大型水電工程智能安全管控體系研究

樊啟祥，汪志林，林 鵬，李 果，張 旭，杜偉升

(1.中國長江三峽集團公司，北京100038；2.清華大學，北京100084)

0 引 言

加快西南地區的水能開發是我國能源戰略調整的重要組成部分。隨著一批大型水利水電工程的相繼籌建，我國西南水電工程也逐步由建設期進入到建設、運行管理相結合的過渡期。西南地區大型水電工程地處高山峽谷，自然條件越來越嚴峻、建設難度越來越高、建筑市場環境更加復雜，安全問題是這些大型電站建設、運行管理過程中的重中之重。目前國家對安全生產要求越來越嚴格，要求我們必須革命性地創新安全管理思路與手段。特別是在施工期，安全隱患多、一線從業者安全意識差、安全技術及措施不到位等問題是我國大型水電工程在安全管理中共同面臨的難題[1-2]。確保大型水電工程施工過程中的人員安全，對我國大型水電工程建設安全意義重大。

近年來，隨著智能工程技術的不斷突破，大批的智能識別、檢測技術已被成功地應用到各行各業，對排除人、機、物及環境隱患，保障人員安全起到了重要作用[3-9]。

在水電工程領域，江漢臣等[10]基于智能手機和實時定位系統，提出了對施工現場監理人員管理和評價的方法；林鵬、王英龍等[11]提出了基于微信的大型水電工程安全隱患排查治理系統，并成功將其應用于白鶴灘、烏東德等在建大型水電站。這些智能技術與水電工程建設管理實踐相結合，使得水電工程建設安全智能化管理取得了新突破，但針對大型水電工程的全面智能化的安全管控體系尚未形成。筆者曾提出大型水利水電工程施工智能控制成套技術[12]和大型工程建設項目智能化管理體系[13]，在此研究的基礎上，本文首先對智能安全的定義和特征進行了闡述，其次論述了智能安全管控體系的5個子系統組成和關鍵技術，最后結合在白鶴灘水電站的初步應用，對水電工程智能安全管控的研究方向進行了展望。

1 智能安全的定義及特征

1.1 智能安全的定義

對于智能安全目前尚未有統一明確的定義。筆者認為，智能安全是指將智能化技術應用于安全領域，使整個安全系統在一定程度上具有“智能”，可自動掌握、分析判斷和有效處理系統的各種安全問題和應急措施。智能安全以“人-機-物-環-管”五要素為基礎、以“事前源頭管理、事中過程管理、事發結果管理”三階段為主線、通過“全面感知、真實分析、實時控制”智能閉環控制，研究工程建設安全要素“感知、識別、判斷、推送、整改、閉合、改進”的智能化管控體系，實現全天候的隱患排查治理。

在大型工程領域，智能安全是建立在安全文化與智能技術之上，通過安全風險識別防范和隱患排查治理，從而有效降低安全事故的一種科學管理方法，其結構要素如圖1所示?；谥悄馨踩⒌闹悄馨踩芸伢w系需要通過工程建設過程中安全管理的三個階段，即源頭管理、過程管理和效果評價，實現每一個安全環節的“全面感知、真實分析、實時控制”的全過程智能管控。

圖1 智能安全結構要素示意

1.2 智能安全管控體系的特征

智能安全管控體系具有如下五個特征：

(1)自主性。在智能安全管控體系中，安全隱患的識別完全基于智能識別系統，安全隱患的治理及驗收完全依賴于智能反饋系統，案例檔案等信息存貯完全憑借安全文件管理系統。

(2)實時性。依托先進的信息傳輸設備，安全隱患的識別及管控信息均即時傳輸及處理。這種信息傳輸方式排除了傳統信息傳遞方式造成的傳輸延遲、調控滯后等缺陷，極大地提高了安全管理的效能。

(3)可靠性。智能識別及反饋技術是智能安全管控體系的基礎。其成套完善的智能定位、檢測及監測設備，使得所有識別及反饋操作更加客觀可靠，最大限度地避免了人為干預因素。

(4)魯棒性。智能安全管控體系是一個具備主動學習、自發完善能力的有機體系。文件管理系統中充足的數據源，為系統深度學習與挖掘提供了條件。體系的局部故障發生后，系統可及時學習并重組更新。

(5)整體性。智能安全管控體系是由一個個相互獨立又相互關聯的子系統構成的有機體系，其功能不是由單個子系統簡單機械相加就可實現的。各個子系統協調工作，有機運行，形成閉環，確保智能安全體系的整體運行。

2 智能安全管控體系的提出

2.1 智能安全管控框架及平臺

金沙江下游水電資源是我國水能最豐富集中的區域，規劃建設白鶴灘、烏東德、溪洛渡、向家壩等4座世界級巨型水電站。在這些項目實施過程中，由于風險控制不當、管理漏洞以及不可預見性因素，容易導致致災安全隱患、突發性事故的產生。一些智能監控及管理系統，已在幾個水電工程投入應用并取得一定成效，然而針對這些巨型工程的完備智能安全體系尚未建立。本文構建了大型水電工程智能安全管控框架(見圖2)。

圖2 智能安全管控體系的構建框架

基于此框架研發了安全智能化管理平臺iSafety(圖3)。主要內容包括以下三點：一是構建安全智能化管理平臺。打通現有各專業系統，構建形成整合的系統平臺，使得數據共享。二是定義安全隱患的識別準則、判定標準和工作流程。以法律法規、標準規范、操作規程、案例等為基礎，建立標準職能管理程序的數據分析智能優化系統。三是突破核心技術，主要包括人和物的安全狀態感知識別技術，安全隱患大數據挖掘利用技術，安全狀態實時預警整改閉合防范的技術和管理手段。

圖4 智能安全管控體系矩陣流程

圖3 智能安全管理平臺iSafety框架

2.2 智能安全管控體系內涵

本文提出的大型水電工程智能安全管控體系，借助安全系統的信息化和工程數字化，進一步融合自動測控、大數據、云計算等新一代信息和智能技術，對水電工程建設施工過程中的各種安全隱患進行全面識別、實時分析整治、及時反饋管理的智能化安全管控體系。其主要涵蓋內容為：①搭建集成安全生產與應急管理信息系統、安全培訓管理系統及隱患排查預警系統的管理平臺；②核心突破物的感知識別系統，創建一個可實現危險源智能辨識、危險狀態智能分析、危險預警智能傳輸反饋的人員及物體實時安全監控的智能管理系統；③記錄業務流程、事故因果鏈，實現三維可視化、直接生成規范性的報表，存儲案例信息，構成面向現場一線工程施工過程和后方安全管理的文件管理系統。智能安全管控體系矩陣流程見圖4。

2.3 智能安全管控體系構成

智能安全管控體系由智能安全管理平臺、隱患識別系統、隱患治理系統、安全學習系統、文件管理系統等五部分構成。

(1)智能安全管理系統?；谒姽こ桃延械闹悄茏R別及檢測設備，對安全生產與應急管理信息系統、建筑市場管理系統、人員與設備定位及跟蹤系統、泥石流預警系統、滑坡及渣場監測系統、地下洞室群安全監測、液氨重大危險源監控系統等，通過位置技術和安全流程及管理程序，實現互聯互通，做到基礎數據和安全資源共享，并通過統一編碼和統一屬性，定義共享共用的數據倉庫實現系統的預報預警和閉環管理。

(2)隱患智能識別系統。通過傳感器感知、視頻掃描、圖像識別等技術，自動判斷施工現場人、物、設施的靜態和動態安全狀態；與建立的安全數據標準庫、規則庫等進行比對分析，自動識別不安全行為及因素。以施工現場安全規則體系和安全規則描述要素標準，作為視頻識別的判據，并不斷完善。

(3)隱患治理系統。加強對已有安全準入數據、安全隱患和事故數據的綜合分析和挖掘能力，研究其發生的規律和風險判斷標準，防范可能出現的安全隱患和生產安全事故。建立安全隱患和事故的案例庫，通過分析學習案例，進一步實現分析管理的智能化水平。

(4)安全學習系統。制定安全隱患排查系統的隱患排查安全標準、安全范例，在隱患排查完后能對照識別圖片中的不安全點，同時將標準圖案、設計技術圖紙及相應的安全技術要求推送給現場工作人員，定期組織智能安全技術培訓，完成隱患整改，形成閉環流程記錄。

(5)文件管理及反饋系統。將隱患及事故的治理效果進行反饋，對已有案例與數據進行安全績效分析。加強安全文件和流程管理，在分析安全生產事故因果鏈的基礎上，制定安全管理的標準化業務流程，做到各項工作的文件管理可記錄可閉合。

3 智能安全管控關鍵技術

智能安全管理就是要根據施工現場不同時期的人、材、機、法、環等基本狀態信息，根據隱患上報的類型時間分布特征，分析安全事故因果鏈，建立安全施工狀態安全評價動態模型，制定安全管理的標準化業務流程，做到各項工作的文件管理可記錄可閉合。智能安全管控主要關鍵技術包括智能管理平臺和隱患智能識別。

3.1 智能安全管理平臺構建技術

(1)智能安全管理平臺構建技術。接口設計應秉承標準、開放、可擴展、靈活的原則，建設擴展性良好的系統，接口策略選擇整體規劃、測試先行、集成技術的策略。水電工程安全智能化系統管理平臺集成接口架構見圖5。

圖5 安全智能化系統管理平臺集成架構

(2)數據庫建立。安全數據分為安全基本信息、安全監測及安全隱患信息三類。根據信息類型的需求設計適應的數據存儲編碼及屬性標準，建立一個統一安全信息管理的數據庫。根據數據需求的不同，設計不同的安全監測數據更新策略，使數據庫適應安全監測數據的變化及安全預警的需求，強化安全管理數據庫價值。

(3)功能模塊設計。安全智能化系統主要功能模塊包括安全數據統一管理、綜合安全監測因子分析、安全預警及安全隱患處置管理等模塊。安全數據統一管理模塊主要負責對數據庫更新、訪問、備份、恢復、維護等操作；安全監測因子監測預警子系統能夠對實現單一因素，或同一類型、小范圍的監測因子實現預警分析；安全預警模塊負責處理系統中的預警信號；安全隱患處置管理模塊是安全管理的平臺，包括安全隱患處置流程管理，文件整理，數據記錄等。

3.2 隱患智能識別技術實現

使用智能識別技術將水電工程隱患逐一排查識別是智能安全管控體系的關鍵環節。針對事故隱患總結的10種類智能識別技術要求如下：①施工人員著裝隱患智能檢測。采用視頻監控系統自動檢測和捕捉30～50m范圍內施工人員的著裝隱患，如不佩戴安全帽、安全帶等。②施工人員不安全行為身份識別。運用三維定位技術，提取發生不安全行為的施工人員的坐標信息，結合視頻監控技術，準確判別發生不安全行為的工人身份，及時對其行為實施矯正。③施工人員智能準入機制。將施工人員的身份信息錄入人臉閘機系統，實時檢測待進入人員身份，對非施工人員及安全培訓考試不合格施工人員，不予準入。④安全管理人員崗位智能檢測。對安全管理人員的著裝實施統一化管理，監控中心管理人員通過視頻監控系統，根據統一化著裝特征，在監控窗口上標記安全管理人員應負責的崗位區域。⑤廊橋超載隱患智能檢測。監控中心管理人員通過視頻監控系統，在監控窗口上標記廊橋區域，系統檢測所標廊橋區域是否存在超載行為。⑥交叉作業隱患智能檢測。監控中心管理人員通過視頻監控系統，在監控窗口上標記不可交叉作業的工作面區域，系統檢測該區域內的作業人員是否存在交叉作業行為。⑦施工人員進入不安全區域智能檢測。建立基于計算機深度學習的施工不安全區域識別方法，通過攝像頭采集施工人員坐標信息，對不安全區域內的施工人員進行實時危險距離預警。⑧人車(工程機械車輛)物(施工標志)的智能定位。標注并訓練施工面上的人員、車輛、施工標志，采用服務器集群，實時分析高清攝像頭傳回的視頻，檢測畫面中的人車物目標。⑨安全設施如高臨邊防護措施智能檢測。監控中心管理人員通過視頻監控系統，檢測在監控窗口上高臨邊的工作面區域是否有提示牌。⑩液壓自升式爬模狀態的智能感知。在大壩液壓自升式爬模的關鍵弦桿上布設傳感器，感知液壓模板爬升在整個澆筑過程中以及自身爬升過程中的應力狀態。

以上十類智能識別技術在一個安全事故的防范和一類安全隱患的排查治理中會出現多類技術的集成綜合應用。在實施中，可以高處墜落、物體打擊、纜機運行等幾類易發安全事故為研究目標，針對典型人的不安全行為、設備設施狀態、高空纜機群和特殊環境下的安全作業，進行攻關和重點突破，實現水電工程大壩施工安全智能化管控。

4 初步案例應用及展望——白鶴灘智能安全管控平臺建設

目前，在中國長江三峽集團公司信息系統的開發基礎上，白鶴灘水電站安全生產信息化投入的應用包括安全生產與應急管理信息系統、建筑市場管理信息系統、大壩智能建造平臺、安全隱患排查微信系統等，有些系統已在白鶴灘水電站工程建設過程安全管理方面發揮積極效益。如安全隱患排查治理微信系統的使用，簡化了隱患整改閉合流程，促進了安全生產責任層層落實，使得隱患排查治理閉合更及時，有效消除了安全事故發生的風險。通過便攜式安全培訓工具箱，隨時隨地針對專項工種開展針對性的動畫形式培訓，增強了民技工學習興趣并提高了學習效果。通過安全體驗館的直接體驗，使一線作業的民技工和各級管理人員通過親身體驗、親自感悟各種安全防護用品的使用以及發生危險時瞬間感受，使其真實感覺、入腦入心，從潛意識里增強民技工自我安全防范意識。國家能源局綜合司公布把白鶴灘的安全智能管理成果作為2017 年度電力建設領域安全管理優秀成果重點推廣。

5 結 論

通過對智能安全的定義特征論述以及智能安全管控體系的提出和關鍵技術論述，總結主要結論如下：

(1)智能安全是建立在安全文化與智能技術之上，通過水電工程建設過程智能安全風險預警閉環理論和交互融合方法，實現事前、事中、事后智能閉環安全管控，重點落實安全風險識別防范和隱患排查治理技術，從而有效降低事故傷害的一種科學管理方法。基于智能安全建立的智能安全管控體系具有自主性、實時性、可靠性、魯棒性和整體性五個特點。

(2)大型水電工程智能安全管控體系由智能安全管理系統、隱患智能識別系統、隱患治理系統、安全學習系統和文件管理與反饋系統等五部分構成。智能安全管理平臺構建技術和隱患智能識別技術是構建智能安全管控體系的關鍵環節。研發集成建筑市場準入、安全隱患排查及安全教育培訓一體化的智能平臺，建立一套適應現場的安全應急救援控制體系，是實現大型水電工程建設過程安全智能管理的有效途徑。

(3)智能安全管控體系的建設目前處于探索階段，對智能安全管控體系的研究需繼續從基礎理論建設、關鍵技術實現與管控體系落實等三方面開展。從上述三點出發，對大型水電工程智能安全管控體系的研究應重點落實到：安全信息識別與空間定位技術的優化，安全狀態視頻圖像的動態實時識別，安全狀態與行為的標準庫、判據庫、規則庫、案例庫的建立和實時應用技術，安全數據傳輸及處理反饋效率的提升，資源存儲及數據共享平臺的搭建和監督管理模式的革新四方面。

致謝：在金沙江流域大型水電工程建設過程中，中國長江三峽集團公司以及清華大學、華中科技大學、中國科學院、中國安全科學研究院等的科學家和工程師，致力于大型水電工程建設本質安全能力建設和應急能力建設，做了大量卓有成效的工作，奠定了本文的實踐基礎，在此一并表示感謝。