在塔式起重机的时空干扰下，基于无人机的建筑安全检查路径规划

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Path planning for UAV-based construction safety inspection under spatiotemporal interference from tower cranes

无人机在塔吊动态干扰下的分层安全路径规划方法研究，通过三维建模与优化算法生成检查视点，构建高低层协同规划框架，实现实时避障与全局效率优化，实际工程验证显示覆盖率提升39.01%。

　　

段品生|傅学海|胡金鑫|周建良|郭平

中国矿业大学机械与土木工程学院，江苏省徐州市221116

摘要

建筑工地是一个动态、复杂且高风险的环境，在这种环境中，无人机（UAV）对于提高安全检查效率至关重要。由于塔式起重机这种大型动态障碍物的存在，它们可能会干扰无人机的有效检查路径。本文提出了一种在多台塔式起重机时空干扰下的安全检查路径规划方法。首先，重建了建筑工地的3D模型，并通过优化安全检查策略生成了无人机飞行的检查视角。然后，建立了一个分层路径规划框架：低层规划器严格执行实时安全障碍物避让策略，而高层规划器则专注于全局规划以满足检查要求。最后，通过仿真和实际项目研究来验证该方法的可行性。实际项目的结果表明，与传统方法相比，有效覆盖面积增加了39.01%。本文为建筑工地中的无人机辅助安全检查提供了理论和实践支持。

引言

作为经济的重要支柱，建筑行业长期以来一直面临着高风险和频繁事故的挑战[1]。在复杂且动态的建筑工地上，有效的安全检查对于确保作业安全至关重要。然而，像塔式起重机这样的大型机械设备，由于其广阔的作业范围和持续的动态运动，会形成三维动态风险区域[2]。传统的人工安全检查方法不仅效率低下、存在盲点且成本高昂，还会使检查人员自身面临安全威胁[3]。因此，迫切需要能够提高效率、扩大覆盖范围且不会干扰施工活动的智能检查方法，以支持行业的数字化和智能化转型。

以无人机（UAV）为代表的空中机器人技术，由于其出色的移动性、三维空间感知能力和携带多种传感器的灵活性，为智能现场检查提供了一种新的方法[4]。它们已经在数据采集[5]、进度监测[6]和结构健康评估[7]等领域展示了显著潜力。近年来，关于无人机在建筑检查中应用的研究取得了显著进展，主要集中在图像数据处理以检测缺陷以及为静态障碍物环境设计的路径规划算法[8]上。然而，在处理塔式起重机等大型动态障碍物时，现有研究往往采用简化方法。一种常见的方法是将起重机的整个最大作业范围建模为一个固定的圆柱形禁飞区[9,10]。虽然这确保了安全性，但也错误地排除了起重机在某一时刻未占据的安全空间，迫使无人机绕行，从而限制了检查覆盖范围和作业效率。

此外，传统的路径规划方法难以应对建筑环境的时空动态性，导致检查质量下降。在多台塔式起重机同时作业的复杂场地中，依赖于静态或最坏情况禁飞区模型的当前规划方法往往生成保守的路径。这迫使无人机远离关键检查区域，从而导致大量盲区和无效的视角，从而削弱了安全检查的质量和完整性[11]。因此，有必要超越静态规划的局限性，开发一种新的动态路径规划方法。通过主动优化检查视角的选择和排序，这种方法可以充分利用起重机作业期间释放的临时可通行空间，同时确保安全。这使得检查覆盖范围和飞行安全得以双重优化，解决了因避开动态障碍物而导致的检查质量下降问题。

因此，本文旨在提出一种适用于多台塔式起重机环境的智能无人机检查路径规划方法。开发了一个分层决策框架：在高层，重点关注整体任务效率，使用先进的优化算法生成平衡检查覆盖范围和飞行经济性的最优路径；在低层，设计了一种高度响应的实时避让策略，以动态调整飞行轨迹并避开即时和潜在的时空禁飞区。本文为复杂动态环境中的安全和高效无人机检查提供了理论和实践支持。本文的其余部分安排如下：第2节回顾相关工作；第3节介绍所提出的智能路径规划方法；第4节提供仿真和案例研究；第5节讨论结果；第6节总结本文。

章节摘录

文献综述

本节回顾了基于无人机的建筑安全管理现状和现有的路径规划研究。通过识别动态障碍物避让方面的技术空白，本文强调了所开发方法的必要性。

方法

本节介绍了一种适用于动态环境中的基于无人机的建筑安全检查的全面方法。所提出的方法整合了环境建模、视角优化和分层路径规划框架，以确保安全和效率。

实证结果与分析

本文通过仿真和实际项目对比分析来验证所提出的路径规划方法的可行性。仿真实验使用Python语言和Gymnasium库构建虚拟环境进行。训练硬件包括Intel(R) Xeon(R) Platinum 8352 V CPU、90 GB内存以及NVIDIA RTX 4090 GPU（24 GB），CUDA版本为11.8。

讨论

为了提高在复杂动态环境中无人机辅助建筑安全检查的效率，本文提出了一种在塔式起重机时空干扰下的智能无人机检查路径规划方法。首先设计了计算效率高的检查视角。随后，开发了一个分层路径规划器，结合了高层和低层规划器。高层规划器基于强化学习，并结合了课程学习进行优化。

结论

安全检查是确保建筑工地安全的关键措施，这些检查的有效性直接影响现场人员的安全。随着无人机的广泛应用，建筑工地安全检查的水平得到了显著提高。本文提出了一种能够在多台塔式起重机时空干扰下运行的无人机检查路径规划方法。该方法针对由动态起重机造成的干扰进行了优化。

作者贡献声明

段品生：撰写——原始草稿、软件、方法论、概念化。傅学海：撰写——原始草稿、方法论、数据整理。胡金鑫：软件、方法论。周建良：监督、资金获取。郭平：撰写——审阅与编辑、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：72171224）、中国博士后科学基金（编号：2024M763566）、CPSF博士后奖学金计划（编号：GZC20250520）、江苏省优秀博士后人才资助计划（编号：2025ZB782）以及中央高校基本科研业务费（编号：2025QN1035）的支持。