《1 前言》

1 前言

 我国城市轨道交通尤其是地铁建设正面临史无前例的高潮。“十一五”期间，已修建完成 1 000 多公里，计划“十二五”期间还要修建 2 000 多公里，总投资规划达 11 568 亿元。但由于地铁工程建设难度大、风险高，加上安全管理控制不力，造成地铁工程建设事故频发。

传统的安全管理系统多以生成大量的报表形式为项目管理者提供决策支持。然而这些报表之间信息关联性差，难以从中获得全面和有价值的信息，也不能够实时监控工程安全状态的重要指标。为解决这一问题，有学者将虚拟现实技术引入大型工程项目安全管理[1 ,2] ，通过模拟施工建造的过程，识别施工方案中可能存在风险的关键工序[3] 。但这种方法一般仅能用于施工前期的预控，无法对施工过程进行控制。也有学者提出将 4D 技术引入到施工期安全分析中，实现随着进度不断推进，计算结构随时间变化内力受力分布情况[4] ，但只从力学角度分析了结构体的受力分布情况，并没有结合周边环境、监测数据以及施工工序风险评估给予施工安全等级划分。另一方面，目前在安全管理的决策过程中，多依靠现场工程师的经验等主观因素，缺乏有效的控制技术和手段。特别是对于地下工程风险评价研究，一般采用的是对大量已有数据进行分析的方法 [5 ~7] ，分析工具复杂，无法直接用于指导现场工程师的安全控制，也无法直观地显示工程结构体和周边环境的安全状况及现场风险的分布情况。

仪表盘是一种基于三维模型和性能分析模型的可视化监控工具，它的创意来源于飞机驾驶舱[8] 。用户可通过读数仪表盘的信息，监控当前工程的执行状况。文章针对地铁施工安全管理的决策需求，集成施工过程中影响安全状态的各种信息，如监测数据状态、施工进度、施工作业风险等，通过耦合分析将安全状态以红橙黄绿 4 个等级直接反馈在地铁施工现场的三维模型上，通过可视化界面准确反馈各施工部位的安全等级，直观显示风险区域分布情况等信息，为地铁安全管理提供决策支持。

《2 地铁施工安全仪表盘设计》

2 地铁施工安全仪表盘设计

《2.1 仪表盘架构分析》

2.1 仪表盘架构分析

仪表盘以现场的工程数据和施工过程安全风险演化规律为基础，通过耦合分析模型和计算机联机分析处理，将结果以三维可视化方式呈现于用户。由于仪表盘构建于安全管理业务流程的基础上，因此安全仪表盘也是一个为管理者提供决策支持的平台。

仪表盘分为 3 个主要部分，包括仪表盘的前端显示、数据分析引擎和底层数据库。其中前端显示部分为不同角色的用户提供不同视角的仪表盘信息。例如，监测单位用户重点关注监测点的安全状态，而施工单位还需关注当前存在风险的施工部位，业主则还需要关注周边环境和构筑物的危险等级。数据分析引擎则为仪表盘的显示提供信息支持，通过判断用户的角色和权限，调用不同的仪表盘视图。安全仪表盘的整体架构如图 1 所示。

《图1》

图1 地铁施工安全仪表盘架构

Fig.1 Framework of safety management dashboard for metro construction

项目各参建主体通过仪表盘获取当前的安全状态信息。数据分析引擎通过解析用户的管理需求和权限，自动生成个性化的仪表盘视图。数据分析引擎建立了用户请求与仪表盘视图的对应关系，同时也建立了仪表盘视图和耦合分析模型的关系。仪表盘对用户的响应是执行一个数据解析的流程。在解析流程中，定义了各种不同数据源之间的信息交换协议、仪表盘视图与耦合模型之间传递的参数。

仪表盘的信息来源于工程现场产生的一系列数据。通过采集监测数据、进度数据以及现场环境等信息，基于交换协议，集成各类信息，形成数据集市。用户则通过数据分析引擎，获取仪表盘信息。

《2.2 仪表盘功能及视图设计》

2.2 仪表盘功能及视图设计

文章构建的地铁施工安全仪表盘是基于工程三维模型而建立的。用户可通过访问三维模型，获取工程的相关信息，如周边的环境、地下管线的分布情况以及施工地段的岩土地质信息。

三维模型的建立为地铁安全管理提供了可视化界面，场景显示清晰直观。根据设计图纸建立面向安全的三维综合模型，包括了建筑、结构、管线等实体信息，并集成安全属性，如土质分层、监测点类型、构件材质、地下管线类型等信息。因此，仪表盘中的三维模型不仅具有设计参数、空间参数还具有工艺参数和时间参数等信息，将零散的二维图纸还原成三维模型，结合施工计划，产生空间和时间的关联，使仪表盘能够灵活全面地表现工程的状态。通过将警情信息直接发布在仪表盘上，及时反馈报警部位及危险程度，管理者可根据系统提供的施工进度信息、危险程度及影响范围等信息采取相应措施。

仪表盘的功能如表 1 所示。通过对地铁施工过程的模拟和进度跟踪，实时采集监测点的状态，结合标准规范，自动判断监测点的危险等级，如图 2 所示。同时在三维模型中定位其影响的结构构件、周边构筑物和地下管线，如图 3 所示。结合施工过程风险演化规律，动态显示施工现场各区域的安全风险等级，如图 4 所示。

《表1》

表1 地铁施工安全仪表盘功能表

Table 1 Function of safety management dashboard for metro construction

《图2》

图2 监测点安全状态仪表盘

Fig.2 Safety status of monitoring items shown in dashboard

《图3》

图3 结构构件安全状态仪表盘

Fig.3 Safety status of structural elements shown in dashboard

《图4》

图4 地铁施工安全决策仪表盘

Fig.4 Dashboard for decision making in metro construction safety management

《3 地铁施工安全仪表盘的实现》

3 地铁施工安全仪表盘的实现

《3.1 建模技术》

3.1 建模技术

地铁施工安全仪表盘是基于三维模型而构建的，因此对工程进行建模是实现仪表盘的核心技术。地铁施工过程中的安全控制单元包括３个层次，从上至下分别为工点的安全、监控单元的安全以及监测点的安全。其中，监控单元指的是工程结构体的某一个构件（如地连墙、围护桩等）或者是周边构筑物和环境的某一个实体单元（如地下管线或临近建筑物等）。监测点的状态影响到监控单元的安全，而监控单元的安全又会影响工点的安全。因此，在建模过程中不仅需要对各个控制单元进行实体建模，还需要对各控制单元之间的关联规则进行建模。

对于实体模型，与安全相关的参数包括：空间参数、时间参数、设计参数、工艺参数（任务关系）、监测参数、力学参数、相关联的其他实体、其他安全风险参数。

在构建了 3 个层次的实体模型之后，需要对不同层次之间有关联关系的实体进行关系建模。例如，在盾构法深基坑施工过程中，监控单元的安全状态与对应的监测项目之间的关系如表 2 所示。

《表2》

表2 深基坑工程监控单元与监测点之间的关系

Table 2 The relationship between controlling elements and monitoring items in foundation pit construction

对于这种实体与实体之间的关系，可以通过构建规则库来进行存储。例如，当某钢支撑所对应的监测点 ZL1 -10083 的值测出轴力大于预警值时，则不仅监测点的状态会变成红色，其对应的钢支撑也会变成红色。

《3.2 数据流向规划》

3.2 数据流向规划

根据对国内相关地铁集团的安全管理模式分析，构建了系统的信息传递机制，主要包括上行和下行两条不同的数据流程。其中上行数据流程主要是将地铁工程现场的各种信息采集传输到系统，系统将采集到的信息进行分析处理后，通过仪表盘显示给用户。根据用户的不同权限，调用不同的仪表盘视图，具体如图 5 所示。

《图5》

图5 地铁安全仪表盘的数据流向规划

Fig.5 Scheme of data flow in metro construction dashboard for safety management

《3.3 应用状况》

3.3 应用状况

基于仪表盘的地铁施工安全控制技术已成功在武汉地铁 2 号线一期工程中应用，取得了良好的效果。仪表盘层级式控制视图为不同层次的管理人员提供了安全控制的工具，准确而直观地从不同层面（包括监测点、监控单元和工点）显示工程的安全状况。另一方面，仪表盘的信息采集和分析处理功能则为项目各建设主体提供了协同监控的平台，保证了现场数据的有效传输和利用，是辅助地铁工程安全管理的重要技术手段。

3.3.1 地铁工程安全集成预警

各建设主体通过访问基于 GIS 的仪表盘平台，获取地铁在建工程的安全状态。仪表盘以分级预警的形式提示各安全责任主体当前最危险的工点及其安全隐患，如图 6 所示。

《图6》

图6 武汉地铁各工点安全风险预警

Fig.6 Safety status of stations in Wuhan metro construction

3.3.2 地铁工程现场安全预警

通过 GIS 平台可访问各在建工点的现场安全仪表盘。现场安全仪表盘为各责任主体提供实时的监测点状态以及监控单元的安全状态。结合地铁施工风险演化规律和预警机制，计算各工点当前的风险分布情况，如图 7 所示。

《图7》

图7 武汉地铁现场安全风险预警

Fig.7 Safety warning of construction site in Wuhan metro construction

《4 结语》

4 结语

通过研发地铁施工安全仪表盘，可实现对建设过程的可视化安全控制。由于建立了富含工程地质条件、周边建筑物及地下管线的分布特点、工程设计方案、施工工法、现场施工人员和机械行为等多因素的三维模型，结合实际工程中的监测数据以及施工过程风险的演化规律，判断工程的整体安全状态，追踪报警监测点及影响区域，并提示危险状态下的禁止工序，为施工现场的管理人员提供决策依据。