我国地下工程建设安全信息化技术及发展探讨

陈向红, 张 乐, 臧建军, 杨 涛

(中煤建工集团有限公司，北京 100161)

0 引言

伴随科技发展和城镇化的快速推进，对城市地下空间的开发利用及深地资源开采需求逐步提上工作日程。早在1991年日本东京举办的第四届国际地下空间大会提出的《东京宣言》认为：“21世纪是人类地下空间开发利用的世纪”。1997年10月27日我国建设部发布《城市地下空间开发利用管理规定》提出：“城市地下空间规划是城市规划的重要组成部分”，并在2017年9月6日举行的《关于加强城市地质工作的指导意见》发布会上，我国政府首次表态将城市地下空间纳入土地利用规划。截止到目前，已有北京、上海、重庆等20多个城市制定了城市地下空间专项规划，地下空间开发利用受到越来越多的重视，被认为是加快构建城市可持续发展新格局和支撑国家核心战略的重要内容[1]。

在这样的大背景下，国内量大面广的地下工程建设需求与安全保障管理机制体系相对薄弱的矛盾日益凸现。尤其近十年来，随着地下工程建设逐步进入规模化发展阶段，在复杂环境条件下，地下工程建设将不可避免地穿越大量桥梁、道路等既有建筑物，对建筑安全及正常使用造成影响，主要表现为由地下工程建设引起的安全事故频发[2]。信息化技术以其快捷性、互动性、共享性等优势，在地下工程安全保障系统中发挥越来越重要作用。

1 地下工程建设安全理论

每一起安全事故往往是由人、管理和安全技术实施的结合。正如钱七虎[2]院士所言：“工程事故的预防主要从创新技术方法和改善管理方法两方面来进行”，并指出：“责任事故及主观原因是构成地下工程建设安全管理巨大挑战的主因”。

1.1 工程安全管理

安全管理是指为实现安全目标而进行的有关决策、计划、组织和控制等方面的活动。国外有关工程安全管理的研究最早可追溯至20世纪30年代的欧洲，相比之下，我国开始起步晚了近50年。最初，工程风险管理为基于局部管理和静态管理，进入21世纪后，风险管理理论逐步细化，风险评估模式、预测预警与控制决策等得到快速发展，并随着风险管理理论的不断完善，大型工程风险管理的重心逐步向全局管理和动态管理方面过渡[3]。

1.2 工程安全技术

如单从技术角度考虑，国内外学者在工程安全建设中采用的分析理论主要划分为以下3种：①数学分析：模糊数学法[4-5]、WBS-RBS法[6]、概率法[7-8]等；②数值分析；③试验分析。其中，数学分析方法以构建科学合理的指标体系为基础，本质是反映被评价对象的属性和特征，因此，无论采用定性指标或定量指标，计算精度均与样本集中的评价对象本身特性和取样数量密切相关。后两种方法则针对具体工程，通过建立有限元模型、足尺模型或比例缩放模型，进行一定简化处理后得出某指定条件下的结构变形和受力机理。由于许多工程存在自身结构、周围环境、工程地质水文地质条件的复杂性，人为因素和探测设备技术指标等对研究结论的可靠性影响较大。

目前，虽然我国在工程建设安全保障技术和管理方面取得了一定进展，但考虑许多工程自身结构、周围环境以及工程地质水文地质条件等的复杂性，尤其是在地下工程建设方面，常因为对工程地质情况认识不足、计算参数选取不够合理等，使得研究成果专业化程度不高、规范性不强、作用不突出，以至于在不少大型地下工程项目中人为和非人为因素导致的工程事故不断。

2 地下工程信息化技术

海恩法则[9]指出：“每一起重大安全事故的背后必然有29次轻微事故、300起未遂先兆及1 000起事故隐患”。可见事故本身往往是由于各种因素积累到一定程度之后的必然结果。信息化技术以其反映出的数字化、全局化、动态化等控制优势，成为当前工程界广泛采用的一项新技术[10]。

2.1 传统监控量测技术

2013年住建部与质检总局联合发布的《城市轨道交通工程监测技术规范》，对城市轨道交通工程的监测范围、方法、监控及预警等做出了具体规定，为信息化施工和安全运营提供依据[11]。此外，亦针对隧道、管廊、矿井等专业领域开展了相关技术标准规范的制定与研究工作[12-13]。

地下工程监测技术主要包括智能传感器、信息采集及传输自动化、检测软件系统等3个方面。由于其监测反馈信息过度依赖于人为、地理与环境因素，或者由于监控设备提供来自不同的厂商，因此，在数据交换、信息共享、安全防范等方面均存在一定局限性。项目之间缺乏数据交互，容易形成“信息孤岛”，致使信息访问性与可借鉴性较差。主要体现在：

1)传统监控采用人工管理模式，运营管理成本高，管理水平、质量以及监测成果的准确可靠性无法得到有力保障；

2)设施管理的监测监控能力、应急调度指挥能力、综合业务能力不高；

3)监控视频、监控数据分散，不利于相关部门管理和决策。

基于上述原因，在解决紧急事故发生时仍往往倾向于依靠理论界专家，以会议形式进行风险评估，汇总专家意见以形成决策方案或政策草案[14]。

2.2 大数据、云平台物联网技术

为弥补传统监测技术存在的不足，解决不同厂商、不同产品的兼容和多个系统融合集成的问题，需要充分考虑平台的网络接入和资源的互利共享。物联网大数据、云平台技术的应用从某种程度上解决了品牌兼容、系统集成与融合、协议与接口标准不统一的难题，成为未来地下工程建设发展[15]及风险防控应急预案体系的主流趋势[16]。

2.2.1 BIM及物联网技术

BIM与物联网技术应用于隧道与地下工程，是当今信息化、智能化发展背景下的产物，实现了人机定位、危险源预警、重大设备控制等功能，同时RFID智能识别技术、GPS以及GPRS数据传输技术等构建实时的监控，智能化模拟显示屏可直观地显示地下空间内各种设备的运转情况，及时了解灾情和非法入侵的发生及其方位，可方便开展应急救援。

2.2.2 BIM-GIS技术

GIS技术是采用地理模型分析方法，实时提供空间与动态地理信息的技术。针对地下工程设计中“地质环境复杂、基础信息匮乏”的基本特点，在GIS地理数据的基础之上进行BIM软件模型设计，不但弥补了BIM建立地质模型存在的技术困难，也使得模型分析能够反映地质条件的因素影响。BIM与GIS的结合被认为是BIM技术在我国地下工程领域普及[17]与施工安全[18]面临的一项重要课题。

3 地下工程信息化技术的发展思考

《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》指出：“基础学科之间、基础学科与应用学科、科学与技术、自然科学与人文社会科学的交叉与融合，往往导致重大科学发现和新兴学科的产生，是科学研究中最活跃的部分之一”。可见，开展交叉学科的信息化技术研究，对于地下工程建设安全而言，是提高监测预报水平，符合国家战略发展的一项重要举措。

截止到目前，已有学者提出无线新材料传感器、光纤智能监测、虚拟现实、星载雷达以及无人机遥感探测等的地下工程监控量测系统的新方法[19]。结合以往地下工程建设安全研究成果，笔者认为仍需重点从以下几个方面进一步开展工作：

3.1 事故案例调研与分析

事故案例与调研结果建立的数据库是为类似工程提供设计参考的最好素材，是建立工程安全预报预警系统、降低类似工程事故发生，保障工程安全的重要要素。调研者上传研究成果到数据平台，不同专业的工程师可以通过参照模型的方式浏览到不同专业的相关数据，并基于风险事故的形成原因、形成过程及分析结果，结合类似工程项目进行应用，并将验证信息适时反馈给平台，从而可实现信息交互，避免重复工作，提高工作效率。

3.2 多场耦合研究

在应力、渗流、温度和物理化学场等的共同作用下，将引起岩土介质的变形、孔隙水的渗流、化学反应、物质迁移等多过程的耦合问题。该问题的解决将有助于为工程建设、地质灾害防治、环境保护及能源(如地热、油气等)高效开采等提供理论基础和理论指导。但由于岩土体地质存在的时空离散性和波动性，目前建立的本构模型要么基本假设过多，工况研究过于宏观化，失去了准确模拟的效果；要么指定的设计参数过于经验化，影响研究成果的普适性。因此，构建多场耦合条件下统一的力学计算分析理论仍有待于进一步研究和发展。

3.3 智能化探测技术研究

1)探测仪器研发方面。如开展基于智能感知的风险自动解析仪的研制，开展采用多输入输出多通道的多模式头端与天线研究，开展采用多通道多噪声源过滤技术的融合分级过滤器研究，以及采用卡尔曼滤波技术的差分过滤器研究等。

2)系统研究方面。如开展采用无线传感器网络服务质量(QOS)网络架构的施工监测无线网络系统研究，开展采用多点分布无线传感器网络协作机制的监测系统协作与管理研究，开展节能与安全无线传感器网络与同步协议及路由算法研究，以及风险数据智能管理系统研究等。

3)设备安装。如基于物联网技术和信息化建筑模型，在地下工程施工现场进行监测传感器无盲区布设和安装，基于智能感知的大数据采集，进行信息中心、数据传输线、自动解析仪的工程设置等。

3.4 项目风险识别、量化技术研究

地下工程建设安全风险源识别、量化的评价方法主要包括：层次分析法(如AHP法和ANP法)、专家打分法、Delphi法、BP人工神经网络法等。由调查得出的风险指标相互影响关系、相对重要程度，可基于物联网技术、现场监测数据、多传感器多层次风险监控信息，并借助软件建立模型对可能发生的安全事故进行预测。探测技术和设备越先进，探测出的数据越准确，则理论推演出的安全评价越准确。

4 结论

地下工程建设安全问题是我国未来重点发展和研究的关键问题。

本文首先总结了地下工程建设安全领域的管理和技术理论的主要研究进展，并基于传统监控量测技术存在的不足，提出了当前我国地下工程建设安全的新思路：考虑地下工程建设具有多目标、多阶段、多风险、多灾害特征。在规划、设计、建设和运维全生命周期引入智能信息化技术，通过建立大数据、云平台物联网技术平台，建立全覆盖、全过程地下工程动态灾害监测感知系统，开展探测技术及装备研究，优化工程安全评价指标体系等。逐步推进地下工程建设安全信息化技术水平。

总体而言，近几年我国地下工程建设安全信息化技术取得了长足发展，但与国际先进管理水平尚有较大差距，安全保障技术尚不成熟，理论体系还有很大的提升空间。针对地下工程的安全管理手段和方法研究仍任重而道远。