安全管理與監(jiān)控監(jiān)測信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

智 鵬，龍宏德，蔡 翔，王 晶

（1.中國鐵道科學研究院電子計算技術(shù)研究所，北京100081；2.深圳市地鐵集團有限公司， 深圳518026；3.北京聯(lián)合大學，北京100101）

地鐵建設具有投資大、施工周期長、施工項目多、施工技術(shù)復雜、不可預見風險因素多和對社會環(huán)境影響大等特點。因此，地鐵建設是一項高風險工程，而由于建設規(guī)模大、發(fā)展快、技術(shù)和管理力量難以充分保證的客觀原因，以及對地下工程安全風險認識不客觀，風險管理不科學，風險管理投入不到位等主觀原因，使近幾年來地鐵建設中事故頻發(fā)，安全生產(chǎn)形勢嚴峻。

如何利用信息化手段，提高地鐵工程建設項目的管理效率，加強項目質(zhì)量安全控制，消除安全隱患和降低事故發(fā)生，增強綜合組織協(xié)調(diào)，降低項目建設投入，從而提高綜合經(jīng)濟效益、創(chuàng)造社會綜合效應，是目前地鐵工程建設的當務之急。

1 系統(tǒng)總體設計

由于安全管理與監(jiān)控監(jiān)測信息系統(tǒng)最終是直接面向地鐵工程建設服務的，具有涉及專業(yè)多、監(jiān)控手段多、戶層次多、專業(yè)性強等特點，系統(tǒng)整體設計方案既要包含項目軟件、硬件及網(wǎng)絡系統(tǒng)的建立，又要兼顧管理體系的建立。為此該系統(tǒng)主要從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、業(yè)務流程、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次等分別進行設計開發(fā)。

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

安全管理與監(jiān)控監(jiān)測信息系統(tǒng)主要由安全監(jiān)測與風險管理子系統(tǒng)、施工監(jiān)控與視頻會商子系統(tǒng)和工程監(jiān)控中心3個子系統(tǒng)構(gòu)成，3個子系統(tǒng)充分共享和交換數(shù)據(jù)信息，通過工程監(jiān)控中心實現(xiàn)有機統(tǒng)一和高度應用[2]，如圖1。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層設計

安全管理與監(jiān)控監(jiān)測信息系統(tǒng)采用4層次結(jié)構(gòu)設計，如圖2。

數(shù)據(jù)層：實現(xiàn)對信息系統(tǒng)所有信息與數(shù)據(jù)的集中、有序管理。包括基礎文檔數(shù)據(jù)、二維與三維GIS、監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻錄像以及管理過程產(chǎn)生的信息等。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

圖2 安全管理和監(jiān)控監(jiān)測信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次設計

（1）邏輯層

邏輯層是系統(tǒng)的基礎核心，包括了系統(tǒng)各功能模塊、數(shù)據(jù)訪問存儲的數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)安全性檢查機制、用戶認證與權(quán)限控制、防止非法入侵與安全控制的安全檢測系統(tǒng)。

（2）表現(xiàn)層

表現(xiàn)層是系統(tǒng)展現(xiàn)給用戶信息的途徑與表現(xiàn)手段，本信息系統(tǒng)涉及的專業(yè)廣，數(shù)據(jù)種類多，表現(xiàn)形式或技術(shù)手段包括B/S模式IE瀏覽器、手機及PDA短信、DLP監(jiān)控大屏、自動化監(jiān)測終端、二維GIS、三維仿真等。

（3）用戶層

用戶層定義了涉及本信息系統(tǒng)使用的用戶群體，根據(jù)不同的用戶群體，系統(tǒng)能夠根據(jù)不同層級、不同身份的用戶提供不同的訪問界面以及分配相應的功能與數(shù)據(jù)權(quán)限。本系統(tǒng)涉及的用戶群體包括政府監(jiān)管層、建設管理層、監(jiān)控中心層與現(xiàn)場實施層等。

1.3 數(shù)據(jù)管理設計

信息系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間分類包括了基礎技術(shù)文檔、二維GIS、三維仿真圖形等在工程施工前期的靜態(tài)數(shù)據(jù)、施工過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)以及施工竣工后形成的技術(shù)資料等靜態(tài)數(shù)據(jù)[1～2]；從數(shù)據(jù)類型分類上包括了地理信息數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)控圖像及圖片以及技術(shù)經(jīng)驗信息；從數(shù)據(jù)大小分類上包括了視頻與圖像數(shù)據(jù)、數(shù)值以及文字。因此，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的上傳、存儲、共享、查閱以及下載時需要綜合考慮數(shù)據(jù)的大小、利用頻度、類型以及檢索效率等，最大限度地保障系統(tǒng)對數(shù)據(jù)管理的集中、規(guī)范與快速響應。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲方案如圖3。

圖3 安全管理和監(jiān)控監(jiān)測信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)在數(shù)據(jù)管理設計時按照以下原則設計：

（1）監(jiān)控視頻圖像和其他信息數(shù)據(jù)大小差異性較大，應在存儲介質(zhì)與機制上區(qū)別設計。

（2）二維地理信息與三維地質(zhì)模型等GIS圖層數(shù)據(jù)應能夠滿足網(wǎng)絡響應速度的要求。

（3）基礎技術(shù)文檔滿足保密要求，防止技術(shù)資料外泄，且滿足網(wǎng)絡查閱打印要求。

（4）用戶信息應滿足保密與靈活的權(quán)限控制要求。

1.4 數(shù)據(jù)流程設計

數(shù)據(jù)流程反映了系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的功能模塊間的數(shù)據(jù)流通關(guān)系，結(jié)合招標文件的項目需求，深圳地鐵5號線安全管理與監(jiān)控監(jiān)測信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程設計如圖4。

圖4 安全管理和監(jiān)控監(jiān)測信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程設計

1.5 業(yè)務體系設計

企業(yè)信息化建設與工程信息化建設是否能夠發(fā)揮實效的影響因素很多，如軟件系統(tǒng)是否成熟、實施經(jīng)驗是否豐富等，但核心的問題是信息化建設是否與適合企業(yè)與工程的管理體系與管理需求相結(jié)合。因此，對不同層次用戶的業(yè)務內(nèi)容的分析是安全管理與監(jiān)控監(jiān)測信息系統(tǒng)建設的重要環(huán)節(jié)。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

安全管理與監(jiān)控監(jiān)測信息系統(tǒng)是利用現(xiàn)代先進技術(shù)設計出一套具有監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、現(xiàn)場巡視、現(xiàn)場實時監(jiān)控、風險排查、風險評估、風險預告、安全預警、報告報送、新聞發(fā)布等功能的一體化綜合信息管理平臺，如圖5。

圖5 系統(tǒng)功能圖

（1）該系統(tǒng)不但能實時監(jiān)測地鐵沿線重點施工區(qū)域的地面建筑物沉降、地面建筑結(jié)構(gòu)形變以及風險評估、預報警、風險管理等、二維矢量地圖顯示與交互式應用、三維地質(zhì)分析和可視化，在此基礎上實現(xiàn)基于巖土體變形機理的專業(yè)預測、分級預警、專家評估與診斷和專家在線分析等功能，并建立應急預案庫，積累地區(qū)性工程經(jīng)驗[3]。

（2）該系統(tǒng)能對施工進度和施工現(xiàn)場進行實時視頻監(jiān)控與記錄，也能滿足各部門的日常監(jiān)管與溝通要求，以實現(xiàn)“統(tǒng)一指揮、集中控制”等一體化綜合平臺。

（3）實現(xiàn)施工現(xiàn)場多方位多手段的安全監(jiān)測，促進地鐵工程建設安全風險管理的系統(tǒng)化、規(guī)范化和信息化，全面提升地鐵工程建設安全管理及風險評估技術(shù)和管理水平，最大限度地減少工程和環(huán)境風險。

3 系統(tǒng)實際應用

該系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于深圳地鐵五號線工程，從2008年年底五號線信息化建設第1期實施完畢，到目前系統(tǒng)已穩(wěn)定運行18個月。這道地下工程的“防火墻”正默默無聞的為深圳軌道交通建設保駕護航，為深圳地鐵五號線工程的安全管理和風險控制發(fā)揮著積極的作用。

系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋了深圳地鐵公司、中鐵南方公司、現(xiàn)場施工單位、監(jiān)理管理單位以及相關(guān)政府職能部門等地鐵五號線工程相關(guān)參建單位，并能靈活的通過內(nèi)外網(wǎng)登陸和監(jiān)管。截止到現(xiàn)在該系統(tǒng)取得了如下主要成果。

（1）系統(tǒng)建設投入運行以來，信息化建設一期項目的11個工點和新增7個高風險工點未發(fā)生工程安全事故和造成社會影響較大的工程問題。

（2）截至目前，信息化建設一期項目的11個工點和新增7個工點共發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常次數(shù)有2 015次，有效預報警次數(shù)為529次（其中黃色：485次，橙色：35次，紅色：10次），同時編寫對應的《預報警分析報告》、《數(shù)據(jù)異常分析報告》、《跟蹤分析報告》，并要求相關(guān)單位或部門跟蹤預警處理全過程，通過系統(tǒng)平臺展示并通知相關(guān)單位詳細了解存在的風險。

（3）現(xiàn)已完成了368人次的現(xiàn)場風險巡查及踏勘，識別基坑施工風險185次，識別盾構(gòu)施工風險49次，識別隧道開挖施工風險162次，識別隧道二襯不規(guī)范施工47次，同時對高風險工點經(jīng)常性進行現(xiàn)場巡查，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析。

（4）編寫風險巡查202份、預報警分析報告7份、系統(tǒng)巡查報告38份、周報77份、匯總性報告77份、專項匯報21份及9份專題報告，通過管理平臺展示及給相關(guān)領導口頭匯報的方式及時反饋險情，并跟蹤處理。

（5）分別組織以“安全事故警示”、“五號線洞通后續(xù)安全”為主題的講座，以加強五號線參建單位安全管理意識。

（6）已編寫了77期《安全管理與監(jiān)控監(jiān)測周報》，闡述每周各工點存在的安全質(zhì)量問題，并傳達到相關(guān)單位的安全質(zhì)量主管部門。

（7）聯(lián)合設計院、施工監(jiān)測單位、第3方監(jiān)測單位及地鐵公司和監(jiān)理單位，共同制定了適合深圳地鐵工程特征的預報警機制，并設置了黃、橙、紅三級預報警警戒值。

（8）施工安全監(jiān)控系統(tǒng)可以全天候全方位、多角度實時監(jiān)視施工現(xiàn)場，通過監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)存在安全隱患及安全施工行為不規(guī)范287次，下發(fā)整改通知單32次，有效地防范了安全事故發(fā)生。

（9）對太安站、布心站、長龍站3個有重大風險源工點進行了三維施工仿真基礎性的開發(fā)和嘗試，目前已經(jīng)取得初步成功，并開始應用到3個站點。能多角度形象化查看施工進度，及數(shù)據(jù)狀況。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)無論在技術(shù)先進性、管理創(chuàng)新性以及應用廣泛性都處于國內(nèi)行業(yè)領先地位。該系統(tǒng)不僅適用于地鐵工程建設需要，可進一步應用于高速鐵路、高速公路、客運專線、橋梁、隧道等工程建設的安全監(jiān)控監(jiān)測的需要。同時在現(xiàn)有的基礎上，將監(jiān)控量測自動化數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡技術(shù)以及計算仿真技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)的收集整理和反演優(yōu)化；同時進一步建立適合特定區(qū)域性土體本構(gòu)關(guān)系和相應參數(shù)標定準則。

工程實際應用證明，該系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了對施工現(xiàn)場多方位多手段的安全監(jiān)測監(jiān)控與風險管理，促進地鐵工程建設安全風險管理的系統(tǒng)化、規(guī)范化和信息化，全面提升地鐵工程建設安全管理及風險評估技術(shù)和管理水平，最大限度地減少工程和環(huán)境風險。并且該系統(tǒng)對今后同類系統(tǒng)的設計、開發(fā)和實現(xiàn)有一定的指導意義和參考價值。

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