多功能工程應(yīng)急監(jiān)測智能移動平臺的可行性研究

陳少祥，陳久照，張堅，何欽，張記峰

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司廣州510500；2、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司廣州510500）

0 前言

近年來，社會經(jīng)濟快速發(fā)展，隨著建設(shè)工程體量的日益增大和建設(shè)用地的逐步減少。建設(shè)項目規(guī)模大、環(huán)境復(fù)雜、風(fēng)險高的特點日益突出。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部公布的全國房屋市政工程生產(chǎn)安全事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)（見圖1），2001～2018 年期間，生產(chǎn)安全事故數(shù)量及事故致死人數(shù)總體呈下降趨勢，但總體數(shù)量仍然較高；且自2015 年起，事故數(shù)量及死亡人數(shù)有抬頭趨勢。

圖1數(shù)據(jù)表明，近年來新技術(shù)的不斷推廣和應(yīng)用，并未能有效遏制事故的發(fā)生和減少事故的損失，形勢仍十分嚴(yán)峻。在目前的發(fā)展形勢下，工程事故無法杜絕，深入研究如何在事故發(fā)生時快速組織應(yīng)急搶險，減少因事故產(chǎn)生的次生災(zāi)害或二次事故，減少人員傷亡，降低經(jīng)濟、社會影響是重要的研究方向，也是防災(zāi)減災(zāi)研究中重要的一環(huán)。

工程應(yīng)急搶險智能監(jiān)測移動平臺的研究是工程應(yīng)急搶險技術(shù)研究的探索之一，通過該技術(shù)的研發(fā)，達到快速反應(yīng)、輔助決策的目的，爭取在黃金救援時間內(nèi)有更多的“作為”，解決應(yīng)急搶險中“非不為，是不能也”的窘境。

圖1 2001～2018年全國房屋市政工程生產(chǎn)安全事故數(shù)量及死亡人數(shù)統(tǒng)計曲線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

本文梳理了近年來多個典型的工程應(yīng)急搶險案例，并對事故發(fā)生的原因及應(yīng)急搶險過程進行簡要的匯總描述，具體如下：

案例1：2015年，某市發(fā)生渣土受納場堆體滑坡事故［1］，滑坡涉及總面積約 38 萬 m2，造成周邊 33 棟建筑物受損和73人死亡，直接經(jīng)濟損失約8.81億元。事故現(xiàn)場調(diào)派了123 臺生命探測儀、4 臺無人機參與應(yīng)急監(jiān)測和輔助救援［2］。同時，為了監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境的變化，救援期間在現(xiàn)場布置自動化監(jiān)測設(shè)備對鄰近山體進行實時監(jiān)測、實時預(yù)警，防止發(fā)生二次滑坡。

案例2：2016年，江西某發(fā)電廠三期擴建工程發(fā)生坍塌特別重大事故［3］，事故共造成 73 人死亡、2 人受傷，直接經(jīng)濟損失約10 197.2 萬元?，F(xiàn)場應(yīng)急救援指揮部調(diào)派了無人機、生命探測儀、破拆機械、發(fā)電機等設(shè)備，利用衛(wèi)星移動通信指揮車、微波圖傳、4G 單兵移動通信等設(shè)備將現(xiàn)場圖像實時回傳至上級單位，為現(xiàn)場救援提供有力支撐，有效防止了次生事故傷亡。

案例3：2018 年，某市軌道交通21 號線站區(qū)間突發(fā)坍塌事故［4］，共造成3 人死亡，直接經(jīng)濟損失約1 008.98 萬元?，F(xiàn)場應(yīng)急救援指揮部調(diào)用了無人機、生命探測儀、全站儀等設(shè)備，用于輔助救援、影響區(qū)勘定等。

案例4：2019 年，某市地鐵11 號線施工區(qū)域發(fā)生坍塌事故［5］，共造成3人死亡，經(jīng)濟損失巨大。事故現(xiàn)場啟用無人機進行了環(huán)境調(diào)查，同時為確保搜尋區(qū)域及周邊安全，第三方監(jiān)測單位設(shè)置了170余個監(jiān)測點，持續(xù)對現(xiàn)場及周邊地表、高架橋、管線和建筑物進行不間斷的監(jiān)測。

1.1 案例分析

分析以上幾個案例可知：工程應(yīng)急現(xiàn)場一般從事故現(xiàn)場及周邊環(huán)境調(diào)查開始，根據(jù)事故發(fā)展趨勢及周邊環(huán)境情況，針對性地制定救援方案，進行現(xiàn)場搶險及周邊環(huán)境保護。此外，本文還調(diào)研分析了國內(nèi)外數(shù)十個案例，將工程應(yīng)急搶險中主要應(yīng)用的技術(shù)措施歸納統(tǒng)計如下：多旋翼無人機、生命探測儀、智能測量機器人及智能傳感器、應(yīng)急指揮通信車、4G 單兵移動通信、微波圖傳技術(shù)、自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

通過對上述工程應(yīng)急搶險案例的統(tǒng)計可知：救援過程中，需要多專業(yè)、多設(shè)備的交叉作業(yè)，多種數(shù)據(jù)的融合可起到科學(xué)研判、輔助指揮的作用。從作業(yè)流程和應(yīng)用技術(shù)分析，主要分為3 個類別：環(huán)境調(diào)查類；趨勢分析及輔助救援類；周邊環(huán)境保護監(jiān)控類。

1.2 需求分析

通過總結(jié)，應(yīng)急搶險過程的需求工作可梳理為以下幾個主要部分：

1.2.1 環(huán)境調(diào)查

突發(fā)事故發(fā)生時，組織應(yīng)急搶險工作的前提是對事故現(xiàn)場及其周邊環(huán)境情況的及時收集，了解現(xiàn)場范圍、人員傷亡、重要市政設(shè)施、周邊重要建筑物等基礎(chǔ)情況，為制定合理的應(yīng)急救援措施提供參考。

1.2.2 趨勢分析及輔助救援

在對事故現(xiàn)場進行充分環(huán)境調(diào)查的前提下，實時動態(tài)獲取事故現(xiàn)場及其周邊環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，從而分析事故發(fā)展方向、發(fā)展趨勢及可能存在的二次事故等。避免發(fā)生次生事故，控制救援人員傷亡。

1.2.3 周邊環(huán)境保護監(jiān)控

明確了周邊環(huán)境重點保護對象及事故發(fā)展趨勢的前提下，在工程應(yīng)急搶險期間對事故現(xiàn)場周邊鄰近的重要市政設(shè)施、文物、居民區(qū)等予以重點保護性監(jiān)控。準(zhǔn)確掌握受影響程度，就異常情況及時發(fā)出預(yù)警，避免出現(xiàn)次生事故傷亡。

2 可行性分析

根據(jù)應(yīng)急現(xiàn)場對于應(yīng)急監(jiān)控的需求分析，應(yīng)急監(jiān)控3 個階段可簡化為：環(huán)境調(diào)查、區(qū)域測量、定點保護監(jiān)測?；诂F(xiàn)有的通訊、攝影及智能傳感等技術(shù)，各階段可采用如下方式實現(xiàn)。

2.1 環(huán)境調(diào)查

采用影像系統(tǒng)，特別是無人機影像系統(tǒng)對事故現(xiàn)場進行全方位不間斷的影像獲取及巡航工作，實時獲取事故現(xiàn)場的整體環(huán)境的影像資料，基于整體情況的影像資料，排查有害環(huán)境和明確測量范圍，確定保護對象。將實時數(shù)據(jù)反饋并投射至控制中心直觀展現(xiàn)，用于輔助決策，同時為應(yīng)急搶險工作人員提供真實、可靠、實時的環(huán)境調(diào)查信息，為區(qū)域測量及后續(xù)應(yīng)急監(jiān)測工作提供基礎(chǔ)資料及信息。根據(jù)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，既有主要技術(shù)包括：

2.1.1 無人機技術(shù)

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備程序控制裝置操縱，或由車載計算機自主控制并執(zhí)行特定任務(wù)的不載人飛行器。目前，基于軟硬件與服務(wù)生態(tài)支持的無人機行業(yè)應(yīng)用技術(shù)已日趨成熟，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、森林防火、國家電網(wǎng)、勘災(zāi)救災(zāi)、社區(qū)巡邏、物流等行業(yè)。在勘災(zāi)救災(zāi)方面［6-12］，小型專業(yè)級無人機配合其搭載的軟件平臺技術(shù)，已可實現(xiàn)實時獲取現(xiàn)場影像、3D 建模、現(xiàn)場大致情況及風(fēng)險源的能力。

2.1.2 視頻影像技術(shù)

視頻影像技術(shù)在現(xiàn)實應(yīng)用中［13-16］，主要以視頻監(jiān)控的形式存在。近年來，隨著計算機、傳感器、軟件、射頻/圖像識別、通訊等技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)已可實現(xiàn)圖像的自動識別、存儲和自動報警。結(jié)合無人機、近景攝影測量等技術(shù)，可實現(xiàn)實時三維建模，快速建立應(yīng)用場景等。

2.1.3 生命探測技術(shù)

傳統(tǒng)意義的生命探測技術(shù)，是基于雷達超寬頻技術(shù)的應(yīng)用。它以電磁波為載體，實現(xiàn)遠距離、多生命體無干擾的情況下非接觸地獲取生命體信息。當(dāng)前隨著專業(yè)融合發(fā)展，基于多旋翼無人機、智能機器人的生命探測技術(shù)已日臻成熟，得到廣泛應(yīng)用［17-19］。

2.1.4 其他現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境探測技術(shù)

現(xiàn)有設(shè)備能對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境［20-22］，尤其是事故現(xiàn)場，涉及環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測，如：有毒有害氣體、固體顆粒物、聲壓聲級、沖擊波、放射性等探測。實時掌握現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境參數(shù)，可有效保障救援人員生命安全。

2.2 區(qū)域測量

在對事故現(xiàn)場進行充分環(huán)境調(diào)查的前提下，采用3D 掃描技術(shù)或攝影測量技術(shù)，實現(xiàn)對事故區(qū)域范圍內(nèi)地表、建筑物等點云變形數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)數(shù)據(jù)的變化，結(jié)合3D 建模等技術(shù)，實現(xiàn)區(qū)域變形發(fā)展趨勢分析。根據(jù)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，既有主要技術(shù)如下：

2.2.1 3D掃描技術(shù)

主要以三維激光掃描技術(shù)為代表，可通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，快速建立物體的三維影像模型，具有快速、非接觸、實時、動態(tài)、主動、高密度、高精度、數(shù)字化、自動化的特點，能夠快速獲取大范圍掃描數(shù)據(jù)，最高測量擬合精度可達0.1%F·S，廣泛應(yīng)用于地形勘測、工程測量、災(zāi)害應(yīng)急等項目［23］。

2.2.2 圖像識別技術(shù)

圖像識別技術(shù)是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，對圖像進行處理、分析和理解，以識別不同模式目標(biāo)和對象的技術(shù)。當(dāng)前已廣泛應(yīng)用于人臉識別、車牌識別、環(huán)境監(jiān)測、天氣預(yù)報、地圖地形配準(zhǔn)、導(dǎo)航等。

2.2.3 地質(zhì)雷達探測技術(shù)

利用超高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布，其基本原理是通過發(fā)射超高頻率、一定脈沖寬度的脈沖電磁波訊號，當(dāng)這一訊號在巖層中遇到探測目標(biāo)時，會產(chǎn)生一個反射訊號。該技術(shù)可應(yīng)用于排查、監(jiān)控存在疑似空洞或土層疏松等地質(zhì)缺陷［24］，通過監(jiān)測地質(zhì)缺陷的發(fā)展趨勢，判斷地層塌陷的發(fā)展速率及范圍。

2.3 定點監(jiān)測

在環(huán)境調(diào)查、區(qū)域測量的基礎(chǔ)上，對事故現(xiàn)場、鄰近重要的建（構(gòu)）筑物等進行定點監(jiān)測，目前智能傳感器已實現(xiàn)亞毫米級精度的實時自動化測量，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)自動化采集、傳輸、處理及分析，實現(xiàn)對如供水、煤氣、道路、橋梁、隧道及文物等重要建構(gòu)筑物進行高精度自動化測量。根據(jù)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，既有的主要技術(shù)如下：

2.3.1 智能測量機器人

測量機器人又稱自動全站儀，是一種集自動目標(biāo)識別、自動照準(zhǔn)、自動測角與測距、自動目標(biāo)跟蹤、自動記錄于一體的測量平臺。配合機載軟件，能對固定標(biāo)靶實現(xiàn)連續(xù)、實時的亞毫米精度的變形監(jiān)測，目前早已成熟并廣泛應(yīng)用于水庫大壩、礦山邊坡、建筑基坑，以及既有建（構(gòu)）筑物的保護監(jiān)測等方面。

2.3.2 智能傳感器

概念上來講，智能傳感器是具有信息處理功能的傳感器［25］，它基于微處理內(nèi)核，可實現(xiàn)采集、處理、交換信息等功能。在專業(yè)融合發(fā)展的背景下，它為關(guān)聯(lián)專業(yè)的發(fā)展提供了硬件基礎(chǔ)，實現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變、位移、溫度、壓力、光感等物理量的自動化量測與傳輸，達到0.1%～0.35%F·S 的高精度。大量應(yīng)用于工程自動化監(jiān)測項目［26］，并以此為基礎(chǔ)支撐了裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.4 其他輔助技術(shù)

2.4.1 5G通訊技術(shù)

即第五代移動通信技術(shù)的簡稱，以高速率、低延時為顯著特點。為現(xiàn)場各設(shè)備鏈接和信息傳輸提供了高效技術(shù)方案［27］，可實現(xiàn)各類型影像、圖形及數(shù)據(jù)的實時傳輸，當(dāng)前5G 技術(shù)的發(fā)展方興未艾，應(yīng)用場景極具想象力。

2.4.2 鋰電供電技術(shù)

近年來國內(nèi)鋰電池快速充電及容量技術(shù)的解決，提高了移動裝備的續(xù)航能力。為移動平臺軟硬件集成作業(yè)提供基礎(chǔ)保障。

2.4.3 智能信息系統(tǒng)建設(shè)

智能信息系統(tǒng)的發(fā)展為“數(shù)據(jù)融合”提供了基礎(chǔ)條件，實現(xiàn)圖形、影像、數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)的深度二次加工，并智能分析與研判，提高作業(yè)效率和精度。

3 平臺研發(fā)

3.1 平臺構(gòu)建

多功能工程應(yīng)急監(jiān)測智能移動平臺的建設(shè)不是簡單的設(shè)備堆積，而是以設(shè)備為“軀干”、網(wǎng)絡(luò)為“神經(jīng)”、系統(tǒng)為“大腦”的智能平臺。結(jié)合前文工程應(yīng)急搶險3 個階段及目前既有技術(shù)的發(fā)展水平，工程應(yīng)急搶險智能監(jiān)測移動平臺的研制是可行的，初步設(shè)計構(gòu)想如下：

3.1.1 總體原則

專業(yè)化、集成化、信息化。

3.1.2 初步構(gòu)想

工程應(yīng)急監(jiān)控技術(shù)及裝備研發(fā)與應(yīng)用是基于5G、無人機勘測、聲波探測、激光掃描、攝影測量、智能信息系統(tǒng)等技術(shù)，研制出一款適合日常監(jiān)測作業(yè)和應(yīng)急監(jiān)控的多功能車載移動作業(yè)平臺，實現(xiàn)在各種工況下的現(xiàn)場量測、數(shù)據(jù)處理、信息發(fā)布等功能。從而實現(xiàn)在地質(zhì)災(zāi)害、地陷、基坑坍塌等多種工程事故發(fā)生的第一時間對事故現(xiàn)場的事故范圍、現(xiàn)場條件、周邊環(huán)境、發(fā)展趨勢及重點建筑進行數(shù)據(jù)采集和發(fā)布，輔助應(yīng)急決策，達到縮短應(yīng)急反應(yīng)時間、減少人員傷亡、降低經(jīng)濟損失和社會影響的目的。

3.1.3 功能拓撲圖

根據(jù)功能要求，初步構(gòu)想拓撲圖如圖2所示。

3.2 前景預(yù)期

本平臺的研發(fā)能加強應(yīng)急搶險工作能力、提高監(jiān)測效率，企業(yè)可實現(xiàn)定制化的專有作業(yè)車輛，辨識度高、形象好，體現(xiàn)科學(xué)嚴(yán)謹、專業(yè)規(guī)范、公正高效的企業(yè)內(nèi)涵，提升企業(yè)形象及員工認同感，增強企業(yè)凝聚力。

3.3 社會、經(jīng)濟效益

本項目研發(fā)成果能提升作業(yè)效率及企業(yè)業(yè)績；同時，本平臺可成為一種應(yīng)急搶險特種設(shè)備，并可通過服務(wù)采購、設(shè)備銷售等多種形式，產(chǎn)生巨大的社會和經(jīng)濟效益。

圖2 功能拓撲圖Fig.2 Functional Topology Diagram

4 結(jié)語

本文通過對近年來房屋市政工程生產(chǎn)安全事故數(shù)量及其傷亡損失的分析，闡明了應(yīng)急搶險技術(shù)研究的必要性。通過對典型工程事故案例的統(tǒng)計分析，提出了應(yīng)急搶險的3個遞進階段：環(huán)境調(diào)查、區(qū)域測量及定點監(jiān)測。此外，本文在調(diào)研和分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了工程應(yīng)急搶險過程所需的相關(guān)先進技術(shù)。結(jié)合這些現(xiàn)有成熟的通訊、傳感及智能信息技術(shù)，分析了多功能工程應(yīng)急監(jiān)測智能移動平臺研發(fā)的可行性，并為這種平臺的研發(fā)提供了初期的思路；制定了功能拓撲圖。最后，結(jié)合現(xiàn)場工程的實際需求，分析了該平臺的市場前景及其社會、經(jīng)濟效益，得出目前進行該平臺研發(fā)工作具備可行性的結(jié)論，對下一步該平臺的設(shè)計及實現(xiàn)具有重要的指導(dǎo)意義。