多功能工程应急监测智能移动平台的可行性研究

陈少祥，陈久照，张坚，何钦，张记峰

（1、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司广州510500；2、广东省建设工程质量安全检测总站有限公司广州510500）

0 前言

近年来，社会经济快速发展，随着建设工程体量的日益增大和建设用地的逐步减少。建设项目规模大、环境复杂、风险高的特点日益突出。根据住房和城乡建设部公布的全国房屋市政工程生产安全事故的统计数据（见图1），2001～2018 年期间，生产安全事故数量及事故致死人数总体呈下降趋势，但总体数量仍然较高；且自2015 年起，事故数量及死亡人数有抬头趋势。

图1数据表明，近年来新技术的不断推广和应用，并未能有效遏制事故的发生和减少事故的损失，形势仍十分严峻。在目前的发展形势下，工程事故无法杜绝，深入研究如何在事故发生时快速组织应急抢险，减少因事故产生的次生灾害或二次事故，减少人员伤亡，降低经济、社会影响是重要的研究方向，也是防灾减灾研究中重要的一环。

工程应急抢险智能监测移动平台的研究是工程应急抢险技术研究的探索之一，通过该技术的研发，达到快速反应、辅助决策的目的，争取在黄金救援时间内有更多的“作为”，解决应急抢险中“非不为，是不能也”的窘境。

图1 2001～2018年全国房屋市政工程生产安全事故数量及死亡人数统计曲线Fig.1 The Statistical Curve of the Number of Accidents and Deathsin the Production of Housing and Municipal Engineering in Chinafrom 2001to2018

1 案例及分析

本文梳理了近年来多个典型的工程应急抢险案例，并对事故发生的原因及应急抢险过程进行简要的汇总描述，具体如下：

案例1：2015年，某市发生渣土受纳场堆体滑坡事故［1］，滑坡涉及总面积约 38 万 m2，造成周边 33 栋建筑物受损和73人死亡，直接经济损失约8.81亿元。事故现场调派了123 台生命探测仪、4 台无人机参与应急监测和辅助救援［2］。同时，为了监测现场环境的变化，救援期间在现场布置自动化监测设备对邻近山体进行实时监测、实时预警，防止发生二次滑坡。

案例2：2016年，江西某发电厂三期扩建工程发生坍塌特别重大事故［3］，事故共造成 73 人死亡、2 人受伤，直接经济损失约10 197.2 万元。现场应急救援指挥部调派了无人机、生命探测仪、破拆机械、发电机等设备，利用卫星移动通信指挥车、微波图传、4G 单兵移动通信等设备将现场图像实时回传至上级单位，为现场救援提供有力支撑，有效防止了次生事故伤亡。

案例3：2018 年，某市轨道交通21 号线站区间突发坍塌事故［4］，共造成3 人死亡，直接经济损失约1 008.98 万元。现场应急救援指挥部调用了无人机、生命探测仪、全站仪等设备，用于辅助救援、影响区勘定等。

案例4：2019 年，某市地铁11 号线施工区域发生坍塌事故［5］，共造成3人死亡，经济损失巨大。事故现场启用无人机进行了环境调查，同时为确保搜寻区域及周边安全，第三方监测单位设置了170余个监测点，持续对现场及周边地表、高架桥、管线和建筑物进行不间断的监测。

1.1 案例分析

分析以上几个案例可知：工程应急现场一般从事故现场及周边环境调查开始，根据事故发展趋势及周边环境情况，针对性地制定救援方案，进行现场抢险及周边环境保护。此外，本文还调研分析了国内外数十个案例，将工程应急抢险中主要应用的技术措施归纳统计如下：多旋翼无人机、生命探测仪、智能测量机器人及智能传感器、应急指挥通信车、4G 单兵移动通信、微波图传技术、自动化监测系统。

通过对上述工程应急抢险案例的统计可知：救援过程中，需要多专业、多设备的交叉作业，多种数据的融合可起到科学研判、辅助指挥的作用。从作业流程和应用技术分析，主要分为3 个类别：环境调查类；趋势分析及辅助救援类；周边环境保护监控类。

1.2 需求分析

通过总结，应急抢险过程的需求工作可梳理为以下几个主要部分：

1.2.1 环境调查

突发事故发生时，组织应急抢险工作的前提是对事故现场及其周边环境情况的及时收集，了解现场范围、人员伤亡、重要市政设施、周边重要建筑物等基础情况，为制定合理的应急救援措施提供参考。

1.2.2 趋势分析及辅助救援

在对事故现场进行充分环境调查的前提下，实时动态获取事故现场及其周边环境的数据信息，从而分析事故发展方向、发展趋势及可能存在的二次事故等。避免发生次生事故，控制救援人员伤亡。

1.2.3 周边环境保护监控

明确了周边环境重点保护对象及事故发展趋势的前提下，在工程应急抢险期间对事故现场周边邻近的重要市政设施、文物、居民区等予以重点保护性监控。准确掌握受影响程度，就异常情况及时发出预警，避免出现次生事故伤亡。

2 可行性分析

根据应急现场对于应急监控的需求分析，应急监控3 个阶段可简化为：环境调查、区域测量、定点保护监测。基于现有的通讯、摄影及智能传感等技术，各阶段可采用如下方式实现。

2.1 环境调查

采用影像系统，特别是无人机影像系统对事故现场进行全方位不间断的影像获取及巡航工作，实时获取事故现场的整体环境的影像资料，基于整体情况的影像资料，排查有害环境和明确测量范围，确定保护对象。将实时数据反馈并投射至控制中心直观展现，用于辅助决策，同时为应急抢险工作人员提供真实、可靠、实时的环境调查信息，为区域测量及后续应急监测工作提供基础资料及信息。根据当前技术发展，既有主要技术包括：

2.1.1 无人机技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备程序控制装置操纵，或由车载计算机自主控制并执行特定任务的不载人飞行器。目前，基于软硬件与服务生态支持的无人机行业应用技术已日趋成熟，广泛应用于农业、森林防火、国家电网、勘灾救灾、社区巡逻、物流等行业。在勘灾救灾方面［6-12］，小型专业级无人机配合其搭载的软件平台技术，已可实现实时获取现场影像、3D 建模、现场大致情况及风险源的能力。

2.1.2 视频影像技术

视频影像技术在现实应用中［13-16］，主要以视频监控的形式存在。近年来，随着计算机、传感器、软件、射频/图像识别、通讯等技术的快速发展，当前监控系统已可实现图像的自动识别、存储和自动报警。结合无人机、近景摄影测量等技术，可实现实时三维建模，快速建立应用场景等。

2.1.3 生命探测技术

传统意义的生命探测技术，是基于雷达超宽频技术的应用。它以电磁波为载体，实现远距离、多生命体无干扰的情况下非接触地获取生命体信息。当前随着专业融合发展，基于多旋翼无人机、智能机器人的生命探测技术已日臻成熟，得到广泛应用［17-19］。

2.1.4 其他现场作业环境探测技术

现有设备能对现场作业环境［20-22］，尤其是事故现场，涉及环境质量进行监测，如：有毒有害气体、固体颗粒物、声压声级、冲击波、放射性等探测。实时掌握现场作业环境参数，可有效保障救援人员生命安全。

2.2 区域测量

在对事故现场进行充分环境调查的前提下，采用3D 扫描技术或摄影测量技术，实现对事故区域范围内地表、建筑物等点云变形数据采集，并根据数据的变化，结合3D 建模等技术，实现区域变形发展趋势分析。根据当前技术发展，既有主要技术如下：

2.2.1 3D扫描技术

主要以三维激光扫描技术为代表，可通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，快速建立物体的三维影像模型，具有快速、非接触、实时、动态、主动、高密度、高精度、数字化、自动化的特点，能够快速获取大范围扫描数据，最高测量拟合精度可达0.1%F·S，广泛应用于地形勘测、工程测量、灾害应急等项目［23］。

2.2.2 图像识别技术

图像识别技术是以计算机技术为基础，对图像进行处理、分析和理解，以识别不同模式目标和对象的技术。当前已广泛应用于人脸识别、车牌识别、环境监测、天气预报、地图地形配准、导航等。

2.2.3 地质雷达探测技术

利用超高频电磁波探测地下介质分布，其基本原理是通过发射超高频率、一定脉冲宽度的脉冲电磁波讯号，当这一讯号在岩层中遇到探测目标时，会产生一个反射讯号。该技术可应用于排查、监控存在疑似空洞或土层疏松等地质缺陷［24］，通过监测地质缺陷的发展趋势，判断地层塌陷的发展速率及范围。

2.3 定点监测

在环境调查、区域测量的基础上，对事故现场、邻近重要的建（构）筑物等进行定点监测，目前智能传感器已实现亚毫米级精度的实时自动化测量，通过监测数据自动化采集、传输、处理及分析，实现对如供水、煤气、道路、桥梁、隧道及文物等重要建构筑物进行高精度自动化测量。根据当前技术发展，既有的主要技术如下：

2.3.1 智能测量机器人

测量机器人又称自动全站仪，是一种集自动目标识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台。配合机载软件，能对固定标靶实现连续、实时的亚毫米精度的变形监测，目前早已成熟并广泛应用于水库大坝、矿山边坡、建筑基坑，以及既有建（构）筑物的保护监测等方面。

2.3.2 智能传感器

概念上来讲，智能传感器是具有信息处理功能的传感器［25］，它基于微处理内核，可实现采集、处理、交换信息等功能。在专业融合发展的背景下，它为关联专业的发展提供了硬件基础，实现应力应变、位移、温度、压力、光感等物理量的自动化量测与传输，达到0.1%～0.35%F·S 的高精度。大量应用于工程自动化监测项目［26］，并以此为基础支撑了装备产业的发展。

2.4 其他辅助技术

2.4.1 5G通讯技术

即第五代移动通信技术的简称，以高速率、低延时为显著特点。为现场各设备链接和信息传输提供了高效技术方案［27］，可实现各类型影像、图形及数据的实时传输，当前5G 技术的发展方兴未艾，应用场景极具想象力。

2.4.2 锂电供电技术

近年来国内锂电池快速充电及容量技术的解决，提高了移动装备的续航能力。为移动平台软硬件集成作业提供基础保障。

2.4.3 智能信息系统建设

智能信息系统的发展为“数据融合”提供了基础条件，实现图形、影像、数据等基础大数据的深度二次加工，并智能分析与研判，提高作业效率和精度。

3 平台研发

3.1 平台构建

多功能工程应急监测智能移动平台的建设不是简单的设备堆积，而是以设备为“躯干”、网络为“神经”、系统为“大脑”的智能平台。结合前文工程应急抢险3 个阶段及目前既有技术的发展水平，工程应急抢险智能监测移动平台的研制是可行的，初步设计构想如下：

3.1.1 总体原则

专业化、集成化、信息化。

3.1.2 初步构想

工程应急监控技术及装备研发与应用是基于5G、无人机勘测、声波探测、激光扫描、摄影测量、智能信息系统等技术，研制出一款适合日常监测作业和应急监控的多功能车载移动作业平台，实现在各种工况下的现场量测、数据处理、信息发布等功能。从而实现在地质灾害、地陷、基坑坍塌等多种工程事故发生的第一时间对事故现场的事故范围、现场条件、周边环境、发展趋势及重点建筑进行数据采集和发布，辅助应急决策，达到缩短应急反应时间、减少人员伤亡、降低经济损失和社会影响的目的。

3.1.3 功能拓扑图

根据功能要求，初步构想拓扑图如图2所示。

3.2 前景预期

本平台的研发能加强应急抢险工作能力、提高监测效率，企业可实现定制化的专有作业车辆，辨识度高、形象好，体现科学严谨、专业规范、公正高效的企业内涵，提升企业形象及员工认同感，增强企业凝聚力。

3.3 社会、经济效益

本项目研发成果能提升作业效率及企业业绩；同时，本平台可成为一种应急抢险特种设备，并可通过服务采购、设备销售等多种形式，产生巨大的社会和经济效益。

图2 功能拓扑图Fig.2 Functional Topology Diagram

4 结语

本文通过对近年来房屋市政工程生产安全事故数量及其伤亡损失的分析，阐明了应急抢险技术研究的必要性。通过对典型工程事故案例的统计分析，提出了应急抢险的3个递进阶段：环境调查、区域测量及定点监测。此外，本文在调研和分析的基础上，总结了工程应急抢险过程所需的相关先进技术。结合这些现有成熟的通讯、传感及智能信息技术，分析了多功能工程应急监测智能移动平台研发的可行性，并为这种平台的研发提供了初期的思路；制定了功能拓扑图。最后，结合现场工程的实际需求，分析了该平台的市场前景及其社会、经济效益，得出目前进行该平台研发工作具备可行性的结论，对下一步该平台的设计及实现具有重要的指导意义。