武漢地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

范 斌, 駱漢賓, 周 誠(chéng)

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430030；2.華中科技大學(xué) a.土木工程與力學(xué)學(xué)院; b.控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430074)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)地鐵工程進(jìn)入了蓬勃發(fā)展階段，據(jù)統(tǒng)計(jì)2010年前北京、上海、廣州、天津、深圳、沈陽(yáng)、杭州、南京、武漢等地將再建約25條城市軌道交通，國(guó)家將投資地鐵土建安裝工程約2500多億元[1]。但由于地鐵工程多建于熱鬧繁華的市區(qū)，地層條件的不確定性及周圍環(huán)境的復(fù)雜性增加了地鐵施工的難度和風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從2005年至今我國(guó)地鐵施工四級(jí)以上重大事故共發(fā)生20多起；而地鐵工程保險(xiǎn)的賠付情況(圖1)也直觀反映了地鐵施工事故所造成的經(jīng)濟(jì)損失[2～4]。因此，如何加強(qiáng)地鐵工程建設(shè)安全控制的能力，預(yù)防和減少地鐵施工過(guò)程中的安全事故、最大程度降低人員傷亡和國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失，是政府和地鐵建設(shè)項(xiàng)目各參與方亟待解決的重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

1 動(dòng)力機(jī)制分析

地鐵工程建設(shè)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，建設(shè)過(guò)程中環(huán)境、物、人的因素不同于一般建筑工程，地鐵工程建設(shè)的特殊性在客觀上給地鐵工程建設(shè)安全控制帶來(lái)了諸多壓力，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)面臨地質(zhì)、水文、氣象等自然環(huán)境不利的壓力；(2)面臨既有交通、地下管線、緊鄰建筑物等周邊環(huán)境復(fù)雜的壓力；(3)面臨建設(shè)規(guī)模、專業(yè)工種、施工設(shè)備等勞動(dòng)技術(shù)密集的壓力；(4)面臨深基坑開(kāi)挖、圍巖穩(wěn)定等工程理論欠缺的壓力；(5)面臨組織結(jié)構(gòu)、環(huán)境保護(hù)等其他方面的壓力。

圖1 全國(guó)各主要城市地鐵工程保險(xiǎn)賠付情況

目前我國(guó)地鐵工程建設(shè)過(guò)程中一直沿用傳統(tǒng)的建設(shè)安全控制模式和方法，這已經(jīng)不能很好滿足地鐵工程建設(shè)安全控制的需要，集中表現(xiàn)為地鐵工程建設(shè)安全知識(shí)的積累和利用不足、地鐵工程建設(shè)安全集成監(jiān)控的力度和范圍不夠以及地鐵工程建設(shè)安全管理的技術(shù)和手段落后這三個(gè)方面。同時(shí)，信息技術(shù)在建設(shè)領(lǐng)域里的成功應(yīng)用，充分顯示了以計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)為代表的信息技術(shù)在工程數(shù)據(jù)采集、預(yù)測(cè)分析、模擬仿真、決策支持等方面快捷、高效、智能的優(yōu)勢(shì)[5～8]，給地鐵工程建設(shè)安全控制管理帶來(lái)了新的思路和視角。

因此，充分利用先進(jìn)的信息技術(shù)改造傳統(tǒng)的建設(shè)安全控制和管理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)地鐵工程建設(shè)安全控制管理與信息技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)建地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于地鐵工程建設(shè)安全控制業(yè)務(wù)的需求拉動(dòng)和信息化技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)，如圖2所示。

圖2 構(gòu)建地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)制

2 設(shè)計(jì)與構(gòu)建

地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警系統(tǒng)是服務(wù)于各城市地鐵工程建設(shè)指揮部或地鐵公司各層面人員進(jìn)行地鐵工程建設(shè)安全控制管理的專業(yè)化系統(tǒng)，同時(shí)支持地鐵建設(shè)項(xiàng)目的各參與方協(xié)同管控地鐵工程建設(shè)的安全。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建思路是：在全面分析地鐵工程建設(shè)安全控制信息結(jié)構(gòu)特征后，綜合提煉業(yè)內(nèi)先進(jìn)企業(yè)及專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，采用以本體論為代表的智能信息表達(dá)工具，進(jìn)行地鐵工程建設(shè)領(lǐng)域安全知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)研究，并以此為基礎(chǔ)充分利用以XML和WEB服務(wù)為代表的信息處理技術(shù)，研究構(gòu)建面向Internet的地鐵工程安全控制各責(zé)任主體和有關(guān)主管機(jī)構(gòu)的開(kāi)放式安全控制信息系統(tǒng)。

2.1 安全預(yù)警知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

構(gòu)建地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警知識(shí)庫(kù)是設(shè)計(jì)研究地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警系統(tǒng)的基本工作之一。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是把施工企業(yè)、監(jiān)理單位、建設(shè)單位、安全監(jiān)督機(jī)構(gòu)，甚至整個(gè)行業(yè)中關(guān)于工程安全的分析、預(yù)測(cè)、處理知識(shí)及專家智慧加以提煉、整理、系統(tǒng)化存儲(chǔ)，并為地鐵工程安全管理控制等提供知識(shí)共享和智力支持的知識(shí)管理機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警知識(shí)庫(kù)分類表

從過(guò)程的角度看，構(gòu)建地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)最重要的是把知識(shí)具體化、結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)人的抽象知識(shí)向計(jì)算機(jī)的具體轉(zhuǎn)移，用計(jì)算機(jī)程序?qū)Ω鞣N知識(shí)的推理過(guò)程進(jìn)行模擬，以產(chǎn)生出與專家相同的判斷結(jié)果。因此，各種安全知識(shí)的獲取、表示、組織、存儲(chǔ)和管理是構(gòu)建地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的主要任務(wù)，以地鐵工程監(jiān)測(cè)預(yù)警知識(shí)庫(kù)為例，其過(guò)程如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)的功能體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警系統(tǒng)的功能體系由安全總控和安全業(yè)務(wù)兩大部分構(gòu)成。安全總控功能體系是以系統(tǒng)集成監(jiān)控平臺(tái)為基礎(chǔ)，匯總經(jīng)過(guò)處理的安全信息流，重點(diǎn)在于支持項(xiàng)目最高決策者進(jìn)行監(jiān)督、協(xié)調(diào)和預(yù)警、決策，主要包括系統(tǒng)用戶管理功能、系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)維護(hù)管理功能、GIS空間決策支持功能、遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)功能、OA自動(dòng)化辦公功能等。安全業(yè)務(wù)功能體系是以安全預(yù)警知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)，集成各種控制環(huán)節(jié)和業(yè)務(wù)要素，實(shí)時(shí)提供基層安全控制的具體數(shù)據(jù)，分析形成用于指導(dǎo)和控制地鐵工程建設(shè)的安全預(yù)警信息流，達(dá)到支持安全總控功能體系的目的。系統(tǒng)的功能體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建過(guò)程

圖4 地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警系統(tǒng)功能體系

3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

以武漢市地鐵二號(hào)線一期工程建設(shè)項(xiàng)目為背景，華中科技大學(xué)工程管理研究所開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了武漢地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警系統(tǒng)，目前為止該系統(tǒng)應(yīng)用情況良好。針對(duì)武漢市地鐵二號(hào)線一期工程建設(shè)規(guī)模龐大，工程安全目標(biāo)較高，控制涉及面廣，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用主體要求各異等特點(diǎn)，系統(tǒng)前臺(tái)開(kāi)發(fā)采用JAVA語(yǔ)言，后臺(tái)采用Oracle9i數(shù)據(jù)庫(kù)，基于J2EE、Web Services技術(shù)構(gòu)建分布式多層結(jié)構(gòu)；并運(yùn)用平臺(tái)無(wú)關(guān)的XML數(shù)據(jù)傳輸和交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)模型資源與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的分離，以提升管理系統(tǒng)的技術(shù)無(wú)關(guān)性；同時(shí)采用GIS/CAD平臺(tái)技術(shù)、智能終端PDA數(shù)據(jù)采集技術(shù)、VR可視化技術(shù)、多媒體技術(shù)等，實(shí)踐了系統(tǒng)既定的設(shè)計(jì)和構(gòu)建思路，從應(yīng)用層面解決了如何有效加強(qiáng)地鐵工程建設(shè)安全控制的問(wèn)題。

3.1 地鐵工程監(jiān)測(cè)管理與報(bào)警

通過(guò)基于工程監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)知識(shí)庫(kù)的地鐵工程監(jiān)測(cè)報(bào)警機(jī)制，各安全責(zé)任主體可以在GIS平臺(tái)上形象化查詢各類測(cè)點(diǎn)分析圖等結(jié)果，從而科學(xué)、全面、動(dòng)態(tài)、直觀地掌握地鐵在建工程的安全現(xiàn)狀，同時(shí)系統(tǒng)以各級(jí)報(bào)警發(fā)布的形式重點(diǎn)提示決策者注意地鐵工程建設(shè)過(guò)程中暴露出的安全隱患和問(wèn)題，如圖5所示。

3.2 施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與控制

通過(guò)基于施工風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)知識(shí)庫(kù)的地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制，在地鐵施工工法和施工形象進(jìn)度的基礎(chǔ)上識(shí)別地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)，提供該地鐵工程建設(shè)過(guò)程中具有時(shí)間進(jìn)度、空間位置、氣象背景的風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等決策支持，從而定期自動(dòng)發(fā)布各級(jí)施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，促使被動(dòng)安全控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)前饋型安全控制，如圖6所示。

圖5 工程監(jiān)測(cè)管理與報(bào)警功能界面

圖6 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞與功能界面

3.3 其他功能應(yīng)用

(1)應(yīng)急救援聯(lián)動(dòng)與調(diào)度。預(yù)案配置子系統(tǒng)以某地鐵工程各施工標(biāo)段的應(yīng)急救援預(yù)案為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)包括應(yīng)急救援人員、設(shè)備、物資等信息的專業(yè)數(shù)據(jù)填報(bào)模板；經(jīng)過(guò)審核后由GIS/CAD平臺(tái)動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)的預(yù)案配置情況，并通過(guò)短信平臺(tái)等通訊手段發(fā)布給有關(guān)人員，方便決策者掌握真實(shí)可靠的信息，重點(diǎn)管理未落實(shí)到位的資源，從而實(shí)現(xiàn)資源的合理安排和科學(xué)調(diào)度，具備應(yīng)對(duì)地鐵施工過(guò)程中各種突發(fā)事件的能力。

(2)遠(yuǎn)程檢查與跟蹤監(jiān)控。子系統(tǒng)在上述三個(gè)子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)編制智能終端PDA上使用的嵌入式檢查填報(bào)表格，建立智能終端PDA和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊傳輸機(jī)制，保證安全監(jiān)察人員做到嚴(yán)格督察監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警出現(xiàn)的原因，重點(diǎn)巡查風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)中提示的危險(xiǎn)源，有效抽查應(yīng)急資源配置的落實(shí)情況，并將跟蹤檢查的結(jié)果即時(shí)傳回系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)效率高、針對(duì)性強(qiáng)、干擾因素少的安全監(jiān)察。

(3)隱患事故快報(bào)與處理。子系統(tǒng)利用PDA通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速上報(bào)事故險(xiǎn)情，根據(jù)險(xiǎn)情通過(guò)檢索引擎快速檢索工程風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)庫(kù)中的風(fēng)險(xiǎn)信息以及瞬時(shí)應(yīng)急救援人員、設(shè)備、物資分布情況，啟動(dòng)事故魚(yú)刺分析排查和救援調(diào)度運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)督系統(tǒng)的應(yīng)急反應(yīng)能力和事故快速處理能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

地鐵工程是一項(xiàng)復(fù)雜龐大的系統(tǒng)工程，其建設(shè)過(guò)程中面臨著諸多的安全隱患，傳統(tǒng)的建設(shè)工程安全控制方法和手段已不能很好的滿足地鐵工程建設(shè)安全控制的需要。要有效解決地鐵工程建設(shè)安全控制這一難題，必須完成以下三個(gè)方面的工作：

(1)將地鐵工程建設(shè)領(lǐng)域零散的安全經(jīng)驗(yàn)提煉、轉(zhuǎn)化為規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、可重復(fù)學(xué)習(xí)利用的安全預(yù)警知識(shí)，建立統(tǒng)一的地鐵工程安全預(yù)警知識(shí)庫(kù)；

(2)利用先進(jìn)的信息化技術(shù)和地鐵工程建設(shè)安全控制業(yè)務(wù)要素，建立地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地理位置分散的地鐵各工程標(biāo)段，接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的各硬件設(shè)備、應(yīng)用軟件和功能服務(wù)需求多樣化的安全責(zé)任主體的有機(jī)集成；

(3)通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，不斷調(diào)整和完善系統(tǒng)的功能體系，實(shí)現(xiàn)廣義范圍內(nèi)和深層次上的安全信息資源溝通和共享。

地鐵工程建設(shè)安全預(yù)警屬于工程管理信息化的研究范疇，涉及到安全系統(tǒng)工程、工程項(xiàng)目管理等基礎(chǔ)學(xué)科的內(nèi)容，并依賴于計(jì)算機(jī)建造技術(shù)、精準(zhǔn)建造技術(shù)。因此，加快地鐵工程建設(shè)管理信息化及相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究，并與地鐵工程建設(shè)安全管理實(shí)務(wù)相結(jié)合，具有極高的學(xué)術(shù)價(jià)值和理論意義，對(duì)于維持城市日常生活和經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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