我國地下工程建設(shè)安全信息化技術(shù)及發(fā)展探討

陳向紅, 張 樂, 臧建軍, 楊 濤

(中煤建工集團(tuán)有限公司，北京 100161)

0 引言

伴隨科技發(fā)展和城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，對城市地下空間的開發(fā)利用及深地資源開采需求逐步提上工作日程。早在1991年日本東京舉辦的第四屆國際地下空間大會(huì)提出的《東京宣言》認(rèn)為：“21世紀(jì)是人類地下空間開發(fā)利用的世紀(jì)”。1997年10月27日我國建設(shè)部發(fā)布《城市地下空間開發(fā)利用管理規(guī)定》提出：“城市地下空間規(guī)劃是城市規(guī)劃的重要組成部分”，并在2017年9月6日舉行的《關(guān)于加強(qiáng)城市地質(zhì)工作的指導(dǎo)意見》發(fā)布會(huì)上，我國政府首次表態(tài)將城市地下空間納入土地利用規(guī)劃。截止到目前，已有北京、上海、重慶等20多個(gè)城市制定了城市地下空間專項(xiàng)規(guī)劃，地下空間開發(fā)利用受到越來越多的重視，被認(rèn)為是加快構(gòu)建城市可持續(xù)發(fā)展新格局和支撐國家核心戰(zhàn)略的重要內(nèi)容[1]。

在這樣的大背景下，國內(nèi)量大面廣的地下工程建設(shè)需求與安全保障管理機(jī)制體系相對薄弱的矛盾日益凸現(xiàn)。尤其近十年來，隨著地下工程建設(shè)逐步進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，在復(fù)雜環(huán)境條件下，地下工程建設(shè)將不可避免地穿越大量橋梁、道路等既有建筑物，對建筑安全及正常使用造成影響，主要表現(xiàn)為由地下工程建設(shè)引起的安全事故頻發(fā)[2]。信息化技術(shù)以其快捷性、互動(dòng)性、共享性等優(yōu)勢，在地下工程安全保障系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要作用。

1 地下工程建設(shè)安全理論

每一起安全事故往往是由人、管理和安全技術(shù)實(shí)施的結(jié)合。正如錢七虎[2]院士所言：“工程事故的預(yù)防主要從創(chuàng)新技術(shù)方法和改善管理方法兩方面來進(jìn)行”，并指出：“責(zé)任事故及主觀原因是構(gòu)成地下工程建設(shè)安全管理巨大挑戰(zhàn)的主因”。

1.1 工程安全管理

安全管理是指為實(shí)現(xiàn)安全目標(biāo)而進(jìn)行的有關(guān)決策、計(jì)劃、組織和控制等方面的活動(dòng)。國外有關(guān)工程安全管理的研究最早可追溯至20世紀(jì)30年代的歐洲，相比之下，我國開始起步晚了近50年。最初，工程風(fēng)險(xiǎn)管理為基于局部管理和靜態(tài)管理，進(jìn)入21世紀(jì)后，風(fēng)險(xiǎn)管理理論逐步細(xì)化，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模式、預(yù)測預(yù)警與控制決策等得到快速發(fā)展，并隨著風(fēng)險(xiǎn)管理理論的不斷完善，大型工程風(fēng)險(xiǎn)管理的重心逐步向全局管理和動(dòng)態(tài)管理方面過渡[3]。

1.2 工程安全技術(shù)

如單從技術(shù)角度考慮，國內(nèi)外學(xué)者在工程安全建設(shè)中采用的分析理論主要?jiǎng)澐譃橐韵?種：①數(shù)學(xué)分析：模糊數(shù)學(xué)法[4-5]、WBS-RBS法[6]、概率法[7-8]等；②數(shù)值分析；③試驗(yàn)分析。其中，數(shù)學(xué)分析方法以構(gòu)建科學(xué)合理的指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，本質(zhì)是反映被評(píng)價(jià)對象的屬性和特征，因此，無論采用定性指標(biāo)或定量指標(biāo)，計(jì)算精度均與樣本集中的評(píng)價(jià)對象本身特性和取樣數(shù)量密切相關(guān)。后兩種方法則針對具體工程，通過建立有限元模型、足尺模型或比例縮放模型，進(jìn)行一定簡化處理后得出某指定條件下的結(jié)構(gòu)變形和受力機(jī)理。由于許多工程存在自身結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境、工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，人為因素和探測設(shè)備技術(shù)指標(biāo)等對研究結(jié)論的可靠性影響較大。

目前，雖然我國在工程建設(shè)安全保障技術(shù)和管理方面取得了一定進(jìn)展，但考慮許多工程自身結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境以及工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件等的復(fù)雜性，尤其是在地下工程建設(shè)方面，常因?yàn)閷こ痰刭|(zhì)情況認(rèn)識(shí)不足、計(jì)算參數(shù)選取不夠合理等，使得研究成果專業(yè)化程度不高、規(guī)范性不強(qiáng)、作用不突出，以至于在不少大型地下工程項(xiàng)目中人為和非人為因素導(dǎo)致的工程事故不斷。

2 地下工程信息化技術(shù)

海恩法則[9]指出：“每一起重大安全事故的背后必然有29次輕微事故、300起未遂先兆及1 000起事故隱患”?？梢娛鹿时旧硗怯捎诟鞣N因素積累到一定程度之后的必然結(jié)果。信息化技術(shù)以其反映出的數(shù)字化、全局化、動(dòng)態(tài)化等控制優(yōu)勢，成為當(dāng)前工程界廣泛采用的一項(xiàng)新技術(shù)[10]。

2.1 傳統(tǒng)監(jiān)控量測技術(shù)

2013年住建部與質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布的《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，對城市軌道交通工程的監(jiān)測范圍、方法、監(jiān)控及預(yù)警等做出了具體規(guī)定，為信息化施工和安全運(yùn)營提供依據(jù)[11]。此外，亦針對隧道、管廊、礦井等專業(yè)領(lǐng)域開展了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定與研究工作[12-13]。

地下工程監(jiān)測技術(shù)主要包括智能傳感器、信息采集及傳輸自動(dòng)化、檢測軟件系統(tǒng)等3個(gè)方面。由于其監(jiān)測反饋信息過度依賴于人為、地理與環(huán)境因素，或者由于監(jiān)控設(shè)備提供來自不同的廠商，因此，在數(shù)據(jù)交換、信息共享、安全防范等方面均存在一定局限性。項(xiàng)目之間缺乏數(shù)據(jù)交互，容易形成“信息孤島”，致使信息訪問性與可借鑒性較差。主要體現(xiàn)在：

1)傳統(tǒng)監(jiān)控采用人工管理模式，運(yùn)營管理成本高，管理水平、質(zhì)量以及監(jiān)測成果的準(zhǔn)確可靠性無法得到有力保障；

2)設(shè)施管理的監(jiān)測監(jiān)控能力、應(yīng)急調(diào)度指揮能力、綜合業(yè)務(wù)能力不高；

3)監(jiān)控視頻、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分散，不利于相關(guān)部門管理和決策。

基于上述原因，在解決緊急事故發(fā)生時(shí)仍往往傾向于依靠理論界專家，以會(huì)議形式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，匯總專家意見以形成決策方案或政策草案[14]。

2.2 大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

為彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)存在的不足，解決不同廠商、不同產(chǎn)品的兼容和多個(gè)系統(tǒng)融合集成的問題，需要充分考慮平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)接入和資源的互利共享。物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)技術(shù)的應(yīng)用從某種程度上解決了品牌兼容、系統(tǒng)集成與融合、協(xié)議與接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的難題，成為未來地下工程建設(shè)發(fā)展[15]及風(fēng)險(xiǎn)防控應(yīng)急預(yù)案體系的主流趨勢[16]。

2.2.1 BIM及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于隧道與地下工程，是當(dāng)今信息化、智能化發(fā)展背景下的產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)定位、危險(xiǎn)源預(yù)警、重大設(shè)備控制等功能，同時(shí)RFID智能識(shí)別技術(shù)、GPS以及GPRS數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等構(gòu)建實(shí)時(shí)的監(jiān)控，智能化模擬顯示屏可直觀地顯示地下空間內(nèi)各種設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，及時(shí)了解災(zāi)情和非法入侵的發(fā)生及其方位，可方便開展應(yīng)急救援。

2.2.2 BIM-GIS技術(shù)

GIS技術(shù)是采用地理模型分析方法，實(shí)時(shí)提供空間與動(dòng)態(tài)地理信息的技術(shù)。針對地下工程設(shè)計(jì)中“地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、基礎(chǔ)信息匱乏”的基本特點(diǎn)，在GIS地理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行BIM軟件模型設(shè)計(jì)，不但彌補(bǔ)了BIM建立地質(zhì)模型存在的技術(shù)困難，也使得模型分析能夠反映地質(zhì)條件的因素影響。BIM與GIS的結(jié)合被認(rèn)為是BIM技術(shù)在我國地下工程領(lǐng)域普及[17]與施工安全[18]面臨的一項(xiàng)重要課題。

3 地下工程信息化技術(shù)的發(fā)展思考

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》指出：“基礎(chǔ)學(xué)科之間、基礎(chǔ)學(xué)科與應(yīng)用學(xué)科、科學(xué)與技術(shù)、自然科學(xué)與人文社會(huì)科學(xué)的交叉與融合，往往導(dǎo)致重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和新興學(xué)科的產(chǎn)生，是科學(xué)研究中最活躍的部分之一”?？梢?，開展交叉學(xué)科的信息化技術(shù)研究，對于地下工程建設(shè)安全而言，是提高監(jiān)測預(yù)報(bào)水平，符合國家戰(zhàn)略發(fā)展的一項(xiàng)重要舉措。

截止到目前，已有學(xué)者提出無線新材料傳感器、光纖智能監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實(shí)、星載雷達(dá)以及無人機(jī)遙感探測等的地下工程監(jiān)控量測系統(tǒng)的新方法[19]。結(jié)合以往地下工程建設(shè)安全研究成果，筆者認(rèn)為仍需重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步開展工作：

3.1 事故案例調(diào)研與分析

事故案例與調(diào)研結(jié)果建立的數(shù)據(jù)庫是為類似工程提供設(shè)計(jì)參考的最好素材，是建立工程安全預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)、降低類似工程事故發(fā)生，保障工程安全的重要要素。調(diào)研者上傳研究成果到數(shù)據(jù)平臺(tái)，不同專業(yè)的工程師可以通過參照模型的方式瀏覽到不同專業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并基于風(fēng)險(xiǎn)事故的形成原因、形成過程及分析結(jié)果，結(jié)合類似工程項(xiàng)目進(jìn)行應(yīng)用，并將驗(yàn)證信息適時(shí)反饋給平臺(tái)，從而可實(shí)現(xiàn)信息交互，避免重復(fù)工作，提高工作效率。

3.2 多場耦合研究

在應(yīng)力、滲流、溫度和物理化學(xué)場等的共同作用下，將引起巖土介質(zhì)的變形、孔隙水的滲流、化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)遷移等多過程的耦合問題。該問題的解決將有助于為工程建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害防治、環(huán)境保護(hù)及能源(如地?zé)?、油氣?高效開采等提供理論基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。但由于巖土體地質(zhì)存在的時(shí)空離散性和波動(dòng)性，目前建立的本構(gòu)模型要么基本假設(shè)過多，工況研究過于宏觀化，失去了準(zhǔn)確模擬的效果；要么指定的設(shè)計(jì)參數(shù)過于經(jīng)驗(yàn)化，影響研究成果的普適性。因此，構(gòu)建多場耦合條件下統(tǒng)一的力學(xué)計(jì)算分析理論仍有待于進(jìn)一步研究和發(fā)展。

3.3 智能化探測技術(shù)研究

1)探測儀器研發(fā)方面。如開展基于智能感知的風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)解析儀的研制，開展采用多輸入輸出多通道的多模式頭端與天線研究，開展采用多通道多噪聲源過濾技術(shù)的融合分級(jí)過濾器研究，以及采用卡爾曼濾波技術(shù)的差分過濾器研究等。

2)系統(tǒng)研究方面。如開展采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QOS)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的施工監(jiān)測無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究，開展采用多點(diǎn)分布無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作機(jī)制的監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)作與管理研究，開展節(jié)能與安全無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與同步協(xié)議及路由算法研究，以及風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)智能管理系統(tǒng)研究等。

3)設(shè)備安裝。如基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化建筑模型，在地下工程施工現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測傳感器無盲區(qū)布設(shè)和安裝，基于智能感知的大數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行信息中心、數(shù)據(jù)傳輸線、自動(dòng)解析儀的工程設(shè)置等。

3.4 項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、量化技術(shù)研究

地下工程建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別、量化的評(píng)價(jià)方法主要包括：層次分析法(如AHP法和ANP法)、專家打分法、Delphi法、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。由調(diào)查得出的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)相互影響關(guān)系、相對重要程度，可基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、多傳感器多層次風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控信息，并借助軟件建立模型對可能發(fā)生的安全事故進(jìn)行預(yù)測。探測技術(shù)和設(shè)備越先進(jìn)，探測出的數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，則理論推演出的安全評(píng)價(jià)越準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

地下工程建設(shè)安全問題是我國未來重點(diǎn)發(fā)展和研究的關(guān)鍵問題。

本文首先總結(jié)了地下工程建設(shè)安全領(lǐng)域的管理和技術(shù)理論的主要研究進(jìn)展，并基于傳統(tǒng)監(jiān)控量測技術(shù)存在的不足，提出了當(dāng)前我國地下工程建設(shè)安全的新思路：考慮地下工程建設(shè)具有多目標(biāo)、多階段、多風(fēng)險(xiǎn)、多災(zāi)害特征。在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維全生命周期引入智能信息化技術(shù)，通過建立大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)，建立全覆蓋、全過程地下工程動(dòng)態(tài)災(zāi)害監(jiān)測感知系統(tǒng)，開展探測技術(shù)及裝備研究，優(yōu)化工程安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系等。逐步推進(jìn)地下工程建設(shè)安全信息化技術(shù)水平。

總體而言，近幾年我國地下工程建設(shè)安全信息化技術(shù)取得了長足發(fā)展，但與國際先進(jìn)管理水平尚有較大差距，安全保障技術(shù)尚不成熟，理論體系還有很大的提升空間。針對地下工程的安全管理手段和方法研究仍任重而道遠(yuǎn)。