楊 榮,聶本武，2

(1.國家能源投資集團有限責任公司，北京 100000; 2.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

我國的水電開發(fā)建設(shè)中，大量使用深埋長大隧洞、超大地下洞室群、高陡邊坡、擋水圍堰等復(fù)雜土工結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案[1]。特別是在施工期，安全隱患多、一線從業(yè)者安全意識差、設(shè)備設(shè)施管理系統(tǒng)復(fù)雜、安全監(jiān)管體系不健全、安全技術(shù)及措施不到位等問題，是水電工程在安全管理中面臨的共性難題[2]。如何在水電工程項目管控過程中提高安全管理水平，是當前水電工程項目管理中需要研究分析的重要課題之一[3]。新的《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》明確要求，“推行安全生產(chǎn)標準化建設(shè)”“國家鼓勵生產(chǎn)單位利用先進的信息化手段,提高安全生產(chǎn)信息化水平”。新形勢下，水電工程安全管理需緊緊圍繞新監(jiān)測技術(shù)的利用(進行安全生產(chǎn)全面監(jiān)測和監(jiān)控，監(jiān)測信息的快速互通和可視化，信息技術(shù)的集成、優(yōu)化和應(yīng)用)，發(fā)揮人才隊伍和科研優(yōu)勢，加快自主創(chuàng)新，提高安全生產(chǎn)信息化和自動化水平[4]。

國內(nèi)外相關(guān)研究關(guān)注本領(lǐng)域的動態(tài)，大多數(shù)以智能(數(shù)字)建造、智慧工程、智能安全為對象，運用“互聯(lián)網(wǎng)+智慧工程”的思路研究水電工程項目管理。大崗山水電站、兩河口水電站、雙江口水電站、溪洛渡水電站等一大批特大型水電工程建設(shè)中，廣泛系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字大壩、iDam協(xié)同、智能化控制、無人碾壓、三維掃描等相關(guān)技術(shù)，通過統(tǒng)一模型、全面數(shù)據(jù)、在線預(yù)警、智能監(jiān)控等手段，初步實現(xiàn)智能管控的目的。在智能安全管控領(lǐng)域，工業(yè)4.0時代提出的人因安全管理系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、閉環(huán)智能控制原理系統(tǒng)、智能安全預(yù)警系統(tǒng)等理論，主要局限于針對不同的場景提出相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)，未從安全系統(tǒng)原理上考慮系統(tǒng)解決人、機、環(huán)境的相關(guān)聯(lián)問題，特別是針對水電工程的智能安全管控體系建設(shè)研究涉及較少，未形成統(tǒng)一成熟的管控模型框架。

鑒于此，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，以安全系統(tǒng)管理理論為基礎(chǔ)，有必要革命性地創(chuàng)新安全管理思路與手段；充分利用移動互聯(lián)設(shè)備、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)，全面感知、智能管控和實時預(yù)警工程建設(shè)中的安全風險，是新形勢下水電工程智能安全管控的探索和實踐方向。

1 智能安全管控模型的特征分析

1.1 智能安全管控的階段劃分

隨著電子、網(wǎng)絡(luò)、傳感器硬件、信息技術(shù)等領(lǐng)域快速發(fā)展，以此為基礎(chǔ)的互聯(lián)互通、信息共享和協(xié)調(diào)工作等成為水電工程安全管理領(lǐng)域的新方法，而智能安全管控成為主流方式[5]。通過收集、整理大量有關(guān)水電工程安全管理方面的文獻與資料，將智能安全管控的發(fā)展現(xiàn)狀分為以下3個階段：

1)軟件信息化建造階段。利用計算機和專業(yè)軟件，以“信息化建造[6]”為基礎(chǔ)，用以優(yōu)化項目的資源配置，利用信息技術(shù)可以一定程度上輔助于項目安全管理。這一階段處于智能水平初始階段，以行為認知決策管理為主，部分工程管理領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“半自動化”管理模式。

2)數(shù)字建造階段。信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以建造“數(shù)字大壩[7]”為基礎(chǔ)的智能安全管控方式應(yīng)運而生，通過信息采集、數(shù)值仿真模擬等技術(shù)，實現(xiàn)對工程工作性態(tài)的動態(tài)量測與分析，指導設(shè)計和施工。

3)智能建造階段。以建造“智能大壩[8]”為目標，通過“業(yè)務(wù)量化、集成集中、統(tǒng)一平臺、智能協(xié)同”的關(guān)鍵路徑[9]，實現(xiàn)施工過程、監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境信息、人員和設(shè)備行為狀態(tài)等各類數(shù)據(jù)的自動采集，使安全管控能實現(xiàn)自主風險識別、自主風險評估、自主應(yīng)急響應(yīng)、自主安全演進，達到智能協(xié)同的數(shù)據(jù)管控和信息預(yù)警模式，為水電工程安全管控提供智能決策支撐。

1.2 智能安全管控的內(nèi)涵

海因里希(Heinrich)結(jié)合現(xiàn)代管理理論、信息論、系統(tǒng)論、控制論，提出基于事故致因的理論和模型，在此基礎(chǔ)上不斷成熟、發(fā)展和演化為安全系統(tǒng)理論[10]。安全系統(tǒng)理論是工程安全管理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)理論，其將人、機、環(huán)境作為一個整體或系統(tǒng)看待，研究人、機、環(huán)境之間的相互作用從中發(fā)現(xiàn)事故原因，并揭示出事故預(yù)防的途徑。

本文認為，新形勢下水電工程智能安全管控的內(nèi)涵是：在將人、機、環(huán)境視為一個整體的基礎(chǔ)上，借助項目管理的信息化和工程數(shù)字化，進一步融合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息理論和技術(shù)，通過數(shù)字信息的快速整合傳輸來驅(qū)動或推動“人-機-環(huán)境”三元融合與協(xié)同互操，進而實現(xiàn)水電工程安全管理的可預(yù)測、可監(jiān)視、可預(yù)警、可演進、可控制等目標。

1.3 智能安全管控的層次結(jié)構(gòu)

在水電工程智能安全管控領(lǐng)域，樊啟祥等[11]對“智能安全”做出了系統(tǒng)性定義，提出智能安全以“事前源頭管理、事中過程管理、事發(fā)結(jié)果管理”3階段為主線、通過“全面感知、真實分析、實時控制”智能閉環(huán)進行安全管控。水電工程建設(shè)由于人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、作業(yè)環(huán)境的缺陷，容易導致致災(zāi)安全隱患的出現(xiàn)和突發(fā)性事故的產(chǎn)生。一些智能監(jiān)控設(shè)備和系統(tǒng)，已在幾個水電工程投入應(yīng)用并取得一定成效，然而尚未建立一個完備的智能安全管控框架模型。本文整合國家能源集團在水電工程領(lǐng)域安全管理的豐富經(jīng)驗，結(jié)合大渡河智慧工程建設(shè)成果，以大渡河金川水電站為例，提出一個較為完備的水電工程智能安全管控框架模型。

該模型融合水電工程多智能體信息，運用群智數(shù)據(jù)協(xié)同模式，以人的參與獲取的感知數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以水電工程運用智能安全帽、安全培訓、安全體驗、電子圍欄及安全標準化為數(shù)據(jù)單元，在智能終端(智能可穿戴設(shè)備、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等)上通過群體智能融合計算(可視化、數(shù)據(jù)融合、演化分析)，推動人、機、環(huán)境三元融合，建設(shè)基于群智數(shù)據(jù)協(xié)同的水電工程智能安全管控體系(見圖1)，提升水電工程安全管理“以人為中心”的應(yīng)用和服務(wù)創(chuàng)新水平。

在本模型層次結(jié)構(gòu)中：以人、機、環(huán)境之間協(xié)同作為基本管控目標，將智能安全帽、安全培訓、安全體驗、電子圍欄及安全標準化等作為數(shù)據(jù)源層，是作為數(shù)據(jù)采集的實體；在該數(shù)據(jù)實體中，充分融合培訓、監(jiān)控、監(jiān)測、仿真、預(yù)警、管理等應(yīng)用系統(tǒng)；以安全管理的13項要素為基本目標單元，通過云平臺、混合網(wǎng)絡(luò)等傳輸，按照數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)分析應(yīng)用等邏輯層次，形成水電智能安全管控的大數(shù)據(jù)平臺。

圖1 智能安全管控3層結(jié)構(gòu)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礎(chǔ)要素

智能安全管控模型是以安全管理為目標，運用智能安全帽、安全培訓、安全體驗、電子圍欄及安全標準化等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集要素，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、移動互聯(lián)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，集成水電工程建設(shè)安全管控領(lǐng)域全員協(xié)同工作、數(shù)據(jù)實時交換、信息實時處理的統(tǒng)一數(shù)字化管理系統(tǒng)。

2.1 人的智能管控要素

水電工程中，人的不安全行為是導致安全管理失效的主要因素，與安全管理機構(gòu)、安全管理人員、安全培訓體系密切相關(guān)。水電工程智能安全管控的基礎(chǔ)要素，首先從組織管理角度分析事故致因，通過“智能安全帽+智能安全培訓”進行數(shù)據(jù)模型采集(見圖2)。其次，在應(yīng)用單元上通過實現(xiàn)安全培訓、安全檢查、人員軌跡、職業(yè)健康、安全組織機構(gòu)等功能，彌補現(xiàn)有水電工程對人員管理難度大、安全培訓監(jiān)督管理不足等問題。

圖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

水電工程施工作業(yè)具有流程多、施工器具雜、特種設(shè)備多等特點。設(shè)備設(shè)施的危險源監(jiān)控，主流采用以人為主的管理和輔助技術(shù)手段相結(jié)合的方式，一旦設(shè)備失效或處于危險狀態(tài)，難以及時、準確地對人進行預(yù)知預(yù)警；此外，現(xiàn)有的人工封閉管理存在漏洞，外來人員可能誤闖誤進；在對物的管控方面，提出結(jié)合通信、定位、紅外線聲像識別等技術(shù)和封閉管理要求，將位置信息、圍欄信息以及相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)等通過預(yù)警信息傳遞到現(xiàn)場，統(tǒng)籌運用人防、物防、技防等措施，確保對設(shè)備設(shè)施的遠程監(jiān)控和現(xiàn)場預(yù)警(見圖3)。

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

2.3 環(huán)境的智能管控要素

認真研究人、機、環(huán)境3個要素的本身特性，不單純著眼于個別要素的優(yōu)良與否，而是將使用物的“人”和人所設(shè)計的“物”以及“人”與“物”所共處的“環(huán)境”作為一個系統(tǒng)來研究[12]。從安全管理的角度，提升整個系統(tǒng)環(huán)境的安全是實現(xiàn)安全管理目標的最終體現(xiàn)。

安全標準化是一套規(guī)范化、科學化、系統(tǒng)化的體系，代表現(xiàn)代安全管理的發(fā)展方向，能夠有效創(chuàng)造安全施工和文明生產(chǎn)的良好環(huán)境。水電工程安全標準化建設(shè)，通過“移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺、BIM、大數(shù)據(jù)、人工智能”等前沿技術(shù)與安全管理理論深度融合，將水電工程建設(shè)安全管理分散業(yè)務(wù)、施工設(shè)備(設(shè)施)、安全設(shè)備(設(shè)施)、標識標牌等資源的信息進行有機整合，實現(xiàn)安全管理業(yè)務(wù)信息集成化、智能化、可視化，提升智能安全管控的環(huán)境(見圖4)。

3 智能安全管控模型的技術(shù)體系

3.1 智能安全帽

智能安全帽具備強大的信息采集及行為預(yù)警功能，其包含紅外線感應(yīng)、預(yù)警識別、語音通話、定位、視頻采集等多方位功能。具體包括：①對 “收集到的施工現(xiàn)場各種需要采集的信息”及時反饋到智能安全帽系統(tǒng)；②對人的行為軌跡進行跟蹤和定位，并及時生成有關(guān)的數(shù)據(jù)和報告；③對人的不安全行為發(fā)出預(yù)警預(yù)告，從而充分發(fā)揮智能安全帽對人的監(jiān)管作用。例如，當用戶到達危險區(qū)域時(如爆破區(qū)域、微震監(jiān)測預(yù)警區(qū)域、環(huán)境監(jiān)測預(yù)警區(qū)域等)，智能安全帽能實現(xiàn)自動提示和告警。

針對當前水電工程的特點，智能安全帽主要技術(shù)指標有：①人員定位，通過內(nèi)置GPS(或北斗)模塊對室外、室內(nèi)作業(yè)人員進行定位追蹤、軌跡查詢；②視頻傳輸，通過WIFI網(wǎng)絡(luò)向后臺實時傳輸現(xiàn)場視頻，有助于質(zhì)量監(jiān)控、事故追蹤；③語音通訊，內(nèi)置揚聲器，通過后臺設(shè)置，可實現(xiàn)語音實時通訊、多人分組通訊功能。④身份識別，內(nèi)置UWB芯片，通過現(xiàn)場基站設(shè)備自動識別人員的身份信息；⑤危險預(yù)警，可以劃定電子警戒線，實現(xiàn)超出或進入限定區(qū)域(跨越電子警戒線)短信報警；⑥近電告警，當設(shè)備接近電場時會發(fā)出預(yù)警，輔助保障操作人員的人身安全。

圖4 環(huán)境的管控要素模型Fig.4 Model of management and control elements for environment

3.2 智能安全培訓

安全教育培訓是水電工程安全管理的重要環(huán)節(jié)。將安全培訓與對人的行為控制相結(jié)合，對人的不安全行為進行綜合評估，在安全管理領(lǐng)域為選人、用人、識人提供輔助決策支持，是智能安全培訓發(fā)展的方向。智能安全培訓以施工現(xiàn)場安全事故模擬VR體驗為核心，同時借助人臉識別系統(tǒng)、身份讀取、沉浸式體驗、仿真系統(tǒng)、多維度培訓數(shù)據(jù)庫及考試系統(tǒng)等，形成大數(shù)據(jù)庫驅(qū)動下的智能培訓模式。

針對當前水電工程的特點，智能安全培訓主要技術(shù)指標有：①視頻學習考試，通過投影儀播放安全規(guī)范、制度、標準學習視頻，并將在電腦上隨機抽取題庫內(nèi)的相關(guān)考試題對學員進行考核；②二維碼掃描，考試前通過掃描二維碼(身份讀取、人臉識別)將考試情況具體化到人，對考試數(shù)據(jù)進行自動錄入及相關(guān)分析；③施工使用流程及巡檢考核，借助VR設(shè)備的全沉浸式體驗，對高處、臨邊、坍塌、機械傷害等場景進行模擬；④仿真系統(tǒng)，包括模擬滅火體驗、安全標志識別體驗、勞保用品體驗、現(xiàn)場急救體驗、綜合用電體驗5項模擬體驗項目，利用相關(guān)設(shè)備學習安全技能，感受實景情況；⑤實體體驗，展示標準施工工藝、流程，提供接近現(xiàn)實場景的安全體驗，對現(xiàn)場實體安全操作進行現(xiàn)場教學，學員通過參與真實安全生產(chǎn)環(huán)境中的具體事例，提升安全自救技能；如：實體安全帽體驗、安全帶體驗、護欄推倒體驗、機械傷害體驗等項目；⑥人工數(shù)據(jù)庫，通過掃描錄入工作信息后生成的二維碼進行身份識別、記錄、歸檔、成績記錄、數(shù)據(jù)分析，通過網(wǎng)絡(luò)傳送到智能安全管控系統(tǒng)，提高安全管控針對性。

3.3 電子圍欄

高精度電子圍欄技術(shù)的應(yīng)用，具有“防御為主、報警為輔”的顯著特點。通過定位并采集工程測量、監(jiān)測、檢測等項目位置坐標，替代傳統(tǒng)的人工封閉管理，進而提高工區(qū)封閉管理對人員、設(shè)備設(shè)施管理的安全性。

針對當前水電工程的特點，電子圍欄主要技術(shù)指標有：①人員、設(shè)備識別與定位，高精度定位終端嵌入式軟件并傳輸給定位模塊，保證定位精度，并將位置通過專用網(wǎng)絡(luò)傳到安全管控平臺；②電子預(yù)警，人員、設(shè)備在進入圍欄和出圍欄時，可分別進行入圍欄登記掃描、警戒線和出圍預(yù)警；③危險預(yù)警，通過人員、設(shè)備與危險源的位置計算，實時判斷人員、設(shè)備的距離，當超過安全距離時，系統(tǒng)將產(chǎn)生報警信息，邊界設(shè)置的警戒雷達、智能安全帽等都將產(chǎn)生聲光報警。

3.4 安全標準化

安全標準化是指通過建立預(yù)防機制，規(guī)范生產(chǎn)行為，使人、機、環(huán)處于良好的狀態(tài)。在新形勢下，結(jié)合水電工程特點，安全標準化的主要功能技術(shù)有：以實施運行標準化體系為基礎(chǔ)，以安全標準化專項費用單元、安全標準化圖冊實施單元、安全標準化達標評級單元為核心的功能單元，Web端/移動端進行數(shù)據(jù)采集，按安全標準化基礎(chǔ)要素模塊和安全系統(tǒng)功能模塊進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布，通過自動分析各基礎(chǔ)要素建設(shè)效果，實現(xiàn)水電工程安全標準化整體效果評估及改進建議，建立企業(yè)安全生產(chǎn)標準化運行常效機制。

4 案例應(yīng)用與效果

在國家能源集團大渡河金川水電站建設(shè)“智慧工程”基礎(chǔ)上，金川水電站智能安全管控單元正在實施開發(fā)、建設(shè)。以管控安全為具體業(yè)務(wù)對象，以數(shù)據(jù)流為導向，業(yè)務(wù)量全數(shù)字，實現(xiàn)安全管理風險識別，全面感知、智能管控和實時預(yù)警工程建設(shè)中的安全風險，全面推行安全標準化建設(shè)，實現(xiàn)安全管控的智能高效決策。

4.1 實施步驟

金川水電站智能安全管控單元，按照人、機、環(huán)為安全管控目標對象，分為全要素管控的智能安全管控系統(tǒng)、動態(tài)安全管理APP和安全標準化3個實施步驟；結(jié)合金川水電站工程建設(shè)需求和實際，單項開發(fā)智能安全帽、智能安全培訓體驗館和電子圍欄等內(nèi)容。

4.2 實施內(nèi)容

目前，該單元建設(shè)的主要內(nèi)容有：

1)建設(shè)全要素管控的智能安全管控系統(tǒng)。該智能安全管控系統(tǒng)包括安全組織與保障等6個信息管理模塊，隱患排查等4個信息預(yù)警模塊，全面推行基于大數(shù)據(jù)分析的安全風險分級動態(tài)管理，感知危險源關(guān)鍵要素，實現(xiàn)從危險源辨識、評估、治理或控制到銷號的閉環(huán)管控。

2)建設(shè)動態(tài)安全管理APP。以“智能監(jiān)測+”“智能安全帽”“智能安全培訓”“電子圍欄”等為抓手全面感知工程構(gòu)筑物、活動源(人、設(shè)備等)，及時掌握安全監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)、防洪度汛及水情雨情數(shù)據(jù)，實現(xiàn)隱患排查、危險源監(jiān)控、設(shè)備設(shè)施運行狀態(tài)、應(yīng)急預(yù)案、事故(事件)報告救援等信息進行集成、集中，實現(xiàn)風險的自動預(yù)警和預(yù)報。

3)全面推行《金川水電站安全·環(huán)水?！の拿魇┕藴驶?。明確標準化基礎(chǔ)要素173類，標準化布置要求22項。

4.3 實施效果

在完成開發(fā)全要素管控的智能安全管控系統(tǒng)和動態(tài)安全管控APP的基礎(chǔ)上，金川水電站智能安全管控單元已經(jīng)初步實現(xiàn)投入試運行，包括隱患排查系統(tǒng)、安全組織管控系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)和智能安全帽等，已經(jīng)在金川水電工程建設(shè)中發(fā)揮積極作用。如安全組織管控系統(tǒng)，實現(xiàn)了安全準入條件的智能管控；智能安全帽，實現(xiàn)了人的習慣性違章智能感知、預(yù)警管控功能；隱患排查系統(tǒng)，實現(xiàn)隱患治理流程高效、閉合有效、處置便捷等功能。下一步，通過該系統(tǒng)的運用，將建立自動感知、互動決策的安全管控體系，提高金川水電站安全風險管控能力和智能安全管控水平。

5 結(jié)論

1)以智能安全管控為研究對象，充分考慮水電工程施工特點與風險特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，劃分以信息化建造、數(shù)字大壩、智能大壩為特征的3個階段，探索預(yù)測新形勢下將建立全面感知、智能管控和實時預(yù)警的水電工程智能安全管控體系。

2)運用安全系統(tǒng)理論，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能及云計算等最新信息技術(shù)，提出智能安全管控的內(nèi)涵特征、層次結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)要素及技術(shù)體系，構(gòu)建智能安全管控3層結(jié)構(gòu)模型。

3)以大渡河金川水電站為例，開發(fā)以人、機、環(huán)境三元融合為目標的智能安全管控單元，通過實施效果分析，表明該模型結(jié)構(gòu)是有效的，能為水電工程智能安全管控和智慧高效決策提供支撐。