面向城市巖土工程災(zāi)害的智慧應(yīng)急技術(shù)

馮興學(xué)，陳文偉，宋 健，李 誠(chéng)

（1、廣東省機(jī)場(chǎng)管理集團(tuán)有限公司工程建設(shè)指揮部 廣州 510080；2、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

城市地下巖土工程災(zāi)害主要包括地面沉降、地面塌陷、基坑變形、基坑失穩(wěn)等。中國(guó)城市地下巖土工程建設(shè)事故的數(shù)量驚人［1-3］，其中造成巨大經(jīng)濟(jì)損失、引起嚴(yán)重社會(huì)影響的例子不勝枚舉［4-5］，使我們深刻認(rèn)識(shí)到在城市地下巖土工程建設(shè)中面臨著巨大的挑戰(zhàn)，因此近年來針對(duì)地下巖土工程應(yīng)急管理難題的智慧應(yīng)急平臺(tái)研究成為熱點(diǎn)，智慧應(yīng)急平臺(tái)深度融合人工智能的能力與應(yīng)急管理需求，構(gòu)建由數(shù)據(jù)服務(wù)中心、應(yīng)急感知中心、應(yīng)急AI 服務(wù)中心和應(yīng)用支撐中心構(gòu)成的“智慧應(yīng)急大腦”，推動(dòng)地下巖土工程應(yīng)急管理的數(shù)字化、智能化、智慧化能力提升，推動(dòng)應(yīng)急管理現(xiàn)代化。

通過調(diào)研，智慧應(yīng)急平臺(tái)主要存在以下3個(gè)問題：①“全”與“?！钡膯栴}：地下巖土工程災(zāi)害突發(fā)事件緊迫性、不確定性、耦合性特征明顯，迫切需要構(gòu)建多災(zāi)種專題情景；②“開”與“閉”的問題：智慧應(yīng)急建設(shè)過程中需要補(bǔ)全應(yīng)急資源、完善風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、拓寬監(jiān)測(cè)來源，形成數(shù)據(jù)治理與共享機(jī)制；③“數(shù)”與“智”的問題：當(dāng)前多數(shù)應(yīng)急信息化主要著力業(yè)務(wù)流程再造和數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單匯聚，數(shù)據(jù)挖掘與智能知識(shí)構(gòu)建建設(shè)仍需加強(qiáng)。針對(duì)以上問題，本文在闡述地下巖土工程災(zāi)害背景的基礎(chǔ)上，介紹面向各級(jí)應(yīng)急管理的云平臺(tái)的特點(diǎn)及功能，并重點(diǎn)介紹解決上述第二個(gè)問題的方法，即補(bǔ)全應(yīng)急資源、完善風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、拓寬監(jiān)測(cè)來源的新型技術(shù)方法。

1 城市地下巖土工程災(zāi)害

通過翻閱文獻(xiàn)資料和實(shí)例調(diào)研，本文總結(jié)城市地下巖土工程災(zāi)害的事故特點(diǎn)及應(yīng)急難點(diǎn)：

⑴在城市進(jìn)行地下空間的開發(fā)時(shí)，受限于地表現(xiàn)狀，難以完成詳細(xì)地質(zhì)勘察。尤其是軌道交通工程建設(shè)規(guī)模大，且基本部署在城市建成區(qū)，樓房密布、交通擁擠、人流量大、地下管線密集交錯(cuò)，工程地質(zhì)勘察受到多種因素的制約難以完全按圖施工，致使后面的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)缺乏可靠地質(zhì)資料支撐，是地質(zhì)勘測(cè)工作的難題。

⑵參建各方對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工安全風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)淡薄、措施不力。比如參建單位普遍認(rèn)為施工過程中堵漏是較常見的情況，而巖土工程事故常常與水相關(guān)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，地下工程事故85%與地下水控制不當(dāng)有關(guān)［6-7］，如降水引起地面變形、承壓水引起坑底突涌、掌子面漏水引起塌方等等，不正常漏水時(shí)應(yīng)及時(shí)采取有效措施調(diào)整施工方案，但總體上參建各方的安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)不足，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的防治措施不力。

⑶參建各方應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制不健全，聯(lián)絡(luò)通訊不可靠。常規(guī)應(yīng)急預(yù)案往往漏掉細(xì)節(jié)，比如隧道開挖應(yīng)急預(yù)案一般未包含封堵掌子面上方路的內(nèi)容，更不會(huì)涉及到調(diào)集人員加強(qiáng)警戒這些應(yīng)急措施。根據(jù)實(shí)例，地下空間因遮蔽性，常無法保證手機(jī)信號(hào)穩(wěn)定性，實(shí)際工程中通訊設(shè)備一般僅靠手機(jī)，會(huì)導(dǎo)致在緊急情況下無法及時(shí)處置而耽誤良機(jī)。

2 應(yīng)急平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)

針對(duì)上述城市地下巖土工程災(zāi)害應(yīng)急處理中存在的問題，在總結(jié)多例巖土工程災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急處置經(jīng)驗(yàn)，分析應(yīng)急預(yù)案實(shí)施中的問題的基礎(chǔ)上，本文提出智慧應(yīng)急平臺(tái)應(yīng)以充分風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與應(yīng)急資源調(diào)查為支撐，朝著以下4個(gè)目標(biāo)進(jìn)行平臺(tái)的建設(shè)和研發(fā)，智慧應(yīng)急平臺(tái)框架如圖1所示。

圖1 城市巖土工程災(zāi)害智慧應(yīng)急平臺(tái)框架Fig.1 Framework of Intelligent Emergency Platform for Urban Geotechnical Disasters

2.1 安全生產(chǎn)監(jiān)督管理

當(dāng)前安全生產(chǎn)存在風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)隱患整改不到位、監(jiān)管人員與專業(yè)技術(shù)能力不足、執(zhí)法智能化建設(shè)不足，主體責(zé)任難落實(shí)等問題。構(gòu)建巖土工程安全生產(chǎn)智能監(jiān)管云平臺(tái)，融合危險(xiǎn)源（超載、超挖等）、IOT 監(jiān)測(cè)（支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、周邊環(huán)境影響等）、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警等應(yīng)用，為安全生產(chǎn)數(shù)字化能力提升、全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)管和隱患排查能力增強(qiáng)、安全生產(chǎn)監(jiān)管模式智能化轉(zhuǎn)型提供場(chǎng)景化服務(wù)支撐。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警

地下巖土工程一般呈現(xiàn)多災(zāi)并發(fā)群發(fā)，如地面沉降發(fā)展為地面塌陷，基坑變形發(fā)展為基坑失穩(wěn)等，這導(dǎo)致災(zāi)害鏈監(jiān)測(cè)難、信息匯聚與發(fā)布渠道不完善等諸多難題。平臺(tái)基于深度學(xué)平臺(tái)，融合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、IN?SAR、無人機(jī)等多種手段，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害事件第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)、災(zāi)害信息自動(dòng)聚合、災(zāi)害研判主動(dòng)推薦，同時(shí)提供基于災(zāi)害易損性和危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)推送災(zāi)害預(yù)警信息，為災(zāi)情救援提供支撐。

2.3 指揮救援與決策

如何大幅提升應(yīng)急指揮決策水平，解決指揮救援與決策過程中接報(bào)低效、底數(shù)不清、狀態(tài)不明、手段傳統(tǒng)、看不見、決策難等問題迫在眉睫。構(gòu)建智能語(yǔ)義信息接報(bào)、智能分析研判、融合通信指揮調(diào)度能力體系，打造應(yīng)急管理智能推薦引擎，科學(xué)輔助指揮決策，提高應(yīng)急管理機(jī)構(gòu)科學(xué)決策水平，降低災(zāi)害事故影響程度。

2.4 災(zāi)后復(fù)盤分析

如何自動(dòng)分析海量數(shù)據(jù)中涉及的物資供需、基礎(chǔ)設(shè)施恢復(fù)等內(nèi)容，如何從數(shù)據(jù)背后隱藏的價(jià)值中可以發(fā)現(xiàn)更加全面、真實(shí)、客觀的分析結(jié)果，是應(yīng)急管理災(zāi)后救助與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)挖掘分析流程概要如圖2 所示，按照“業(yè)務(wù)視角提出問題、技術(shù)模型提取信息、人工對(duì)比總結(jié)規(guī)律”的原則，融合互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與應(yīng)急管理部門數(shù)據(jù)，進(jìn)行多維度、多視角的挖掘分析，對(duì)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行語(yǔ)義化、標(biāo)簽化，為災(zāi)后救助提供決策建議。

圖2 數(shù)據(jù)挖掘分析流程Fig.2 Data Mining Analysis Process

3 智慧應(yīng)急新技術(shù)

3.1 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

針對(duì)城市地下巖土工程災(zāi)害演進(jìn)機(jī)制、預(yù)警模型、監(jiān)測(cè)手段、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理和三維地層建模等關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，在總結(jié)致災(zāi)因子、闡明典型演進(jìn)機(jī)理的基礎(chǔ)上，揭示不同情形下各災(zāi)種的主控因素與在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上的體現(xiàn)形式，構(gòu)建實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)地下巖土工程施工期、運(yùn)營(yíng)期的地質(zhì)災(zāi)害的定性定量評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和防治等級(jí)劃分方法如圖3 所示。構(gòu)建監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于GIS 的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)及防治等級(jí)劃分，實(shí)現(xiàn)多途徑地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)布，實(shí)現(xiàn)結(jié)合地層模型的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化，為城市地下巖土工程地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急處置提供支撐。

圖3 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和防治等級(jí)劃分Fig.3 Division of Risk Level and Prevention Level of Disaster

3.2 5G智能應(yīng)急搶險(xiǎn)車

5G 智能應(yīng)急搶險(xiǎn)車是用于工程事故現(xiàn)場(chǎng)輔助應(yīng)急搶險(xiǎn)專業(yè)用車，利用最新無人機(jī)、激光掃描等技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、事故發(fā)展預(yù)判、保護(hù)重大市政設(shè)施等功能，在災(zāi)情發(fā)展初期輔助領(lǐng)導(dǎo)決策，減少救援黃金時(shí)間，降低人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。技術(shù)體系包括3 大組成部分：全天候事故區(qū)域多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合處理與綜合分析技術(shù)。5G 智能應(yīng)急搶險(xiǎn)車基于5G、無人機(jī)勘測(cè)、聲波探測(cè)、激光掃描、攝影測(cè)量、智能傳感器、智能機(jī)器人等多項(xiàng)技術(shù)，配備適合應(yīng)急監(jiān)控作業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)在各種工況下的環(huán)境調(diào)查、趨勢(shì)分析、重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)融合、信息發(fā)布及在線會(huì)診等功能，能有效提高搶險(xiǎn)效率，輔助應(yīng)急決策［8］。5G 智能應(yīng)急搶險(xiǎn)車應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)體系如圖4 所示，它是應(yīng)急監(jiān)控技術(shù)的一項(xiàng)重大突破和創(chuàng)新應(yīng)用，是工程應(yīng)急資源的有力補(bǔ)充。

圖4 基于5G的應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)體系Fig.4 Emergency Monitoring Technology System Based on 5G

3.3 INSAR精細(xì)化應(yīng)急監(jiān)測(cè)

水準(zhǔn)儀、全站儀、GPS 測(cè)量和無線傳感器等接觸式測(cè)量技術(shù)有較高的測(cè)量精度，但只能測(cè)量點(diǎn)狀目標(biāo)，存在空間盲區(qū)，在應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)適用性差。而傳統(tǒng)非接觸式測(cè)量如近景攝影測(cè)量、激光掃描技術(shù)能夠?qū)π》秶鷪?chǎng)景進(jìn)行全覆蓋觀測(cè)，但其受天氣影響嚴(yán)重，應(yīng)急搶險(xiǎn)當(dāng)天是否下雨、起霧、起風(fēng)非人所能控制。INSAR 技術(shù)不受天氣、氣候影響，可全天時(shí)、全天候觀測(cè)，形變觀測(cè)精度高，且每km2可得到萬(wàn)個(gè)以上觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，這是傳統(tǒng)測(cè)量方法完全無法實(shí)現(xiàn)的［9-10］。應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)應(yīng)用INSAR 技術(shù)對(duì)事故區(qū)域目標(biāo)開展精細(xì)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及分析，可提供目標(biāo)不同定位及周邊環(huán)境的形變信息。

4 結(jié)論

⑴地下巖土工程應(yīng)急管理的數(shù)字化、智能化、智慧化能力提升是推動(dòng)應(yīng)急管理現(xiàn)代化的急迫要求。本文通過調(diào)研，總結(jié)了城市地下巖土工程災(zāi)害的事故特點(diǎn)及應(yīng)急難點(diǎn)：地質(zhì)勘察存在盲區(qū)、安全風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)淡薄、應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制不健全。

⑵針對(duì)應(yīng)急管理的智慧化要求，結(jié)合城市地下巖土工程災(zāi)害的事故特點(diǎn)及應(yīng)急難點(diǎn)，提出面向城市巖土工程災(zāi)害的智慧應(yīng)急平臺(tái)的4 個(gè)目標(biāo)：安全生產(chǎn)監(jiān)督管理、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、指揮救援與決策、災(zāi)后復(fù)盤分析。

⑶本文重點(diǎn)介紹了3種新型技術(shù)方法：地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分、5G 智能應(yīng)急搶險(xiǎn)車、INSAR 精細(xì)化應(yīng)急監(jiān)測(cè)，分別為實(shí)現(xiàn)“完善風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、補(bǔ)全應(yīng)急資源、拓寬監(jiān)測(cè)來源”提供技術(shù)支撐及思路。