呂福瑞

1 引言

近年來，隨著國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》戰(zhàn)略被提升到國家層面，智能化設(shè)備在生活生產(chǎn)方面的運(yùn)用逐步被重視起來。智能駕駛、視覺導(dǎo)航、融合定位技術(shù)都由之前的軍事、航天航空等“高精尖”領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)變到大眾的生活中，逐漸向著智能自動化的工業(yè)化發(fā)展。但是在工業(yè)制造中，每個行業(yè)之間的差異性較大，統(tǒng)一規(guī)劃發(fā)展進(jìn)步緩慢。依靠新興科技基礎(chǔ)為支持的無人機(jī)行業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、自動化行業(yè)迅速崛起，這也促使了國內(nèi)的以WiFi、藍(lán)牙3.0 等短距離通信技術(shù)、定位技術(shù)、視覺分析技術(shù)、等眾多科學(xué)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展[1]。例如，大疆的無人機(jī)通信鏈接采用了成熟的WiFi、藍(lán)牙技術(shù)、廣播信號技術(shù)，實(shí)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)壓制國外的同類產(chǎn)品。

2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)的無人機(jī)、高精度視覺分析、傳感器定位、激光掃描等技術(shù)的單一行業(yè)運(yùn)用已經(jīng)非常成熟[2]，例如，大疆的無人機(jī)通信鏈接采用了成熟的WiFi、藍(lán)牙技術(shù)、廣播信號技術(shù)以及空中紅外線、超聲波等定位模式；工業(yè)分揀機(jī)器人的快遞、運(yùn)輸及無人駕駛方面的運(yùn)用；再包括測量行業(yè)的激光掃描與點(diǎn)云成像技術(shù)。而國內(nèi)這些新興技術(shù)在工程施工方面的運(yùn)用少之又少，現(xiàn)階段的工程建設(shè)施工僅僅使用以BIM、CAD 等軟件為輔助，依舊依靠人力為基礎(chǔ)配合機(jī)械施工的作業(yè)方式。不僅低效、高成本且在某些高難度施工段往往以生命為代價完成建設(shè)施工。例如，云南大柱山隧道，突泥、涌水、高地?zé)?、有毒氣體等復(fù)雜且極其危險的條件下施工，可能付出的就是生命的代價。

3 道路施工面臨的主要問題

3.1 勞動力面臨的挑戰(zhàn)

3.1.1 工人老齡化

20 世紀(jì)開始，發(fā)達(dá)國家人口的平均壽命從47 歲上升到75 歲，但出生率在逐年下降，使發(fā)達(dá)國家的平均年齡以前所未有的速度上升，據(jù)估計到2050 年，歐洲的平均年齡將達(dá)到60 歲。對于中國這樣的發(fā)展中國家，盡管這種速度來得遲一點(diǎn)，但也已經(jīng)到來[3]。

根據(jù)國家統(tǒng)計局2017 年發(fā)布的《2017 年農(nóng)民工監(jiān)測調(diào)查報告》顯示，受農(nóng)村人口結(jié)構(gòu)變化等影響，農(nóng)民工平均年齡不斷提高，在建筑業(yè)迅猛發(fā)展的背后，建筑工人“老齡化”問題日益凸顯，農(nóng)民工平均年齡幾乎以每年1.5～3.0 的速度逐年遞增，且呈加快態(tài)勢。根據(jù)2015 年國家住建部下發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)建筑工人職業(yè)培訓(xùn)工作的指導(dǎo)意見》（建人〔2015〕43 號）要健全建筑工人技能培訓(xùn)、技能鑒定體系的同時企業(yè)也要采取新的措施應(yīng)對勞動力短缺的問題。對于建筑行業(yè)當(dāng)前備受關(guān)注的裝配式建筑，如果得到全面普及，未來僅需要傳統(tǒng)建筑生產(chǎn)方式大約50%的工人。而道路、橋梁、隧道工程都是在遠(yuǎn)離大城市的鄉(xiāng)村甚至山間，相比建筑業(yè)工作條件要艱苦得多，生產(chǎn)工藝也更為落后。

3.1.2 高學(xué)歷人群的缺失

隨著我國高等教育的普及，高學(xué)歷畢業(yè)人群幾乎每年都在刷新最高紀(jì)錄，而恰恰相反的是由于國家經(jīng)濟(jì)水平的提高、全面小康的普及，這些從高等學(xué)府里走出來的年輕人在道路、橋梁、隧道工程等工作條件較為艱苦的“偏遠(yuǎn)工地”的就業(yè)人數(shù)較少[4]。

其次，隨著國家提倡應(yīng)屆畢業(yè)大學(xué)生自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，根據(jù)2017 年我國雙一流大學(xué)的應(yīng)屆生就業(yè)質(zhì)量報告來看，全國2017 屆大學(xué)畢業(yè)生自主創(chuàng)業(yè)比例為2.9%、2017 屆高職高專畢業(yè)生自主創(chuàng)業(yè)比例約為3.8%，據(jù)統(tǒng)計，近年來各項創(chuàng)業(yè)大賽參賽隊伍數(shù)量在逐年增加，僅2019 年《第五屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽》本科在校生的報名比列達(dá)到了20%[5～8]。

工人老齡化和高學(xué)歷人群的缺失，應(yīng)屆畢業(yè)生創(chuàng)業(yè)比例的逐步提高，同時還伴隨著出生率的降低、20 世紀(jì)90 年代的計劃生育。綜合以上情況來看，我國基礎(chǔ)建設(shè)勞動力的短缺已成定局，而對于道路、橋梁、隧道這樣工作化境更加惡劣的地方面臨的挑戰(zhàn)尤為的巨大。

3.2 施工技術(shù)的問題

由于施工人員多數(shù)以農(nóng)民工為主體，大部分沒有經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)與訓(xùn)練，整體素質(zhì)、教育水平有待提高，對較為專業(yè)化的施工過程無法進(jìn)行有效的控制，施工經(jīng)驗較豐富的群體卻面臨著身體素質(zhì)的下降和其他因素離開條件較為艱苦的工地，導(dǎo)致施工經(jīng)驗無法有效傳遞下去，直接導(dǎo)致施工過程中施工質(zhì)量的下降和施工可靠性不足等不利因素的產(chǎn)生[9]。而農(nóng)民工整體意識觀念的落后也直接導(dǎo)致了工程項目施工的水平無法提高，對施工項目整體都產(chǎn)生了不利影響。如果提高對施工人員的選拔要求，增設(shè)工程施工的技術(shù)培訓(xùn)勢必大大增加工程項目的總成本。

3.3 施工安全的問題

道路、橋梁、隧道施工的主要作業(yè)地點(diǎn)位于山間，其地勢險峻、地質(zhì)復(fù)雜、不可控因素顯著。

3.3.1 山體滑坡

由于山間地質(zhì)條件復(fù)雜、對施工環(huán)境的不熟悉等因素，且山體滑坡大多發(fā)生突然、破壞性大、破壞面積大，在這些復(fù)雜的情況下無法有效控制災(zāi)害的發(fā)生，在道路施工過程中，山體滑坡威脅了施工人員的生命安全也影響了施工器械、車輛的安全，造成了不可控的安全隱患[10]。

3.3.2 高空墜落

據(jù)統(tǒng)計，在道路、橋梁、隧道施工過程中，高空墜落施工造成的人員死亡約占總死亡人數(shù)的45.43%，是施工安全事故中最常見的類型。其主要發(fā)生在橋梁施工、山區(qū)垂直施工。但是由于山區(qū)地勢高低起伏、施工環(huán)境比較惡劣、施工條件差等特點(diǎn)，高空墜落施工頻發(fā)，嚴(yán)重的威脅了作業(yè)人員的生命安全[11]。

3.3.3 隧道施工安全問題

隧道施工過程中，由于作業(yè)環(huán)境陌生、地質(zhì)條件較為惡劣、未知性較其他工程較高，主要容易發(fā)生山體坍塌、突泥、涌水、高地?zé)帷⒂卸練怏w等極其危險且復(fù)雜的安全隱患。而隧道中的山體坍塌問題占總施工事故的17.51%[12，13]。其任意一種都對隧道中的施工人員造成極其嚴(yán)重的生命安全威脅。

4 技術(shù)淺析

4.1 概述

5G 是第五代移動通信技術(shù)的簡稱，其高速度、廣覆蓋、低延遲的特性使人與人、物與物、人與物之間原有的界限被打破，未來所有人和物將處于一個數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)中，以數(shù)字和信息化的方式交流。從全球視角來看，目前的5G 無論是技術(shù)、設(shè)備還是標(biāo)準(zhǔn)都已經(jīng)取得較大的成果，使5G 的場景應(yīng)用成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)。5G 通信和大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新一代的IT 技術(shù)相結(jié)合，催生了多種新應(yīng)用與新科技，如VR 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無人機(jī)等新興產(chǎn)業(yè)的升級，極大地推動了中國新型科技的誕生，為中國創(chuàng)造打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。而反觀道路、橋梁、隧道施工行業(yè)，仍然使用著普通的大型機(jī)械配合工人施工，兩者相比顯得尤為“原始”。慶幸的是，如今我國站在了5G通信的風(fēng)口，通過各方資源的整合可以營造先進(jìn)、方便、安全、高效的施工環(huán)境，亦可改善多項安全隱患，保護(hù)工人和設(shè)備的生命財產(chǎn)安全。

4.2 特性

5G 通信網(wǎng)絡(luò)依靠自身的高速度、廣覆蓋、低延遲3 個特性再配合如視覺分析、短距離定位等新興技術(shù)即可組成一個運(yùn)用于道路、橋梁、隧道施工行業(yè)的智能交互系統(tǒng)[14]。技術(shù)架構(gòu)分析如下。

4.2.1 高速度

依靠5G 的高速度、高帶寬作為信息化通信的橋梁，為人與人、物與物、人與物之間的交互使用提供了基礎(chǔ)。在施工場地布置5G 通信網(wǎng)絡(luò)作為施工智能交互的基礎(chǔ)條件，完成施工任務(wù)后也可以作為民用設(shè)備保留下來，及提供了施工過程的便利也保證了人們生產(chǎn)生活的需要方便了施工期間的多種器械、傳感器等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，也方便了施工人員對施工的監(jiān)督。

4.2.2 廣覆蓋

依靠5G 的廣覆蓋特性，可以利用汽車物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)無人機(jī)的設(shè)備完成對施工過程的監(jiān)管控制，實(shí)現(xiàn)施工場地與周邊環(huán)境的交互，將工地與周邊環(huán)境融為一體，為施工提供安全預(yù)警、故障提現(xiàn)等情況提供了可靠的解決方案[15]。

4.2.3 低延遲

依靠5G 的低延遲特性，可以在施工現(xiàn)場布置高清視頻監(jiān)控體系，方便監(jiān)理人員的施工監(jiān)督，縮短了施工工地與設(shè)計單位和監(jiān)理、檢測等企業(yè)的溝通距離，極大地簡化了現(xiàn)有的工地管理體系，提高了施工效率。

5 道路施工應(yīng)用分析

5.1 測量模式

通過多種新興技術(shù)的整合，基于5G 通信為背景擴(kuò)展多種施工設(shè)備，逐步將傳統(tǒng)的依靠人力翻山越嶺的測量模式取締。主要提供了一種無人機(jī)測量方案。

5.1.1 固定翼無人機(jī)采集總平面圖

由于公路建設(shè)多處于山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)附近的狹長布局，以固定翼無人機(jī)長續(xù)航、高載重的特性，將激光掃描測量儀器或高精度拍攝像機(jī)等信息采集設(shè)備裝入固定翼無人機(jī)中。在無人機(jī)飛行前，規(guī)劃好無人機(jī)的航線以及拍攝參數(shù)。在無人機(jī)飛行途中，通過地面站的遠(yuǎn)程遙感控制以保證三角測量或傾斜測量信息采集的完整性與可靠性。無人機(jī)空中采集的數(shù)據(jù)保存在自身的信息儲存單元或中央數(shù)據(jù)庫中，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至圖像合成軟件中，并生成項目初期的總平面圖實(shí)景模型[16]。

5.1.2 垂直起降無人機(jī)采集精準(zhǔn)數(shù)據(jù)

利用垂直起降無人機(jī)結(jié)合了多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)的特點(diǎn)，可以完成對區(qū)域的覆蓋拍攝也可以完成對點(diǎn)的多角度拍攝，利用其操作方便靈活的特性?？梢蕴钛a(bǔ)總平面圖實(shí)景模型中存在缺失和不足的地方。最重要的是，對于道路建設(shè)設(shè)計過程中需要重點(diǎn)測量的區(qū)域，通過自身攜帶的高精度相機(jī)和激光掃描測量儀對區(qū)域內(nèi)作覆蓋性多角度的重復(fù)采集，再將采集的數(shù)據(jù)傳輸至圖像合成軟件中，并生成項目初期的施工局部實(shí)景模型。

并按照繪制出的三維立體實(shí)景模型，和人工測量的巖土分析的報告，完成施工設(shè)計圖紙。并對施工量和工程造價等前期工作進(jìn)行計算，安排施工大型機(jī)械設(shè)備。并將工程相關(guān)圖紙上傳至中央數(shù)據(jù)處理器以方便施工后期的監(jiān)管[17]。

5.2 網(wǎng)絡(luò)架設(shè)模式

5.2.1 施工準(zhǔn)備前期

施工場地選擇完成后，大型施工機(jī)械還沒有進(jìn)場時，多旋翼無人機(jī)上搭載廣播定位設(shè)備、RTK 發(fā)射器等定位設(shè)備，以及5G 信號發(fā)射器，采用無人機(jī)集群技術(shù)，將上百架定位多旋翼無人機(jī)依靠施工場地為基礎(chǔ)，呈陣列狀分布到施工的兩側(cè)和上空。完成對施工場地的全信號覆蓋，輔助后期工程機(jī)械的作業(yè)定位。

在施工現(xiàn)場布置中央數(shù)據(jù)處理器及服務(wù)器，為后期施工過程中的萬物互聯(lián)提供中心數(shù)據(jù)平臺。并通過5G 網(wǎng)絡(luò)將中央數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)與工程各方單位聯(lián)系起來，各方單位都可以在遠(yuǎn)程通過授權(quán)查看施工現(xiàn)場情況。

5.2.2 施工準(zhǔn)備后期

工程車輛、工程機(jī)械等設(shè)備裝載視覺分析傳感器、廣播定位設(shè)備、RTK 接收器以及5G 信號裝置的智能車輛，逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械科技代替人工作業(yè)的前景，使其可以依靠廣播定位和RTK 定位完成對自身位置的大致分析，主要依靠激光定位設(shè)備實(shí)現(xiàn)分米級定位，再使用視覺分析設(shè)備對施工作業(yè)目標(biāo)分析按照程序施工[18]。工程機(jī)械進(jìn)場后，依照施工設(shè)計圖紙，對工程機(jī)械進(jìn)行程序規(guī)劃和工作量計算后，上傳至中央數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器處理數(shù)據(jù)后，再通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳送至各工程機(jī)械。

并在施工現(xiàn)場周圍架設(shè)激光雷達(dá)、視覺分析以及超高清攝像頭等設(shè)備以方便后期的施工過程管理，和施工機(jī)械的控制。

5.3 施工模式

通過場外架設(shè)的激光雷達(dá)以及視覺分析配合集群多旋翼無人機(jī)搭載的RTK 發(fā)射器，確定各施工段的基礎(chǔ)平面和施工區(qū)域的基礎(chǔ)標(biāo)線，以更加精確的控制工程機(jī)械對施工質(zhì)量的控制。視覺分析搭配超高清攝像頭還可以對施工作業(yè)區(qū)域內(nèi)的土方量進(jìn)行估算，并整合數(shù)據(jù)后上傳至中央數(shù)據(jù)處理器，作為施工方管理工地的參考依據(jù)。通過施工現(xiàn)場假設(shè)的超高清攝像頭，全天候采集施工現(xiàn)場情況，儲存于中央數(shù)據(jù)處理器中，配合視覺分析傳感器可以對施工現(xiàn)場的危險情況進(jìn)行預(yù)警，施工過程中通過傳感器和人工反饋施工進(jìn)度和施工質(zhì)量上傳至中央數(shù)據(jù)處理器，項目負(fù)責(zé)人就可以在遠(yuǎn)程掌控施工現(xiàn)場的情況。

6 橋梁施工應(yīng)用分析

橋梁施工基礎(chǔ)的施工模式與道路施工模式相同，都是基于5G 通信技術(shù)在施工現(xiàn)場鋪設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，整合廣播定位設(shè)備、RTK 發(fā)射器等定位設(shè)備和激光雷達(dá)、視覺分析以及超高清攝像頭等設(shè)備以實(shí)現(xiàn)對施工機(jī)械的控制[19，20]。根據(jù)橋梁建設(shè)的特殊性對橋梁施工進(jìn)行分析。

6.1 施工安全

針對橋梁施工中的高空墜落危險性使用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行控制，在垂直施工時采取無人機(jī)監(jiān)管技術(shù)，一架無人機(jī)跟隨一個施工過程或一個施工人員，對周圍環(huán)境的安全性進(jìn)行分析，通過視覺分析設(shè)備逐步代替以生命安全作為代價的危險工作中?？罩胁渴鹩糜诒O(jiān)控施工過程和鋪設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)的集群式無人機(jī)[21]，實(shí)現(xiàn)以多旋翼無人機(jī)作為基礎(chǔ)呈半球型分布搭配固定翼無人機(jī)在高空盤旋監(jiān)控組成的架構(gòu)。通過各架無人機(jī)中的氣壓計對施工現(xiàn)場的天氣因素進(jìn)行采集，上傳中央數(shù)據(jù)處理器并在計算后對施工現(xiàn)場的人員和器械發(fā)布實(shí)時天氣情況如大風(fēng)預(yù)警等。

6.2 施工監(jiān)管

在施工過程中通過集群無人機(jī)對橋面施工進(jìn)行控制，采用RTK 技術(shù)和激光定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋面施工過程中厘米級的監(jiān)控，以達(dá)到輔助施工、控制施工質(zhì)量和精度的目的。中央數(shù)據(jù)處理器對橋面架設(shè)過程中的橋面平整度和整體結(jié)構(gòu)與設(shè)計圖紙進(jìn)行比對，對超出誤差的部分通過網(wǎng)絡(luò)對相關(guān)段施工負(fù)責(zé)人員和工程師進(jìn)行警告。

7 隧道施工應(yīng)用分析

隧道施工基礎(chǔ)的施工模式與道路施工模式相同，都是基于5G 通信技術(shù)在施工現(xiàn)場鋪設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，針對隧道施工中的環(huán)境不確定性的危險因素，逐步實(shí)現(xiàn)自動化機(jī)械代替人工施工，將前線工人的作業(yè)區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)楹蠓?，以達(dá)到保護(hù)人員生命安全的目的。通過整合廣播定位設(shè)備、激光定位等定位設(shè)備和激光雷達(dá)、視覺分析以及超高清攝像頭等設(shè)備以實(shí)現(xiàn)對施工機(jī)械的控制。根據(jù)隧道建設(shè)的特殊性對橋梁施工進(jìn)行分析。

7.1 融合定位技術(shù)

現(xiàn)有的定位技術(shù)主要分為室外定位和室內(nèi)定位，根據(jù)隧道施工的特性，其無GPS 定位信號、巖土對磁場的干擾較大的特點(diǎn)。施工現(xiàn)場使用以廣播定位為基礎(chǔ)構(gòu)建米級定位網(wǎng)絡(luò)，增設(shè)視覺分析定位和光追蹤定位實(shí)現(xiàn)亞米級定位，在通過5G 通信網(wǎng)絡(luò)利用偽衛(wèi)星技術(shù)和激光定位精準(zhǔn)的完成工程機(jī)械的毫米級定位。將多個定位系統(tǒng)融合，能夠有效減少定位盲區(qū)，降低定位誤差，提高定位精度。通過基于地圖的擬合技術(shù)、各級定位系統(tǒng)等多種途徑和方式，通過反饋式融合定位決策機(jī)制統(tǒng)一輸出最終的定位結(jié)果，以提升定位的精度。

7.2 地下遙感技術(shù)

在隧道施工現(xiàn)場和盾構(gòu)機(jī)上布置氣體傳感器、震動傳感器、紅外線傳感器等傳感設(shè)備，通過上傳中央數(shù)據(jù)處理器和服務(wù)器計算后，基于融合定位技術(shù)和現(xiàn)場布置傳感器反饋的數(shù)據(jù)，對盾構(gòu)機(jī)的行進(jìn)路徑進(jìn)行調(diào)整和施工現(xiàn)場情況對施工人員和工程師進(jìn)行預(yù)警。

8 結(jié)語

結(jié)合5G 技術(shù)和無人機(jī)、高精度視覺分析、傳感器定位、激光掃描等技術(shù)的整合，對道路、橋梁、隧道的施工可運(yùn)用性進(jìn)行分析，對5G 技術(shù)運(yùn)用在工程施工方面的可能性進(jìn)行展望和歸納。對5G 技術(shù)、無人機(jī)、融合定位技術(shù)進(jìn)行了可行性分析，通過云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的整合，為工程施工行業(yè)提供一套可行的方案，以解決未來將面臨的勞動力短缺問題，提供科技與經(jīng)驗的融合實(shí)現(xiàn)工程行業(yè)的嶄新未來。