器械的操作标准化，减少无人机和物体发生碰撞，也有利于采集图像。保证以最优的飞行路线满足施工现场所有点的监控需求 。
4.5.1.4 施工现场无人机监控设备测试 。 在施工现场按照已经确定的飞行路线对无人机监控设备进行测试，主要考察无人机监控设备能否按照拟定路线飞行，在监控现场的拍摄取样情况，以及视频数据的实时传输情况。
4.5.2施工现场操作无人机的注意事项
4.5.2.1无人机电池续航时间较短，普通型号的无人机续航时间通常在 0.5-1.0h 之间。而无人机在建筑工地要全天候的工作，就需要给无人机配备许多电池或需要多台无人机依次来维持其正常工作。
4.5.2.2 受阴雨及雾霾天气的影响，给无人机带来一些安全隐患，雨天及其它恶劣天气无人机不能工作。
4.5.2.3 由于施工现场的钢结构建筑会对无人机的指南针功能产生干扰，无人机抗干扰能力较差，对飞行的稳定性产生一定影响。需要在控制好成本的前提下，提升无人机的抗干扰能力。
5.结语
在人工成本越来越高的背景下，随着通信、导航、定位以及新能源等技术的发展，无人机技术以其独特的优势将在建筑工程施工的各个阶段发挥越来越重要的作用，在建筑工程施工中的应用频率及需求将会不断加大。随着社会的发展，无人机和建筑施工监管相结合的案例将会大量涌现。
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