基于穿戴式設備的地鐵隧道施工隱患排查與管控

周　誠，　陶　冶，　林興貴

(華中科技大學　土木工程與力學學院， 湖北　武漢　430074)

?

基于穿戴式設備的地鐵隧道施工隱患排查與管控

周誠，陶冶，林興貴

(華中科技大學土木工程與力學學院， 湖北武漢430074)

摘要：為解決地鐵隧道施工過程中存在的安全隱患，減少事故的發生，本文提出了基于穿戴式設備進行隱患排查，然后利用WEB等信息技術完善隱患響應與治理機制。通過分析隱患識別、分類的相關研究和以往的施工經驗制定隱患排查表，通過無線網絡傳輸技術和遠程監控平臺的集成將采集到的隱患信息分類整理，然后根據預先設定的推送規則將其推送給管理人員，讓其及時處理。這樣形成了一整套閉合的隱患排查、推送、處理體系，從而給現場隱患排查治理模式帶來變革。本文以武漢軌道交通6號線常—工區間為例，應用結果表明，通過本文所述的隱患排查治理機制能及時、有效發現隧道中存在的隱患，并且快速響應、管控，在處理隱患后及時反饋到系統。實現了對隱患的全面排查和及時處理，提高了地鐵施工過程中的安全質量。

關鍵詞：穿戴式設備；隧道施工；隱患排查；管控

2014年末，全國共有22個城市建成軌道交通，線路總長2715 km，比上年增22.7%；全國36個城市在建軌道交通，線路總長3004 km，比上年增長8.8%[1]。然而，在修建軌道交通過程中發生的一些事故暴露出我國部分施工企業的安全意識薄弱，例如2014年南寧地鐵1號線7標聯絡通道加固施工段，進行盾構機開倉換刀作業時，準備工作不充分，沒有檢查盾構的狀態，導致突然發生坍塌事故，致使1人死亡，2人失蹤[2]。事故的根源在隱患，隱患若不能得到及時、有效的排查和治理將最終導致事故發生[3]。因此，對地鐵施工現場的安全隱患進行及時、有效的排查與治理顯得尤為重要，它對預防和減少事故的發生、保護施工人員的安全具有重要意義。

目前，我國施工現場的一線從業人員大多是缺乏技能培訓的農民工[4]，加上管理人員的素質不高和層層轉包的經營模式使得施工單位的隱患管理往往采取頭痛醫頭、腳痛醫腳的做法[5]，使得現場的隱患管理滯后性明顯，而想要改變這種現狀就必須開展隱患排查與治理的標準化工作，通過穿戴式設備可以有效地解決這一問題。

穿戴式設備已經成為了一種除了信息交互和通信，還可以對外部環境、建筑等數據的收集、監控和傳輸，廣泛應用于醫療、軍事、煤礦和工業等領域[6]。夏侯士戟等[7]研究利用穿戴式設備進行現場設備的維護工作，有效地幫助作業人員獲取技術信息；Lorincz等[8,9]研究煤礦頭盔監控系統，可以實時監測礦山內有毒性、易燃性氣體的濃度并及時報警；然而目前將穿戴式設備應用于地鐵隧道施工隱患排查領域的研究還是一片空白。

利用穿戴式設備可以對現場隱患進行動態取證，通過互聯網和云服務等信息技術及時上傳在現場獲取的數據，并通過后臺的管理系統分析和處理數據，最后推送給現場管理人員進行隱患治理。建立這樣一套科學、完整的隱患排查與治理機制，能有效地對地鐵施工過程中的數據進行采集，對信息及時進行傳輸和預警，實時掌握生產環境的安全狀態，以便采取相應的措施，將隱患扼殺在萌芽狀態，從而避免或減少重大事故的發生。

為此，本文以穿戴式設備作為采集現場隱患信息的工具，結合互聯網等信息技術，構建了一套地鐵隧道施工隱患排查與治理的標準化機制，旨在推動現場隱患管理模式由單一的“人治”向“人治+法治”結合轉變，確保地鐵隧道施工過程的安全，降低事故發生的可能性。

1利用穿戴式設備進行隧道施工隱患排查與治理

1.1穿戴式設備特點

采用穿戴式設備是考慮到穿戴式設備具有以下優點：

(1)便捷性高，使用者能夠在不影響正常工作生活下靈活使用；

(2)信息傳遞快速、有效，對于發現的隱患能夠一鍵上傳，直接推送到直接負責人手中，確保信息的完整、準確；

(3)數據處理技術，云計算、大數據、物聯網技術的協同應用將保證大量施工過程中的數據采集處理的及時性和可靠性，通過統計分析海量數據，為以后的工程提供經驗和參考；

(4)智能交互技術，操作簡便，而且與網絡連接后可以配合其他智能設備協同作業[10]。綜上所述，將穿戴式設備應用于地鐵隧道施工現場的隱患排查工作中，不僅能幫助巡視人員在現場的隱患排查工作，更重要的是給目前的隱患管理模式帶來變革，推進隱患排查與治理的長效機制建設，規范地鐵隧道施工過程，減少事故的發生。

1.2構建隱患排查清單

早在1931年海因里希通過統計分析大量的災害事故的數據得出了著名的“連鎖理論”[11]，并且將安全管理法則應用到安全管理系統工程、風險管理等促使事故預防與隱患管理進入快速發展階段[12]。我國學者羅云[13]認為施行無隱患管理方法，就需要解決隱患識別、隱患排查、隱患分類、隱患分級、隱患整改、隱患統計、隱患對比分析等技術問題。本文結合有關研究和以往的施工經驗，事先制定了隱患排查表，分為盾構法隧道施工、礦山法隧道施工、施工機械、施工用電、腳手架工程、文明施工、安全防護7個一級類別，每個一級類別下又包含若干二級分類，二級分類下有隱患的具體內容,本文截取了隱患排查表中的部分內容，如圖1所示。

其中風險等級根據隱患帶來的后果的嚴重程度分為4級：一般風險、較大風險、重大風險和特大風險。并且用不同的顏色幫助管理人員區分這四種級別的隱患，一般風險用藍色表示，較大風險用黃色表示，重大風險用橙色表示，特大風險用紅色表示。

圖1　隱患排查表(部分)

隱患信息通過網絡上傳到后臺的管理系統，系統將隱患與之對應的風險等級匹配成功后，會根據制定好的推送規則將其推送到相關管理人員的手持設備上，具體的推送規則如圖2所示。

圖2　推送規則

相應等級的管理人員在收到系統推送的隱患通知后，立刻組織技術人員到發現隱患處進行隱患處理，并且在處理完成后將結果及時反饋到系統。一段時間后系統會提示巡視人員前往隱患處查看情況并將結果反饋至系統，然后系統會根據事先制定的獎懲措施通知相應的管理人員。

2安全隱患排查系統設計

本文所述的隱患系統排查旨在推動現場隱患排查管理模式的轉變，將其由目前純粹靠人管理的“人治”模式逐漸向由系統進行管理的“法制”模式轉變。現場巡視人員利用穿戴式設備采集現場的隱患照片，附加相關的時間地點信息后上傳至工地控制中心，系統將上傳的隱患進行匹配成功后會根據前述的推送規則通知相應等級的管理人員去處理，最后將結果反饋至系統，這樣形成一條完整的隱患排查與治理的機制，確保隱患被發現后能得到及時有效的處理。具體流程如圖3所示。

圖3　穿戴式隱患排查流程

2.1穿戴式終端

考慮到地鐵隧道施工現場空間有限、環境潮濕，并且隧道一般較長，埋深較大等特點，所以采用穿戴式設備來幫助現場巡視人員進行隱患信息的收集工作，因為穿戴式設備表現形式為日常穿戴的服飾，易于攜帶，不會妨礙佩戴人員的日常生活和工作。

為了將隱患的相關信息及時、完整地收集起來，本文所述的穿戴式設備主要包含以下幾個部分：一是智能頭盔上搭載地點前置攝像頭，主要用于拍攝隱患照片，二是工作服上佩戴的語音對講機，記錄隱患語音說明,如圖4所示。在收集完上述2類信息后，智能頭盔上的芯片會添加隱患的時間地點信息，然后將其一起發送至后臺管理系統。隱患照片主要供管理人員查看了解現場狀況，并采取相應的措施。隱患語音說明作為系統識別隱患并將其歸類到隱患排查表的依據。

圖4　智能頭盔、語音對講機及手持設備

2.2一鍵歸檔功能

現場巡視人員通過手持設備查看自己拍攝的隱患照片無誤后點擊一鍵歸檔，即可將隱患的相關信息傳輸到后臺管理系統。之后的流程全部由系統自動進行，包括對隱患的識別分類、匹配到相應的風險等級、推送給相關的管理人員。打破了目前工地上信息在各級之間流動存在的人為障礙，這也是建立隱患排查與治理的“法制”體系中最重要的一環，確保每條上傳至管理系統的隱患都能得到記錄并推送給相應的責任人員進行處理。

由于地鐵隧道施工區域作業面有限，長度隨著施工過程的不斷推進而增加，如果系統間的網絡連接采用有線網絡連接的方式，不僅需要耗費大量的人力、物力，而且管線很有可能影響隧道內盾構等設備的正常施工。而WiFi最大優點在于無須布線，因此本文采用WiFi技術解決上述問題。除此之外WiFi技術還具有以下優點：

(1)傳輸速度快：WiFi技術傳輸速度非常快，可達到11mbps(802.11b)或者54mbps(802.11a)，適合高速數據傳輸的業務；

(2)部署簡單，設備體積小，成本低；

(3)覆蓋范圍廣，WiFi的覆蓋半徑可達100 m左右，通過在隧道內每隔200 m布置一個WiFi模塊就可以覆蓋整條隧道；

(4)健康安全：IEEE802.11規定的發射功率不可超過100 mW，實際發射功率約60～70 mW，而手機的發射功率約200 mW～1 W間，相比較而言，WiFi技術的輻射更小[14]。

2.3工地控制中心

工地控制中心是將現場巡視人員傳回的隱患信息進行統計和管理的平臺。針對地鐵隧道施工過程中隱患種類繁多，工程安全目標較高,隱患排查涉及范圍廣,使用主體要求各異等特點,系統開發利用JAVA語言,并采用Oracle9i數據庫, 基于J2EE、WebServices等技術組建分布式的多層數據結構；并運用XML和無線網絡的數據傳輸技術, 同時采用GIS/CAD平臺技術、穿戴式設備數據采集技術、VR可視化技術、多媒體技術等, 實現了系統預先的設計和構建思路, 從應用層面解決了如何有效加強地鐵隧道施工過程中隱患排查問題。

隱患排查系統對將隱患照片與對應的風險等級匹配成功后推送給相應等級的管理人員，并采取相應的措施，系統具體能實現的功能如圖5所示。其中隱患管理系統由接收模塊、識別匹配模塊、語音通話模塊、推送模塊、數據存檔分析模塊等5個主要模塊組成，各模塊功能如下：

(1)接收模塊：接收現場巡視人員傳回的隱患信息，然后將隱患信息保存在隱患管理系統中以供使用。

(2)語音匹配模塊：利用語音識別將隱患信息匹配到事先建立的隱患排查表中對應的子項，找到對應的隱患分類及其風險等級。

(3)語音通話模塊：當隱患信息與隱患排查表匹配失敗后，工地控制中心的監管人員可以通過現場安全巡視人員工作服上佩戴的語音對講機進行溝通了來明確隱患信息，并進行手動匹配。

(4)推送模塊：根據隱患信息匹配后對應的風險等級按預定的推送規則推送隱患報警信息給對應級別的管理人員。

(5)數據分析存檔模塊：存儲隱患照片、隱患語音說明、隱患照片發生的時間、地點及其風險等級，然后定期生成地鐵隧道施工安全報告，分析隱患發生與時間、地點、施工段等因素之間的關系，為以后地鐵隧道施工提供寶貴的資料和參考。

圖5　系統功能分析

2.4隱患的處理與反饋

隱患信息上傳至工地控制中心后，系統根據語音識別的結果對隱患照片進行歸類，自動匹配相應的風險等級；之后系統根據隱患照片對應類別所匹配的風險等級，將該隱患信息推送到相應管理人員的移動設備。推送信息包括隱患照片、隱患具體內容、風險等級以及隱患的時間地點信息，如圖6所示。相應等級的管理人員收到隱患信息后可以根據預先設定的處理方案組織人員處理隱患。

圖6　隱患信息的具體內容

隱患處理完后上述管理人員根據收到的隱患照片，組織相關施工人員到發現隱患處進行處理，完成后將結果反饋到工地控制中心，系統自動保存上述信息，并通知現場巡視人員前去查看隱患是否得到及時有效的處置。

3系統實施與效果分析

3.1工程概況

武漢市軌道交通6號線一期工程常青花園站—工業學院站區間左線隧道全長792.058 m，右線隧道全長781.635 m，現場平面圖如圖7所示。本區間出工業學院站后沿常青花園中路向東，區間左線以1500 m的曲線半徑、右線以直線段穿越暗挖預埋段工程，再均以500 m的曲線半徑向東敷設，接入常青花園站。區間采用盾構法施工，盾構空推管片拼裝通過暗挖預埋段。區間擬采用兩臺盾構機，一臺先從常青花園站始發，穿越2號線常青花園站下方暗挖預埋段，到達工業學院站并吊出，另一臺從工業學院站始發到達常青花園站并吊出。

圖7　武漢地鐵6號線常青花園—工業學院現場平面

3.2設備的安裝和調試

考慮到一般WiFi信號的覆蓋半徑100 m左右，所以采取在隧道中每隔200 m處布置一個WiFi發送模塊，如圖8所示。而且還應考慮隧道濕度高、埋深大的特點來進行設備的安裝和調試。采用RVVP4@ 0. 5 的通信電纜將WiFi發送模塊串聯，使得信號均勻覆蓋隧道作業區域；由層間管理主機將巡視人員上傳的隱患信息匯總上傳的數據到隱患管理系統控制主機進行后續工作。

圖8　現場WiFi發送模塊

設備安裝過程中，通過在現場與隱患管理系統的管理人員溝通，實現設備聯調與通信暢通，解決聯調中的軟硬件問題，并在應用中根據系統中顯示的隱患信息查看相關信息然后測試能否成功匹配，并且匹配完成后推送給相關管理人員，及時更換不能正常接收隱患信息的手持設備，對于更換的設備要及時在系統上更新、再調試，保證現場數據能通過新設備及時上傳、存儲。

3.3系統操作界面

地鐵隧道隱患管理系統界面如圖9所示，當前沒有新的隱患信息上傳至系統時，管理人員可以查看最近上傳的隱患信息及其處理結果。當現場巡視人員上傳隱患信息到隱患管理系統時，如與隱患排查表中的子項匹配成功，系統則會自動安裝匹配的風險等級和推送規則將隱患信息推送到相應等級的管理人員的移動終端；若系統未匹配成功，系統監管人員可以通過查看隱患照片、與現場巡視人員溝通等方式明確隱患信息，利用手動匹配功能將隱患信息匹配至隱患排查表中恰當的子項，然后根據推送規則進行推送。

3.4應用效果分析

穿戴式隱患記錄儀及隱患管理系統在武漢市軌道交通6號線一期工程常青花園站—工業學院站區間雙線施工過程中正式使用。下面為實施過程中的利用本文所述的機制進行不安全狀態和不安全行為的隱患排查與治理過程。

圖9　隱患管理系統操作界面圖說明

現場安全巡視人員在常工區間右線巡視到第80環處，發現管片出現滲漏水。之后通過智能頭盔上的攝像頭采集現場隱患照片，并且利用工作服上佩戴的語音對講機給隱患照片附加“管片滲漏水”的隱患語音說明；在對照片編輯完后一鍵歸檔將隱患信息上傳至工地控制中心，之后系統會自動將其歸類然后通知相應等級的管理人員前去處理，具體過程如圖10所示。

現場安全巡視人員在隧道內進行例行巡視時，發現多名施工人員在施工的軌行區逗留，然后拍照記錄其不安全行為并且要求施工人員盡快撤離，之后現場控制室管理人員通過傳回的隱患照片再次對該不安全行為下達撤離指令，現場安全巡視人員通過智能頭盔上的攝像頭同步獲取其撤離的畫面，然后記錄反饋至系統，具體過程如圖11所示。

圖10　不安全狀態的排查過程

圖11　不安全行為排查過程

4結論

為了解決地鐵施工現場隱患管理不到位導致事故頻發的問題，本文分析了穿戴式設備在地鐵隧道施工領域應用的可行性，并且通過對隱患分類識別的研究，和根據以往的工程經驗建立隧道隱患排查表，然后利用WiFi技術和信息化管理系統，使得現場隱患能被及時發現，并且在發現之后能得到有效處理，為地鐵隧道施工的安全提供了有力的保障,具體得到如下結論：

(1)通過利用穿戴式設備以及互聯網等信息技術，使現場的隱患管理變得智能化。隱患從發現到之后的通知處理過程減少對人的依賴，推進了隱患排查治理的標準化工作。

(2)云計算、大數據、物聯網技術的協同應用將保證穿戴式設備在施工過程中采集的數據得到及時有效的處理，之后通過統計分析這些數據，能為以后類似工程的施工提供經驗和參考。

(3)現場管理人員通過工作服上的對講機可以及時向現場安全巡視人員發出風險應對的指令，并且隱患管理系統可自動將隱患報警信息及時推送給相關管理人員以實現不同等級風險的隱患得到及時有效的處理。

參考文獻

[1]國家住建部. 2014年城鄉建設統計公報[EB/OL]. [2015-07-03].http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201507/t20150703_222769.html.

[2]廣西新聞網. 南寧軌道交通1號線7標發生坍塌事故[EB/OL]. [2014-10-17]. http://news.gxnews.com.cn/staticpages/20141017/newgx5440490b-11380764.shtml.

[3]鄧軍，李貝, 張興華. LEC法在建筑施工企業安全生產事故隱患排查治理中的運用[J]. 安全與環境工程，2014，21(1)：103-107

[4]中華人民共和國國家統計局. 2014年全國農民工監測調查報告[EB/OL]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201504/t20150429_797821.html.

[5]江虹.中外施工安全管理制度之比較研究[D]. 杭州：浙江大學, 2003.

[6]劉思言.可穿戴智能設備引領未來終端市場諸多關鍵技術仍待突破[J].世界電信,2013，(12)：38-42.

[7]夏侯士戟. 基于可穿戴計算的企業現場作業輔助系統及關鍵技術研究[D]. 成都：電子科技大學,2009.

[8]Lorincz K，Welsh M. MoteTrack: a robust, decentralized approach to RF-based location tracking[J]. Personal and Ubiquitous Computing，2007，11(6)：489-503.

[9]鄧毅. 面向礦山物聯網的多功能智能頭盔軟件關鍵技術研究[D]. 杭州：浙江大學, 2014.

[10]姚堯. 掘金可穿戴設備[J]. 中國經濟信息, 2013，(15)： 68-70.

[11]Heinrich H W. Industrial Accident Prevention [M]. London：McGraw- Hill，1979.

[12]趙立祥，劉婷婷.海因里希事故因果連鎖理論模型及其應用[J]. 經濟論壇, 2009，(9)：94-95.

[13]羅云，程五一. 現代安全管理[M]. 北京：化學工業出版社，2004.

[14]李思齊. 基于 WIFI 的定位系統的設計與實現[D]. 北京：北京交通大學, 2009.

Wearable Devices for Hidden Danger Identification and Controlling in Subway Tunneling Construction

ZHOUCheng,TAOYe,LINXing-gui

(School of Civil Engineering and Mechanics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract:In order to solve the existing hidden danger through the construction of metro tunnel and reduce accidents, this paper builds a system based on wearable device for troubleshooting, and then use WEB technology to improve the function of risk response and governance. Learning form relevant research and previous experience of identification and classification in construction, this paper developed a risks form of troubleshooting. Through integrated wireless network transmission technology and remote monitoring platform for Classify collected hidden danger information , then according to preset push rule to notice related managers. This forms a closed set of troubleshooting, inform, processing system, changing the mode of governance for construction site. Taking Wuhan metro line 6 between Changqing Garden and Industry College as an example, application results show that through this system, hidden danger can be timely and effective discovered and get rapid response and control. After manner take treatment for the hidden danger, there will be a result back to the system. To achieve a comprehensive investigation and timely treatment to improve the subway construction process safety and quality of the hidden danger management.

Key words：wearable device; tunneling; hidden danger identification; controlling

中圖分類號：U455.1

文獻標識碼：A

文章編號：2095-0985(2016)02-0030-06

項目基金：國家自然科學基金青年基金(51408245)

作者簡介：周誠(1982-)，男，安徽安慶人，副教授，博士，研究方向為工程管理信息化(Email:Charleschou@163.com)通訊作者： 陶冶(1992-)，男，湖北孝感人，碩士研究生，研究方向為工程管理信息化(Email:643453324@qq.com)

收稿日期：2015-09-24修回日期： 2015-11-20