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        多功能工程應急監(jiān)測智能移動平臺的可行性研究

        2020-03-10 11:13:28陳少祥陳久照張堅何欽張記峰
        廣東土木與建筑 2020年2期
        關(guān)鍵詞:事故現(xiàn)場救援應急

        陳少祥,陳久照,張堅,何欽,張記峰

        (1、廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司廣州510500;2、廣東省建設工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司廣州510500)

        0 前言

        近年來,社會經(jīng)濟快速發(fā)展,隨著建設工程體量的日益增大和建設用地的逐步減少。建設項目規(guī)模大、環(huán)境復雜、風險高的特點日益突出。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設部公布的全國房屋市政工程生產(chǎn)安全事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(見圖1),2001~2018 年期間,生產(chǎn)安全事故數(shù)量及事故致死人數(shù)總體呈下降趨勢,但總體數(shù)量仍然較高;且自2015 年起,事故數(shù)量及死亡人數(shù)有抬頭趨勢。

        圖1數(shù)據(jù)表明,近年來新技術(shù)的不斷推廣和應用,并未能有效遏制事故的發(fā)生和減少事故的損失,形勢仍十分嚴峻。在目前的發(fā)展形勢下,工程事故無法杜絕,深入研究如何在事故發(fā)生時快速組織應急搶險,減少因事故產(chǎn)生的次生災害或二次事故,減少人員傷亡,降低經(jīng)濟、社會影響是重要的研究方向,也是防災減災研究中重要的一環(huán)。

        工程應急搶險智能監(jiān)測移動平臺的研究是工程應急搶險技術(shù)研究的探索之一,通過該技術(shù)的研發(fā),達到快速反應、輔助決策的目的,爭取在黃金救援時間內(nèi)有更多的“作為”,解決應急搶險中“非不為,是不能也”的窘境。

        圖1 2001~2018年全國房屋市政工程生產(chǎn)安全事故數(shù)量及死亡人數(shù)統(tǒng)計曲線Fig.1 The Statistical Curve of the Number of Accidents and Deathsin the Production of Housing and Municipal Engineering in Chinafrom 2001to2018

        1 案例及分析

        本文梳理了近年來多個典型的工程應急搶險案例,并對事故發(fā)生的原因及應急搶險過程進行簡要的匯總描述,具體如下:

        案例1:2015年,某市發(fā)生渣土受納場堆體滑坡事故[1],滑坡涉及總面積約 38 萬 m2,造成周邊 33 棟建筑物受損和73人死亡,直接經(jīng)濟損失約8.81億元。事故現(xiàn)場調(diào)派了123 臺生命探測儀、4 臺無人機參與應急監(jiān)測和輔助救援[2]。同時,為了監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境的變化,救援期間在現(xiàn)場布置自動化監(jiān)測設備對鄰近山體進行實時監(jiān)測、實時預警,防止發(fā)生二次滑坡。

        案例2:2016年,江西某發(fā)電廠三期擴建工程發(fā)生坍塌特別重大事故[3],事故共造成 73 人死亡、2 人受傷,直接經(jīng)濟損失約10 197.2 萬元?,F(xiàn)場應急救援指揮部調(diào)派了無人機、生命探測儀、破拆機械、發(fā)電機等設備,利用衛(wèi)星移動通信指揮車、微波圖傳、4G 單兵移動通信等設備將現(xiàn)場圖像實時回傳至上級單位,為現(xiàn)場救援提供有力支撐,有效防止了次生事故傷亡。

        案例3:2018 年,某市軌道交通21 號線站區(qū)間突發(fā)坍塌事故[4],共造成3 人死亡,直接經(jīng)濟損失約1 008.98 萬元?,F(xiàn)場應急救援指揮部調(diào)用了無人機、生命探測儀、全站儀等設備,用于輔助救援、影響區(qū)勘定等。

        案例4:2019 年,某市地鐵11 號線施工區(qū)域發(fā)生坍塌事故[5],共造成3人死亡,經(jīng)濟損失巨大。事故現(xiàn)場啟用無人機進行了環(huán)境調(diào)查,同時為確保搜尋區(qū)域及周邊安全,第三方監(jiān)測單位設置了170余個監(jiān)測點,持續(xù)對現(xiàn)場及周邊地表、高架橋、管線和建筑物進行不間斷的監(jiān)測。

        1.1 案例分析

        分析以上幾個案例可知:工程應急現(xiàn)場一般從事故現(xiàn)場及周邊環(huán)境調(diào)查開始,根據(jù)事故發(fā)展趨勢及周邊環(huán)境情況,針對性地制定救援方案,進行現(xiàn)場搶險及周邊環(huán)境保護。此外,本文還調(diào)研分析了國內(nèi)外數(shù)十個案例,將工程應急搶險中主要應用的技術(shù)措施歸納統(tǒng)計如下:多旋翼無人機、生命探測儀、智能測量機器人及智能傳感器、應急指揮通信車、4G 單兵移動通信、微波圖傳技術(shù)、自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

        通過對上述工程應急搶險案例的統(tǒng)計可知:救援過程中,需要多專業(yè)、多設備的交叉作業(yè),多種數(shù)據(jù)的融合可起到科學研判、輔助指揮的作用。從作業(yè)流程和應用技術(shù)分析,主要分為3 個類別:環(huán)境調(diào)查類;趨勢分析及輔助救援類;周邊環(huán)境保護監(jiān)控類。

        1.2 需求分析

        通過總結(jié),應急搶險過程的需求工作可梳理為以下幾個主要部分:

        1.2.1 環(huán)境調(diào)查

        突發(fā)事故發(fā)生時,組織應急搶險工作的前提是對事故現(xiàn)場及其周邊環(huán)境情況的及時收集,了解現(xiàn)場范圍、人員傷亡、重要市政設施、周邊重要建筑物等基礎(chǔ)情況,為制定合理的應急救援措施提供參考。

        1.2.2 趨勢分析及輔助救援

        在對事故現(xiàn)場進行充分環(huán)境調(diào)查的前提下,實時動態(tài)獲取事故現(xiàn)場及其周邊環(huán)境的數(shù)據(jù)信息,從而分析事故發(fā)展方向、發(fā)展趨勢及可能存在的二次事故等。避免發(fā)生次生事故,控制救援人員傷亡。

        1.2.3 周邊環(huán)境保護監(jiān)控

        明確了周邊環(huán)境重點保護對象及事故發(fā)展趨勢的前提下,在工程應急搶險期間對事故現(xiàn)場周邊鄰近的重要市政設施、文物、居民區(qū)等予以重點保護性監(jiān)控。準確掌握受影響程度,就異常情況及時發(fā)出預警,避免出現(xiàn)次生事故傷亡。

        2 可行性分析

        根據(jù)應急現(xiàn)場對于應急監(jiān)控的需求分析,應急監(jiān)控3 個階段可簡化為:環(huán)境調(diào)查、區(qū)域測量、定點保護監(jiān)測。基于現(xiàn)有的通訊、攝影及智能傳感等技術(shù),各階段可采用如下方式實現(xiàn)。

        2.1 環(huán)境調(diào)查

        采用影像系統(tǒng),特別是無人機影像系統(tǒng)對事故現(xiàn)場進行全方位不間斷的影像獲取及巡航工作,實時獲取事故現(xiàn)場的整體環(huán)境的影像資料,基于整體情況的影像資料,排查有害環(huán)境和明確測量范圍,確定保護對象。將實時數(shù)據(jù)反饋并投射至控制中心直觀展現(xiàn),用于輔助決策,同時為應急搶險工作人員提供真實、可靠、實時的環(huán)境調(diào)查信息,為區(qū)域測量及后續(xù)應急監(jiān)測工作提供基礎(chǔ)資料及信息。根據(jù)當前技術(shù)發(fā)展,既有主要技術(shù)包括:

        2.1.1 無人機技術(shù)

        無人駕駛飛機簡稱“無人機”,是利用無線電遙控設備和自備程序控制裝置操縱,或由車載計算機自主控制并執(zhí)行特定任務的不載人飛行器。目前,基于軟硬件與服務生態(tài)支持的無人機行業(yè)應用技術(shù)已日趨成熟,廣泛應用于農(nóng)業(yè)、森林防火、國家電網(wǎng)、勘災救災、社區(qū)巡邏、物流等行業(yè)。在勘災救災方面[6-12],小型專業(yè)級無人機配合其搭載的軟件平臺技術(shù),已可實現(xiàn)實時獲取現(xiàn)場影像、3D 建模、現(xiàn)場大致情況及風險源的能力。

        2.1.2 視頻影像技術(shù)

        視頻影像技術(shù)在現(xiàn)實應用中[13-16],主要以視頻監(jiān)控的形式存在。近年來,隨著計算機、傳感器、軟件、射頻/圖像識別、通訊等技術(shù)的快速發(fā)展,當前監(jiān)控系統(tǒng)已可實現(xiàn)圖像的自動識別、存儲和自動報警。結(jié)合無人機、近景攝影測量等技術(shù),可實現(xiàn)實時三維建模,快速建立應用場景等。

        2.1.3 生命探測技術(shù)

        傳統(tǒng)意義的生命探測技術(shù),是基于雷達超寬頻技術(shù)的應用。它以電磁波為載體,實現(xiàn)遠距離、多生命體無干擾的情況下非接觸地獲取生命體信息。當前隨著專業(yè)融合發(fā)展,基于多旋翼無人機、智能機器人的生命探測技術(shù)已日臻成熟,得到廣泛應用[17-19]。

        2.1.4 其他現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境探測技術(shù)

        現(xiàn)有設備能對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境[20-22],尤其是事故現(xiàn)場,涉及環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測,如:有毒有害氣體、固體顆粒物、聲壓聲級、沖擊波、放射性等探測。實時掌握現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境參數(shù),可有效保障救援人員生命安全。

        2.2 區(qū)域測量

        在對事故現(xiàn)場進行充分環(huán)境調(diào)查的前提下,采用3D 掃描技術(shù)或攝影測量技術(shù),實現(xiàn)對事故區(qū)域范圍內(nèi)地表、建筑物等點云變形數(shù)據(jù)采集,并根據(jù)數(shù)據(jù)的變化,結(jié)合3D 建模等技術(shù),實現(xiàn)區(qū)域變形發(fā)展趨勢分析。根據(jù)當前技術(shù)發(fā)展,既有主要技術(shù)如下:

        2.2.1 3D掃描技術(shù)

        主要以三維激光掃描技術(shù)為代表,可通過高速激光掃描測量的方法,大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù),快速建立物體的三維影像模型,具有快速、非接觸、實時、動態(tài)、主動、高密度、高精度、數(shù)字化、自動化的特點,能夠快速獲取大范圍掃描數(shù)據(jù),最高測量擬合精度可達0.1%F·S,廣泛應用于地形勘測、工程測量、災害應急等項目[23]。

        2.2.2 圖像識別技術(shù)

        圖像識別技術(shù)是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ),對圖像進行處理、分析和理解,以識別不同模式目標和對象的技術(shù)。當前已廣泛應用于人臉識別、車牌識別、環(huán)境監(jiān)測、天氣預報、地圖地形配準、導航等。

        2.2.3 地質(zhì)雷達探測技術(shù)

        利用超高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布,其基本原理是通過發(fā)射超高頻率、一定脈沖寬度的脈沖電磁波訊號,當這一訊號在巖層中遇到探測目標時,會產(chǎn)生一個反射訊號。該技術(shù)可應用于排查、監(jiān)控存在疑似空洞或土層疏松等地質(zhì)缺陷[24],通過監(jiān)測地質(zhì)缺陷的發(fā)展趨勢,判斷地層塌陷的發(fā)展速率及范圍。

        2.3 定點監(jiān)測

        在環(huán)境調(diào)查、區(qū)域測量的基礎(chǔ)上,對事故現(xiàn)場、鄰近重要的建(構(gòu))筑物等進行定點監(jiān)測,目前智能傳感器已實現(xiàn)亞毫米級精度的實時自動化測量,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)自動化采集、傳輸、處理及分析,實現(xiàn)對如供水、煤氣、道路、橋梁、隧道及文物等重要建構(gòu)筑物進行高精度自動化測量。根據(jù)當前技術(shù)發(fā)展,既有的主要技術(shù)如下:

        2.3.1 智能測量機器人

        測量機器人又稱自動全站儀,是一種集自動目標識別、自動照準、自動測角與測距、自動目標跟蹤、自動記錄于一體的測量平臺。配合機載軟件,能對固定標靶實現(xiàn)連續(xù)、實時的亞毫米精度的變形監(jiān)測,目前早已成熟并廣泛應用于水庫大壩、礦山邊坡、建筑基坑,以及既有建(構(gòu))筑物的保護監(jiān)測等方面。

        2.3.2 智能傳感器

        概念上來講,智能傳感器是具有信息處理功能的傳感器[25],它基于微處理內(nèi)核,可實現(xiàn)采集、處理、交換信息等功能。在專業(yè)融合發(fā)展的背景下,它為關(guān)聯(lián)專業(yè)的發(fā)展提供了硬件基礎(chǔ),實現(xiàn)應力應變、位移、溫度、壓力、光感等物理量的自動化量測與傳輸,達到0.1%~0.35%F·S 的高精度。大量應用于工程自動化監(jiān)測項目[26],并以此為基礎(chǔ)支撐了裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

        2.4 其他輔助技術(shù)

        2.4.1 5G通訊技術(shù)

        即第五代移動通信技術(shù)的簡稱,以高速率、低延時為顯著特點。為現(xiàn)場各設備鏈接和信息傳輸提供了高效技術(shù)方案[27],可實現(xiàn)各類型影像、圖形及數(shù)據(jù)的實時傳輸,當前5G 技術(shù)的發(fā)展方興未艾,應用場景極具想象力。

        2.4.2 鋰電供電技術(shù)

        近年來國內(nèi)鋰電池快速充電及容量技術(shù)的解決,提高了移動裝備的續(xù)航能力。為移動平臺軟硬件集成作業(yè)提供基礎(chǔ)保障。

        2.4.3 智能信息系統(tǒng)建設

        智能信息系統(tǒng)的發(fā)展為“數(shù)據(jù)融合”提供了基礎(chǔ)條件,實現(xiàn)圖形、影像、數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)的深度二次加工,并智能分析與研判,提高作業(yè)效率和精度。

        3 平臺研發(fā)

        3.1 平臺構(gòu)建

        多功能工程應急監(jiān)測智能移動平臺的建設不是簡單的設備堆積,而是以設備為“軀干”、網(wǎng)絡為“神經(jīng)”、系統(tǒng)為“大腦”的智能平臺。結(jié)合前文工程應急搶險3 個階段及目前既有技術(shù)的發(fā)展水平,工程應急搶險智能監(jiān)測移動平臺的研制是可行的,初步設計構(gòu)想如下:

        3.1.1 總體原則

        專業(yè)化、集成化、信息化。

        3.1.2 初步構(gòu)想

        工程應急監(jiān)控技術(shù)及裝備研發(fā)與應用是基于5G、無人機勘測、聲波探測、激光掃描、攝影測量、智能信息系統(tǒng)等技術(shù),研制出一款適合日常監(jiān)測作業(yè)和應急監(jiān)控的多功能車載移動作業(yè)平臺,實現(xiàn)在各種工況下的現(xiàn)場量測、數(shù)據(jù)處理、信息發(fā)布等功能。從而實現(xiàn)在地質(zhì)災害、地陷、基坑坍塌等多種工程事故發(fā)生的第一時間對事故現(xiàn)場的事故范圍、現(xiàn)場條件、周邊環(huán)境、發(fā)展趨勢及重點建筑進行數(shù)據(jù)采集和發(fā)布,輔助應急決策,達到縮短應急反應時間、減少人員傷亡、降低經(jīng)濟損失和社會影響的目的。

        3.1.3 功能拓撲圖

        根據(jù)功能要求,初步構(gòu)想拓撲圖如圖2所示。

        3.2 前景預期

        本平臺的研發(fā)能加強應急搶險工作能力、提高監(jiān)測效率,企業(yè)可實現(xiàn)定制化的專有作業(yè)車輛,辨識度高、形象好,體現(xiàn)科學嚴謹、專業(yè)規(guī)范、公正高效的企業(yè)內(nèi)涵,提升企業(yè)形象及員工認同感,增強企業(yè)凝聚力。

        3.3 社會、經(jīng)濟效益

        本項目研發(fā)成果能提升作業(yè)效率及企業(yè)業(yè)績;同時,本平臺可成為一種應急搶險特種設備,并可通過服務采購、設備銷售等多種形式,產(chǎn)生巨大的社會和經(jīng)濟效益。

        圖2 功能拓撲圖Fig.2 Functional Topology Diagram

        4 結(jié)語

        本文通過對近年來房屋市政工程生產(chǎn)安全事故數(shù)量及其傷亡損失的分析,闡明了應急搶險技術(shù)研究的必要性。通過對典型工程事故案例的統(tǒng)計分析,提出了應急搶險的3個遞進階段:環(huán)境調(diào)查、區(qū)域測量及定點監(jiān)測。此外,本文在調(diào)研和分析的基礎(chǔ)上,總結(jié)了工程應急搶險過程所需的相關(guān)先進技術(shù)。結(jié)合這些現(xiàn)有成熟的通訊、傳感及智能信息技術(shù),分析了多功能工程應急監(jiān)測智能移動平臺研發(fā)的可行性,并為這種平臺的研發(fā)提供了初期的思路;制定了功能拓撲圖。最后,結(jié)合現(xiàn)場工程的實際需求,分析了該平臺的市場前景及其社會、經(jīng)濟效益,得出目前進行該平臺研發(fā)工作具備可行性的結(jié)論,對下一步該平臺的設計及實現(xiàn)具有重要的指導意義。

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