基于大數(shù)據(jù)的公路工程安全智能管控云平臺構建

饒 艦 韓 佳

(深圳高速工程顧問有限公司，深圳 518000)

引言

國家“十三五”期間，隨著供給側結構性改革不斷深化，國民經濟發(fā)展思路和工作著力點重大調整，經濟發(fā)展面臨的主要困難和矛盾相對淡化[1]，包括經濟發(fā)展速度與安全生產的矛盾也得到了一定程度的緩解。與此同時，國家及地方安全主管部門堅持“生命至上、安全第一”[2]，強化安全發(fā)展理念，增強安全管理底線思維，極大地降低了公路工程安全生產事故發(fā)生率。但依然要看到，安全生產仍然是國家“十四五”期間工程建設的重中之重，公路工程施工條件的復雜性和環(huán)境的惡劣性依然威脅著國家財產安全和工程建設者的生命安全。

公路工程具有線性工程分布、施工流動性大、工程類型繁多、工程形體龐大、施工周期長、施工環(huán)境復雜及施工影響因素多等特點[3]，涉及的安全風險高，事故發(fā)生可能性大，特別是公路工程建設過程中涉及到的建設主體多、安全管理意識薄弱、管理效率低、風險監(jiān)控不到位、數(shù)據(jù)分析決策不足，造成安全管理存在極大的風險性和不確定性。

新一代信息技術的持續(xù)發(fā)展及“工程+IT”理念的提出，使得工程建設安全管理有了新的發(fā)展模式和方向，涉及的新技術主要包括BIM、GIS、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網、人工智能等[4-5]，基于新一代信息技術的工程安全管理信息化對行業(yè)治理體系現(xiàn)代化發(fā)展起到較大的推動作用。近年來，基于大數(shù)據(jù)的工程安全管理在工程行業(yè)有了較大的發(fā)展，涉及公路、市政、建筑、軌道交通、水運等，在公路工程的應用研究中不乏優(yōu)秀范例。本文通過對公路工程安全管理現(xiàn)狀及安全管理信息化應用的研究，基于大數(shù)據(jù)技術構建安全智能管控云平臺，借助先進信息技術以提高公路工程安全管控信息化水平，總體管控公路工程建設安全，降低工程現(xiàn)場安全風險和事故發(fā)生率，支撐交通強國和數(shù)字交通建設決策。

1 公路工程安全管理信息化建設必要性分析

1.1 工程項目施工安全管理需要

工程項目施工過程中的安全管理是重難點，公路工程因其復雜的施工環(huán)境、超寬超大結構和高技術要求的影響使得安全管理在保障項目順利實施中發(fā)揮的作用顯得尤為重要[2]，需要完備的管理體制、靈活的應對機制和高效的管理團隊作為支撐，管理工具對于安全管理是否到位也非常重要。工程行業(yè)相關法律法規(guī)有明確規(guī)定，建設主體在項目建設過程中需要承擔相應安全生產責任，對責任主體的安全管理有更高要求，工程信息化有利于責任主體借助高精尖科技加強項目安全管理，降低工程現(xiàn)場安全風險和事故發(fā)生率。

圖1 公路工程安全管控數(shù)據(jù)庫

1.2 行業(yè)發(fā)展模式革新需要

隨著新一代信息技術在公路工程領域逐步向全面普及和深度應用發(fā)展[4]，帶來的是公路工程行業(yè)建設與管理模式的變革。安全管理作為公路工程建設中對人民生命財產安全和社會經濟發(fā)展具有重大影響的一環(huán)，必須緊跟行業(yè)信息化發(fā)展，安全管理由傳統(tǒng)模式向更高效、更精細、更安全的新模式轉變勢在必行。通過構建安全智能管控云平臺，可將零散的、靜態(tài)的安全管理控制措施整合為一體，形成整體的、動態(tài)的安全管控體系，通過模式革新進一步提高管理水平和服務效率。

1.3 國家建設信息化發(fā)展需要

2019年7月，交通運輸部印發(fā)《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》，提出堅持以創(chuàng)新為第一動力，促進先進信息技術與交通運輸深度融合，以“數(shù)據(jù)鏈”為主線，構建數(shù)字化的采集體系、網絡化的傳輸體系和智能化的應用體系[6]。同年9月，中共中央、國務院印發(fā)了《交通強國建設綱要》，提到了依靠傳統(tǒng)要素驅動向更加注重創(chuàng)新驅動轉變，構建安全、便捷、高效、綠色、經濟的現(xiàn)代化綜合交通體系，并將提升本質安全水平、完善交通生產安全體系、加強交通安全綜合治理作為主要工作[7]。因此，針對公路工程建設項目，構建安全智能管控云平臺是積極響應國家建設信息化建設，促進公路工程信息化向數(shù)字化、網絡化、智能化發(fā)展。

2 公路工程安全管控云平臺數(shù)據(jù)庫構建

構建基于云服務器的公路工程安全智能管控云平臺數(shù)據(jù)庫，作為數(shù)據(jù)基礎，為基于大數(shù)據(jù)的公路工程安全智能管控云平臺提供數(shù)據(jù)存儲和大數(shù)據(jù)分析基礎，支撐云平臺運行使用和進行大數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)庫設計架構如圖1所示。數(shù)據(jù)庫設置可分為兩大子庫，即基礎數(shù)據(jù)庫和生產數(shù)據(jù)庫。 其中基礎數(shù)據(jù)庫可定義為公路工程建設項目公共數(shù)據(jù)庫，生產數(shù)據(jù)庫則按照公路工程建設項目甚至是合同段單獨建庫管理生產數(shù)據(jù)。

構建數(shù)據(jù)庫主要的技術要點包括：在云服務器中部署，將數(shù)據(jù)庫放到云端支持主從熱備，提供自動容災切換、數(shù)據(jù)備份、故障遷移、實例監(jiān)控、在線擴容、數(shù)據(jù)回檔等[8]，確保安全管控云平臺正常、高效運行。同時，應該注重數(shù)據(jù)庫類型選擇，對于基礎數(shù)據(jù)庫，盡量選擇關系型數(shù)據(jù)庫或列存儲數(shù)據(jù)庫，匹配度較高； 對于生產數(shù)據(jù)庫中的部分數(shù)據(jù)如風險源數(shù)據(jù)可選擇圖形數(shù)據(jù)庫，方便存儲及查閱，提高數(shù)據(jù)庫利用率。

2.1 基礎數(shù)據(jù)庫構建

構建基礎數(shù)據(jù)庫，作為公路工程安全智能管控云平臺的底層公共數(shù)據(jù)庫，用于存儲和管理可規(guī)范化、標準化的公路工程安全管理基礎性或初始化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于線下梳理后內置進云平臺?？筛鶕?jù)公路工程特點和項目實際需要，多個項目或多個合同段可共用基礎數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫相對穩(wěn)定。主要包括公路工程建設項目涉及的安全管理崗位、安全崗位職責、公路工程安全技術標準、公路工程安全隱患標準清單等基礎信息。其中，安全管理崗位庫是根據(jù)公路工程項目建設對安全崗位的要求，對其進行規(guī)范化管理的數(shù)據(jù)； 安全職責標準庫主要是對安全人員的職責進行標準化，安全職責與公路工程技術標準匹配； 安全隱患標準庫是對安全隱患和處理措施的標準化； 安全技術標準庫是對安全施工技術和環(huán)境管控的標準化。除此之外，可根據(jù)公路工程建設項目的實際使用需求，擴展建立子庫以便于數(shù)據(jù)分類分批存放。

2.2 生產數(shù)據(jù)庫構建

構建生產數(shù)據(jù)庫，用于存儲和管理公路工程建設過程中涉及到的安全管理生產數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要來源于公路工程安全智能管控云平臺Web端或移動端錄入、RFID識別、傳感器捕獲、視頻監(jiān)控獲取等?？筛鶕?jù)公路工程特點和項目實際需要，設置各種生產數(shù)據(jù)子庫。生產數(shù)據(jù)子庫主要包括安全人員設備庫、管理體系計劃庫、安全風險管控庫、安全檢測數(shù)據(jù)庫等。其中，管理體系計劃庫用于存放項目編制的安全管理體系、安全管理計劃和安全應急預案等數(shù)據(jù)； 安全檢測數(shù)據(jù)庫定義為管理基于物聯(lián)網的安全檢測設備接入的數(shù)據(jù)。同時，根據(jù)分布式架構思想，可按照項目、合同段、參建單位等多個維度分別建庫，數(shù)據(jù)獨立存放，便于分布式查詢和數(shù)據(jù)隔離，提高數(shù)據(jù)調取效率和降低數(shù)據(jù)庫維護難度?？筛鶕?jù)云平臺功能的部署情況，合理增設生產數(shù)據(jù)庫的子庫，確保數(shù)據(jù)的物理性和邏輯性隔離。

3 公路工程安全智能管控云平臺構建

以公路工程安全管理數(shù)據(jù)為基礎構建公路工程安全管控云平臺數(shù)據(jù)庫； 以安全管理業(yè)務流程為驅動，基于安全管理業(yè)務邏輯梳理形成業(yè)務邏輯模型； 以大數(shù)據(jù)應用為核心，借助云計算、物聯(lián)網、AI人工智能、機器學習等新一代信息技術，構建基于大數(shù)據(jù)的公路工程安全智能管控云平臺[9]。

3.1 安全智能管控云平臺邏輯模型

公路工程建設項目施工現(xiàn)場安全管理的核心在管理和控制人員、機械設備、工程結構和環(huán)境等四大因素，所謂的“人機料法環(huán)”理論中的材料亦可歸入環(huán)境因素類，法律貫徹管理始終，不再單獨研究。基于安全管理業(yè)務邏輯，梳理邏輯主線“安全風險識別及數(shù)據(jù)獲取—安全管理數(shù)據(jù)集成與分析—安全智能預警—安全智能管控與應用”，構建安全智能管控云平臺邏輯模型，如圖2所示。

圖2 公路工程安全智能管控云平臺邏輯模型

數(shù)據(jù)邏輯即數(shù)據(jù)流，作為業(yè)務流程的驅動，是安全智能管控云平臺運行的支撐。公路工程安全智能管控云平臺數(shù)據(jù)流從數(shù)據(jù)源經過數(shù)據(jù)識別與獲取進入平臺，到數(shù)據(jù)集成與分析階段進行數(shù)據(jù)分類分級，并運用人工智能和機器學習等技術，通過參數(shù)控制分析和判斷數(shù)據(jù)的合格與超限情況； 到安全智能預警節(jié)點即對不合格和超限數(shù)據(jù)進行預警，例如疲勞作業(yè)—超時判斷、擅闖擅入—電子圍欄判定、違規(guī)操作—機械操作順序判定、設備異?！O備輸出參數(shù)判定、結構失效—應力應變數(shù)據(jù)超限判定等等； 通過對隱患、問題進行排查處理，及時消除不安全因素，做到人員、設備、結構、環(huán)境多方面智能管控。

3.2 安全智能管控云平臺設計

通過安全管理業(yè)務邏輯梳理形成業(yè)務邏輯模型，以業(yè)務邏輯模型為基礎設計云平臺技術架構。公路工程安全智能管控云平臺技術架構包括物聯(lián)感知層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)處理層、功能層和應用層等五層，部分層級是在計算機系統(tǒng)標準層級的基礎上整合得到。

(1)感知層

通過公路工程安全智能管控云平臺Web端或移動端等智能終端輸入、RFID標簽識別、智能傳感器數(shù)據(jù)感應與獲取、普通或智能AI攝像頭捕捉等途徑獲取公路工程安全管理數(shù)據(jù)，主要基于決策分析識別(人為決策)、物聯(lián)網識別及AI視頻識別等手段完成，得到智能安全管控原始數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)感知與獲取階段，會應用到邊緣服務器[10]、廣/局域網作為支撐。

(2)邏輯層

對物聯(lián)感知層獲取并推送的原始數(shù)據(jù)或經邊緣服務器初步加工的處理數(shù)據(jù)進行靜態(tài)數(shù)據(jù)邏輯處理和動態(tài)數(shù)據(jù)邏輯處理，主要包括數(shù)據(jù)的抓取、交互、修改及刪除等操作，對數(shù)據(jù)進行去噪、分揀、歸類、排序，將經過去噪的、可用的數(shù)據(jù)高效傳遞給數(shù)據(jù)層。

(3)數(shù)據(jù)層

基于大數(shù)據(jù)云基礎設施，利用微服務、分布式存儲、AI人工智能算法、機器學習等手段對大數(shù)據(jù)流進行批處理計算、流計算、圖計算和查詢分析計算等，經過一系列數(shù)據(jù)挖掘、分析與計算，得到公路工程安全智能管控需要的數(shù)據(jù)項或數(shù)據(jù)集，支撐功能層的運轉和應用層的應用。

(4)功能層

功能層基于數(shù)據(jù)層推送的計算分析數(shù)據(jù)項或數(shù)據(jù)集，借助公有云、私有云甚至是混合云服務，在云端實現(xiàn)公路工程安全管控功能的應用，包括安全風險監(jiān)測、安全風險評估、安全風險預警、安全應急預案、安全事故處置、安全組織管控等，功能應用可基于業(yè)務數(shù)據(jù)擴展，高效地利用獲取的原始數(shù)據(jù)和計算分析所得到的加工處理數(shù)據(jù)來支撐應用層的管理決策。

(5)應用層

云平臺功能應用支撐安全信息共享和一體化協(xié)調發(fā)展。平臺用戶、工程項目參建單位、政府行業(yè)監(jiān)管部門等通過公路工程安全智能管控云平臺實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全管理、項目安全監(jiān)管，支撐項目管理者和決策者做出正確、高效決策，以提高公路工程安全管控信息化水平，降低安全風險。

4 公路工程安全智能管控云平臺關鍵技術應用

4.1 機械設備數(shù)據(jù)物聯(lián)網接入

公路工程項目施工機械設備(尤其是大型機械設備如龍門吊、架橋機等)、場站設備(如拌合站拌合機、梁場張拉機等)是主要的安全風險點，將作為安全管理重點對象進行管控，施工單位需要對其編制專項施工方案并按照方案作業(yè)，同時安排安全員負責設備和場站設備專門的安全管理。

基于大數(shù)據(jù)的公路工程安全智能管控云平臺支持利用5G技術、GIS技術、物聯(lián)網技術、RFID技術、嵌入式技術、北斗網格碼技術體系[11]等將公路工程現(xiàn)場設備和場站設備的施工作業(yè)數(shù)據(jù)利用傳感器(重力、風速、高度、傾角、回轉、應力、力矩等)、設備操作系統(tǒng)記錄等方式獲取，實時接入云平臺，遠程監(jiān)控和管理施工現(xiàn)場安全風險及隱患，數(shù)據(jù)獲取、抓取、分析顆粒度精細化，極大地提高數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)分析應用能力。云平臺核心功能應用包括機械設備過載、不穩(wěn)定運行或運行程序錯誤識別，機械設備運行維護數(shù)據(jù)記錄與應用，機械設備事故故障數(shù)據(jù)記錄與溯源，人臉或指紋識別上機控制等。

圖3 公路工程安全智能管控云平臺架構

如圖4所示，綜合利用GIS技術、北斗網格碼技術體系和物聯(lián)網技術，可實時精確定位并跟蹤如架橋機、挖掘機等移動設備的地理位置，在GIS地圖上顯示當前設備的位置和基本信息； 同時，通過設備數(shù)據(jù)實時采集，利用5G通信將設備工作數(shù)據(jù)回傳云平臺，精確掌握設備的運行情況，發(fā)現(xiàn)故障第一時間預警，保障安全的同時亦可快速高效地處理設備故障，提高工作效率。

圖4 GIS地圖顯示某項目水泥站位置

4.2 AI安全隱患識別預警

公路工程施工環(huán)境復雜，導致安全隱患眾多，對現(xiàn)場進行實時監(jiān)控管理也是安全管控的重要手段?；诖髷?shù)據(jù)的公路工程安全智能管控云平臺綜合應用物聯(lián)網技術、AI人工智能技術、智能定位、機器學習等，可實現(xiàn)基于AI的安全隱患識別預警。

通過在施工現(xiàn)場安裝有智能識別功能的AI視頻監(jiān)控，利用物聯(lián)網技術將數(shù)據(jù)對接入云平臺，實時回傳數(shù)據(jù)信息，并可支持平臺與監(jiān)控之間的雙向通信。運用AI人工智能的自動捕捉、圖像識別技術可自動捕獲工程現(xiàn)場安全隱患，并基于隱患進行識別分析，對超出預置閾值的隱患點作出預警，指導工程現(xiàn)場施工安全管控，危急時刻可及時發(fā)現(xiàn)問題并避免事故發(fā)生。通過云平臺劃定的電子圍欄，在電子圍欄中發(fā)現(xiàn)有活動的人或物體時會自動紅框預警，實現(xiàn)現(xiàn)場安全管控，如圖5所示。安全隱患識別預警讓云平臺真正發(fā)揮出了新一代信息技術在工程中應用的優(yōu)勢。

圖5 電子圍欄區(qū)域擅闖預警

4.3 交通安全疏解方案論證

公路工程基本上都會有跨線(跨公路、跨鐵路等)，其會涉及到跨線道路交通安全疏解的問題，制定的交通安全疏解方案的質量直接影響了既有線路交通通行效率和安全、項目施工安全和進度，方案論證是難度。

在公路工程項目施工圖設計階段利用BIM正向設計技術、傾斜攝影技術或激光點云技術建立工程三維BIM模型和既有地形地貌實景模型，據(jù)此在基于大數(shù)據(jù)的公路工程安全智能管控云平臺中搭建項目的BIM+GIS的三維應用場景，在應用場景中可形象地展示跨線形式和尺寸、既有線路交通情況，并視頻回傳交通運行狀況，如圖6所示，以此進行交通安全疏解方案的分析與論證，降低施工對既有線路交通安全的影響，提高施工安全性。

圖6 某項目BIM+GIS場景展示跨線情況

4.4 安全管控大數(shù)據(jù)分析決策

安全管控大數(shù)據(jù)分析決策作為基于大數(shù)據(jù)的公路工程安全智能管控云平臺最核心的應用點，是管理者最關注的應用?；诮⒌墓饭こ贪踩悄芄芸卦破脚_數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)據(jù)治理和數(shù)據(jù)挖掘技術進行大數(shù)據(jù)分析，找出海量數(shù)據(jù)中有效的信息以及信息之間的邏輯關聯(lián)關系，例如，某個施工作業(yè)過程的安全風險發(fā)生的概率是與物料堆放情況、設備運行實際路徑或者周邊自然環(huán)境狀況呈正相關性，與人員操作熟練度也密切相關，但如果是線下管理缺乏數(shù)據(jù)挖掘技術的支撐，管理者很難進行統(tǒng)籌考慮。

大數(shù)據(jù)分析可深度挖掘數(shù)據(jù)價值，輸出各種統(tǒng)計圖表，在安全管控數(shù)據(jù)可視化決策視窗中展示出來，為項目管理者的決策提供數(shù)據(jù)支撐，讓安全管理大數(shù)據(jù)發(fā)揮真正的作用。

圖7 安全管控數(shù)據(jù)可視化決策視窗

5 結論與展望

行業(yè)進步的背后蘊藏著無數(shù)的智慧與力量。數(shù)字經濟的發(fā)展推動著公路工程行業(yè)的發(fā)展，隨著超大型、超復雜工程在公路行業(yè)不斷涌現(xiàn)，施工安全管控要求以及現(xiàn)場管理復雜度亦不斷提高，傳統(tǒng)管理理念和手段已然無法適應信息化時代的發(fā)展，故管理創(chuàng)新和信息化建設勢在必行。

在當下管理體制和機制不斷完善的大環(huán)境下，利用新一代信息技術手段進一步提高公路工程建設項目安全管理水平是發(fā)展大趨勢。通過搭建基于大數(shù)據(jù)的公路工程安全智能管控云平臺，綜合運用以大數(shù)據(jù)為核心的BIM、GIS、5G、云計算、物聯(lián)網、AI人工智能、機器學習、北斗網格碼技術等新技術為公路工程安全管理服務，推動新一代信息技術在工程行業(yè)的發(fā)展，在助力公路工程安全管控信息化建設、降低施工安全風險、提高工程安全管理效率的同時，加快了信息時代工程項目乃至公路工程行業(yè)的信息繼承與傳遞效率，促進了大數(shù)據(jù)在整個行業(yè)中循環(huán)流通，實現(xiàn)了資源共享與管理優(yōu)化。未來將進一步加快國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化，支撐交通強國和數(shù)字交通的建設決策。