城市軌道交通設施結構安全風險管控平臺研發

王燁晟, 黃江華， 吳 勇, *， 彭書生， 吳 衛

(1. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司， 浙江 杭州 310014; 2. 浙江華東測繪與工程安全技術有限公司, 浙江 杭州 310014; 3. 浙江省智慧軌道交通工程技術研究中心， 浙江 杭州 310014)

0 引言

據不完全統計，截至2019年底，全國已有40個城市開通了軌道交通線路，總運營線路達到208條，另有56個城市擁有在建軌道交通線路279條[1]。作為城市軌道交通網絡的“骨架”，早期建設的軌道交通設施結構已出現大變形、滲漏、管片破損等病害，甚至引起惡性風險事件或事故，造成了嚴重的社會不良影響和經濟損失，因此軌道交通設施結構安全已成為城市安全的重要組成部分。雖然，各大城市陸續出臺了一系列監督管控措施，但隨著城市化進程日益增速，造成地鐵安全隱患的施工作業越來越多，運營線路面臨的安全威脅也越來越多[2]。我國沿海地區，例如： 上海、杭州、寧波、溫州、臺州等, 已建成的城市軌道交通設施結構基本處于軟弱地層中，外部環境敏感，加之沿線不斷有深大基坑開挖、相鄰盾構穿越、基坑樁基施工、爆破拆除、大面積堆土或棄土、建筑物加載等施工緊鄰軌道交通設施；因此對軌道交通工程的運維和保養提出了更高要求。

在數據管理方面，城市軌道交通工程施工涉及的專業和工種繁雜，工程整個生命周期內產生的海量數據和資料缺少科學、有效管理和再利用，而傳統人工分析、管理手段已經不適應城市軌道交通設施結構安全監護管理工作的需要。

鑒于此，先進、高效管理手段的開發應用是當前軌道交通保護區(特指外部作業對城市軌道交通設施結構產生不利影響的區域，含該區域內的軌道交通設施結構本體、巖土體及周邊環境設施等)安全管理工作迫切需要解決的問題。軌道交通安全管理存在的問題具體包括： 1)軌道交通保護區基本為帶狀或網狀，周邊建設活動頻繁，管理上存在數據整合難、現場巡查人員對安全問題的處理和反饋效率較低等問題； 2)目前軌道交通工程建設期風險管控理論已較為完善，但運維期外部作業對軌道交通本體影響的風險管控尚未形成完整的理論體系； 3)軌道交通線路建成年代差異較大，大量圖紙以紙質資料形態堆積，缺乏統一的數據管理平臺和數據管理標準，造成既有數據的整合、分析工作難度大； 4)設施結構本體運維期監測、檢測數據與保護區監測數據尚未進行有效整合； 5)針對保護區的安全管控工作未體現基于地質、環境、外部作業因素的風險預控與隱患排查雙控要求； 6)設施結構保護區內項目眾多且各個孤立，存在多項目重疊交叉影響的不利情況，且當前基本為單個保護區項目單獨管理，統籌協調功能較弱。

綜上，研究城市軌道交通設施結構安全風險管控理論并開發對應的平臺，是開展安全監護管理工作的基礎。

目前，一些城市相繼研發了相應的城市軌道交通保護管理系統。文獻[3-5]重點闡述了地鐵保護區外部作業項目影響巡查監護功能模塊；文獻[6-8]闡述了地鐵監測數據傳輸與分析模塊的研發；文獻[9-10]主要涉及地鐵保護的綜合管理及審批等模塊的研發及應用。總體上看，上述系統平臺側重于常規運營安全管理、監測數據管理、巡查管理、審批流程、保護區項目管理、預警報警等，尚未建立以軌道交通設施結構安全風險管控為主要目標的一體化安全監控系統平臺。因此，如何充分利用智能化、信息化的風險管理措施，對現有軌道交通保護區的違規作業和正規報備作業進行日常安全巡查和監測預警，實現有效監督管理，已成為城市軌道交通設施結構保護管理急需解決的問題。

本文以城市軌道交通設施結構安全監護為總目標，基于運維監護安全風險動態管理體系，建立軌道交通設施結構安全風險監控管理平臺。該平臺將涉及城市軌道交通線網結構運維安全的監護數據進行融合匯總、分析、展示，通過預留的建設期數據接口，能真正實現對全線網監護數據的統籌管理與安全分析。此外，還可分段預測沿線區段風險大小，對風險區域提前采取預控措施，對已有結構病害及隱患區間、區域進行全過程排查。通過實現統一平臺查詢軌道交通設施任意區段歷史變形數據、病害數據、外部作業數據、檢測數據功能，極大地方便了城市軌道交通設施安全保護工作，可提升工作效率，打通信息孤島，實現現有監控管理資源的充分利用。

1 系統平臺總體業務架構設計

1.1 總體業務架構設計思路

本平臺主要以成型軌道交通設施結構監控數據為主線及數據歸集對象，將所有導致設施本體數據變化的因素作為外因進行有效監控和記錄，同時開展風險預防及隱患排查，進而建立貫穿全壽命周期的軌道交通設施運維監護系統。城市軌道交通設施結構安全風險管控平臺總體業務架構設計見圖1。

圖1 城市軌道交通設施結構安全風險管控平臺總體業務架構設計思路

1.2 風險評估及隱患排查體系設計

1.2.1 運維監護安全風險評估體系

在監護實踐中，城市軌道交通設施結構外部作業環境及巖土體狀況、周邊環境狀況處于動態變化中，因此需進一步綜合考慮各類風險因素的動態影響，建立動態風險等級評估體系。考慮到保護區各監控對象的動態安全風險等級評判是一個典型的多指標、多屬性問題，本文基于改進的模糊層次分析法[12]，首次明確了城市軌道交通設施結構安全風險影響要素，通過分析影響區周邊巖土體、外部作業工程本體、設施結構本體等的安全風險影響關系，進而建立了城市軌道交通保護區動態安全風險等級評估框架(見圖2)。通過該評估框架，可實現外部作業影響程度及設施結構本體狀態的綜合風險評估，且基于評估得到的風險等級可有效調配資源，防控導致本體狀態惡化的不利事件。

圖2 城市軌道交通運維保護區動態風險評估體系總框架[11]

1.2.2 運維階段隱患排查體系

隱患排查體系主要包括隱患排查、上報、響應、整改、復核、確認閉合6個環節。指針對運維過程中人的不安全行為，物的不安全狀態，環境的不安全因素，管理缺陷導致的風險管控措施弱化、失效、缺失等進行排查、評估、整改、消除的閉環管理活動。針對外部作業工程，重點排查影響軌道交通設施安全的隱患。各相關單位發現隱患均可通過該平臺及時上報，外部作業申請人應在規定時限內響應，提出整改要求并指派責任人及審核人；外部作業施工單位負責落實整改，提交監理驗收；外部作業完成相應等級隱患復核流程(若整改不到位，將退回施工單位重新整改)，最后系統自動閉合隱患任務。針對結構設施本體隱患，由結構設施本體管理單位響應，提出整改要求并指派相應責任人及審核人，涉及修復的，形成設施本體修復方案，并由專業修復單位實施隱患整改。運維期隱患管理流程見圖3。

1.3 設施結構綜合安全評估體系

設施結構綜合安全評估體系主要通過對成型軌道交通結構各類病害及變形破壞特征的調研、統計、分析，同時結合相關監測、檢測數據，對軌道交通結構進行整體安全性評判。主要基于工程實踐、經驗總結和文獻調研，從變形監測、巡查、檢測、力學分析、病害評估等多個維度建立設施結構綜合安全性評判指標體系及模型，全面評估已建成軌道交通結構對應區段的安全狀態，具體模型(以盾構隧道為例)如圖4所示。

圖3 運維期隱患管理流程

圖4 軌道交通結構綜合安全評判模型要素[10-13](以盾構隧道為例)

2 系統平臺總體技術架構

本平臺技術框架采用典型的3層次結構，分別為數據層、服務層和應用層，如圖5所示。

數據層主要包括現場傳感設備的在線實時監測及監控、巡查數據的匯集、分類傳輸等。服務層包括城市軌道交通設施結構保護監測分析、安全評價、隧道結構損傷識別、BIM輕量化模型三維展示及應用等。根據三維展示、評估分析和日常管理養護的需要，應用層主要實現以下3方面功能： 1)實現城市軌道交通設施結構安全監測，風險、隱患管控和預警報警功能，如遠程監測，信息查詢，閾值報警，風險、隱患巡查、預警等； 2)形成設施結構健康與安全分析研究平臺，實現狀況評估、損傷識別等功能； 3)實現設施結構的日常維修和管養決策功能，例如： 維修決策、費用分析、安全決策支撐、安全管理等。

圖5 城市軌道交通設施結構安全風險管控平臺技術架構

3 系統平臺總體功能研發及應用

3.1 功能總體框架設計

系統平臺從設施結構安全風險管理業務出發，以運維監護數據為基礎，集合Web端任務管理及Silverlight技術建立軌道交通設施結構安全風險管控信息系統。主要用戶群體涵蓋業務使用層與指揮決策層，共分為門戶信息、GIS、安全綜合評估、數據采集管理、視頻監控、項目審批、外部工程監護、隧道檢測、風險管理、隱患管理、監測管理和系統管理12大功能模塊，每個模塊又劃分為若干子模塊。該系統平臺總體功能結構如圖6所示。

3.2 特色功能模塊介紹

3.2.1 門戶信息及GIS

門戶信息模塊聚焦于軌道交通集團領導層以及各部門管理人員，為他們提供全面的信息，包括： 風險(四色圖)、預警(四色圖)、隱患(三色圖)、監測預警統計數據，隧道結構病害統計數據，外部作業項目統計數據等，可實現信息化輔助決策。GIS模塊(見圖7和圖8)可自動根據線路繪制不同保護等級紅線，并與手機端配套，巡查明確是否存在違規作業。

圖6 系統平臺總體功能結構

圖7 門戶信息及GIS圖總體界面

圖8 保護區紅線范圍GIS展示

3.2.2 數據采集管理模塊

數據采集管理模塊主要實現城市軌道交通設施結構及其對應外部作業項目、外部作業項目周邊環境的各類監測監控數據的采集錄入，為安全管控的信息化、智能化提供信息基礎，主要包括監測數據管理模塊、監護巡查模塊、設施結構病害檢測掃描數據模塊等。

3.2.2.1 監測數據管理模塊

監測數據管理模塊提供人工及自動化2種數據采集方式，覆蓋設施本體及外部作業項目環境等監控對象，采用先進的監測測點三維可視化模塊，可同時實現報警信息推送。人工采集方式中，現場安全管理人員可利用平臺移動端上傳安全管理相關數據；自動化采集方式可通過傳感器自動獲取監測數據。上傳的數據在平臺篩選分析后將結果實時在三維模型上進行展示，主要安全管理人員可快速獲取工程安全動態并進行決策。運維階段監測信息錄入及展示見圖9。

3.2.2.2 監護巡查模塊

監護巡查模塊可實現對軌道交通保護區內附屬設施、工程工況、地鐵設施進行巡查，及時發現和處理違規、違建現象及內部工程隱患，保護軌道交通運營安全。同時，通過對手持高精度定位、導向型自動定位設備進行關聯，可對巡檢人員巡查軌跡實時查看，并可針對巡查發現的違法施工情況在沿線GIS地圖中予以標記、顯示其概況內容。系統監護巡查流程及界面見圖10—11，地面紅線及高精度地面巡檢技術見圖12。

圖9 運維階段監測信息錄入及展示

圖10 監護巡查流程

圖11 監護巡查界面

圖12 地面紅線及高精度地面巡檢技術

3.2.2.3 設施結構病害檢測掃描數據模塊

設施結構病害檢測掃描數據模塊通過錄入設施結構成型后初始掃描數據，可掌控全線網隧道結構的初始狀態，且通過多期掃描數據的對比分析，可掌握設施結構的變化發展趨勢、安全狀態，對未來變化進行預測預判和提前控制，見圖13和圖14。

圖13 設施結構三維掃描系統功能

圖14 設施結構病害掃描多斷面多期成果對比分析

3.2.3 風險、隱患及安全綜合評估管理模塊

通過對監控信息的多維多層次綜合整理和分析，風險、隱患及安全綜合評估管理模塊開展設施結構安全綜合狀況研判，并對過程風險因素進行預判預控及過程隱患排查整治，真正實現軌道交通設施結構安全管控標準化、全面化。設施結構運維期風險源庫建設及錄入界面見圖15。

圖15 設施結構運維期風險源庫建設及錄入界面

4 結論與討論

基于對城市軌道交通設施結構安全風險監控管理理論體系及對應的信息化平臺總體設計的研究，研發了運維期設施結構安全風險管控平臺。該平臺主要功能特點包括：

1)有效性。平臺高度契合軌道交通運維監控管理特點，可實現對設施結構內、外部影響因素的全過程有效跟蹤管控。

2)全面性。平臺綜合考慮了建設期數據接口，可確保建設期監測數據、風險數據、隱患數據等與運維期數據的關聯性及延續性。

3)整體性。平臺以建成線路為統一對象，基于地鐵設施保護對象，可查閱設施結構自身歷史變形情況、歷史受外部影響情況、當前鄰近作業項目情況等，改變以軌道交通設施結構保護項目為對象導致數據結構分散的不足。同時，將運營監測數據與軌道交通設施結構保護監測數據統籌考慮，建立統一的軌道交通設施全壽命周期數據庫，這對于變形原因分析、變形預測及控制措施采用等具有參考意義。

4)先進性。平臺引入風險管控理念，將風險預控預防作為設施監護工作的重點，改變以往出事故以后才進行處置的被動局面；同時將建設期安全風險及隱患排查雙重管控理念引入運維期，確保隱患及時整改，設施結構整體風險可控。

5)智慧化。平臺引入結構智能安全評估與分析模塊，可輔助判斷當前軌道交通設施安全狀態。基于該模塊，可實現對軌道交通工程建設、運維全壽命周期數據進行有效查詢、管控，有效調配風險監護管理資源、預防和管控設施結構破壞等不利事件發生。

此外，該平臺設計總體框架可為各類大型市政工程運維階段的安全風險管理工作提供參考和借鑒。目前，該平臺已在杭州、南昌、寧波、福州等城市初步應用，經濟效益顯著。后續基于該平臺的應用實踐及大數據，利用智能分析手段，可進一步實現全線網自動分析、風險區域提示、工程動態風險預測預判，輔助評估各類設施結構的安全狀態并提出相應處置措施等。