港航工程中智慧安全管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳向中，陳韜

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；2.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

港航板塊業(yè)務(wù)內(nèi)容涵蓋碼頭、船塢、海上風(fēng)電、島隧工程、防波堤、填海工程等諸多業(yè)務(wù)場(chǎng)景。和路橋隧工程相比，港航工程環(huán)境因素更復(fù)雜，施工技術(shù)要求更高，安全風(fēng)險(xiǎn)更大。目前港航項(xiàng)目作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大，安全管理困難；海上施工的船舶種類繁多，船舶狀況參差不齊，管理難度大；工程中涉及的結(jié)構(gòu)體繁多，設(shè)計(jì)和施工復(fù)雜，對(duì)施工技術(shù)要求高，大部件吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)高。

根據(jù)長(zhǎng)期以來(lái)在港航工程項(xiàng)目中積累的豐富的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程實(shí)際探索信息科技、數(shù)字化技術(shù)在港航工程中的應(yīng)用，并結(jié)合信息化專項(xiàng)課題——港航板塊智慧工地建設(shè)，研究梳理生產(chǎn)一線的業(yè)務(wù)痛點(diǎn)、應(yīng)用需求，圍繞業(yè)務(wù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)“智慧工地”整體解決方案。

港航板塊的智慧工地的核心是各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取、分析、處理及應(yīng)用，將具有自動(dòng)識(shí)別、精準(zhǔn)定位、實(shí)時(shí)傳輸?shù)淖詣?dòng)化技術(shù)引入港航板塊施工項(xiàng)目管理。為事故調(diào)查和事故預(yù)防提供系統(tǒng)可行的分析方法[1]，實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)感知、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析并優(yōu)化決策，進(jìn)一步挖掘成為具有邏輯關(guān)系的海量數(shù)據(jù)，進(jìn)而凝煉成港航施工行業(yè)知識(shí)和智慧。針對(duì)提升工程施工及項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)管控能力和管理效率，提出解決方案[2]，提高港航工程工地的精益生產(chǎn)管理水平。

1 港航板塊“智慧工地”施工安全指標(biāo)分析

通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)的各類監(jiān)控、傳感器等自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)“人、機(jī)、料、法、環(huán)、質(zhì)量、安全”等信息[3]，可以自動(dòng)獲取施工信息等。然而面對(duì)海量的施工數(shù)據(jù)，如何根據(jù)數(shù)據(jù)分析其背后的規(guī)律及所需要考慮的典型風(fēng)險(xiǎn)源[4]，更好地指導(dǎo)“智慧工地”后續(xù)的工作，讓“智慧工地”變得更加聰明，是本文研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1）事故統(tǒng)計(jì)及原因分析

港航板塊施工具有流動(dòng)性大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工生產(chǎn)受環(huán)境及氣候的影響、工程結(jié)構(gòu)物的外形與內(nèi)容復(fù)雜、差異大等特點(diǎn)。水下工程施工、工程船舶施工安全等都給施工作業(yè)帶來(lái)了不安全因素。對(duì)近年來(lái)港航板塊安全事故的成因進(jìn)行了研究分析，本次安全事故分析涉及全國(guó)多個(gè)省份，共28起安全事故。港航板塊施工安全類別分析結(jié)果見圖1。

圖1 港航板塊施工安全類別分析Fig.1 Analysis of construction safety category in the port and waterway sector

作為安全事故較多的行業(yè)，建筑業(yè)的事故類型較為多樣，風(fēng)險(xiǎn)源和復(fù)雜度也較高，對(duì)安全管理人員提出了很大的挑戰(zhàn)[5]，在所統(tǒng)計(jì)的港航板塊事故中，船舶碰撞與沉沒(méi)、坍塌、高處墜落、爆炸、機(jī)械傷害是最主要發(fā)生的事故類別，在事故數(shù)量中的占比接近80%。對(duì)各類事故發(fā)生的原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要涉及的指標(biāo)類為人的安全站位、物的可靠性、物的安全區(qū)域、人的指揮操作等。因此港航板塊的“智慧工地”涉及到的安全管理應(yīng)以這些指標(biāo)作為關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行研究。

2）技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及分類

施工安全技術(shù)指標(biāo)是反映港航板塊施工安全狀態(tài)及特征的度量信息，判別港航板塊中某一項(xiàng)技術(shù)或檢查項(xiàng)目是否能滿足安全生產(chǎn)的要求。為更好的衡量港航板塊施工安全狀態(tài)，建立了可以準(zhǔn)確數(shù)量定義、精確衡量的定量指標(biāo)與進(jìn)行客觀描述和分析的定性指標(biāo)。

結(jié)合港航板塊現(xiàn)場(chǎng)施工危險(xiǎn)源的類別及致險(xiǎn)因子，將港航板塊施工安全技術(shù)指標(biāo)劃分為2個(gè)層級(jí)，包括4大類和24小類。其中4大類為“人的指標(biāo)”、“物的指標(biāo)”、“環(huán)境指標(biāo)”和“管理指標(biāo)”，見圖2。

圖2 港航板塊施工安全技術(shù)指標(biāo)分類Fig.2 Classification of construction safety technical indicators for the port and waterway sector

致使事故發(fā)生的連鎖原因有：社會(huì)環(huán)境、人的失誤、人的不安全行為或事件。把握好消除人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)這個(gè)關(guān)鍵，事故發(fā)生的可能性就會(huì)大大降低，傷害和損失也會(huì)減少。采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)建立危險(xiǎn)源和事故的智慧工地安全管理系統(tǒng)，對(duì)各類危險(xiǎn)源和事故的特點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)新項(xiàng)目的管理進(jìn)行系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)，防止事故的發(fā)生。

2 “智慧工地”相關(guān)智慧應(yīng)用開發(fā)

根據(jù)前期研究結(jié)果，結(jié)合智慧工程全生命周期、全工程領(lǐng)域、全參與方的不同需求[6]，“人的不安全行為”和“物的不安全狀態(tài)”是影響工程施工安全的關(guān)鍵指標(biāo)，結(jié)合港航板塊施工特點(diǎn)，開發(fā)了安全巡檢現(xiàn)場(chǎng)通APP，進(jìn)一步規(guī)范人的行為，杜絕“人的不安全行為”，構(gòu)建施工項(xiàng)目危險(xiǎn)源的辨識(shí)模型[7]。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)起重設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，開發(fā)龍門吊運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)“物的不安全狀態(tài)”進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管控。

2.1 安全巡檢現(xiàn)場(chǎng)通APP開發(fā)

以港航板塊施工安全指標(biāo)體系和關(guān)鍵指標(biāo)為數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)安全巡檢現(xiàn)場(chǎng)通APP與多媒體安全教育培訓(xùn)系統(tǒng)，將其運(yùn)用于港航板塊施工的現(xiàn)場(chǎng)管理，可以根據(jù)不同層次施工安全管理人員的需求，智能化實(shí)現(xiàn)檢查單的創(chuàng)建，同時(shí)具有檢查單的整改、審批和統(tǒng)計(jì)分析等功能。此外，該應(yīng)用兼有系統(tǒng)改進(jìn)功能，從而實(shí)現(xiàn)港航板塊指標(biāo)體系的優(yōu)化和完善。

安全巡檢現(xiàn)場(chǎng)通APP將港航板塊施工“智慧工地”的應(yīng)用從PC端延伸到了移動(dòng)端，安全巡檢現(xiàn)場(chǎng)通APP具有現(xiàn)場(chǎng)安全巡檢和完備的檢查單整改閉合管控措施，并通過(guò)與云平臺(tái)連接，集成了各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和消息來(lái)滿足安全管理的需要，一個(gè)完整的檢查單流程是由檢查人、責(zé)任人、整改人以及審核人4個(gè)角色共同完成的，見圖3。

圖3 港航板塊安全檢查流程Fig.3 Safety inspection process in the port and waterway sector

檢查單建立以后派發(fā)整改人的時(shí)候，需要對(duì)安全隱患進(jìn)行初步的描述，并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的歸類。在APP中依據(jù)前述港航板塊安全指標(biāo)的定義及分類將這些指標(biāo)錄入系統(tǒng)中，以供檢查單創(chuàng)建人填寫檢查單時(shí)對(duì)安全隱患進(jìn)行基本的描述與選擇歸類，便于其有針對(duì)性的選擇相應(yīng)的整改人，達(dá)到有的放矢、快速高效完成安全隱患整改任務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)通APP檢查項(xiàng)見圖4。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)通APP選擇檢查項(xiàng)Fig.4 Select inspection items for on-site communication APP

目前港航板塊的項(xiàng)目管理機(jī)制多為局、分公司、項(xiàng)目部的三級(jí)管理方式，系統(tǒng)前端現(xiàn)場(chǎng)通APP獲取施工過(guò)程安全數(shù)據(jù)，后臺(tái)“智慧工地”的安全管理模塊對(duì)工程項(xiàng)目安全檢查和隱患登記整改記錄進(jìn)行綜合管控，通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行的安全檢查，排查安全隱患，對(duì)發(fā)現(xiàn)的隱患進(jìn)行登記，借助隱患整改閉環(huán)流程來(lái)消除隱患。后臺(tái)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)公司檢查的次數(shù)、檢查合格率情況以及不同指標(biāo)（人的指標(biāo)、物的指標(biāo)、環(huán)境的指標(biāo)、管理的指標(biāo)）類別的安全隱患檢查情況，安全檢查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見圖5。

圖5 安全檢查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Fig.5 Statistical analysis of safety inspection data

安全技術(shù)指標(biāo)的完善需要經(jīng)過(guò)港航板塊項(xiàng)目不斷驗(yàn)證，結(jié)合港航板塊項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際管理需要，不斷完善和更新。因此，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和推廣完善、優(yōu)化指標(biāo)庫(kù)是基礎(chǔ)。此外還要注意“智慧工地”中基于指標(biāo)體系統(tǒng)計(jì)的安全隱患情況，針對(duì)事故易發(fā)、多發(fā)的安全指標(biāo)，還要深入分析指標(biāo)體系構(gòu)建的合理性，是否需要細(xì)化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，逐步補(bǔ)充、將最新的指標(biāo)及時(shí)更新到系統(tǒng)中，進(jìn)一步完善安全指標(biāo)。

2.2 起重機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

起重作業(yè)在港航施工中非常常見，而起重作業(yè)又是一項(xiàng)危險(xiǎn)性較大的工作，起重吊裝過(guò)程中發(fā)生的施工安全事故屢見不鮮。因此需要一套安全裝置對(duì)以上參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)判斷，做出起重機(jī)正常工作、滿載、超載、變幅超上限、變幅超下限等工作狀態(tài)的指示，并相應(yīng)報(bào)警、提示、控制，確保起重機(jī)操作人員在使用起重機(jī)時(shí)會(huì)得到各種提示和警告，時(shí)刻了解起重機(jī)的運(yùn)行情況，從而降低起重機(jī)事故發(fā)生的可能性。

起重機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容如表1所示。起重機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由分布在起重機(jī)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的各類傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集控制器（MCU）、通訊模塊（DTU）、服務(wù)器和配套軟件等組成，見圖6。

表1 起重機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容Table 1 Monitoring content of monitoring system for crane condition

圖6 起重機(jī)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of remote monitoring system for crane condition

采用“云+端”的框架結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)包括安裝在施工設(shè)備上的智能狀態(tài)采集系統(tǒng)（前端應(yīng)用）和安裝在服務(wù)器上的大型工程機(jī)械設(shè)備智能管理平臺(tái)（云平臺(tái)），利用無(wú)線通訊技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)大型工程機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)上傳至云端管理平臺(tái)，平臺(tái)主要完成與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元的遠(yuǎn)程通訊，接收現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并給用戶提供數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表生成及用戶管理等功能，實(shí)現(xiàn)全方位智慧化管控目標(biāo)[8]。

起重機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)“云+端”有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)智能化，確保起重機(jī)操作人員時(shí)刻了解起重機(jī)的運(yùn)行情況，從而有效降低事故的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)港航工程安全事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和原因分析，分析安全事故類別和成因，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)“人的不安全行為”和“物的不安全狀態(tài)”進(jìn)一步的規(guī)范和管控。

2）結(jié)合項(xiàng)目管理實(shí)踐，開發(fā)安全巡檢現(xiàn)場(chǎng)通APP，建立檢查單整改閉環(huán)審批機(jī)制，對(duì)安全隱患進(jìn)行分類描述，并將其運(yùn)用于港航工程施工的現(xiàn)場(chǎng)管理，進(jìn)一步規(guī)范了人的行為，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

3）結(jié)合港航工程施工安全指標(biāo)的控制因素，開發(fā)一種起重機(jī)安全狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)“云+端”有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、無(wú)線傳輸至后端服務(wù)器，系統(tǒng)具有在線監(jiān)控、安全管理數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能。