城市轨道交通设施结构安全风险管控平台研发

王烨晟, 黄江华， 吴 勇, *， 彭书生， 吴 卫

(1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 浙江 杭州 310014; 2. 浙江华东测绘与工程安全技术有限公司, 浙江 杭州 310014; 3. 浙江省智慧轨道交通工程技术研究中心， 浙江 杭州 310014)

0 引言

据不完全统计，截至2019年底，全国已有40个城市开通了轨道交通线路，总运营线路达到208条，另有56个城市拥有在建轨道交通线路279条[1]。作为城市轨道交通网络的“骨架”，早期建设的轨道交通设施结构已出现大变形、渗漏、管片破损等病害，甚至引起恶性风险事件或事故，造成了严重的社会不良影响和经济损失，因此轨道交通设施结构安全已成为城市安全的重要组成部分。虽然，各大城市陆续出台了一系列监督管控措施，但随着城市化进程日益增速，造成地铁安全隐患的施工作业越来越多，运营线路面临的安全威胁也越来越多[2]。我国沿海地区，例如： 上海、杭州、宁波、温州、台州等, 已建成的城市轨道交通设施结构基本处于软弱地层中，外部环境敏感，加之沿线不断有深大基坑开挖、相邻盾构穿越、基坑桩基施工、爆破拆除、大面积堆土或弃土、建筑物加载等施工紧邻轨道交通设施；因此对轨道交通工程的运维和保养提出了更高要求。

在数据管理方面，城市轨道交通工程施工涉及的专业和工种繁杂，工程整个生命周期内产生的海量数据和资料缺少科学、有效管理和再利用，而传统人工分析、管理手段已经不适应城市轨道交通设施结构安全监护管理工作的需要。

鉴于此，先进、高效管理手段的开发应用是当前轨道交通保护区(特指外部作业对城市轨道交通设施结构产生不利影响的区域，含该区域内的轨道交通设施结构本体、岩土体及周边环境设施等)安全管理工作迫切需要解决的问题。轨道交通安全管理存在的问题具体包括： 1)轨道交通保护区基本为带状或网状，周边建设活动频繁，管理上存在数据整合难、现场巡查人员对安全问题的处理和反馈效率较低等问题； 2)目前轨道交通工程建设期风险管控理论已较为完善，但运维期外部作业对轨道交通本体影响的风险管控尚未形成完整的理论体系； 3)轨道交通线路建成年代差异较大，大量图纸以纸质资料形态堆积，缺乏统一的数据管理平台和数据管理标准，造成既有数据的整合、分析工作难度大； 4)设施结构本体运维期监测、检测数据与保护区监测数据尚未进行有效整合； 5)针对保护区的安全管控工作未体现基于地质、环境、外部作业因素的风险预控与隐患排查双控要求； 6)设施结构保护区内项目众多且各个孤立，存在多项目重叠交叉影响的不利情况，且当前基本为单个保护区项目单独管理，统筹协调功能较弱。

综上，研究城市轨道交通设施结构安全风险管控理论并开发对应的平台，是开展安全监护管理工作的基础。

目前，一些城市相继研发了相应的城市轨道交通保护管理系统。文献[3-5]重点阐述了地铁保护区外部作业项目影响巡查监护功能模块；文献[6-8]阐述了地铁监测数据传输与分析模块的研发；文献[9-10]主要涉及地铁保护的综合管理及审批等模块的研发及应用。总体上看，上述系统平台侧重于常规运营安全管理、监测数据管理、巡查管理、审批流程、保护区项目管理、预警报警等，尚未建立以轨道交通设施结构安全风险管控为主要目标的一体化安全监控系统平台。因此，如何充分利用智能化、信息化的风险管理措施，对现有轨道交通保护区的违规作业和正规报备作业进行日常安全巡查和监测预警，实现有效监督管理，已成为城市轨道交通设施结构保护管理急需解决的问题。

本文以城市轨道交通设施结构安全监护为总目标，基于运维监护安全风险动态管理体系，建立轨道交通设施结构安全风险监控管理平台。该平台将涉及城市轨道交通线网结构运维安全的监护数据进行融合汇总、分析、展示，通过预留的建设期数据接口，能真正实现对全线网监护数据的统筹管理与安全分析。此外，还可分段预测沿线区段风险大小，对风险区域提前采取预控措施，对已有结构病害及隐患区间、区域进行全过程排查。通过实现统一平台查询轨道交通设施任意区段历史变形数据、病害数据、外部作业数据、检测数据功能，极大地方便了城市轨道交通设施安全保护工作，可提升工作效率，打通信息孤岛，实现现有监控管理资源的充分利用。

1 系统平台总体业务架构设计

1.1 总体业务架构设计思路

本平台主要以成型轨道交通设施结构监控数据为主线及数据归集对象，将所有导致设施本体数据变化的因素作为外因进行有效监控和记录，同时开展风险预防及隐患排查，进而建立贯穿全寿命周期的轨道交通设施运维监护系统。城市轨道交通设施结构安全风险管控平台总体业务架构设计见图1。

图1 城市轨道交通设施结构安全风险管控平台总体业务架构设计思路

1.2 风险评估及隐患排查体系设计

1.2.1 运维监护安全风险评估体系

在监护实践中，城市轨道交通设施结构外部作业环境及岩土体状况、周边环境状况处于动态变化中，因此需进一步综合考虑各类风险因素的动态影响，建立动态风险等级评估体系。考虑到保护区各监控对象的动态安全风险等级评判是一个典型的多指标、多属性问题，本文基于改进的模糊层次分析法[12]，首次明确了城市轨道交通设施结构安全风险影响要素，通过分析影响区周边岩土体、外部作业工程本体、设施结构本体等的安全风险影响关系，进而建立了城市轨道交通保护区动态安全风险等级评估框架(见图2)。通过该评估框架，可实现外部作业影响程度及设施结构本体状态的综合风险评估，且基于评估得到的风险等级可有效调配资源，防控导致本体状态恶化的不利事件。

图2 城市轨道交通运维保护区动态风险评估体系总框架[11]

1.2.2 运维阶段隐患排查体系

隐患排查体系主要包括隐患排查、上报、响应、整改、复核、确认闭合6个环节。指针对运维过程中人的不安全行为，物的不安全状态，环境的不安全因素，管理缺陷导致的风险管控措施弱化、失效、缺失等进行排查、评估、整改、消除的闭环管理活动。针对外部作业工程，重点排查影响轨道交通设施安全的隐患。各相关单位发现隐患均可通过该平台及时上报，外部作业申请人应在规定时限内响应，提出整改要求并指派责任人及审核人；外部作业施工单位负责落实整改，提交监理验收；外部作业完成相应等级隐患复核流程(若整改不到位，将退回施工单位重新整改)，最后系统自动闭合隐患任务。针对结构设施本体隐患，由结构设施本体管理单位响应，提出整改要求并指派相应责任人及审核人，涉及修复的，形成设施本体修复方案，并由专业修复单位实施隐患整改。运维期隐患管理流程见图3。

1.3 设施结构综合安全评估体系

设施结构综合安全评估体系主要通过对成型轨道交通结构各类病害及变形破坏特征的调研、统计、分析，同时结合相关监测、检测数据，对轨道交通结构进行整体安全性评判。主要基于工程实践、经验总结和文献调研，从变形监测、巡查、检测、力学分析、病害评估等多个维度建立设施结构综合安全性评判指标体系及模型，全面评估已建成轨道交通结构对应区段的安全状态，具体模型(以盾构隧道为例)如图4所示。

图3 运维期隐患管理流程

图4 轨道交通结构综合安全评判模型要素[10-13](以盾构隧道为例)

2 系统平台总体技术架构

本平台技术框架采用典型的3层次结构，分别为数据层、服务层和应用层，如图5所示。

数据层主要包括现场传感设备的在线实时监测及监控、巡查数据的汇集、分类传输等。服务层包括城市轨道交通设施结构保护监测分析、安全评价、隧道结构损伤识别、BIM轻量化模型三维展示及应用等。根据三维展示、评估分析和日常管理养护的需要，应用层主要实现以下3方面功能： 1)实现城市轨道交通设施结构安全监测，风险、隐患管控和预警报警功能，如远程监测，信息查询，阈值报警，风险、隐患巡查、预警等； 2)形成设施结构健康与安全分析研究平台，实现状况评估、损伤识别等功能； 3)实现设施结构的日常维修和管养决策功能，例如： 维修决策、费用分析、安全决策支撑、安全管理等。

图5 城市轨道交通设施结构安全风险管控平台技术架构

3 系统平台总体功能研发及应用

3.1 功能总体框架设计

系统平台从设施结构安全风险管理业务出发，以运维监护数据为基础，集合Web端任务管理及Silverlight技术建立轨道交通设施结构安全风险管控信息系统。主要用户群体涵盖业务使用层与指挥决策层，共分为门户信息、GIS、安全综合评估、数据采集管理、视频监控、项目审批、外部工程监护、隧道检测、风险管理、隐患管理、监测管理和系统管理12大功能模块，每个模块又划分为若干子模块。该系统平台总体功能结构如图6所示。

3.2 特色功能模块介绍

3.2.1 门户信息及GIS

门户信息模块聚焦于轨道交通集团领导层以及各部门管理人员，为他们提供全面的信息，包括： 风险(四色图)、预警(四色图)、隐患(三色图)、监测预警统计数据，隧道结构病害统计数据，外部作业项目统计数据等，可实现信息化辅助决策。GIS模块(见图7和图8)可自动根据线路绘制不同保护等级红线，并与手机端配套，巡查明确是否存在违规作业。

图6 系统平台总体功能结构

图7 门户信息及GIS图总体界面

图8 保护区红线范围GIS展示

3.2.2 数据采集管理模块

数据采集管理模块主要实现城市轨道交通设施结构及其对应外部作业项目、外部作业项目周边环境的各类监测监控数据的采集录入，为安全管控的信息化、智能化提供信息基础，主要包括监测数据管理模块、监护巡查模块、设施结构病害检测扫描数据模块等。

3.2.2.1 监测数据管理模块

监测数据管理模块提供人工及自动化2种数据采集方式，覆盖设施本体及外部作业项目环境等监控对象，采用先进的监测测点三维可视化模块，可同时实现报警信息推送。人工采集方式中，现场安全管理人员可利用平台移动端上传安全管理相关数据；自动化采集方式可通过传感器自动获取监测数据。上传的数据在平台筛选分析后将结果实时在三维模型上进行展示，主要安全管理人员可快速获取工程安全动态并进行决策。运维阶段监测信息录入及展示见图9。

3.2.2.2 监护巡查模块

监护巡查模块可实现对轨道交通保护区内附属设施、工程工况、地铁设施进行巡查，及时发现和处理违规、违建现象及内部工程隐患，保护轨道交通运营安全。同时，通过对手持高精度定位、导向型自动定位设备进行关联，可对巡检人员巡查轨迹实时查看，并可针对巡查发现的违法施工情况在沿线GIS地图中予以标记、显示其概况内容。系统监护巡查流程及界面见图10—11，地面红线及高精度地面巡检技术见图12。

图9 运维阶段监测信息录入及展示

图10 监护巡查流程

图11 监护巡查界面

图12 地面红线及高精度地面巡检技术

3.2.2.3 设施结构病害检测扫描数据模块

设施结构病害检测扫描数据模块通过录入设施结构成型后初始扫描数据，可掌控全线网隧道结构的初始状态，且通过多期扫描数据的对比分析，可掌握设施结构的变化发展趋势、安全状态，对未来变化进行预测预判和提前控制，见图13和图14。

图13 设施结构三维扫描系统功能

图14 设施结构病害扫描多断面多期成果对比分析

3.2.3 风险、隐患及安全综合评估管理模块

通过对监控信息的多维多层次综合整理和分析，风险、隐患及安全综合评估管理模块开展设施结构安全综合状况研判，并对过程风险因素进行预判预控及过程隐患排查整治，真正实现轨道交通设施结构安全管控标准化、全面化。设施结构运维期风险源库建设及录入界面见图15。

图15 设施结构运维期风险源库建设及录入界面

4 结论与讨论

基于对城市轨道交通设施结构安全风险监控管理理论体系及对应的信息化平台总体设计的研究，研发了运维期设施结构安全风险管控平台。该平台主要功能特点包括：

1)有效性。平台高度契合轨道交通运维监控管理特点，可实现对设施结构内、外部影响因素的全过程有效跟踪管控。

2)全面性。平台综合考虑了建设期数据接口，可确保建设期监测数据、风险数据、隐患数据等与运维期数据的关联性及延续性。

3)整体性。平台以建成线路为统一对象，基于地铁设施保护对象，可查阅设施结构自身历史变形情况、历史受外部影响情况、当前邻近作业项目情况等，改变以轨道交通设施结构保护项目为对象导致数据结构分散的不足。同时，将运营监测数据与轨道交通设施结构保护监测数据统筹考虑，建立统一的轨道交通设施全寿命周期数据库，这对于变形原因分析、变形预测及控制措施采用等具有参考意义。

4)先进性。平台引入风险管控理念，将风险预控预防作为设施监护工作的重点，改变以往出事故以后才进行处置的被动局面；同时将建设期安全风险及隐患排查双重管控理念引入运维期，确保隐患及时整改，设施结构整体风险可控。

5)智慧化。平台引入结构智能安全评估与分析模块，可辅助判断当前轨道交通设施安全状态。基于该模块，可实现对轨道交通工程建设、运维全寿命周期数据进行有效查询、管控，有效调配风险监护管理资源、预防和管控设施结构破坏等不利事件发生。

此外，该平台设计总体框架可为各类大型市政工程运维阶段的安全风险管理工作提供参考和借鉴。目前，该平台已在杭州、南昌、宁波、福州等城市初步应用，经济效益显著。后续基于该平台的应用实践及大数据，利用智能分析手段，可进一步实现全线网自动分析、风险区域提示、工程动态风险预测预判，辅助评估各类设施结构的安全状态并提出相应处置措施等。