武汉地铁工程建设安全预警系统的设计与应用

范 斌, 骆汉宾, 周 诚

(1.武汉地铁集团有限公司, 湖北 武汉 430030；2.华中科技大学 a.土木工程与力学学院; b.控制结构湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430074)

随着国民经济的快速发展，我国地铁工程进入了蓬勃发展阶段，据统计2010年前北京、上海、广州、天津、深圳、沈阳、杭州、南京、武汉等地将再建约25条城市轨道交通，国家将投资地铁土建安装工程约2500多亿元[1]。但由于地铁工程多建于热闹繁华的市区，地层条件的不确定性及周围环境的复杂性增加了地铁施工的难度和风险。据不完全统计，从2005年至今我国地铁施工四级以上重大事故共发生20多起；而地铁工程保险的赔付情况(图1)也直观反映了地铁施工事故所造成的经济损失[2～4]。因此，如何加强地铁工程建设安全控制的能力，预防和减少地铁施工过程中的安全事故、最大程度降低人员伤亡和国家财产损失，是政府和地铁建设项目各参与方亟待解决的重大现实问题。

1 动力机制分析

地铁工程建设是一项庞大的系统工程，建设过程中环境、物、人的因素不同于一般建筑工程，地铁工程建设的特殊性在客观上给地铁工程建设安全控制带来了诸多压力，主要表现在以下几个方面：(1)面临地质、水文、气象等自然环境不利的压力；(2)面临既有交通、地下管线、紧邻建筑物等周边环境复杂的压力；(3)面临建设规模、专业工种、施工设备等劳动技术密集的压力；(4)面临深基坑开挖、围岩稳定等工程理论欠缺的压力；(5)面临组织结构、环境保护等其他方面的压力。

图1 全国各主要城市地铁工程保险赔付情况

目前我国地铁工程建设过程中一直沿用传统的建设安全控制模式和方法，这已经不能很好满足地铁工程建设安全控制的需要，集中表现为地铁工程建设安全知识的积累和利用不足、地铁工程建设安全集成监控的力度和范围不够以及地铁工程建设安全管理的技术和手段落后这三个方面。同时，信息技术在建设领域里的成功应用，充分显示了以计算机技术和网络通讯技术为代表的信息技术在工程数据采集、预测分析、模拟仿真、决策支持等方面快捷、高效、智能的优势[5～8]，给地铁工程建设安全控制管理带来了新的思路和视角。

因此，充分利用先进的信息技术改造传统的建设安全控制和管理过程，实现地铁工程建设安全控制管理与信息技术的结合，构建地铁工程建设安全预警系统，其驱动力来自于地铁工程建设安全控制业务的需求拉动和信息化技术发展的推动，如图2所示。

图2 构建地铁工程建设安全预警系统的动力机制

2 设计与构建

地铁工程建设安全预警系统是服务于各城市地铁工程建设指挥部或地铁公司各层面人员进行地铁工程建设安全控制管理的专业化系统，同时支持地铁建设项目的各参与方协同管控地铁工程建设的安全。系统的设计和构建思路是：在全面分析地铁工程建设安全控制信息结构特征后，综合提炼业内先进企业及专家知识经验，采用以本体论为代表的智能信息表达工具，进行地铁工程建设领域安全知识库的设计研究，并以此为基础充分利用以XML和WEB服务为代表的信息处理技术，研究构建面向Internet的地铁工程安全控制各责任主体和有关主管机构的开放式安全控制信息系统。

2.1 安全预警知识库的设计与构建

构建地铁工程建设安全预警知识库是设计研究地铁工程建设安全预警系统的基本工作之一。其设计目标是把施工企业、监理单位、建设单位、安全监督机构，甚至整个行业中关于工程安全的分析、预测、处理知识及专家智慧加以提炼、整理、系统化存储，并为地铁工程安全管理控制等提供知识共享和智力支持的知识管理机构。为了实现上述设计目标，确定系统知识库的总体规划和设计如表1所示。

表1 地铁工程建设安全预警知识库分类表

从过程的角度看，构建地铁工程建设安全预警系统知识库最重要的是把知识具体化、结构化、标准化，实现人的抽象知识向计算机的具体转移，用计算机程序对各种知识的推理过程进行模拟，以产生出与专家相同的判断结果。因此，各种安全知识的获取、表示、组织、存储和管理是构建地铁工程建设安全预警系统知识库的主要任务，以地铁工程监测预警知识库为例，其过程如图3所示。

2.2 系统的功能体系结构设计

地铁工程建设安全预警系统的功能体系由安全总控和安全业务两大部分构成。安全总控功能体系是以系统集成监控平台为基础，汇总经过处理的安全信息流，重点在于支持项目最高决策者进行监督、协调和预警、决策，主要包括系统用户管理功能、系统知识库维护管理功能、GIS空间决策支持功能、远程监控服务功能、OA自动化办公功能等。安全业务功能体系是以安全预警知识库为基础，集成各种控制环节和业务要素，实时提供基层安全控制的具体数据，分析形成用于指导和控制地铁工程建设的安全预警信息流，达到支持安全总控功能体系的目的。系统的功能体系结构如图4所示。

图3 地铁工程建设安全预警知识库的构建过程

图4 地铁工程建设安全预警系统功能体系

3 系统开发与应用

以武汉市地铁二号线一期工程建设项目为背景，华中科技大学工程管理研究所开发实现了武汉地铁工程建设安全预警系统，目前为止该系统应用情况良好。针对武汉市地铁二号线一期工程建设规模庞大，工程安全目标较高，控制涉及面广，数据结构复杂，使用主体要求各异等特点，系统前台开发采用JAVA语言，后台采用Oracle9i数据库，基于J2EE、Web Services技术构建分布式多层结构；并运用平台无关的XML数据传输和交换技术，实现业务模型资源与系统实现技术的分离，以提升管理系统的技术无关性；同时采用GIS/CAD平台技术、智能终端PDA数据采集技术、VR可视化技术、多媒体技术等，实践了系统既定的设计和构建思路，从应用层面解决了如何有效加强地铁工程建设安全控制的问题。

3.1 地铁工程监测管理与报警

通过基于工程监测控制点知识库的地铁工程监测报警机制，各安全责任主体可以在GIS平台上形象化查询各类测点分析图等结果，从而科学、全面、动态、直观地掌握地铁在建工程的安全现状，同时系统以各级报警发布的形式重点提示决策者注意地铁工程建设过程中暴露出的安全隐患和问题，如图5所示。

3.2 施工风险预警与控制

通过基于施工风险控制点知识库的地铁施工风险预警机制，在地铁施工工法和施工形象进度的基础上识别地铁施工风险，提供该地铁工程建设过程中具有时间进度、空间位置、气象背景的风险分析、风险评价等决策支持，从而定期自动发布各级施工风险预警，促使被动安全控制转变为主动前馈型安全控制，如图6所示。

图5 工程监测管理与报警功能界面

图6 风险预警子系统数据传递与功能界面

3.3 其他功能应用

(1)应急救援联动与调度。预案配置子系统以某地铁工程各施工标段的应急救援预案为基础，设计包括应急救援人员、设备、物资等信息的专业数据填报模板；经过审核后由GIS/CAD平台动态显示实时的预案配置情况，并通过短信平台等通讯手段发布给有关人员，方便决策者掌握真实可靠的信息，重点管理未落实到位的资源，从而实现资源的合理安排和科学调度，具备应对地铁施工过程中各种突发事件的能力。

(2)远程检查与跟踪监控。子系统在上述三个子系统的基础上，通过设计编制智能终端PDA上使用的嵌入式检查填报表格，建立智能终端PDA和系统的实时通讯传输机制，保证安全监察人员做到严格督察监测点报警出现的原因，重点巡查风险预报中提示的危险源，有效抽查应急资源配置的落实情况，并将跟踪检查的结果即时传回系统，从而实现效率高、针对性强、干扰因素少的安全监察。

(3)隐患事故快报与处理。子系统利用PDA通讯技术和网络技术迅速上报事故险情，根据险情通过检索引擎快速检索工程风险知识库中的风险信息以及瞬时应急救援人员、设备、物资分布情况，启动事故鱼刺分析排查和救援调度运算，从而实现安全监督系统的应急反应能力和事故快速处理能力。

4 结 语

地铁工程是一项复杂庞大的系统工程，其建设过程中面临着诸多的安全隐患，传统的建设工程安全控制方法和手段已不能很好的满足地铁工程建设安全控制的需要。要有效解决地铁工程建设安全控制这一难题，必须完成以下三个方面的工作：

(1)将地铁工程建设领域零散的安全经验提炼、转化为规范化、标准化、可重复学习利用的安全预警知识，建立统一的地铁工程安全预警知识库；

(2)利用先进的信息化技术和地铁工程建设安全控制业务要素，建立地铁工程建设安全预警系统，实现地理位置分散的地铁各工程标段，接口标准不统一的各硬件设备、应用软件和功能服务需求多样化的安全责任主体的有机集成；

(3)通过系统的实际应用，不断调整和完善系统的功能体系，实现广义范围内和深层次上的安全信息资源沟通和共享。

地铁工程建设安全预警属于工程管理信息化的研究范畴，涉及到安全系统工程、工程项目管理等基础学科的内容，并依赖于计算机建造技术、精准建造技术。因此，加快地铁工程建设管理信息化及相关基础理论的研究，并与地铁工程建设安全管理实务相结合，具有极高的学术价值和理论意义，对于维持城市日常生活和经济运转具有重要的现实意义，必将产生巨大的经济效益和社会效益。

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