作者：张毅
目前，无人机已成为世界各国争相研究的热点课题。无人机遥感作为一种新型的遥感数据获取手段，已广泛应用于国家生态环境保护、矿产资源勘探、海洋环境监测、土地利用调查和国土资源监测等领域。设计了无人机感官系统，用于检测环境中的温度、湿度等气候信息，为农业种植提供资料；利用无人机对空间纹理特征的识别提取城市中的洪水灾害区；利用无人机，基于对象的图像分析( GEOBIA)进行地表资源探测。然而，目前仍缺乏成功将无人机应用于深基坑施工安全监控的实施案例。鉴于此，本文以无人机遥感技术为依托，结合深基坑施工无人机安全巡视与视频监控的采集和传输装置，提供一套利用无人机进行深基坑施工管控的方法，实现对深基坑施工人的不安全行为与物的不安全状态的安全巡视与预警，并在紧急情况发生后帮助管理人员进行风险评估及应急指挥。
1 无人机巡视下的深基坑施工风险识别与响应
在系统设计之前，首先应确定无人机进行飞行巡视时可以监控的深基坑安全风险。针对安全风险构造出适合无人机自动视频监控的深基坑拟监控项目表与风险响应机制。
1.1 深基坑事故表现形式
本文对2003-2013年国内外发生的城市地下空间工程重大事故进行统计归纳，并分析已经发生的事故案例，找出深基坑出现安全事故时基坑通常表现出的破坏原因和施工人员受到的伤害类型。深基坑的事故通常表现为以下几类。
1)支护结构失稳 深基坑支护结构的失稳可能由多种原因造成，常见的原因有支撑体系强度不够导致围护墙倾倒破坏、放坡较陡造成坑内土体滑坡、踢脚破坏等。
2)地下水作用 基坑开挖时，若坑底和坑壁长期处于地下水淹没的状态下，土体强度降低，则基坑的安全和稳定受到威胁。地下水在基坑工程施工过程中的危害主要表现为突涌、流砂和管涌等。
3)基坑引发的周边环境破坏 包括地下管线变形或开裂、道路沉降或开裂、建筑物、既有轨道交通结构出现裂缝等。
4)机械伤人 深基坑施工中工人的伤害事故多为不规范操作造成的机械电器对施工人员或他人的伤害。主要表现为起重作业时的高空坠落伤害、焊接不规范造成的火灾、挖掘机等机械的不安全使用等。
通过上述统计分析可得出，观测支护结构的稳定性、地下水作用、周边环境的破坏情况、施工人员机械使用的规范与否是深基坑施工的主要安全风险，也是进行深基坑安全监控的主要任务。
1.2无人机安全风险监控项目清单
针对上一节归纳的深基坑安全监控的主要任务，结合无人机飞行平台成像范围较大的特点，构建出无人机安全监控项目清单，如表1所示。
1.3 风险等级划分与响应
无人机在深基坑施工现场进行安全监控时，根据监控项目清单结合拟监控工点的施工进度确定飞行路线与巡视区域，并判断监控项目是否正常。对于不同的安全风险因素进行风险等级的判定和划分，并采取不同的风险响应机制与监控力度。
本文基于二八法则和ABC分类法(activity based lassification)将深基坑安全风险因素分为三级，并在施工现场进行为期4周的观测，记录安全风险因素的观测次数，以发生的频率从大到小排序，做成帕累托图(Paretochart)。根据二八法则和ABC分类法的基本原理，将频率累计属于0~ 80%区间的因素定为A类因素，即重要风险因素。在这一区间的安全风险因素应进行最优先级的重点监控和关注；频率累计落在80%～90%区间的因素定为B类因素，即次要级风险因素，在这一区间的安全风险因素应得到较高一级的监控；将频率累计落在90%—100%区间的因素定为c类因素，即一般风险级因素，在这一区间的安全风险因素应得到一般监控。根据频率统计，对于一般深基坑施工而言，钢支撑架设不及时、支护桩出现裂缝、路面塌陷、管线损坏、管涌等是A类因素，在此安全风险监控中将其设定为A类重点监控项目；机械设备伤人、高空坠物打击等累计比例处于80%~90%，将其设定为B类较高一级监控项目；土体滑坡、降水设备运转异常等属于C类因素，设定为一般监控项目。具体风险等级划分如表2所示。
1.4 预警规则
为了使施工指挥中心的纠偏指令及预警信息通过无人机及时、准确地传达给深基坑现场的人员，需要制定详实的预警规则。本文根据视觉传达理论设计了指令传达与声光报警规则。即在无人机上搭载小型机载扩音器，在每个划分区域中架设的信号塔上安装信号灯和大型扩音器。机载扩音器和大型扩音器同步传达施工指挥中心发出的纠偏指令。信号灯根据声光报警规则发出光学信号，示意该区域人员区域的安全状态并在紧急情况发生时指示人员疏散。具体声光报警规则如表3所示。
1.5无人机应急救援
无人机应急救援属于无人机深基坑施工监控的一部分，是系统根据声光报警规则与信息收集一分析一反馈流程实现的重要功能。当深基坑施工出现险情时，施工控制中心可及时通过无人机终端得到施工现场的信息，并远程做出判断和救援行动，应急救援流程举例如下。
区域1发生承压水突涌的险情，根据预警规则，该区域信号塔打开红色信号灯和大型扩音器，持续向该区域人员发出声光警报和指令，预防其他无关人员进入事故区域。同时，区域1的信号塔发出指引信号，指引无人机自动沿最短路线飞到该区域。
无人机到达区域l后，迅速打开机载摄像头和机载小型扩音器，及时掌握事故严重程度及现场人员、应急物资分布情况，利用机载扩音器对人员作出疏散指令和应急措施的指示，施工现场控制中心应根据现场情况和判断通知应急救援小组进行救援行动。同时，施工现场控制中心还可根据无人机传达的视频图像判断人员是否得到疏散，承压水突涌事件是否得到有效控制。
当确认该区域安全后，该区域信号塔打开绿色信号灯，允许工人进入该区域，同时应急指挥结束，起飞处i0信号塔打开，指引无人机返回。操作人员上传录像或巡视记录至系统储存留档，供业主、监理或其他单位查阅。至此一个应急救援流程完毕，如图1所示。
2 无人机深基坑管控系统设计
2.1 系统特点与原理
无人机深基坑管控系统的运用将使得传统的安全监控方法发生变革，显著提高安全管理的效率。相比于传统的人工巡视和纠偏应急指挥方法具有以下优势：①机动灵活、效率高，巡视不受地域影响，巡视范围大，弥补了传统的人工巡视时间、空间上存在死角和盲区的缺陷；②无人机的飞行巡视可实现自动化，减少人力；③降低巡视人员的人身风险；④远程视频监控能实现监视、录像、回放、备份等功能，利于保存巡视记录；⑤弥补紧急事件发生后应急管理存在盲目性和滞后性的缺陷，能利用人机交互界面将现场的情况迅速传达给指挥中心，帮助管理人员进行远程风险评估并下传指挥中心的应急指令，实现远程应急救援及指挥。
系统基于无人机遥感技术实现其信息收集一风险分析一指令反馈的功能，即无人机通过无线电信号或遥控装置进行操控，从高空通过传感器探测和收集施工现场的信息并通过施工指挥中心分析与记录，再反馈施工指挥中心的纠偏指令。如图2所示，无人机深基坑安全管控系统主要由无人机及实时摄像模块、自动飞行控制模块、指令传达模块组成。
无人机及实时摄像模块用于进行深基坑施工现场自动巡视与收集施工信息，并向施工指挥中心传输深基坑施工现场的实时图像，帮助施工控制中心掌握收集现场监控项目的信息。自动飞行控制模块用于对无人机进行路线规划并进行自动巡视，防止其在深基坑进行自动巡视时与临时钢支撑等发生碰撞，保证无人机及实时摄像模块的正常工作。指令传达模块是进行预报警响应的硬件设备，保证施工指挥中心的纠偏指令及预报警信息及时、准确地传达给深基坑现场人员。
2.2 系统信息流拓扑
基于上述风险识别分析与无线遥感技术、视觉传达理论，结合系统模块功能，构建了深基坑施工无人机安全监控系统拓扑图，实现自动化信息采集、信息反馈、指令传达与纠偏控制的“感-传_知。控”的集成系统功能。如图3所示。
整个系统拓扑分为4个层次，最底层为施工现场，现场的无人机监控项目受到无人机监控终端的监控。第2层为无人机监控终端，包括无人机及其搭载设备，无人机监控终端利用机载摄像头进行视频监控，利用机载扩音器对下一层施工现场人员发出纠偏指令，利用无人机信号接收器与无线信号与上一层系统控制界面连接，实现监控项目信息的收集与反馈，达到上传下达的目的。第3层为系统设备层，为系统服务的设备根据监控需要安装在深基坑施工现场，组成无线信号网络和预报警系统，由系统控制界面控制。最上层为管理层，由施工指挥中心操作系统控制界面，同时控制界面也向施工指挥中心反馈信息。施工指挥中心与监理、业主、其他单位通过互联网进行信息汇报，使监理、业主、其他单位能实时了解施工现场安全状况。
2.3设备选型
作为自动飞行与监控设备搭载的平台，选用悬翼（四翼）无人机。该类无人机遥控距离可达到800m左右，悬停精度为垂直0.8m/水平2.5m，满足在深基坑中飞行巡视的要求。在无人机上搭载CCD摄像头，CCD摄像头灵敏度高、体积小、寿命长、抗振动等优点能配合无人机飞行平台完成深基坑施工现场视频信息收集的任务。安装完成后的无人机飞行平台如图4所示。
为实现无人机飞行平台自动飞行的目的，将深基坑区域进行合理划分，并沿深基坑的围护结构按划分的间隔布设信号塔，信号塔可对无人机发出无线信号，引导无人机的自动飞行轨迹，信号塔长距离接收由施工指挥中心发出的无线指令。在无人机上安装信号接收器，用于接收信号塔对无人机发出的信号。同时，施工指挥中心可通过遥控器发出的信号人工操纵无人机飞行。施工指挥中心、信号塔、无人机组成“发出-接收-反馈”的飞行信号网络，实现对无人机的飞行路线规划和飞行定位。信号塔网络如图5所示。
深基坑施工中，各种钢支撑、立柱等支撑体系阻碍了无人机的安全飞行，并可能导致无人机坠毁，本文根据已有成果采用激光探测预报警的方法实现无人机飞行平台的防撞。即在无人机载摄像头处搭载激光测距仪。激光测距仪测量了机载摄像头与四周障碍物的距离。根据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012的钢支撑架设要求，设定当无人机与障碍物距离>1m时，测距仪在操作界面上发出绿灯标识；当无人机与障碍物距离<1m且>0. 6m时，测距仪在操作界面上发出黄灯标识；当无人机与障碍物距离<0. 6m时，测距仪在操作界面上发出红灯标识，并自动控制无人机做出悬停、改变飞行方向等规避行为。
2.4系统平台设计
平台的设计基于云平台设计理念，即系统的信息采集将固定汇聚到特别建设的数据中心用于记录分析与储存留档。系统操作平台与业主、监理、其他单位通过互联网进行连接，业主、监理、其他单位可通过登录数据中心对无人机监控记录进行查阅和批示。无人机飞行平台通过视频采集的施工现场安全监控信息将通过运营商广域网（4G模块）共享到云端服务器，通过4G或WIFI无线网络实现在系统平台的视频监控录像同步播放或回放。回传信息在Windows，IOS，Android 3个平台都能实现实时图像音频的同步和记录。无人机平台的操作
界面如图6所示。
3 工程案例
3.1工程概况
武汉地铁6号线苗栗路站沿香港路大道设置，为地下2层两跨岛式车站。主体基坑长度约293m，宽度20.9~24. 74m，基坑平面呈长条形，开挖深度为16. 99~18. 94m，基坑所在位置均为现有道路下方。按照湖北省建筑基坑支护的有关技术规范和规定，本基坑安全等级定为一级，基坑侧壁重要性系数取为1.0。综合工程环境及周边管线情况，围护结构采用地下连续墙加内支撑的形式，地下连续墙厚1000mm。基坑开挖面积为5 624m2。车站基坑轮廓如图7所示。
3.2监控装置布设
在无人机上搭载CCD摄像头、信号接收器、飞行防碰撞装置和机载摄像头，为合理设置信号塔，将苗栗路车站深基坑划分为10个监控区域，每个监控区域的地下连续墙上架设信号塔，每个信号塔从i1~i10编号，如图8所示。
3.3 深基坑暴露时间监控
基于苗栗路车站基坑的勘察资料和基坑安全等级，对苗栗路车站基坑进行风险分析，确定钢支撑架设不及时、基坑暴露时间过长、路面塌陷、管线损坏、管涌等安全风险因素为A类，需进行重点监控与风险响应。现以对深基坑暴露时间的每日监控为例阐述无人机监控及其系统的应用效果。
深基坑土方开挖应采用分层、分段、随撑随挖、减少基坑暴露时间的支撑方法，对于每小块土体，基坑的无支撑暴露时间与基坑变形的风险成正比，需重点监控深基坑的无支撑暴露时间。在无人机每日安全巡视开始之前，操作人员根据深基坑开挖进度制定基坑暴露监控巡视计划，并上传至互联网端供业主、监理、其他单位查阅。施工指挥中心再通过系统操作界面设定无人机沿既定路线进行规划路线的基坑暴露时间巡视与监控。如图9所示，当前苗栗路站基坑施工进度图显示区域2~8正进行土方开挖，可能存在基坑暴露时间较长的风险，故制定巡视监控计划，设定巡视路线为依次经过信号塔i0~i8，最后返回起飞处i0，如图10所示。
根据施工指挥中心规划的当日无人机的巡视监茬路线，指令通过系统控制界面传达给信号塔网络。为实现区域2~8的无人机基坑暴露时间监控，区域2内的信号塔打开并发出指引信号，指引无人机从起飞处飞行至该区域，该区域信号塔根据预警规则打开黄色信号灯，等待无人机巡视。无人机通过机载摄像机实时将监控视频图像传至系统操作界面，指挥中心操作人员根据实时施工现场图像，记录该区域基坑开挖的状态与钢支撑架设状态，并形成视频截图和当日监控报告，上传至互联网数据中心留档。
无人机飞行平台完成基坑信息收集的任务后，进入信息分析流程，此流程由施工指挥中心指挥人员和专家组借助无人机深基坑监控系统完成。指挥人员根据当日监控视频与平台数据中心的以往记录比较，确定当前区域基坑无支撑暴露时间。系统操作平台调出数据库中的基坑暴露时间的相关规范和专家组意见，进行风险评估。若确认安全，则该区域信号塔打开绿色信号灯。无人机飞往下一巡视区域；若区域2经过风险评估后发现有安全风险存在，则进入信息反馈即安全纠偏流程。
进入安全纠偏流程后，无人机飞行平台首先根据声光报警规则开启并闪烁信号塔上黄色信号灯，同时开启扩音器，向该区域施工人员通报基坑暴露时间过长，钢支撑未及时架设的安全风险。该通报将以音频形式上传并保存至系统平台数据中心留档。同时，施工指挥中心指挥人员通过现场扩音器及无人机机载扩音器向现场管理人员发出暂停开挖、及时架设钢支撑的纠偏指令。现场管理人员应立即到施工指挥中心报道并汇报施工纠偏方案和进展。当施工指挥中心判断区域2基坑钢支撑及时架设，基坑不再处于无支撑暴露状态后，该区域信
塔可打开绿色信号灯，无人机可进行下一区域的巡视与监控。
当全部巡视区域得到巡视且未发现安全风险存在，起飞处i0信号塔打开，指引无人机返回，巡视结束后，操作人员上传录像或巡视记录至系统储存留档，供业主、监理或其他单位查阅，至此一个深基坑暴露时间监控流程完毕。
4 结语
为了解决深基坑施工由于安全监控不力、纠偏措施不及时而发生安全事故的问题，本文提出了依托无人机飞行平台，利用视频监控进行现场安全巡视及信息采集、风险分析、指令传达及应急处理的深基坑施工无人机安全监控系统，得到以下结论。
1)利用无人机遥感技术，在无人机平台上搭设传感器与指令传达模块进行施工远程自动化安全监控的方法可变革传统的人工安全巡视方法与管理体系。无人机安全监控具有巡视范围大、自动化、效率高、降低巡视人员的人身风险等优势，并在紧急情况发生后能有效为应急处理小组及时提供信息、传达救援指令和疏散人员，实现远程应急救援及指挥。
2)制定了符合无人机的深基坑安全监控清单与管控体系。通过对以往城市地下空间工程重大事故进行调查并统计，结合施工现场的风险因素导致的事故发生频率观测确定适合无人机的安全监控拟监控项目表，为系统实时视频监控提供对象。
3)基于云平台设计理念的系统平台可实现数据信息的上传、储存与共享，顺应了大数据时代背景下系统设计的发展趋势。
5[摘要]为了解决深基坑施工由于安全监控不力、纠偏措施不及时而发生安全事故的问题，提出了依托无人机飞行平台，利用视频监控进行现场巡视、信息采集、指令传达及应急处理，并结合构建的风险控制清单，实现深基坑施工无人机安全巡逻与预警。通过已有研究与事故统计分析进行深基坑风险识别和风险等级划分，确定了无人机安全监控拟监控项目表。根据视觉传达理论设计指令传达与声光报警规则，根据云平台理念设计系统操作平台，进而建立了远程自动监控预警系统。同时，结合无人机的优势制订了详细的应急救援流程以实现深基坑事故救援的可视化，提升救援效率与质量。以武汉轨道交通6号线苗栗路站为例进行案例分析，应用结果表明该方法能实现对深基坑施工现场的远程自动风险采集、分析，有效传达纠偏指令和进行安全预警响应，并在紧急情况发生后帮助应急处理小组传达救援指令和疏散人员，实现深基坑施工风险远程自动化实时管控的目的。
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