试论无人机(UAV)赋能的施工现场监理方案

文/傅峻 湘潭市宏达建设监理有限公司 湖南湘潭 411100

作为国民经济的支柱产业之一，建筑业正置身于“建筑智造”和建筑工业化的改革浪潮，同时也在经历后数字化时代新兴技术对其生态链各要素的渗透、融合、解构和改写。这一背景之下，基于旁站、巡视和平行检查的传统施工现场监理方案的弊端一一凸显。就当前行业业态而言，施工现场监理普遍以监理工程师和监理员的人工观测为主，以仪器监测为辅，随之而来的信息采集和记录大多形诸文字形式的监理日记。这种模式受限于人力、物力、技术和其他现实条件，对施工现场不断涌现的海量数据无法做到全方位捕捉、全过程复制、可视化展示和实时分析预警。监理过程中习得的经验和知识也流于片断，无法复制和周延。以无人机（UAV)为代表的新兴科技赋能，集高清摄影、现代传感技术、数据处理和机器学习于一体，为我国智能监理时代的开启提供了一种可能。

1、从军事武器到多领域应用：无人机的发展历史和持续外溢

发端于上世纪初的无人机是两次世界大战中海、陆、空三军反复进行空中鱼雷实验的产物。1918年，美国陆军研发了名为“凯特林小飞虫”的双翼无人飞行器。在小型陀螺仪的引导下，“小飞虫”可运载约180磅重的炸药，以每小时120英里的速度飞行，并进行射程为50英里内的轰炸。以“小飞虫”为代表的早期无人机未能真正投入战场，因其遇到了技术瓶颈：一是地面操作人员不能有效控制“小飞虫”的起降，二是“小飞虫”很难维持稳定飞行状态。随着无线电射频技术的发展，军用无人机在二战中有了用武之地。美国海军的“铁砧计划”和德国的“弗里茨X”导弹都标志着无人机在军事领域的突破性应用。随后的冷战时代见证了无人机的空中侦察能力和定位功能的逐步成熟。今天，“全球鹰”和“捕食者”等全自动无人机不仅可以执行ISR (情报、监视、侦察)任务，还可并根据难度和后果编排攻击任务。

无人机的开发和多领域应用是当今世界一大热点。从1983年雅马哈研制的第一台用于喷洒农药的无人机到今天超过2000架的注册农用无人机，日本已成为当仁不让的农业无人机大国。美国联邦政府向其属下的林务局、海岸警卫队等机构提供100多架共享无人机，用于森林防火和极端气候预警等方面的数据收集和科研。随着无人机在民用市场的潜力日益凸显，美国于2012年出台《联邦航空管理局现代化与改革法》，大力推广民用无人机的发展。无独有偶，欧盟各国政府和企业也在无人机的民用领域和商用领域持续投入资金、资源和技术。在未来二十年内，欧盟有望创造100,000个与无人机直接有关的就业机会，并预期获得超过100亿欧元的年度经济收益 。

与西方国家相比，我国的无人机技术起步较晚，却拥有最为蓬勃发展的市场。上世纪80年代，民用无人机在我国的地质勘测和地图测绘等领域即崭露头角。2010年，中航通用飞机推出具备实时图像采集与传输、无线通信中继、气象观测以及防雹降雨气象作业等功能的“黔中一号”无人机。无人机技术向其他领域的外溢亦见于农业喷洒、农业植保、电力巡检、防灾应急、科研、物流等。随着技术日臻成熟和成本下降，消费级无人机近年出现了爆发式增长。以深圳大疆科技为例，这家无人机公司2010年的营业额为数百万元，2015年其市场估值即高达100亿元, 其产品80%销往海外,其中小型无人机拥有70%的全球市场份额 。

2、应用无人机技术的施工现场管理实例

2017年，美国大型建筑公司Key Construction 在承建一座造价逾千万美元的露天休闲设施时，将棒球场的草坪播种工作分包给一家园林公司。草坪成型时效果并不理想。项目经理质疑分包商播种所用的种子数量少于规范要求，可分包商托辞说是出苗率不高。Key Construction管理层得知这一争议后，使用无人机对棒球场进行了航拍，随即得到了高清的正射影像图。图中一目了然的是，分包商并未按合同要求朝四个方向播种。相反，他们只朝两个方向进行了播种，在中途还随意切换了方向。无人机技术不仅帮助Key Construction解决了施工中的争议，还节省了他们的勘测成本。当棒球场沿着地基出现排水不畅时，管理层使用无人机进行了高空测绘作业，然后将测得的标高输出至Autodesk Revit软件，计算出现场各点之间的标高差异。这项勘测工作主要依靠无人机和建筑软件，全程费时不过几小时，比起传统的人工测绘，省时省力且节约成本。

同样值得一提的是，在建筑工人短缺现象日趋严重的今天，全球第二大建筑巨头小松研发了基于无人机技术、智能机器控制技术（iMC）和三维激光扫描的智能施工（Smart Construction）解决方案。该方案的硬件主要来自大疆科技为小松定制的商用四轴无人机，机器视觉软件则由美国Skycatch公司提供。小松的实践证明，无人机在施工现场可测绘多达25,000,000个点，而传统人工测绘仅能实现约3,000个点 。在所费时长上，无人机可将传统人工测绘耗费的一整天缩短至半小时。除了对施工现场巡航外，无人机还可将采集的视频信息转化为3D图像，再导入软件与最初的设计进行匹配和查找异常，以便现场管理人员及时发现和纠正偏差。

加拿大多伦多大学近年研发的InPRO是一个无人机赋能施工现场智能监控方案，它利用轻型自主无人机的设计和导航技术为高层建筑工程的施工信息采集、进度控制和质量评估提供了可靠性、安全性和高效率。InPRO使用全自动智能无人机装载的数码相机和传感器记录施工进度并实时进行评估。无人机按既定路线进行飞行，遵从指示检查现场内的特定位置，包括真人无法到达或者不安全的地方。地面控制中心则通过无人机自带的Wi-Fi实时访问飞行中捕捉的高清图像和视频，并使用计算机视觉算法对这些信号进行自动处理，以检测现场的静态和动态。最后，InPRO将施工进度数据并入四维建筑信息模型（4D BIM)和施工进度报告中，并将实际进度和计划进度以不同色块自动标示出来，确保现场各部门有效地追踪工期进展并按时按质按量完成施工任务。

在举世瞩目的雄安新区建设中，河北邮电通信监理公司、河北华网监理公司、公诚管理咨询公司联合河北联通公司，引入了基于5G、无人机和虚拟现实的VR智慧监理系统，为我国监理行业的智能化转型提供了极具参考性的实例。该系统使用无人机装载的云台，近距离悬停并对施工现场进行360度全景4K高清拍摄，再通过5G网络将4K全景视频实时回传到服务器中。监理人员则佩戴VR眼镜，如同身临其境地监督着施工现场的人员作业、工艺和质量等。服务器最终依据无人机传回的视频自动生成施工现场图像资料和监理日志。借助无人机技术的VR智慧监理系统使远程监理从构想成为了现实，降低了对现场人力物力的需求，同时也在一定程度上规避了安全风险。

3、无人机对我国施工现场监理的多方位赋能作用

施工现场监理是我国建设工程独有的重要环节，对施工的质量和进度提供最直接有效的监管。它意味着一个复杂的系统工程，涉及对物料、机械、人员、工艺和程序的日常管理。除此之外，现场监理还承担着安全检查和风险控制的重责。随着我国建筑业向智能化转型，对施工信息进行全角度全过程跟踪记录也成了监理任务之一。无人机技术在境内外建设项目上的应用方兴未艾，前文中列举的实例揭示了无人机给我国独有的施工现场监理带来的诸多益处和可能性。

首先，无人机的巡航功能为旁站、巡视和平行检查提供了一种灵活便捷的辅助检查手段。如同雄安VR智慧监理系统所示，今天的无人机技术可以对施工动态进行高清晰度全视角智能化的跟踪。对于人员无法到达的地方，无人机的小巧机身和高空作业性能也可保证检查工作的轻松完成。人眼无法探测到的模式，无人机的广角航拍能生成正射影像并自动镶嵌和匀色，相机的极近自动聚焦功能又可捕捉细枝末节。换而言之，无人机拓展了人工监理可达到的深度和广度，同时也为精简现场人员、提高监理质量以及降低监理的时间成本和资金成本提供了可能。

现场监理亦可借助无人机技术加强对施工进度的主动调控。长期以来，监理作为业主委托的监管者，主要依据承包商编写的采购计划和进场时间对后者报送的施工进度计划进行审批，通过监理例会、现场调度会和专题会等形式进行实际进度的协调，并以监理日志和监理通知的形式记录、分析和促成施工进度的整改。这一模式的有效性受限于信息传递的时效性、准确率和完整度，同时也意味着大量的沟通协调工作。相形之下，无人机拍摄的视频和3D图像，可以直观地展现施工过程中的不足，譬如说哪些物料或设备尚未进场，或是哪些结构元件尚未安装到位，或是哪些施工工艺存在偏差。如同InPRO方案所示，现场监理人员还可将无人机与计算机软件和建筑信息模型（BIM)结合使用，快速查找有可能影响工期的因素，做出相应的调整或纠正。如此一来，现场监理人员有望在施工进度管理上从延时被动响应转变为实时主动控制。

无人机对于加强施工现场监理中的安全管理和风险预警也意义非凡。首先，和人工巡查相比，无人机巡航能更及时更准确地查找施工安全隐患，譬如说人眼难以察觉的偏移和渗漏，或是高难点位置发生的设备故障，或是检查盲区内的违规行为。其次，无人机查勘和巡航可为自然灾害多发区的现场施工提供风险预警和风控监理。我国西藏地区林芝通往拉萨的公路施工期间，无人机在风险地图GIS和卫星遥感数据的支持下，顺利查勘航飞了海拔近4000米的区域。无人机还可协助监理人员在项目验收时确认施工质量是否合格。举例来说，对于建筑主体的细微裂缝或隐蔽位置的施工遗留物，无人机都可比传统人力验收更为快捷地识别出来。

至关重要的是，无人机技术为我国监理行业的智能化转型提供了契机和动力。国内外施工现场管理的经验表明，无人机和其他新兴科技具有极高的兼容性和可协作性。基于无人机全景视频的虚拟现实使得远程监理和现场监理二者的边界开始消融。5G网络则意味着有史以来最强大的无人机多种应用场景通信需求解决方案，其中包括为施工监理进行高速高效的数据传输和处理。无人机自身的建模技术和BIM软件的结合使用已有成功实例，监理工作中最重要的进度管理和质量控制均有望由此得到优化。无人机生成的海量施工数据也可引入大数据分析的框架中，从中提取的规律、模式和策略对于未来建筑项目的施工均具有一定的指导性和可参考性。

结语：

我们需要警醒的是，智慧监理的实现并不能简单地依靠热点科技本身。真正赋予一个行业智能和竞争力的，不是生产要素而是生产力。只有在革新思路和专业知识的双重护航下，无人机技术才能名副其实地助力我们智慧监理的进程。