基于穿戴式设备的地铁隧道施工隐患排查与管控

周　诚，　陶　冶，　林兴贵

(华中科技大学　土木工程与力学学院， 湖北　武汉　430074)



基于穿戴式设备的地铁隧道施工隐患排查与管控

周诚，陶冶，林兴贵

(华中科技大学土木工程与力学学院， 湖北武汉430074)

摘要：为解决地铁隧道施工过程中存在的安全隐患，减少事故的发生，本文提出了基于穿戴式设备进行隐患排查，然后利用WEB等信息技术完善隐患响应与治理机制。通过分析隐患识别、分类的相关研究和以往的施工经验制定隐患排查表，通过无线网络传输技术和远程监控平台的集成将采集到的隐患信息分类整理，然后根据预先设定的推送规则将其推送给管理人员，让其及时处理。这样形成了一整套闭合的隐患排查、推送、处理体系，从而给现场隐患排查治理模式带来变革。本文以武汉轨道交通6号线常—工区间为例，应用结果表明，通过本文所述的隐患排查治理机制能及时、有效发现隧道中存在的隐患，并且快速响应、管控，在处理隐患后及时反馈到系统。实现了对隐患的全面排查和及时处理，提高了地铁施工过程中的安全质量。

关键词：穿戴式设备；隧道施工；隐患排查；管控

2014年末，全国共有22个城市建成轨道交通，线路总长2715 km，比上年增22.7%；全国36个城市在建轨道交通，线路总长3004 km，比上年增长8.8%[1]。然而，在修建轨道交通过程中发生的一些事故暴露出我国部分施工企业的安全意识薄弱，例如2014年南宁地铁1号线7标联络通道加固施工段，进行盾构机开仓换刀作业时，准备工作不充分，没有检查盾构的状态，导致突然发生坍塌事故，致使1人死亡，2人失踪[2]。事故的根源在隐患，隐患若不能得到及时、有效的排查和治理将最终导致事故发生[3]。因此，对地铁施工现场的安全隐患进行及时、有效的排查与治理显得尤为重要，它对预防和减少事故的发生、保护施工人员的安全具有重要意义。

目前，我国施工现场的一线从业人员大多是缺乏技能培训的农民工[4]，加上管理人员的素质不高和层层转包的经营模式使得施工单位的隐患管理往往采取头痛医头、脚痛医脚的做法[5]，使得现场的隐患管理滞后性明显，而想要改变这种现状就必须开展隐患排查与治理的标准化工作，通过穿戴式设备可以有效地解决这一问题。

穿戴式设备已经成为了一种除了信息交互和通信，还可以对外部环境、建筑等数据的收集、监控和传输，广泛应用于医疗、军事、煤矿和工业等领域[6]。夏侯士戟等[7]研究利用穿戴式设备进行现场设备的维护工作，有效地帮助作业人员获取技术信息；Lorincz等[8,9]研究煤矿头盔监控系统，可以实时监测矿山内有毒性、易燃性气体的浓度并及时报警；然而目前将穿戴式设备应用于地铁隧道施工隐患排查领域的研究还是一片空白。

利用穿戴式设备可以对现场隐患进行动态取证，通过互联网和云服务等信息技术及时上传在现场获取的数据，并通过后台的管理系统分析和处理数据，最后推送给现场管理人员进行隐患治理。建立这样一套科学、完整的隐患排查与治理机制，能有效地对地铁施工过程中的数据进行采集，对信息及时进行传输和预警，实时掌握生产环境的安全状态，以便采取相应的措施，将隐患扼杀在萌芽状态，从而避免或减少重大事故的发生。

为此，本文以穿戴式设备作为采集现场隐患信息的工具，结合互联网等信息技术，构建了一套地铁隧道施工隐患排查与治理的标准化机制，旨在推动现场隐患管理模式由单一的“人治”向“人治+法治”结合转变，确保地铁隧道施工过程的安全，降低事故发生的可能性。

1利用穿戴式设备进行隧道施工隐患排查与治理

1.1穿戴式设备特点

采用穿戴式设备是考虑到穿戴式设备具有以下优点：

(1)便捷性高，使用者能够在不影响正常工作生活下灵活使用；

(2)信息传递快速、有效，对于发现的隐患能够一键上传，直接推送到直接负责人手中，确保信息的完整、准确；

(3)数据处理技术，云计算、大数据、物联网技术的协同应用将保证大量施工过程中的数据采集处理的及时性和可靠性，通过统计分析海量数据，为以后的工程提供经验和参考；

(4)智能交互技术，操作简便，而且与网络连接后可以配合其他智能设备协同作业[10]。综上所述，将穿戴式设备应用于地铁隧道施工现场的隐患排查工作中，不仅能帮助巡视人员在现场的隐患排查工作，更重要的是给目前的隐患管理模式带来变革，推进隐患排查与治理的长效机制建设，规范地铁隧道施工过程，减少事故的发生。

1.2构建隐患排查清单

早在1931年海因里希通过统计分析大量的灾害事故的数据得出了著名的“连锁理论”[11]，并且将安全管理法则应用到安全管理系统工程、风险管理等促使事故预防与隐患管理进入快速发展阶段[12]。我国学者罗云[13]认为施行无隐患管理方法，就需要解决隐患识别、隐患排查、隐患分类、隐患分级、隐患整改、隐患统计、隐患对比分析等技术问题。本文结合有关研究和以往的施工经验，事先制定了隐患排查表，分为盾构法隧道施工、矿山法隧道施工、施工机械、施工用电、脚手架工程、文明施工、安全防护7个一级类别，每个一级类别下又包含若干二级分类，二级分类下有隐患的具体内容,本文截取了隐患排查表中的部分内容，如图1所示。

其中风险等级根据隐患带来的后果的严重程度分为4级：一般风险、较大风险、重大风险和特大风险。并且用不同的颜色帮助管理人员区分这四种级别的隐患，一般风险用蓝色表示，较大风险用黄色表示，重大风险用橙色表示，特大风险用红色表示。

图1　隐患排查表(部分)

隐患信息通过网络上传到后台的管理系统，系统将隐患与之对应的风险等级匹配成功后，会根据制定好的推送规则将其推送到相关管理人员的手持设备上，具体的推送规则如图2所示。

图2　推送规则

相应等级的管理人员在收到系统推送的隐患通知后，立刻组织技术人员到发现隐患处进行隐患处理，并且在处理完成后将结果及时反馈到系统。一段时间后系统会提示巡视人员前往隐患处查看情况并将结果反馈至系统，然后系统会根据事先制定的奖惩措施通知相应的管理人员。

2安全隐患排查系统设计

本文所述的隐患系统排查旨在推动现场隐患排查管理模式的转变，将其由目前纯粹靠人管理的“人治”模式逐渐向由系统进行管理的“法制”模式转变。现场巡视人员利用穿戴式设备采集现场的隐患照片，附加相关的时间地点信息后上传至工地控制中心，系统将上传的隐患进行匹配成功后会根据前述的推送规则通知相应等级的管理人员去处理，最后将结果反馈至系统，这样形成一条完整的隐患排查与治理的机制，确保隐患被发现后能得到及时有效的处理。具体流程如图3所示。

图3　穿戴式隐患排查流程

2.1穿戴式终端

考虑到地铁隧道施工现场空间有限、环境潮湿，并且隧道一般较长，埋深较大等特点，所以采用穿戴式设备来帮助现场巡视人员进行隐患信息的收集工作，因为穿戴式设备表现形式为日常穿戴的服饰，易于携带，不会妨碍佩戴人员的日常生活和工作。

为了将隐患的相关信息及时、完整地收集起来，本文所述的穿戴式设备主要包含以下几个部分：一是智能头盔上搭载地点前置摄像头，主要用于拍摄隐患照片，二是工作服上佩戴的语音对讲机，记录隐患语音说明,如图4所示。在收集完上述2类信息后，智能头盔上的芯片会添加隐患的时间地点信息，然后将其一起发送至后台管理系统。隐患照片主要供管理人员查看了解现场状况，并采取相应的措施。隐患语音说明作为系统识别隐患并将其归类到隐患排查表的依据。

图4　智能头盔、语音对讲机及手持设备

2.2一键归档功能

现场巡视人员通过手持设备查看自己拍摄的隐患照片无误后点击一键归档，即可将隐患的相关信息传输到后台管理系统。之后的流程全部由系统自动进行，包括对隐患的识别分类、匹配到相应的风险等级、推送给相关的管理人员。打破了目前工地上信息在各级之间流动存在的人为障碍，这也是建立隐患排查与治理的“法制”体系中最重要的一环，确保每条上传至管理系统的隐患都能得到记录并推送给相应的责任人员进行处理。

由于地铁隧道施工区域作业面有限，长度随着施工过程的不断推进而增加，如果系统间的网络连接采用有线网络连接的方式，不仅需要耗费大量的人力、物力，而且管线很有可能影响隧道内盾构等设备的正常施工。而WiFi最大优点在于无须布线，因此本文采用WiFi技术解决上述问题。除此之外WiFi技术还具有以下优点：

(1)传输速度快：WiFi技术传输速度非常快，可达到11mbps(802.11b)或者54mbps(802.11a)，适合高速数据传输的业务；

(2)部署简单，设备体积小，成本低；

(3)覆盖范围广，WiFi的覆盖半径可达100 m左右，通过在隧道内每隔200 m布置一个WiFi模块就可以覆盖整条隧道；

(4)健康安全：IEEE802.11规定的发射功率不可超过100 mW，实际发射功率约60～70 mW，而手机的发射功率约200 mW～1 W间，相比较而言，WiFi技术的辐射更小[14]。

2.3工地控制中心

工地控制中心是将现场巡视人员传回的隐患信息进行统计和管理的平台。针对地铁隧道施工过程中隐患种类繁多，工程安全目标较高,隐患排查涉及范围广,使用主体要求各异等特点,系统开发利用JAVA语言,并采用Oracle9i数据库, 基于J2EE、WebServices等技术组建分布式的多层数据结构；并运用XML和无线网络的数据传输技术, 同时采用GIS/CAD平台技术、穿戴式设备数据采集技术、VR可视化技术、多媒体技术等, 实现了系统预先的设计和构建思路, 从应用层面解决了如何有效加强地铁隧道施工过程中隐患排查问题。

隐患排查系统对将隐患照片与对应的风险等级匹配成功后推送给相应等级的管理人员，并采取相应的措施，系统具体能实现的功能如图5所示。其中隐患管理系统由接收模块、识别匹配模块、语音通话模块、推送模块、数据存档分析模块等5个主要模块组成，各模块功能如下：

(1)接收模块：接收现场巡视人员传回的隐患信息，然后将隐患信息保存在隐患管理系统中以供使用。

(2)语音匹配模块：利用语音识别将隐患信息匹配到事先建立的隐患排查表中对应的子项，找到对应的隐患分类及其风险等级。

(3)语音通话模块：当隐患信息与隐患排查表匹配失败后，工地控制中心的监管人员可以通过现场安全巡视人员工作服上佩戴的语音对讲机进行沟通了来明确隐患信息，并进行手动匹配。

(4)推送模块：根据隐患信息匹配后对应的风险等级按预定的推送规则推送隐患报警信息给对应级别的管理人员。

(5)数据分析存档模块：存储隐患照片、隐患语音说明、隐患照片发生的时间、地点及其风险等级，然后定期生成地铁隧道施工安全报告，分析隐患发生与时间、地点、施工段等因素之间的关系，为以后地铁隧道施工提供宝贵的资料和参考。

图5　系统功能分析

2.4隐患的处理与反馈

隐患信息上传至工地控制中心后，系统根据语音识别的结果对隐患照片进行归类，自动匹配相应的风险等级；之后系统根据隐患照片对应类别所匹配的风险等级，将该隐患信息推送到相应管理人员的移动设备。推送信息包括隐患照片、隐患具体内容、风险等级以及隐患的时间地点信息，如图6所示。相应等级的管理人员收到隐患信息后可以根据预先设定的处理方案组织人员处理隐患。

图6　隐患信息的具体内容

隐患处理完后上述管理人员根据收到的隐患照片，组织相关施工人员到发现隐患处进行处理，完成后将结果反馈到工地控制中心，系统自动保存上述信息，并通知现场巡视人员前去查看隐患是否得到及时有效的处置。

3系统实施与效果分析

3.1工程概况

武汉市轨道交通6号线一期工程常青花园站—工业学院站区间左线隧道全长792.058 m，右线隧道全长781.635 m，现场平面图如图7所示。本区间出工业学院站后沿常青花园中路向东，区间左线以1500 m的曲线半径、右线以直线段穿越暗挖预埋段工程，再均以500 m的曲线半径向东敷设，接入常青花园站。区间采用盾构法施工，盾构空推管片拼装通过暗挖预埋段。区间拟采用两台盾构机，一台先从常青花园站始发，穿越2号线常青花园站下方暗挖预埋段，到达工业学院站并吊出，另一台从工业学院站始发到达常青花园站并吊出。

图7　武汉地铁6号线常青花园—工业学院现场平面

3.2设备的安装和调试

考虑到一般WiFi信号的覆盖半径100 m左右，所以采取在隧道中每隔200 m处布置一个WiFi发送模块，如图8所示。而且还应考虑隧道湿度高、埋深大的特点来进行设备的安装和调试。采用RVVP4@ 0. 5 的通信电缆将WiFi发送模块串联，使得信号均匀覆盖隧道作业区域；由层间管理主机将巡视人员上传的隐患信息汇总上传的数据到隐患管理系统控制主机进行后续工作。

图8　现场WiFi发送模块

设备安装过程中，通过在现场与隐患管理系统的管理人员沟通，实现设备联调与通信畅通，解决联调中的软硬件问题，并在应用中根据系统中显示的隐患信息查看相关信息然后测试能否成功匹配，并且匹配完成后推送给相关管理人员，及时更换不能正常接收隐患信息的手持设备，对于更换的设备要及时在系统上更新、再调试，保证现场数据能通过新设备及时上传、存储。

3.3系统操作界面

地铁隧道隐患管理系统界面如图9所示，当前没有新的隐患信息上传至系统时，管理人员可以查看最近上传的隐患信息及其处理结果。当现场巡视人员上传隐患信息到隐患管理系统时，如与隐患排查表中的子项匹配成功，系统则会自动安装匹配的风险等级和推送规则将隐患信息推送到相应等级的管理人员的移动终端；若系统未匹配成功，系统监管人员可以通过查看隐患照片、与现场巡视人员沟通等方式明确隐患信息，利用手动匹配功能将隐患信息匹配至隐患排查表中恰当的子项，然后根据推送规则进行推送。

3.4应用效果分析

穿戴式隐患记录仪及隐患管理系统在武汉市轨道交通6号线一期工程常青花园站—工业学院站区间双线施工过程中正式使用。下面为实施过程中的利用本文所述的机制进行不安全状态和不安全行为的隐患排查与治理过程。

图9　隐患管理系统操作界面图说明

现场安全巡视人员在常工区间右线巡视到第80环处，发现管片出现渗漏水。之后通过智能头盔上的摄像头采集现场隐患照片，并且利用工作服上佩戴的语音对讲机给隐患照片附加“管片渗漏水”的隐患语音说明；在对照片编辑完后一键归档将隐患信息上传至工地控制中心，之后系统会自动将其归类然后通知相应等级的管理人员前去处理，具体过程如图10所示。

现场安全巡视人员在隧道内进行例行巡视时，发现多名施工人员在施工的轨行区逗留，然后拍照记录其不安全行为并且要求施工人员尽快撤离，之后现场控制室管理人员通过传回的隐患照片再次对该不安全行为下达撤离指令，现场安全巡视人员通过智能头盔上的摄像头同步获取其撤离的画面，然后记录反馈至系统，具体过程如图11所示。

图10　不安全状态的排查过程

图11　不安全行为排查过程

4结论

为了解决地铁施工现场隐患管理不到位导致事故频发的问题，本文分析了穿戴式设备在地铁隧道施工领域应用的可行性，并且通过对隐患分类识别的研究，和根据以往的工程经验建立隧道隐患排查表，然后利用WiFi技术和信息化管理系统，使得现场隐患能被及时发现，并且在发现之后能得到有效处理，为地铁隧道施工的安全提供了有力的保障,具体得到如下结论：

(1)通过利用穿戴式设备以及互联网等信息技术，使现场的隐患管理变得智能化。隐患从发现到之后的通知处理过程减少对人的依赖，推进了隐患排查治理的标准化工作。

(2)云计算、大数据、物联网技术的协同应用将保证穿戴式设备在施工过程中采集的数据得到及时有效的处理，之后通过统计分析这些数据，能为以后类似工程的施工提供经验和参考。

(3)现场管理人员通过工作服上的对讲机可以及时向现场安全巡视人员发出风险应对的指令，并且隐患管理系统可自动将隐患报警信息及时推送给相关管理人员以实现不同等级风险的隐患得到及时有效的处理。

参考文献

[1]国家住建部. 2014年城乡建设统计公报[EB/OL]. [2015-07-03].http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201507/t20150703_222769.html.

[2]广西新闻网. 南宁轨道交通1号线7标发生坍塌事故[EB/OL]. [2014-10-17]. http://news.gxnews.com.cn/staticpages/20141017/newgx5440490b-11380764.shtml.

[3]邓军，李贝, 张兴华. LEC法在建筑施工企业安全生产事故隐患排查治理中的运用[J]. 安全与环境工程，2014，21(1)：103-107

[4]中华人民共和国国家统计局. 2014年全国农民工监测调查报告[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较研究[D]. 杭州：浙江大学, 2003.

[6]刘思言.可穿戴智能设备引领未来终端市场诸多关键技术仍待突破[J].世界电信,2013，(12)：38-42.

[7]夏侯士戟. 基于可穿戴计算的企业现场作业辅助系统及关键技术研究[D]. 成都：电子科技大学,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]邓毅. 面向矿山物联网的多功能智能头盔软件关键技术研究[D]. 杭州：浙江大学, 2014.

[10]姚尧. 掘金可穿戴设备[J]. 中国经济信息, 2013，(15)： 68-70.

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

[12]赵立祥，刘婷婷.海因里希事故因果连锁理论模型及其应用[J]. 经济论坛, 2009，(9)：94-95.

[13]罗云，程五一. 现代安全管理[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

[14]李思齐. 基于 WIFI 的定位系统的设计与实现[D]. 北京：北京交通大学, 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

中图分类号：U455.1

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2016)02-0030-06

项目基金：国家自然科学基金青年基金(51408245)

作者简介：周诚(1982-)，男，安徽安庆人，副教授，博士，研究方向为工程管理信息化(Email:Charleschou@163.com)通讯作者： 陶冶(1992-)，男，湖北孝感人，硕士研究生，研究方向为工程管理信息化(Email:643453324@qq.com)

收稿日期：2015-09-24修回日期： 2015-11-20