０引言
随着我国地铁建设迅速发展，加之地铁工程规模大，周边建筑物与地下管线情况复杂，地面交通繁忙，地质条件不确定性因素多，而安全管理没有跟上，缺少实时监测和风险评估，安全事故时有发生。文献［１］统计了我国２００３—２０１１年地铁隧道施工事故数据资料，坍塌、物体打击、高处坠落是地铁隧道施工中的主要事故类型，上述事故约占总数的４０％，同时，事故造成的经济损失和人员伤亡十分严重。安全无小事，细节决定成败。目前安全管理比以前有了很大的进步，例如文献［２－１６］介绍了几款施工安全监控管理信息系统，主要实现位移监测、轴力监测、测斜监测、视频监测等数据的远程传输、监测数据分析预警、门禁等功能；文献［１６－１８］介绍了施工安全风险自动识别、风险的信息化管理等技术与实现效果；文献［１９］介绍了一款用于应急组织、培训演练、响应调度、辅助决策的基于ＧＩＳ的网络系统。从查阅的大量文献来看，目前绝大部分的系统主要实现安全监测预警功能，也有关于施工风险的自动识别、应急响应的相关研究，大大降低了地铁施工风险程度。在信息共享的今天，只有实现多功能的集成，才能发挥安全管理的效率最大化。目前地铁施工信息化管理还未实现人员、机械设备、环境、工程结构物、临时设施、周围既有设施设备等的精细化管理，不安全状态与不安全行为的智能化评判，以及人－机、机－机、机－建之间等的智能冲突分析，在风险预测预警、隐患辨识等方面也有待进一步研发。因此，有必要研究开发能够实现人员、机械设备、工程结构物、临时设施的安全管理，以及冲突分析和可视化动态监测预测预警等功能于一体的地铁施工安全风险分析与管理远程网络系统（以下简称系统）。
１系统功能需求
系统应实现以下功能。１）基础信息管理。①人员安全基础信息管理。有专家对事故发生原因进行统计分析，结果表明人为因素导致的事故占８０％以上，而性别、年龄、是否饮酒、睡眠情况、反应敏捷性、性情等有差异的人员发生安全事故的概率亦有不同，即使是同一个人，其各种状态也经常变化［２０］。因此，系统应能动态管理施工人员的上述信息。②机械设备安全基础信息管理。任何一种机械由于自身的性能、结构等特性，都有一定的使用技术要求，机械设备在使用过程中，其性能状态是动态变化的。因此，系统应动态把握机械设备的性能状态。③环境安全基础信息管理。工作环境不仅影响着施工人员的工作质量，还会影响施工人员在工作中的精神状态。特殊的自然环境如雨雪天气、大风天气、高低温环境、密闭空间等对施工人员的安全行为和心理会造成很大的危害和影响［２０］。以特殊天气条件为例：雪天时路面、工程结构物、机械设备上湿滑，设备移动过程中制动困难易发生冲撞与倾覆事故，工人在工程结构物和机械设备上作业易发生高处坠落事故；雨天易发生城市内涝，若排水不畅，车站基坑易积水发生坍塌事故；若高耸机械设备防雷措施不当，则雷雨天还可能发生雷击事故；雾霾天气能见度变小，也易引发安全事故；６级强风以上则易引起高耸设备、围挡被风吹倒并进一步造成路面社会交通事故。因此，系统应能实现对环境信息的动态管理。④工程结构物信息管理。工程结构物的三维地理信息、工程进度信息等与安全风险分析有极为密切的关系，因此，系统应能动态管理工程结构物的基本信息和进度信息。⑤临时设施信息管理。主要包括施工围挡、竖井、斜井、施工材料堆放场、临时办公与生活用房等。正是由于临时设施的临时性，往往易被忽略而引发安全事故，因此应纳入系统进行动态管理。⑥周边既有建（构）筑物、市政管线、路面等既有设备设施信息管理。２）监控信息管理。系统应能为施工开展提供及时的反馈信息，为车站基坑周围环境进行及时、有效的保护提供依据，并将监测结果用于反馈优化设计，为改进设计提供依据；通过对监测数据与理论值的比较分析，可以检验设计理论的正确性；在施工全过程中，通过对既有地面和地下建（构）筑物各项指标的监测，将结构变形严格控制在标准限值内，保证既有建（构）筑物的安全等［２－５］。３）不安全状态与不安全行为分析评判。人员、机械设备的不安全状态和人员的不安全行为是导致施工事故的关键［２０］，因此，系统应能辅助安全管理人员对人员的不安全状态和行为进行分析评判，并将施工人员（尤其是安全人员）安排到最合适的工作岗位上。系统还应能辅助安全管理人员分析机械设备，尤其是高耸机械、大型施工装备的不安全状态，以便对机械设备故障进行有效预防，并对可能的安全事故进行防控。４）冲突风险分析。人员与机械混合作业、多机混合作业时，人员与机械设备之间、机械设备与机械设备之间、机械设备与工程结构物之间、机械设备与地面社会交通之间可能发生冲突事故，系统应能进行三维冲突分析，以便辅助安全管理人员分析高风险点、高风险区域以及高危作业的基本情况。５）风险预测与事故预警。６）安全隐患辨识与管理。７）应急处理方案管理与智能选择。８）事故逃生与救援指挥。
２系统开发思路
从前述的系统功能需求来看，施工人员、机械设备、工程结构物、既有建（构）筑物、既有市政管线、地面社会交通之间的空间冲突分析，人员逃生路线分析，事故救援方案分析，救援物资调配方案研究等功能的实现，都离不开三维空间位置信息的采集、存储、管理、描述以及对空间数据信息的操作、分析、模拟和可视化显示。因此，系统应运用三维地理信息系统（３ＤＧＩＳ）来实现，例如采用ＡｒｃＧＩＳ３Ｄ。因需要进行远程监控与管理，还应采用网络系统［１１］。可视化开发环境主要考虑系统的反应速度、健壮性以及快速开发，例如采用Ｃ＃，ＶＢ．ＮＥＴ等作为集成开发环境。考虑到空间数据和属性数据之间的无缝连接，系统宜利用Ｏｒａｃｌｅ等大型空间数据库管理系统来管理空间数据和属性数据。从控制系统开发成本来考虑，在满足系统性能基本要求的前提下，也可以采用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＳＱＬＳｅｒｖｅｒ等数据库管理系统对属性数据进行管理，空间数据、施工图和竣工图等则以文件形式进行管理。
３系统总体结构设计
系统通过对属性数据库和空间数据库的数据访问，实现数据录入和管理，并可对其进行分析统计和查询，实现不安全状态与行为评判、冲突风险分析、特殊天气风险分析、预测预警、应急处理方案智能选择、事故逃生救援指挥等功能。除此以外，为了维护系统安全和方便用户使用，还应设计系统维护功能。系统总体结构如图１所示。１）基础信息管理。①人员安全基础信息管理：应包括所属单位、所属标段、人员类型（项目经理、安全总监、安全员、技术人员、施工队长、施工小组长、普通工人、特种作业人员等）、出生年月、性别、职务（或工种）、学历、工作经验、身体状态、心理状态、安全培训考核情况、作业地点（针对作业人员）等信息。②机械设备安全基础信息管理：应包括机械设备与装备的类别（盾构机、土石方机械、混凝土机械、起重及运输机械、钢筋加工及焊接机械、装饰装修机械、脚手架等）、名称、型号、所属单位、性能状态、责任人、检修情况、验收记录、安全交底情况等信息。③环境安全基础信息管理：应区分自然环境和社会环境，自然环境应包括特殊天气类型、风力等级、风向、能见度、气温、密闭空间含氧量、地下空间潮湿程度等信息，社会环境应包括项目部安全文化建设情况、安全制度制定情况、安全奖惩制度实施情况、安全交底通畅情况、施工人员之间是否和谐等信息。④工程结构物信息管理：应包括结构物各部位的三维地理信息、工程进度信息、结构强度增长信息等。⑤临时设施信息管理：应包括临时设施类型、地理位置、平面布置、高度等动态信息。⑥既有设备设施信息管理：应区分建筑物、构筑物、路面、市政管线。建（构）筑物应包括基础类型、基础埋深、结构形式、建筑物高度、建筑物与地铁水平距离、监测断面距开挖面水平距离、已用年限、裂缝和倾斜度等信息；路面应包括路面类型、路面宽度、交通荷载情况、路面距离基坑边缘的距离；市政管线则应包括管线材质、接头类型、管线压力、管线埋深、管线外径、管线与基坑边缘水平距离、监测断面与开挖面水平距离以及管线张开角、埋设年代、铺设方法、截面形状等信息。２）监控信息管理。利用高清音视频采集、传输和处理技术，直观且全方位地了解施工现场情况，辅助决策和指挥。利用位移传感器、温度传感器、湿度传感器、氧含量传感器等测得邻近建（构）筑物变形、车站基坑变形、区间隧道变形、工作环境温度、工作环境湿度、地下空间氧含量等信息，通过光纤等传输介质实时传输给系统。３）不安全状态与不安全行为分析评判。利用专家模糊评价法对人员和机械设备不安全状态进行分析，根据变形监测信息对基坑坍塌、邻近建（构）筑物开裂倾覆等进行风险分析，采用模糊评价法、计算分析法等评价风险严重程度等级和概率等级。４）冲突风险分析。利用３ＤＧＩＳ的空间分析功能，分析某一正进行人工作业的工人是否位于机械设备（例如挖掘机）的回转半径、倾覆半径之内，对２个及以上的大型施工装备（机械）进行回转半径重叠分析和倾覆半径冲突分析，对大型施工装备（机械）和工程结构物（或临时设施）之间的冲撞可能性进行分析，对高耸机械设备倾倒半径与地面社会交通之间进行重叠分析，对事故的多米诺骨牌效应（即某一事故可能引发一连串事故）风险进行分析，采用模糊评价法、计算分析法等评价风险严重程度等级和概率等级。以塔式起重机和履带式起重机之间的冲撞为例进行分析，当塔式起重机和履带式起重机同时作业时，塔式起重机起重臂旋转空域与履带式起重机吊臂的变幅和转动空域有重叠，如图２所示。若将ＧＰＳ接收机ＯＥＭ板分别安装于履带吊和塔式起重机的回转中心（便于安装且不易损坏的位置），则可即时获得履带吊和塔式起重机的回转中心的的坐标，当两者的距离小到一定值时，履带式起重机和塔式起重机空间区域可能有重叠，即两者存在冲撞的风险。由于信号传输需要时间导致ＯＥＭ版接收数据会有滞后性，所以当两者趋于接近时，就应该触发警报，提醒司机注意，若司机未采取相应措施，系统可控制起重机停车。５）特殊天气风险分析。利用从气象部门获取的天气预报信息，分析特殊天气可能导致的风险，并分析特殊天气最不利组合（例如：强风＋暴雨＋雷电、强风＋暴雪、强风＋雾霾）可能导致的风险，采用模糊评价法、计算分析法等评价风险严重程度等级和概率等级。６）风险预测、事故预警。系统根据各种数据（基础信息、监测信息、天气信息、风险严重程度等级和概率等级、冲突分析结果）生成报表、变形曲线图、变形速率图等，并对风险进行综合分析预测，计算各项风险的风险值，与系统预设的分级预警值进行比较，一旦达到预设的某一级别预警值，系统立即发出相应级别警告，可供选择的警告方式有：①电脑音响警报（针对系统管理员）；②手机警报（该方式需要与移动通讯服务商签订协议，系统可实现群呼叫。手机内设置多种风险语音报警铃声，不同类型风险按照通讯录群组来划分，不同通讯录群组设置不同的风险报警铃声，一旦系统监测或分析出来某种事故征兆或安全隐患，立即自动拨打相应施工人员手机。这种方式用于地下空间时，可能因为信号不畅而需要在地下空间设置手机信号站）；③对讲机报警（系统设计网络模拟对讲机功能，一旦系统监测或分析出来某种事故征兆或安全隐患，立即通过预设语音自动进行对讲机呼叫，也可以由系统管理员手持实体对讲机进行呼叫）；④通过埋设在隧道和基坑内的警报器发出报警。７）安全隐患辨识与管理。应包括隐患编号、隐患名称、状态描述、现场照片、危害等级、位置、辨识人、责任人、责任单位、是否解决、解决措施、解决效果等信息。８）应急处理方案选择。系统应能根据险情位置、类型等从应急预案库中自动调出可供选用的应急预案，安全管理人员可根据现场实际情况选择合适的应急预案，并由现场具体实施。９）事故逃生与救援指挥。系统能够指导施工人员在事故前进行紧急避险，指导施工人员在事故发生后进行安全逃生，并能够立即调出救援预案，利用ＧＩＳ的网络分析功能为施工救援提供物资调配、救援人员调遣等参考信息［１９］。１０）系统维护。包括系统软硬件安全维护、用户权限等数据维护、系统使用帮助。
４与现有系统的对比
基于３ＤＧＩＳ的地铁施工安全风险远程网络系统与现有可视化监控系统（包括视频监控系统、考勤定位系统、ＬＥＤ显示系统、无卡报警系统、管理系统等）相比，功能进一步拓展，更加智能化、集成化、可视化，具体的功能比较见表１。安全资金投入方面，前者主要增加的投入是３ＤＧＩＳ系统平台软件的购买和开发费用，以ＡｒｃＧＩＳ３Ｄ为例，购买费用约３．１万元。前者比后者还需要增加系统开发费用约３０万元，但软件系统可复制在多个施工项目部使用，因此系统开发费用是可以接受的。位移、温度、湿度、氧含量监控可采用光纤传感器，也可采用无线传输，所需增加的只有温度、湿度、氧含量传感器的购置费用，对资金投入影响不大。适用性方面，前者主要是硬件系统，未实现智能集成，在信息共享方面也有所欠缺，仍需要人员在监控室全方位安全监视、高强度地分析，人为因素偏大，更不利于安全风险的综合分析与评判预警；后者则可软硬件良好配合，软件系统充分集成各硬件监测信息，并将监测信息与基础信息进行综合管理与分析，可大大减轻监视人员的工作强度，提高风险监控的工作效率，真正实现“人机环基础信息管理—动态监控信息管理—冲突分析—隐患辨识与管理—风险预测预警—事故救援指挥”的全流程、全方位的安全精细化管理。
５结论与建议
论文指出开发集成系统的必要性，并对系统功能需求进行了论述，提出系统的开发思路，建设性地提出了应在现有系统的基础上实现不安全状态与行为评判、冲突风险分析、特殊天气风险分析、预测预警、应急处理方案智能选择、事故逃生救援指挥等功能。目前已经完成了各种大型装备和工程结构物的三维建模，但是还有几个难题需要解决：１）缺乏既有构（建）筑物风险动态变化及预测模型；２）视频监控不安全信息的快速智能化处理。在解决了上述难题后，研发地铁施工现场安全风险分析与管理系统的难度将大大降低，也可大大提高我国地铁施工安全信息化管理水平。希望政府相关部门和地铁施工管理部门加大安全信息化管理的资金投入，力争该系统的尽快建成，发挥其高效的使用价值。
作者：于全胜 单位：北京中铁隧建筑有限公司
