基于安全系统理论的水电工程智能安全管控模型设计*

杨 荣,聂本武，2

(1.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100000; 2.国电大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

我国的水电开发建设中，大量使用深埋长大隧洞、超大地下洞室群、高陡边坡、挡水围堰等复杂土工结构和技术方案[1]。特别是在施工期，安全隐患多、一线从业者安全意识差、设备设施管理系统复杂、安全监管体系不健全、安全技术及措施不到位等问题，是水电工程在安全管理中面临的共性难题[2]。如何在水电工程项目管控过程中提高安全管理水平，是当前水电工程项目管理中需要研究分析的重要课题之一[3]。新的《中华人民共和国安全生产法》明确要求，“推行安全生产标准化建设”“国家鼓励生产单位利用先进的信息化手段,提高安全生产信息化水平”。新形势下，水电工程安全管理需紧紧围绕新监测技术的利用(进行安全生产全面监测和监控，监测信息的快速互通和可视化，信息技术的集成、优化和应用)，发挥人才队伍和科研优势，加快自主创新，提高安全生产信息化和自动化水平[4]。

国内外相关研究关注本领域的动态，大多数以智能(数字)建造、智慧工程、智能安全为对象，运用“互联网+智慧工程”的思路研究水电工程项目管理。大岗山水电站、两河口水电站、双江口水电站、溪洛渡水电站等一大批特大型水电工程建设中，广泛系统应用数字大坝、iDam协同、智能化控制、无人碾压、三维扫描等相关技术，通过统一模型、全面数据、在线预警、智能监控等手段，初步实现智能管控的目的。在智能安全管控领域，工业4.0时代提出的人因安全管理系统、自适应控制系统、闭环智能控制原理系统、智能安全预警系统等理论，主要局限于针对不同的场景提出相应的应用系统，未从安全系统原理上考虑系统解决人、机、环境的相关联问题，特别是针对水电工程的智能安全管控体系建设研究涉及较少，未形成统一成熟的管控模型框架。

鉴于此，随着大数据时代的到来，以安全系统管理理论为基础，有必要革命性地创新安全管理思路与手段；充分利用移动互联设备、传感器等物联网和信息技术，全面感知、智能管控和实时预警工程建设中的安全风险，是新形势下水电工程智能安全管控的探索和实践方向。

1 智能安全管控模型的特征分析

1.1 智能安全管控的阶段划分

随着电子、网络、传感器硬件、信息技术等领域快速发展，以此为基础的互联互通、信息共享和协调工作等成为水电工程安全管理领域的新方法，而智能安全管控成为主流方式[5]。通过收集、整理大量有关水电工程安全管理方面的文献与资料，将智能安全管控的发展现状分为以下3个阶段：

1)软件信息化建造阶段。利用计算机和专业软件，以“信息化建造[6]”为基础，用以优化项目的资源配置，利用信息技术可以一定程度上辅助于项目安全管理。这一阶段处于智能水平初始阶段，以行为认知决策管理为主，部分工程管理领域实现“半自动化”管理模式。

2)数字建造阶段。信息技术的不断发展，以建造“数字大坝[7]”为基础的智能安全管控方式应运而生，通过信息采集、数值仿真模拟等技术，实现对工程工作性态的动态量测与分析，指导设计和施工。

3)智能建造阶段。以建造“智能大坝[8]”为目标，通过“业务量化、集成集中、统一平台、智能协同”的关键路径[9]，实现施工过程、监测数据、环境信息、人员和设备行为状态等各类数据的自动采集，使安全管控能实现自主风险识别、自主风险评估、自主应急响应、自主安全演进，达到智能协同的数据管控和信息预警模式，为水电工程安全管控提供智能决策支撑。

1.2 智能安全管控的内涵

海因里希(Heinrich)结合现代管理理论、信息论、系统论、控制论，提出基于事故致因的理论和模型，在此基础上不断成熟、发展和演化为安全系统理论[10]。安全系统理论是工程安全管理领域应用广泛的基础理论，其将人、机、环境作为一个整体或系统看待，研究人、机、环境之间的相互作用从中发现事故原因，并揭示出事故预防的途径。

本文认为，新形势下水电工程智能安全管控的内涵是：在将人、机、环境视为一个整体的基础上，借助项目管理的信息化和工程数字化，进一步融合物联网、人工智能、大数据、云计算等新一代信息理论和技术，通过数字信息的快速整合传输来驱动或推动“人-机-环境”三元融合与协同互操，进而实现水电工程安全管理的可预测、可监视、可预警、可演进、可控制等目标。

1.3 智能安全管控的层次结构

在水电工程智能安全管控领域，樊启祥等[11]对“智能安全”做出了系统性定义，提出智能安全以“事前源头管理、事中过程管理、事发结果管理”3阶段为主线、通过“全面感知、真实分析、实时控制”智能闭环进行安全管控。水电工程建设由于人的不安全行为、物的不安全状态、作业环境的缺陷，容易导致致灾安全隐患的出现和突发性事故的产生。一些智能监控设备和系统，已在几个水电工程投入应用并取得一定成效，然而尚未建立一个完备的智能安全管控框架模型。本文整合国家能源集团在水电工程领域安全管理的丰富经验，结合大渡河智慧工程建设成果，以大渡河金川水电站为例，提出一个较为完备的水电工程智能安全管控框架模型。

该模型融合水电工程多智能体信息，运用群智数据协同模式，以人的参与获取的感知数据为基础，以水电工程运用智能安全帽、安全培训、安全体验、电子围栏及安全标准化为数据单元，在智能终端(智能可穿戴设备、设备监控系统等)上通过群体智能融合计算(可视化、数据融合、演化分析)，推动人、机、环境三元融合，建设基于群智数据协同的水电工程智能安全管控体系(见图1)，提升水电工程安全管理“以人为中心”的应用和服务创新水平。

在本模型层次结构中：以人、机、环境之间协同作为基本管控目标，将智能安全帽、安全培训、安全体验、电子围栏及安全标准化等作为数据源层，是作为数据采集的实体；在该数据实体中，充分融合培训、监控、监测、仿真、预警、管理等应用系统；以安全管理的13项要素为基本目标单元，通过云平台、混合网络等传输，按照数据感知、数据采集、业务分析应用等逻辑层次，形成水电智能安全管控的大数据平台。

图1 智能安全管控3层结构模型Fig.1 Three-layer structure model of intelligent safety management and control

2 智能安全管控模型的基础要素

智能安全管控模型是以安全管理为目标，运用智能安全帽、安全培训、安全体验、电子围栏及安全标准化等基础数据采集要素，运用物联网技术、云计算技术、移动互联技术、大数据技术，集成水电工程建设安全管控领域全员协同工作、数据实时交换、信息实时处理的统一数字化管理系统。

2.1 人的智能管控要素

水电工程中，人的不安全行为是导致安全管理失效的主要因素，与安全管理机构、安全管理人员、安全培训体系密切相关。水电工程智能安全管控的基础要素，首先从组织管理角度分析事故致因，通过“智能安全帽+智能安全培训”进行数据模型采集(见图2)。其次，在应用单元上通过实现安全培训、安全检查、人员轨迹、职业健康、安全组织机构等功能，弥补现有水电工程对人员管理难度大、安全培训监督管理不足等问题。

图2 人的管控要素模型Fig.2 Model of management and control elements for human

2.2 物的智能管控要素

水电工程施工作业具有流程多、施工器具杂、特种设备多等特点。设备设施的危险源监控，主流采用以人为主的管理和辅助技术手段相结合的方式，一旦设备失效或处于危险状态，难以及时、准确地对人进行预知预警；此外，现有的人工封闭管理存在漏洞，外来人员可能误闯误进；在对物的管控方面，提出结合通信、定位、红外线声像识别等技术和封闭管理要求，将位置信息、围栏信息以及相关监测数据等通过预警信息传递到现场，统筹运用人防、物防、技防等措施，确保对设备设施的远程监控和现场预警(见图3)。

图3 物的管控要素模型Fig.3 Model of management and control elements for machine

2.3 环境的智能管控要素

认真研究人、机、环境3个要素的本身特性，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用物的“人”和人所设计的“物”以及“人”与“物”所共处的“环境”作为一个系统来研究[12]。从安全管理的角度，提升整个系统环境的安全是实现安全管理目标的最终体现。

安全标准化是一套规范化、科学化、系统化的体系，代表现代安全管理的发展方向，能够有效创造安全施工和文明生产的良好环境。水电工程安全标准化建设，通过“移动互联、物联网、云平台、BIM、大数据、人工智能”等前沿技术与安全管理理论深度融合，将水电工程建设安全管理分散业务、施工设备(设施)、安全设备(设施)、标识标牌等资源的信息进行有机整合，实现安全管理业务信息集成化、智能化、可视化，提升智能安全管控的环境(见图4)。

3 智能安全管控模型的技术体系

3.1 智能安全帽

智能安全帽具备强大的信息采集及行为预警功能，其包含红外线感应、预警识别、语音通话、定位、视频采集等多方位功能。具体包括：①对 “收集到的施工现场各种需要采集的信息”及时反馈到智能安全帽系统；②对人的行为轨迹进行跟踪和定位，并及时生成有关的数据和报告；③对人的不安全行为发出预警预告，从而充分发挥智能安全帽对人的监管作用。例如，当用户到达危险区域时(如爆破区域、微震监测预警区域、环境监测预警区域等)，智能安全帽能实现自动提示和告警。

针对当前水电工程的特点，智能安全帽主要技术指标有：①人员定位，通过内置GPS(或北斗)模块对室外、室内作业人员进行定位追踪、轨迹查询；②视频传输，通过WIFI网络向后台实时传输现场视频，有助于质量监控、事故追踪；③语音通讯，内置扬声器，通过后台设置，可实现语音实时通讯、多人分组通讯功能。④身份识别，内置UWB芯片，通过现场基站设备自动识别人员的身份信息；⑤危险预警，可以划定电子警戒线，实现超出或进入限定区域(跨越电子警戒线)短信报警；⑥近电告警，当设备接近电场时会发出预警，辅助保障操作人员的人身安全。

图4 环境的管控要素模型Fig.4 Model of management and control elements for environment

3.2 智能安全培训

安全教育培训是水电工程安全管理的重要环节。将安全培训与对人的行为控制相结合，对人的不安全行为进行综合评估，在安全管理领域为选人、用人、识人提供辅助决策支持，是智能安全培训发展的方向。智能安全培训以施工现场安全事故模拟VR体验为核心，同时借助人脸识别系统、身份读取、沉浸式体验、仿真系统、多维度培训数据库及考试系统等，形成大数据库驱动下的智能培训模式。

针对当前水电工程的特点，智能安全培训主要技术指标有：①视频学习考试，通过投影仪播放安全规范、制度、标准学习视频，并将在电脑上随机抽取题库内的相关考试题对学员进行考核；②二维码扫描，考试前通过扫描二维码(身份读取、人脸识别)将考试情况具体化到人，对考试数据进行自动录入及相关分析；③施工使用流程及巡检考核，借助VR设备的全沉浸式体验，对高处、临边、坍塌、机械伤害等场景进行模拟；④仿真系统，包括模拟灭火体验、安全标志识别体验、劳保用品体验、现场急救体验、综合用电体验5项模拟体验项目，利用相关设备学习安全技能，感受实景情况；⑤实体体验，展示标准施工工艺、流程，提供接近现实场景的安全体验，对现场实体安全操作进行现场教学，学员通过参与真实安全生产环境中的具体事例，提升安全自救技能；如：实体安全帽体验、安全带体验、护栏推倒体验、机械伤害体验等项目；⑥人工数据库，通过扫描录入工作信息后生成的二维码进行身份识别、记录、归档、成绩记录、数据分析，通过网络传送到智能安全管控系统，提高安全管控针对性。

3.3 电子围栏

高精度电子围栏技术的应用，具有“防御为主、报警为辅”的显著特点。通过定位并采集工程测量、监测、检测等项目位置坐标，替代传统的人工封闭管理，进而提高工区封闭管理对人员、设备设施管理的安全性。

针对当前水电工程的特点，电子围栏主要技术指标有：①人员、设备识别与定位，高精度定位终端嵌入式软件并传输给定位模块，保证定位精度，并将位置通过专用网络传到安全管控平台；②电子预警，人员、设备在进入围栏和出围栏时，可分别进行入围栏登记扫描、警戒线和出围预警；③危险预警，通过人员、设备与危险源的位置计算，实时判断人员、设备的距离，当超过安全距离时，系统将产生报警信息，边界设置的警戒雷达、智能安全帽等都将产生声光报警。

3.4 安全标准化

安全标准化是指通过建立预防机制，规范生产行为，使人、机、环处于良好的状态。在新形势下，结合水电工程特点，安全标准化的主要功能技术有：以实施运行标准化体系为基础，以安全标准化专项费用单元、安全标准化图册实施单元、安全标准化达标评级单元为核心的功能单元，Web端/移动端进行数据采集，按安全标准化基础要素模块和安全系统功能模块进行系统结构分布，通过自动分析各基础要素建设效果，实现水电工程安全标准化整体效果评估及改进建议，建立企业安全生产标准化运行常效机制。

4 案例应用与效果

在国家能源集团大渡河金川水电站建设“智慧工程”基础上，金川水电站智能安全管控单元正在实施开发、建设。以管控安全为具体业务对象，以数据流为导向，业务量全数字，实现安全管理风险识别，全面感知、智能管控和实时预警工程建设中的安全风险，全面推行安全标准化建设，实现安全管控的智能高效决策。

4.1 实施步骤

金川水电站智能安全管控单元，按照人、机、环为安全管控目标对象，分为全要素管控的智能安全管控系统、动态安全管理APP和安全标准化3个实施步骤；结合金川水电站工程建设需求和实际，单项开发智能安全帽、智能安全培训体验馆和电子围栏等内容。

4.2 实施内容

目前，该单元建设的主要内容有：

1)建设全要素管控的智能安全管控系统。该智能安全管控系统包括安全组织与保障等6个信息管理模块，隐患排查等4个信息预警模块，全面推行基于大数据分析的安全风险分级动态管理，感知危险源关键要素，实现从危险源辨识、评估、治理或控制到销号的闭环管控。

2)建设动态安全管理APP。以“智能监测+”“智能安全帽”“智能安全培训”“电子围栏”等为抓手全面感知工程构筑物、活动源(人、设备等)，及时掌握安全监测自动化数据、防洪度汛及水情雨情数据，实现隐患排查、危险源监控、设备设施运行状态、应急预案、事故(事件)报告救援等信息进行集成、集中，实现风险的自动预警和预报。

3)全面推行《金川水电站安全·环水保·文明施工标准化》。明确标准化基础要素173类，标准化布置要求22项。

4.3 实施效果

在完成开发全要素管控的智能安全管控系统和动态安全管控APP的基础上，金川水电站智能安全管控单元已经初步实现投入试运行，包括隐患排查系统、安全组织管控系统、应急管理系统和智能安全帽等，已经在金川水电工程建设中发挥积极作用。如安全组织管控系统，实现了安全准入条件的智能管控；智能安全帽，实现了人的习惯性违章智能感知、预警管控功能；隐患排查系统，实现隐患治理流程高效、闭合有效、处置便捷等功能。下一步，通过该系统的运用，将建立自动感知、互动决策的安全管控体系，提高金川水电站安全风险管控能力和智能安全管控水平。

5 结论

1)以智能安全管控为研究对象，充分考虑水电工程施工特点与风险特性之间的内在联系，划分以信息化建造、数字大坝、智能大坝为特征的3个阶段，探索预测新形势下将建立全面感知、智能管控和实时预警的水电工程智能安全管控体系。

2)运用安全系统理论，结合大数据、人工智能及云计算等最新信息技术，提出智能安全管控的内涵特征、层次结构、基础要素及技术体系，构建智能安全管控3层结构模型。

3)以大渡河金川水电站为例，开发以人、机、环境三元融合为目标的智能安全管控单元，通过实施效果分析，表明该模型结构是有效的，能为水电工程智能安全管控和智慧高效决策提供支撑。