美国国际安全委员会：2024无人机在高空及受限空间检查中的应用研究报告（英文版）

无人机用于高空作业和受限空间检查 1 工作至零2020 执行摘要 检查是每个行业执行操作的重要组成部分。一些检查本质上是更具危险性的，尤其是那些需要在高处作业或进入有限空间的情况。虽然2017年检查仅占非道路工作场所事故死亡的2，但高处作业和有限空间进入共同导致这些死亡的2534 （NSC，2020）。 国家安全委员会“零事故”工作的目标是通过对技术的利用来消除工作场所的伤亡事故。无人机，也称为无人驾驶飞行器（UAVs），可以作为减轻与检查相关的系统性和情境性风险的支持工具。无人机可以飞入高风险情况和难以到达的区域，以执行现实捕捉和进行准确测量，否则这些工作将需要员工将自己置于风险环境中（KarakhanAlsaffar，2019）。利用无人机技术来减少或消除垂直和有限空间检查的风险，还具有通过增强数据捕获过程来提高生产力和效率的附带好处。 商用及工业无人机市场正在经历快速扩张。竞争格局多样化，包括三类核心供应商：拥有专有软件的硬件提供商、针对不同应用场景的纯软件供应商以及提供无人机服务的企业。 无人机技术在商业、工业和民用政府（CICG）领域的应用仍在兴起。尽管面临数据隐私担忧、复杂法规和技术限制（如电池寿命短限制飞行时间）等采用障碍，兴趣仍在不断增长。在未来五年内，随着无人机技术和相关法规的更加成熟，我们可以预期CICG领域的无人机将迎来第二波增长，随着市场不确定性的降低和投资的增加 。作为航空航天、科学和技术中发展最快的领域之一，无人机无疑将在技术障碍被克服的过程中越来越多地颠覆传统流程。 2 2 引言及背景 致力于零缺陷工作 尽管共同努力减少严重伤害和死亡事故（SIF），但美国的工作场所死亡人数并没有出现大幅下降。在1992年至2017年之间，美国职业安全与健康管理局（OSHA）的记录伤害率从每100名工人89起伤害下降到每100名工人28起伤害，下降了67（美国国家安全委员会，2018年）。在同样的时间段内，工作场所的死亡率（可预防的死亡）仅下降了26，2017年发生了4414起可预防的工作场所死亡事故（劳工统计局，2018年）。此外，根据美国劳工统计局的数据，2018年美国共记录了5250起总工作死亡伤害，比2017年的5147起增加了2。在2017年至2018年之间 ，每10万名全职等效员工中的致命工作伤害率保持不变，为35起。公司为减少工作场所伤害所作的广泛努力似乎并未转化为对工作场所死亡率的有效减少。 认识到这一趋势，国家安全委员会（NSC）于2019年启动了其“零事故”计划由McElhattan基金资助以专注于对抗工作场所伤亡事故和严重伤害事件中衰退的下降趋势。“零事故”计划的目标是利用技术消除工作场所的伤亡 。通过几十年的洞察力和数据，以及利用NSC成员和网络的专长，“零事故”计划将确定在我们有生之年有助于消除工作场所伤亡的有前景的技术创新。 数字技术作为降低工作场所SIF事件的方法 在2020年，零工计划发布了其首份白皮书，详细列出了前18个危险的工作场所情况（例如，高空作业、机械操作、受限空间进入）以及相关的情境风险（例如，坠落、被物体击中、有害气体暴露）。报告进一步确定了可能导致这些危险情境风险加剧的系统性影响因素（例如，缺乏培训、疲劳、工作设计）。接下来，NSC与Verdantix研究人员合作，识别并绘制了超过100种相关的环境健康与安全（EHS）技术，这些技术可以帮助减轻情境和系统性风险。这些风险还被以EHS专业人士认为最有效的方式进行了映射。 《零工作初始报告》确定了在调查的专业人士中引起最多兴趣和价值的几项关键技术。此外，NSC的Campbell研究所内的安全领导者已表现出对评估和评估某些技术（如虚拟现实、可穿戴设备、传感器和无人机）的兴趣。本报告是该系列报告之一，更专注于特定危害风险及其相关有希望的技术。 特别是，本报告将探讨无人机在垂直和有限空间检查中的应用。它将研究无人机在商业、工业和民用政府部门的各种应用案例。此外，它还将调查这项技术的既定和提出的好处，以及与其采用相关的局限性和风险。最后，本报告将阐明与无人机相关的供应商格局，以提供有关市场和供应的教育。 3工作至零2020 无人机用于高空作业和受限空间检查 检查的危害 审核通常是大多数运营的关键部分，无论行业类别。虽然审核对于确保资产得到适当维护和保持健康至关重要，但这些活动往往要求审核团队使自己陷入危险情况、不断变化的环境条件和发展中的风险环境之中。 在《零事故安全技术2020白皮书》中，NSC发现与检查中严重伤害和死亡（SIF）最相关的情境风险是受限空间风险和跌落到较低水平。2017年，高空作业和受限空间进入分别占非道路工作场所死亡人数的大约2259和275（NSC，2020）。与检查中严重伤害和死亡最相关的系统性风险是缺乏培训、不恰当的坠落防护和缺乏工作场所意识（NSC，2020）。 随着技术的进步，企业正在探索新的数据收集方法，以避免将检查队伍置于危险环境中，例如在锅炉和压力容器内工作或在塔楼和蜂窝基站上攀爬。无人机，也称为无人驾驶飞行器（UAVs），可以作为辅助工具，在减轻与检查相关的系统性和情境性风险的同时，提高生产效率和降低维护成本。 4 研究方法 本论文的方法论包括两个步骤： 1确定用于无人机垂直和有限空间检查的案例研究、临床试验和用例 2开发与该技术相关联的相关供应商市场格局候选名单 本文数据来源于与该技术相关的几份学术和工业期刊的文献综述（见参考文献）。此外，Verdantix研究人员还利用了先前发表的报告和访谈中的案例研究和访谈数据（Verdantix，2020）。供应商短名单是通过搜索Verdantix市场数据库和外部研究编制的。供应商的选择基于公司的规模和成熟度、与风险领域的相关性、可证明的使用案例以及对美国市场的适用性。 无人机市场概述 技术介绍 无人机，也称为无人驾驶飞行器（UAVs），在军事和防御目的上已被使用了几十年。在过去的十年里，消费级无人机市场经历了快速增长，这极大地降低了技术的价格点。这为商业、工业和民用政府（CICG）用途案例开辟了一系列新机会。2017年，美国在CICG无人机上的支出达到了455亿美元，但市场仍处于起步阶段（Verdantix，2018） 。 无人机被定义为“多旋翼和固定翼无人机，设计用于搭载信息收集技术载荷，并配备导航与控制系统，允许在视距内及超出视距的远程、半自主及自主飞行”（Verdantix2020）。 无人机正在成为人类历史上最具颠覆性的技术之一（Watkins等，2020）。过去四年中，使用无人机收集数据的技術得到了显著改进，这反过来又增强了在CICG中运用无人机所带来的价值主张。无人机可以配备3D摄像头、热成像摄像头、人工智能、光探测与测距（LiDAR）以及具有高级传感器的4K摄像头。这使得它们作为“天空之眼”具有极大的效能。广泛的各种传感器和转换器包括电子重力、热、机械、电磁和化学可以感应从气体泄漏到大气压力的多种测量值，允许执行广泛的调查任务，其中许多任务已在商业上实施（Watkins等，2020）。 5 多旋翼飞行器由于其悬停能力、操作相对简单和出色的机动性，在无人机市场中占据主导地位。多旋翼无人机非常适合空中摄影和检查，因为它们使用自动稳定性系统，可以控制位置和构图（Watkins等，2020年）。多旋翼飞行器的续航能力和速度有限，当前的电池技术使得载重较轻时，飞行时间上限为30分钟（Verdantix，2020年）。 相比之下，固定翼无人机模仿了普通飞机的翼结构以实现升力，并且由于它们仅使用能量向前推进而不是保持空中飞行，因此效率更高（Watkins等人，2020）。因此，固定翼无人机能够飞行更长的距离，但它们无法在单一位置悬停 （Verdantix，2018）。这些特性使得固定翼飞行器在长途测绘和勘测方面非常有效，但同时也使它们不适合空中摄影、垂直和受限空间的检查。 无人机市场包括CICG在四个广泛类别中的12个关键应用场景：检查、监控、勘测和制图以及应急响应。 检查 监控 测绘学 应急响应 垂直基础设施检查横向基础设施检查有限空间检查内部建筑检查农作物、牲畜及林业检查 临界基础设施监控 环境监测 海上安全和保障网站安全监控 环境测绘，影响评估及监控现场和体积测量 事故调查与应急响应 最广泛的类别是基础设施、有限空间、建筑和自然资源的检查，包括作物、牲畜和林业。在美国市场，垂直基础设施检查占无人机收入的最高份额，2017年总计达到9500万美元（Verdantix，2018）。这些检查用例具有跨行业应用，包括寻找风力发电机塔的裂缝和观察高层建筑的结构，如桥梁、石油钻井平台、铁路和电力线路。第二类包括监测海洋和环境问题、关键基础设施和安全设施。第三类包括建设工地、地表和商品体积的测量和制图。最后一类包括涉及救援人员的紧急和事故响应。 6 供应商格局 商业和工业无人机市场正在经历快速增长。竞争格局多样，包括以下三大核心供应商类别：拥有专有软件的硬件提供商、针对不同使用场景的纯软件供应商以及提供无人机服务的企业。 硬件供应商向客户提供不同类型的无人机以及载荷，例如相机和传感器。尽管目前硬件在收入中占据了多数份额，但它正在迅速变得商品化。为了在日益竞争激烈的市场中脱颖而出，大多数硬件供应商，如大疆和飞宇，现在也提供专有和第三方软件，用于制图、摄影测量、飞行导航、规划和数据分析。 纯玩软件供应商在无人机市场中，通过提供帮助无人机规划、收集、分析、检测、决策和独立行动的软件，正在加强无人机在CICG环境下应用的价值主张。例如MEASURE等公司，将高级分析和机器学习能力嵌入到软件中，使企业能够将大量原始数据转化为可操作的见解。 无人机服务提供商是咨询领域的一个新类别。这些提供商通过提供最适合的搭载有效载荷的无人机硬件、培训有素的飞行员驾驶无人机并收集数据，以及分析和解译数据的软件，提供端到端的项目服务。能够提供无人机计划所需的软硬件和服务，例如咨询巨头Golder和AECOM，帮助公司利用这项技术的好处，而不需要开发昂贵的内部能力。提供无人机产品服务的企业还包括塔塔咨询服务公司（TataConsultancyServices）、Jacobs、ERM和Ramboll。较小的咨询公司，如PlowmanCraven和CyberHawk，也为客户提供无人机服务。以下供应商提供与无人机相关的技术或软件。特别引人注目的是供应商公司规模的不同，员工数量从61人到6000人不等。预计随着更多雇主审查和实施在职场中使用无人机，无人机技术和软件供应商的数量将会增加。 供应商 员工 大疆创新科技有限公司（DJI） 6000 FLIR 4007 AeroVironment 779 PrecisionHawk 171 DroneDeploy 156 德尔艾尔 143 3DRobotics（3DR） 118 MicroDrones 107 度量 61 颜色代码 无人机技术提供商无人机软件供应商 示例供应商 7工作至零2020 8 利用无人机进行垂直和封闭空间检查的益处 无人机不仅能够最小化与危险工作条件相关的安全风险，而且在某些情况下，可以完全消除这些风险（NAEM，2019）。无人机可以飞入高风险环境和难以到达的区域，进行现实捕捉和进行精确测量，否则这些工作将需要员工暴露在危险环境中（KarakhanAlsaffar，2019）。例如，威瑞森电信与无人机服务提供商MEASURE合作，在哈维飓风之后进行蜂窝塔检查，以评估基础设施损害。手动电信塔检查通常需要每个桅杆花费整整一天时间，绳索技术人员需要亲自爬上这些40英尺高的塔。通过使用无人机进行高空检查工作，威瑞森电信能够消除检查人员面临的风险 ，同时节省与数据收集相关的时耗和成本（Verdantix，2020）。 有强有力的商业理由使用无人机代替人员在潜在危险的封闭空间，如油罐、管道和发电设施