無人機在公路工程項目管理中的應用探討

嚴　恒，王嘉嘉

(1.云南公投建設集團有限公司，云南　昆明　650032；2.昆明市規劃設計研究院，云南　昆明　650051)

?

無人機在公路工程項目管理中的應用探討

嚴恒1，王嘉嘉2

(1.云南公投建設集團有限公司，云南昆明650032；2.昆明市規劃設計研究院，云南昆明650051)

文章介紹了無人機在民用領域的應用技術概況，圍繞公路工程項目管理的實際需求，分析了無人機航測系統的組成及主要功能，探討了無人機在公路養護和新建項目中的應用前景，并提出了需要進一步研究的方向，為公路工程項目管理提供決策參考。

公路；項目管理；養護；無人機；航測系統；應用

0　引言

近年來隨著電子、機械、攝影攝像等技術的飛速發展，無人機在長航程、傳感器小型化、遠程控制、航測系統等方面取得了一系列的突破，同時無人機具有快速高效、操作簡單、實時獲取數據、分辨率高、模塊化、定位準確等特點，因此其在電力巡線、森林防火監測、民用領域地圖測繪、地質勘測、災害監測、氣象探測、空中交通管制、邊境控制、通信中繼、搶險救災、農藥噴灑等方面都得到了廣泛的應用。但是，無人機在公路行業中的運用較少，因此本文擬通過無人機系統構成、無人機與公路養護、無人機與新建項目等方面來探討無人機在公路工程項目管理中的應用。

1　無人機技術應用概況

1917年，英國人研制成功了世界上第一架無人機。1991年的海灣戰爭中多國部隊將無人機偵察、有人機偵察、衛星偵察和地面偵察等多種手段相結合組成了全方位立體偵察體系[1]。

在電力系統運用方面，日本關西電力公司聯合千葉大學共同開發了一套無人直升機輸電線路巡線系統；西班牙馬德里理工大學的研究者致力于將計算機視覺技術應用于無人機巡線導航的研究[2]；國家電網公司也投入大量精力研發并建立了專用的飛行巡檢系統，并且進行地形圖測量和災難應急響應等工作[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遙感系統首飛實驗成功，2010年國家測繪局開始實施已發布的有關無人機航攝要求的測繪行業標準，包括《數字航攝儀檢定規程》《無人機航攝安全作業基本要求》《無人機航攝系統技術要求》等。這一系列的研究成果使無人機在礦山測量、城市規劃測量、海岸地形測量等多方面得到了應用[4]。

隨著無人機技術的蓬勃發展，其在很多領域也得到了應用。山西農業大學的研究者探討了無人機對森林火情監測、預警等的應用[5]。江西省基礎測繪院的工程師介紹了利用無人機對省級園林城市綠化遙感測定后進行綠化分類、信息提取等方法[6]。貴州地礦測繪院利用無人機在地質勘查和地質災害中進行應用[7]。

在無人機新技術方面，國家測繪地理信息局的研究者分析了DLG產生方法，運用外業實測數據檢測了DLG成果精度情況[8]；海軍航空工程學院的研究者對無人機攜載合成孔徑雷達遙測系統進行了研究，其軍用和民用價值巨大[9]。華南理工大學的學者基于數據融合技術對無人機自主導航與控制，尤其是高度控制進行了深入研究[10]。

無人機在土木工程中的應用還不多，重慶交通大學的王小莉對橋梁檢測的四旋翼飛行器的控制系統進行了研究，主要包括動力學模型、姿態估計系統、PID控制系統等，最后對系統進行了測試，遺憾的是作者并沒有開發出數據處理系統，無法達到橋梁檢測的要求[11]。內蒙古師范大學的學者對3S技術在高速公路中的應用進行了研究，其中就包含無人機影像的獲取與處理、填挖方工程量計算等內容[12]。中國公路工程咨詢集團的劉曉東對無人機數據采集系統在公路養護中的應用進行了展望，認為其規?；l展潛力巨大[13]。交通運輸部天津水運工程科學研究院環境保護技術研究中心的胡健波提出一種基于無人機航拍技術和計算機圖像處理技術的公路綠化效果快速檢定技術，與局部樣方相結合，可以實現客觀、準確、定量的公路綠化效果檢定[14]。交通運輸部公路科學研究院的黃裕婕基于無人機對公路滑坡預警應急系統進行了設計，有利于在滑坡災害發生時快速了解災情，為應急救援、災情評估、災后重建等決策提供技術支持方案[15]。昆明公路管理總段的李興華等利用無人機航測技術對公路路堤和崩塌進行快速測量，獲取3D數字信息，為公路維護管理提供及時有效的資料[16]。

綜上所述，無人機技術在軍事，電力、測繪等行業運用最多，而在公路工程領域雖也有一些運用，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在公路工程中的深入運用進行探討。

2　應用于公路工程的無人機系統組成

2.1系統組成

云南省地處低緯度高原，公路所經過的區域山川、河流密布，溝壑縱橫，高差變化明顯，因此適應于公路工程項目管理的無人機主要由動力系統、續航系統、地面控制導航系統、圖像采集系統、視頻采集系統、數據傳輸系統、數據處理分析系統、數據共享分析平臺等主成。

無人機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，為了滿足實際需要，無人機的動力系統需要實現懸停時間長、抖動小的目的，以便可以定點觀測，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域地形地貌復雜，為了保證無人機每次能采集到足夠的數據以供分析，亟需對當前無人機采用的電池系統進行改進，在燃料電池、太陽能、新型鋰電池等方面進行創新，開發出長續航系統。

無人機的地面導航系統主要由飛行控制軟件組成，主要對無人機的航跡進行規劃，使用本公司開發的應急搶險監測車作為載體，依托其強大的數據處理能力，建成導航數據庫和高程信息數據庫，保證無人機巡航的準確，實現對無人機的遠距離跟蹤、控制、回收，可以對飛行數據實時管理，在應急搶險監測車搭載的高清顯示屏上對無人機位置進行自動漫游追蹤。無人機執行完任務后即可對其續航系統進行充電，保證了任務執行的可持續性。

無人機的圖像采集系統主要由高精度掃描相機、工程級防護罩、設備安裝穩定支架、圖像采集控制軟件等組成，實現采集到的圖像清晰，滿足地形圖等的要求，便于技術人員分析。

無人機的視頻采集系統主要由高精度掃描攝像頭、工程級防護罩、設備安裝穩定支架、視頻采集控制軟件等組成，實現采集到的視頻清晰、穩定，便于技術人員分析。

無人機的數據傳輸系統完成對地面導航系統發送指令的接收與響應，實現遙控、圖像、視頻大量數據傳輸，達到遠距離、低時延、低誤碼率的目標，保證信息反饋的及時有效性。

無人機的數據處理分析系統：首先是對傳輸回的圖像、視頻等進行視覺分析、景象匹配，消除以下三個常見問題：(1)無人機飛行產生的影像抖動；(2)飛行角度高度變化導致目標對象的坐標移動；(3)采集數據的實時性帶來的對分析軟件的高要求等不利因素。其次，實現公路路面使用狀況的自動識別，例如路面裂縫、坑槽等病害，并進行統計分析。

無人機的數據共享分析平臺：對地面控制導航系統中采集到的各類數據應能實時回傳到主控制中心(集團公司總部)，實現無縫網絡連接、平臺數據庫回溯、網絡訪問、遠程網絡控制等功能。同時與本公司開發的公路養護管理與應急搶險在線平臺相銜接，保證養護向著科學化和精細化方向發展。

2.2系統總體功能

本系統的主要功能在于通過將無人機低空遙感技術、圖像處理采集技術、導航技術，網絡平臺等進行集成，建立可應用于公路工程項目管理的精準、可視化的無人機+平臺，多種檢測模塊可以組合，實現快速掌握工程施工情況，與現有控制手段有效補充，為工程項目管理探索新的方向。

3　無人機在公路養護中的應用

無人機在公路養護中有著廣泛的應用前景，利用無人機采集數據的高精度、實時性和靈活性，可以將其應用在橋梁檢測、路面檢測和應急搶險等。但是目前也有一些亟待解決的問題：

(1)在橋梁檢測方面應解決無人機飛行穩定性、精確移動問題，實現對檢測對象視圖的三維重現等。

(2)在路面檢測方面應確定無人機的合理飛行高度和速度，實現道路幾何參數測量、車轍掃描、平整度測量、路面精細掃描、路面病害識別與分類評級等目標。

(3)在道路應急搶險方面，與行業相關單位開發的公路養護管理及應急搶險在線平臺相結合，對高速公路邊坡崩塌、滑坡等突發情況進行及時追蹤，為災害嚴重程度及損失情況評估提供及時有效的圖像數據資料，加快應急響應力度。

4　無人機在公路新建項目中的應用

隨著路網的進一步完善，公路工程新建項目所處的區域大多位于山區，而利用無人機的低空飛行及數據采集功能，可實現場站位置選址、施工復測等目標，但仍有一些方面亟待進一步的細化研究：

(1)場站選擇：利用無人機沿路線走向對區域進行全面航測，分析采集到的數據選定可以作為駐地、拌合站、預制場等的場地，同時對場地面積進行預評估及三維視圖重現。

(2)復測：目前測繪部門已利用無人機進行地形圖測量，但是亟需提高地形起伏較大區域的測圖精度，實現控制點測量與三維視圖重現，便于優化設計方案。

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

(4)選擇合適取棄土場及石料場：對路線范圍內周邊區域進行航拍，并實現三維重現，對運距及料源規模進行初步分析與評估，便于快速確定。

(5)定期對工程進度進行跟蹤觀測，掌握進度情況，實現對安全隱患點的識別預警。

5　結語

隨著遙感技術、電子技術、通信技術、機械技術、材料技術等的快速發展，無人機在民用領域將產生越來越大的作用，同時伴隨著創新驅動發展戰略、互聯網+、智能交通等的實施，無人機技術在公路工程項目管理中的應用將會越來越廣泛，有效提高了工作效率，也為公路工程項目管理探索了新的方向。

[1]趙峰.基于無人機影像的景象匹配系統設計與實現[D].沈陽：東北大學，2010.

[2]李力，徐勛建，李波，張紅先，方針.架空線路無人機巡線技術探討[J].湖南電力，2012，32(1)：44-47.

[3]吳冰瑩，戴禮豪，林朝暉.大型無人機在復雜環境下電力巡檢研究[J].科技創新導報，2014(28)：26-27.

[4]李永樹.基于無人機技術的地形圖測繪研究[J].測繪，2011，34(4)：147-151.

[5]崔新宇，劉艷萍.關于無人機在森林防火監測方面的研究[J].科技與創新，2014(7)：128-130.

[6]陳欣松.利用無人機技術對省級園林城市綠化測定的研究分析[J].數字技術與應用，2013(10)：71-72.

[7]邵金強.淺述無人機及其技術在地質工作的應用[J].黑龍江科技信息，2014(7)：125-126.

[8]姜麗麗，高天虹，白敏.無人機影像處理技術在大比例尺基礎測繪工程中的應用研究[J].測繪與空間地理信息，2013，36(7)：174-176.

[9]曲長文，周強，王穎.無人機載合成孔徑雷達遙測技術[J].艦船電子工程，2009，29(1)：23-27.

[10]李洪輝.數據融合技術在無人機高度測量中的研究應用[D].廣州：華南理工大學，2012.

[11]王小莉.面向橋梁檢測的四旋翼飛行器控制系統研究[D].重慶：重慶交通大學，2013.

[12]李海瑞.高速公路測量中”3S”技術在驗證與設計上的實現[D].呼和浩特：內蒙古師范大學，2014.

[13]劉曉東.無人機數據采集系統在公路養護中的應用展望[J].公路交通科技(應用技術版)，2015(4)：16-17.

[14]黃裕婕.公路路域生態環境遙感調查運行系統的初步建立[J].公路交通科技(應用技術版)，2010(10)：347-349.

[16]李興華.無人機航測技術應用于公路崩滑陡峭地段測量分析[J].公路交通技術，2012(8)：49-53.

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

嚴恒(1985—)，工程師，碩士，研究方向：瀝青路面養護；

王嘉嘉(1985—)，工程師，研究方向：市政園林設計技術。