江 浩，吳 穹，田振興

(1.國家電投集團四川電力有限公司，四川 成都 610000；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100020)

1 項目背景

國家電力投資集團公司(以下簡稱“國家電投”)于2018年制定了能源數(shù)字化智能化技術的戰(zhàn)略布局，明確“到2035年數(shù)字化智能化支撐產業(yè)轉型”的發(fā)展目標。此后，國家電投70%的發(fā)電機組已開展或正開展智慧化建設，其中試點省份90%的項目開展了智慧化運營。針對水電版塊，國家電投于2019年開展了水電智慧化研究專項工作，并將劍科水電站列為BIM及數(shù)字化應用試點。

2 項目安全管理現(xiàn)狀

劍科水電站位于四川省阿壩州松潘縣境內，是毛爾蓋河水電梯級規(guī)劃的龍頭水庫電站。工程采用混合式開發(fā)，攔河大壩為心墻堆石壩，壩、廠址相距約25 km，左岸輸水隧洞全長20 km。劍科水電站于2012年9月開工建設。在數(shù)字化技術應用前，劍科水電站已進入主體工程施工期，工程區(qū)范圍內未實現(xiàn)移動網絡覆蓋。工程現(xiàn)場有十幾方同時參建，業(yè)主、監(jiān)理對項目管理信息的上傳、下達工作量較大，加之現(xiàn)場管理信息化、可視化程度相對較低，不利于工程現(xiàn)場安全管理信息地有效傳遞和快速響應。

劍科水電站安全管理的主要問題有以下幾點：

(1)水電工程施工作業(yè)環(huán)境復雜，多工作面同時開工，工程人員和特種機械設備作業(yè)頻繁，受各方面影響，危險源往往存在于細微處。此外，安全管理所涉及表單種類和數(shù)量相對較多，工程現(xiàn)場安全管理多憑經驗而為，存在危險作業(yè)缺乏防護，安全程序形同虛設，防護措施未到位等情況，導致潛藏重大安全隱患。

(2)水電工程常規(guī)巡檢方式工作強度大、管理成本高，人員到位率和巡檢質量無法保證。發(fā)生突發(fā)事件后管理人員難以第一時間獲取準確位置，導致應急響應滯后。同時，人工填報巡視檢查結果，易產生巡檢項漏報、錯報等情況，且缺乏完整的電子臺賬，造成巡檢數(shù)據分析挖掘工作量大，無法對可能出現(xiàn)的風險點或危險源有效預警。

(3)水電工程施工現(xiàn)場作業(yè)面大、工程作業(yè)人員和設備數(shù)量多，傳統(tǒng)的監(jiān)管手段難以實時、及時掌握現(xiàn)場情況，施工質量、安全方面的現(xiàn)場管理常常存在盲點以及漏洞，進而引發(fā)項目現(xiàn)場施工質量問題和安全事故。

3 安全管理系統(tǒng)設計

為解決劍科水電站安全管理現(xiàn)存問題，安全管理系統(tǒng)主要針對工程現(xiàn)場安全管理內容和安全管理流程，采用數(shù)字化形式進行現(xiàn)場管控。首先采用“危險源+BIM”形式，將危險源信息與BIM模型進行關聯(lián)，可視化顯示危險源類型、等級及預案等內容，輔助現(xiàn)場危險源與安全文件管理。采用“巡檢+GIS”形式，通過移動端APP標記巡檢人員的巡檢點位，并全程跟蹤巡檢及整改過程，實現(xiàn)現(xiàn)場巡檢的閉環(huán)管理。通過“攝像頭+BIM”形式，在可視化場景展示攝像頭位置，以虛實結合的方式，對工程重點部位施工場景進行實時監(jiān)控[1-2]。

3.1 安全文件及危險源

平臺基于項目安全管理制度，對安全組織機構人員、特種作業(yè)設備、安全會議、安全教育培訓、安全檢查、安全隱患及危險源等進行信息化管理，并實現(xiàn)在線閉環(huán)處理。此外，還可對工程各區(qū)域的安全風險、事故隱患進行匯總統(tǒng)計和整體分析，并通過統(tǒng)計圖、數(shù)據表的方式展示，輔助管理人員決策分析，提高管理效率[3]。

同時，平臺可將各危險源點位集成于BIM模型，可視化顯示危險源類型、等級、安全交底技術方案以及應急處置預案等詳細信息，助力危險源動態(tài)管理，進一步增加安全管理可視化維度[4]。

3.2 現(xiàn)場巡檢

根據劍科水電站現(xiàn)場工程巡檢管理流程，系統(tǒng)內置巡檢、問題整改審批流程，以移動端APP為主、網頁端為輔協(xié)助工程現(xiàn)場進行工程巡檢管理。集成GIS技術，可實時記錄巡檢人員的巡檢軌跡和巡檢點位，實現(xiàn)現(xiàn)場巡檢工作的全過程重現(xiàn)[5]。

3.3 視頻監(jiān)控

針對劍科水電站現(xiàn)場管控重點部位及施工關鍵環(huán)節(jié)，安裝視頻監(jiān)控攝像頭[6]。數(shù)字化建管平臺以BIM模型為載體，嵌入視頻監(jiān)控插件，實現(xiàn)施工現(xiàn)場作業(yè)狀態(tài)、施工工序的實時監(jiān)控，同時可以對前期現(xiàn)場情況的進行遠程回放，提升現(xiàn)場事故處理能力，助力現(xiàn)場質量和安全管理。

4 安全管理系統(tǒng)總體架構

4.1 系統(tǒng)架構

安全管理系統(tǒng)研發(fā)整體架構主要由基礎設施層、數(shù)據層、支撐層、應用層和表現(xiàn)層5部分組成[7]，如圖1所示。

圖1 安全管理系統(tǒng)整體架構

基礎設施層是通過基礎網絡、機房、服務器、存儲設備、安全設備以及軟件等為整個系統(tǒng)建設提供硬件和軟件上的支撐；數(shù)據層是負責在硬件環(huán)境的基礎上為系統(tǒng)提供各類的管理數(shù)據和邏輯信息；支撐層在系統(tǒng)的應用層和數(shù)據層起到紐帶作用，為業(yè)務應用提供各類服務；應用層為系統(tǒng)中各個業(yè)務模塊的后臺邏輯，一方面調用支撐層各類組件負責業(yè)務數(shù)據的處理，另一方面將數(shù)據與數(shù)據庫進行交換，實現(xiàn)數(shù)據的存儲、更新、查詢等；表現(xiàn)層即安全管理系統(tǒng)的用戶界面，負責與應用層交互并展示給用戶，展示方式分為PC端WEB頁面以及移動端APP。

4.2 技術架構

安全管理系統(tǒng)采用基于瀏覽器/服務器的B/S結構，在處理模式上大大簡化了客戶端，用戶只需安裝瀏覽器即可，而將應用邏輯集中在服務器和中間件上，可以提高數(shù)據處理性能。系統(tǒng)研發(fā)整體采用經典MVC架構模式，此架構被分成視圖、模型、控制器3個核心部件，如圖2所示。

圖2 MVC架構設計模式

在視圖、模型、控制器三部分中，模型主要用來表示業(yè)務上的數(shù)據模型和業(yè)務的一些規(guī)則，需要處理最多的業(yè)務邏輯。視圖是用戶看到并與之交互的界面，主要用于向用戶展示信息和接收用戶的輸入。控制器是視圖和模型之間主要的銜接，接收用戶的輸入，并調用對應的模型去處理業(yè)務需求。

開發(fā)方式上采用前后端分離的開發(fā)模式，前端和后端只通過簡單的API文檔就能進行數(shù)據交流，實現(xiàn)邏輯、代碼的分離，使前后端職責單一化，提升開發(fā)效率以及后期的可維護性。后端采用基于PHP、Java、Python等語言的混合后臺開發(fā)模式，以保證平臺的運算速度和功能的健全性。前端開發(fā)采用基于Javascript的React框架，并使用組件化的開發(fā)模式，實現(xiàn)組件的單一功能、低耦合。

平臺符合經典RESTful設計標準，可以為不同種類的應用程序提供以標準方式格式化的數(shù)據。它可以幫助滿足集成需求，并可將基于REST的基本服務集擴展或構建為更大的集合。

5 安全管理系統(tǒng)功能

5.1 安全文件及危險源管理

基于管理制度開發(fā)的安全管理模塊，借助建管平臺梳理現(xiàn)場危險源清單，以可視化的手段進行危險源分級展示。工程現(xiàn)場的安全策劃、監(jiān)管以及海量的安全作業(yè)臺帳等工作均線上實施，且自動生成報表，高效匯總統(tǒng)計[8]。

5.1.1 安全文件管理

安全資料管理模塊對安全制度、應急預案、安全事故報告、安全周報及月報等安全資料進行上傳、下載、預覽等操作，大大提高安全管理效率，更好地服務工程安全建設及驗收，形成常態(tài)化安全管理機制。該模塊還可對工程各區(qū)域的安全風險、事故隱患進行匯總統(tǒng)計和整體分析，并通過統(tǒng)計圖、數(shù)據表的方式展示，輔助管理人員決策分析。

5.1.2 危險源管理

(1)危險源清單管理。危險源清單管理通過線上錄入項目工程現(xiàn)場的重大危險源基本特征及情況，電子表單化不同危險源清單，可供多參建方查閱下載，并針對不同危險源導致的狀況后果，錄入擬采用措施，輔助安全管理人員決策。

(2)危險源/作業(yè)辨識與控制。危險源/作業(yè)辨識與控制模塊通過風險性評價方法，從事故發(fā)生可能性、暴露危險環(huán)境的頻繁程度、發(fā)生事故偏差產生后果的嚴重性等三個方面，量化危險源等級，并對不同級別危險源等級差異化顯示于BIM模型，實現(xiàn)危險源可視化，使工程現(xiàn)場危險點位分布情況一目了然。

5.1.3 臺帳管理

安全作業(yè)臺帳管理子模塊使工程現(xiàn)場安全管理策劃、安全管理執(zhí)行均線上完成，對于未按時間節(jié)點反饋執(zhí)行記錄的事項自動予以提醒和監(jiān)督，全面保障安全管理的實時性、全面性。對涉及特種設備、三類人員、安全生產等紛繁的紙質臺帳記錄工作轉為線上編輯，提升現(xiàn)場工作人員辦公效率。

5.2 現(xiàn)場巡檢管理

現(xiàn)場巡檢模塊通過移動端向特定巡檢人員指派巡檢任務和巡檢地點，巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的各類巡檢問題可在移動端進行在線填報和審批。由移動端上報的巡檢問題可在Web端查詢并追蹤問題整改情況，也可導出工程巡檢記錄相關表單文件，實現(xiàn)巡檢問題從發(fā)現(xiàn)、記錄、反饋、整改、復查的全過程管控。同時，系統(tǒng)通過實時記錄巡檢人員的巡檢軌跡和巡檢點位，實現(xiàn)現(xiàn)場巡檢工作的全過程重現(xiàn)，極大地提高了工程巡檢的效率。此外，平臺以巡檢的歷史數(shù)據為基礎，可進行安全、進度、質量、環(huán)水保等各方面的巡檢頻次、問題數(shù)量及占比、整改情況等方面的分析統(tǒng)計。

(1)巡檢部位庫。根據現(xiàn)場管理要求及工程劃分結果，梳理工程巡檢部位并內置于系統(tǒng)網頁端巡檢部位庫子模塊中，形成巡檢部位庫，方便現(xiàn)場巡檢人員在記錄巡檢問題時調用，進而縮短錄入時間，提高現(xiàn)場巡檢效率。

(2)巡檢記錄?，F(xiàn)場巡檢記錄主要是對工程現(xiàn)場的安全專項、質量專項、日常巡檢進行巡視檢查，系統(tǒng)內置巡檢審批流程，由巡檢人員運用移動端APP記錄巡檢位置、巡檢問題、指定問題整改責任人，并在線提交審核，審核通過后可下載“現(xiàn)場巡視檢查記錄表”。

(3)問題整改。對于在檢查過程中發(fā)現(xiàn)的工程問題，現(xiàn)場可通過移動端APP啟動填寫并以整改通知單的形式發(fā)送到相關施工單位項目部，包括施工部位、安全隱患、責任人、現(xiàn)場照片記錄等，同時全程追蹤整改結果，并進行整改結果復查。

(4)匯總查詢?，F(xiàn)場巡檢模塊能夠完整追溯工程施工現(xiàn)場所發(fā)生的各類危險事件，同時可對巡檢問題清單進行匯總統(tǒng)計，形成統(tǒng)一報表，便于巡檢問題的查詢和現(xiàn)場管理。

(5)巡檢GIS。系統(tǒng)集成GIS技術，可實時記錄巡檢人員的巡檢軌跡和巡檢點位，實現(xiàn)現(xiàn)場巡檢工作的全過程重現(xiàn)。此外，巡檢GIS以巡檢的歷史數(shù)據為基礎，可進行安全、進度、環(huán)水保等問題的巡檢頻次、問題數(shù)量及占比、整改情況等方面的分析統(tǒng)計，使管理人員能夠直觀了解現(xiàn)場施工安全情況。

5.3 視頻監(jiān)控集成管理

視頻監(jiān)控模塊支持云臺控制攝像頭，通過大屏、網頁端、APP端不同展示形式，實現(xiàn)對工程現(xiàn)場11個關鍵監(jiān)控點位24 h全天候的實時監(jiān)控和對前期現(xiàn)場情況的遠程回放。工程項目的參建各方管理人員可通過各種方式查看實時監(jiān)控視頻、回放前期監(jiān)控視頻，全面輔助參建各方進行現(xiàn)場施工細節(jié)捕捉，助力工程管理[9]。

(1)實時預覽。系統(tǒng)可查看現(xiàn)場施工情況、工程進度及人員安全動態(tài)等內容，并根據權限進行某個攝像頭的云臺操作(角度、焦距、光圈等)，同時，視頻監(jiān)控系統(tǒng)具備異地查看功能，為各項會議提供實時畫面，輔助各級領導對項目進行分析、決策和指揮。

(2)遠程回放。系統(tǒng)在實時預覽的同時具備視頻存儲功能，存儲時間達半年以上。在選中所需回放視頻監(jiān)控設備以及回放時段后，即可完成監(jiān)控視頻的回放，并可進行時間拖動和倍速播放。

(3)可視化管理。系統(tǒng)以BIM模型為載體，將視頻監(jiān)控點位集成于BIM模型，通過選中視頻監(jiān)控設備可直觀查看該設備在模型中的位置，進而將零散的監(jiān)控設備與其實際地理位置相對應，實現(xiàn)大場景的全局監(jiān)控。

6 結 語

劍科水電站安全管理數(shù)字化系統(tǒng)基于BIM、GIS、數(shù)字化以及物聯(lián)網技術進行設計與研發(fā)，解決了電站施工期安全管理的難點，實現(xiàn)了安全文件及危險源管理、現(xiàn)場巡檢管理、視頻監(jiān)控集成三大功能，全面輔助管理人員進行工程安全管理及決策分析，大大提高了安全管理效率，并形成了常態(tài)化安全管理機制，取得了顯著的社會、經濟效益。安全管理數(shù)字化系統(tǒng)全程助力劍科水電站“高水平建設”的工程建設總體目標，打造優(yōu)質數(shù)字化安全管理示范工程。同時，通過劍科水電站的全面深入應用，積累工程數(shù)字化及BIM在水電工程施工期安全管理應用經驗，為后續(xù)水電工程及新能源項目工程數(shù)字化安全管理應用提供良好的借鑒。