Цифровые технологии дистанционного управления и контроля при производстве строительных работ

Введение

Во всем мире строительная отрасль занимает около 8–10 % от валового внутреннего продукта стран, обеспечивает занятость трудового населения и выступает связующим звеном между различными отраслями промышленности и экономики. Однако доля процессов с применением цифровых технологий в строительной отрасли меньше, чем в других сферах народного хозяйства, таких как торговля, автомобилестроение, банковский сектор и государственное управление.

В Российской Федерации на государственном уровне принято решение об уже давно назревшем переходе на стандарты цифровизации отрасли, которые доказали свою эффективность во всем мире. Говоря о потенциале и актуальности внедрения цифровых решений при проектировании, строительстве и эксплуатации мостов, необходимо учитывать, что сегодня практически у всех крупных структур, занятых в данных сферах, идет активная работа по внедрению технологии информационного моделирования и контроля. Это позволит избежать множества недостатков при раздельных процессах проектирования, строительства и эксплуатации мостовых сооружений в рамках проектов автомобильных дорог.

Целью данной работы является изучение применения современных цифровых технологий на строительных площадках.

Беспилотные летательные аппараты в строительстве

Для увеличения возможной прибыли стоящие во главе строительные компании внедряют в строительное производство новейшие цифровые технологии, что, в свою очередь, позволяет повысить качество и уменьшить финансовые расходы [1].

Внедрение в процессы строительства беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) – дронов – является одной из таких инноваций. Дрон по своей сути является летающей камерой с возможностью установки на него различного оборудования (сканер, тепловизор, газоанализатор, лидар) для выполнения необходимых задач. Управлением занимается оператор с помощью пульта либо автономно по заранее составленному плану полета [2].

Развитие БПЛА происходит стремительными темпами, и сам масштаб задач, связанных со строительством, способствует этому. Основной задачей, в которой задействованы БПЛА, является топографическая съемка. Перед началом строительства необходимо собрать необходимую информацию об участке территории, на которой планируется возведение объекта. Полученная информация позволит провести грамотный анализ и принять взвешенное решение по вопросам планирования строительной площадки, облегчит проектировщикам выполнение своих задач [3][4].

В последние годы для работы по созданию топографической карты все чаще применяются дроны. При этом возрастает качество выполняемой работы в сравнении с традиционными методами.

Преимущества использования БПЛА:

– Уменьшение длительности, снижение затрат на процесс полевых работ. При применении классических наземных методов на сбор необходимого объема информации с большой площади для получения результата могут потребоваться недели [5].

– Отсутствие логистических сбоев.

– Точность измерений. Камера выполняет съемку в разрешении 4К, вследствие чего из серии снимков, с разных ракурсов, с последующей обработкой в программных комплексах, получается создать детализированную 3D-модель рассматриваемого участка земли и находящихся на нем зданий и сооружений [6].

– Работа на труднодоступных территориях. Поскольку управление БПЛА происходит дистанционно, нахождение специалистов, ведущих геодезическую сьемку, непосредственно в исследуемом районе не требуется [7].

– Городское планирование. За прошедшие годы разработки в области совершенствования БПЛА расширили область применения в городском планировании. Дроны позволяют изучать имеющиеся экологические и социальные условия на объекте исследования [8]. Позволяют анализировать полученные данные о городском трафике с помощью нейросетей, изучать трансформирующуюся инфраструктуру города. Дроны облегчают возможность исследования деградаций в окружающей среде, гидрологических изменениях и позволяют сравнивать собранную информацию за период отслеживания [9].

– Повышение безопасности на строительных площадках. Задача работодателей, в частности строительных компаний, обеспечить безопасность и уменьшить производственный травматизм на рабочем месте. Применение БПЛА обеспечивает выполнение этой задачи, например дроны могут отслеживать наличие на рабочих касок, устройство строительных лесов.

– Инспекция кровли и техническое обслуживание зданий. Одно из применений БПЛА – это инспекция и контроль зданий и сооружений, позволяющие без риска и в кратчайшие сроки осмотреть труднодоступные места, например осмотр кровли или труднодоступных конструкций под пролетом моста или путепровода [10].

В отличие от традиционных методов контроля, требующих финансово затратного, травмоопасного и трудоемкого инструментария, применение беспилотных летательных аппаратов компаниями, занятыми процессами строительства, позволяет сократить время инспекций, увеличить эффективность, безопасность и сократить финансовые издержки, возникающие в процессе строительства [11]. Если для сбора информации и проведения инспекций требуется беспилотный летательный аппарат и используемое для обработки полученной информации программное обеспечение, то его можно взять в аренду. Такой вариант оптимален для частных лиц и может быть рассмотрен, например, при строительстве частного дома или покупке участка земли. В свою очередь, строительным организациям или негазовым компаниям, обслуживающим трубопроводы, для проведения систематических проверок необходимо иметь БПЛА в собственности так же, как и сотрудников в штате, обученных работе с ними, что позволит избежать лишних затрат на постоянную аренду и техобслуживание [12].

При использовании БПЛА для обнаружения повреждений в конструкциях, таких как трещины, протечки, работы проходят безопаснее и точнее, что, в свою очередь, увеличивает скорость оценки и принятия решения в отношении проблемы, а также уменьшает материальные издержки. В сравнении с традиционными методами инспекции сэкономленное время исчисляется сотнями рабочих человеко-часов [9].

Также дроны можно применять и для инспекции солнечных панелей, так как камера имеет высокое разрешение записи, что позволит в полной мере оценить их состояние и принять решение о необходимости техобслуживания.

Одно из актуальных направлений развития дрон-технологий – это тепловизионная диагностика. При установке на дрон специального модуля, а именно тепловизионной камеры, открываются новые возможности для эффективного контроля за трубопроводами, крышами, электрическими сетями. Камера позволяет зафиксировать инфракрасное излучение, излучаемое при нарушении изоляции, что, в свою очередь, ведет к перегреву и утечке.

Высокое разрешение сьемки позволяет обнаруживать область с тепловыми сигнатурами, которые глаз человека распознать не может. Дроны с установленными на них тепловизионными камерами справляются с поиском места нарушения изоляции быстрее и эффективнее, чем при традиционном методе, в котором необходимо вручную просканировать всю потенциальную область и только в доступных для прохождения местах. Уменьшение времени инспекции снижает затраты, а также повышает качество за счет получения снимков высокого разрешения [13].

Неотъемлемой частью любого инвестиционного объекта является его реклама и маркетинг, презентация, демонстрация от начала строительства до ввода в эксплуатацию. Дрон позволяет получать фотографии с разных ракурсов, а также может создавать высококачественные панорамные снимки.

Принцип работы беспилотных летательных аппаратов для решения задач контроля строительства на примере топографической съемки:

– сканирование строительной площадки для создания трехмерного изображения с высоким разрешением;

– специализированная цифровая платформа анализирует полученную с помощью БПЛА топографическую съемку и сравнивает ее с проектной документацией;

– проектировщики, менеджеры проекта, мастера, прорабы, инженеры, используя специализированную цифровую платформу, получают необходимую информацию для решения поставленных индивидуальных задач в общем процессе строительного производства.

HIVE – первая компания, которая спроектировала и запустила производство серийных дронопортов на российском рынке. Дронопорты уже зарекомендовали себя на объектах строительства Сколково и Иннополиса.

В 2020 году данный проект был представлен на международной выставке GITEX в ОАЭ и даже с минимальным постпродакшеном собрал вокруг себя большой интерес среди инвесторов в строительной отрасли и нефтяной промышленности.

HIVE – это комплексное автоматизированное решение по аэромониторингу и «умному» анализу данных. В режиме реального времени, с применением технологии искусственного интеллекта, HIVE автоматизирует работу критически важных индустрий, исключая человеческий фактор и затраты на постобработку данных, полученных с воздуха.

Необходимая регулярность вылета дрона назначается застройщиком или заказчиком из установленного на отдельном участке, близком к строительной площадке, дронопорта. Вылеты происходят в автоматическом или ручном режиме по заранее заданному маршруту. Тем самым дроны осуществляют контроль за производством строительных работ, следят за выполнением требований техники безопасности, информируют застройщика и заказчика о ситуации на площадке в режиме реального времени. Параллельно с камер дрона ведется видеозапись полета [14].

В отличие от зарубежных аналогов отечественный производитель имеет ряд положительных отличий, а именно:

– автоматическая замена аккумулятора, благодаря сменным блокам подзарядки станция с дроном работает 24/7;

– дронопорт работает в любых климатических районах;

– в станцию встроен охранный модуль и климат-контроль;

– площадь охвата одного дронопорта 100 км².

Управление и контроль за работой беспилотников происходит на разработанной веб-платформе. Для создания полетного задания необходимо выбрать нужную станцию на интересующей строительной площадке и построить миссию, отражая в ней все необходимые параметры (высоту, скорость, точки интереса), а также действия (запись, панорама, поворот камеры, наклон камеры, зум, съемка по времени, сьемка по расстоянию). При необходимости можно наблюдать за ходом миссии online. После завершения миссии происходит автоматическая отправка полученных данный на облачный сервис для дальнейшей работы.

К дополнительным возможностям можно отнести круглосуточный мониторинг с камер видеонаблюдения на дронопорте, две на улице и две внутри, отображение погодных условий в реальном времени со встроенной в дронопорт метеостанцией, передачу информации о состоянии аккумуляторов во время полета, а также возможность перехвата в ручное управление, приостановление миссии и принудительное возвращения дрона на станцию [15].

Возможности дронов от HIVE при контроле за строительством:

– фотографический план местности и геодезическая привязка в необходимой системе координат;

– вычисление объемов земляных работ, сыпучих материалов;

– оценка выполненных работ по площади и анализ отклонений от проекта;

– автоматическое распознавание факта ношения или отсутствия рабочих касок и средств индивидуальной защиты;

– создание 3D-модели объекта с геопривязкой к необходимым координатам для последующих вычислений и работы;

– охрана территории.

Регулярные полеты дронов гарантируют защиту от проникновения на территорию посторонних лиц. Современная система дрона по обнаружению препятствий позволяет беспилотнику легко маневрировать среди оборудования.

Применение технологии Crane Camera на строительной площадке

Crane Camera – это усовершенствованная система камер, устанавливаемая на стрелу башенного крана и подключенная к программному обеспечению фотограмметрии от компании Pix4Dbim.

Всепогодная система камер работает от системы «жизнедеятельности» крана и разработана для того, чтобы выдерживать вибрации крана, одновременно обеспечивая высокое качество изображения при движении крана. После установки камера будет автоматически делать фотографии объекта каждый день в одно и то же время и загружать результаты в облако Pix4Dbim. Все необходимые настройки выполняются удаленно, через облачный сервис, и нет необходимости снимать камеру с крана. В свою очередь, оператор крана не должен делать ничего, кроме своей обычной работы. Каждый день система автоматически собирает изображения и передает их в облако Pix4Dbim через Wi-Fi или соединение 4G. Затем изображения автоматически обрабатываются и преобразуются в 2D-масштабированные и привязанные к географическим координатам ортофотопланы, 3D-облака точек, 3D-модели сетки и 2D-карты рельефа.

Возможности Crane Camera:

– Облако Pix4Dbim преобразует изображения в ортофотопланы и 3D-модели, которые можно измерять, анализировать и сравнивать с чертежами САПР.

– Результаты можно отправлять команде, работающей над проектом, одним нажатием кнопки, также есть возможность экспортировать в стороннее программное обеспечение BIM или CAD для дальнейшего анализа.

– С Crane Camera нет необходимости заходить на сайт, чтобы собирать или анализировать результаты. Никакого вмешательства человека не требуется, поэтому нет необходимости в специальной подготовке. Как только система будет установлена и закреплена на крановой стреле, результаты будут получены автоматически.

– Значительная экономия финансов и времени. В любое время можно посмотреть, что происходило на строительной площадке в определенный день.

Преимущества Crane Camera Pix4D перед дронами:

Если у дрона нет возможности автоматической работы и для его работы необходим оператор, то Crane Camera работает в любую погоду, ей не важна температура, ветер, она не может разрядиться или попасть в аварию.

Преимущества Crane Camera Pix4D перед веб-камерами:

– Благодаря Crane Camera качество и четкость изображений значительно выше, чем у веб-камеры, значительно различаются выходные данные по полноте предоставляемой информации.

– Программное обеспечение Pix4D использует расширенный анализ изображений и фотограмметрические алгоритмы для обработки изображений, что приводит к созданию 2D-мозаик изображений, которые являются фотограмметрическими. Будучи безразмерными и масштабированными, эти 2D-ортофотопланы могут использоваться для измерения расстояний и поверхностей. Более того, их можно сравнить с чертежами CAD/BIM, используемыми на объекте.

– Благодаря GPS, включенному в систему камер, изображения имеют точную географическую привязку в реальных координатах. Это означает, что результаты полностью совместимы с системами BIM, CAD и GIS.

Планирование и мониторинг строительной площадки в тесной городской застройке является сложной задачей. Ограниченное пространство требует более тщательного планирования и отчетности. Эффективно координировать поставки материалов и сводить к минимуму дублирующие поставки, в полной мере использовать все имеющиеся квадратные метры, в том числе и в случае хранения материалов на строительной площадке, возможно осуществить с помощью Crane Camera Pix4D [16, 17].

Заключение

В Минстрое ожидают, что применение технологий информационного моделирования только в процессе проектирования и строительства позволит достичь экономии до 20 % средств на возведение объекта. Кроме того, использование информационных технологий должно снизить административные барьеры и сократить сроки возведения объекта.