（管理科学与工程专业论文）地铁施工安全风险实时监控系统研究.pdf

r e s e a r c ho ns a f e t yr i s k s r e a l t i m em o n i t o r d n gs y s t e mi n s u b 猃yc o n s t r u c t i o n ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i 够 f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fm a n a g e m e n t b y h u a j i a n g e s u p e r v i s e db y p r o l iq i m i n g c o l l e g eo fc i v i le n g i i l e e 血g s o u t h e a s tu n i v e r s 时 m a r c h 2 0 l o 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所 知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 日期 坠 垒 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括以电子信息形式刊登 论文的全部内容或中 英文摘要等部分内容 论文的公布 包括以电子信息形式刊登 授权东南大 学研究生院办理 研究生签名 导师签 日期 妒l d 7 摘要 随着中国经济的不断发展 城市地铁建设正逐步进入稳步 有序和快速的发展阶段 尤其是近年来 在国家政策的正确引导和各个城市对地铁的积极规划建设下 全国已有 1 0 多个城市开通了近几十条线路 但是 在地铁施工过程中 安全事故层出不穷 给 国家 社会 人民带来了巨大的财产损失和人员伤亡 提高地铁施工的安全管理水平非 常必要 本论文提出建立地铁施工安全风险实时监控系统 在分析事故发生机理后 运用i t 技术 系统实时采集地铁施工过程中人 机 环境 材料等因素的信息 构建预警模型 自动对施工现场安全状态作出评估 以提高地铁施工的安全管理绩效 首先 从网上收集了多个地铁施工事故案例并分析了原因 指出地铁深基坑施工坍 塌是比较常见的事故 并以此为代表 分析了地铁深基坑施工安全风险实时信息的信息 需求 并对需求进行了分类 此外 分析了系统的功能需求 体系结构和工作机制 其次 本文讨论了三种现场实时信息的采集方式 z i 曲e e 协议的无线传感网采集方 式 融合z i 曲e e 协议与r f i d 技术的采集方式 第三方监测的实时信息采集方式 同时 根据系统的要求 构建了前馈信号数据库 此外 对针对地铁施工现场实时信息调查问 卷进行了统计分析 得出 现场对于安全状态的实时监控和安全状态的自动化评估的需 求在所有需求中最大 等结论 最后 本文阐述了地铁施工安全风险实时监控系统预警功能模块的预警原理 预警 步骤 预警计算 实时监控系统在地铁深基坑施工中的应用和警报的发布等内容 在预 警计算中 引入的地铁施工安全事故的案例详细展示了预警的过程和预警的结果 论文 建立了地铁深基坑施工坍塌事故的技术和管理两层预警指标体系和各自的预警准则 论 文还讨论了警报发布的两种方式 关键词 地铁施工安全风险实时监控前馈信号 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n ae b o n o m i c t h ec o n s t m c t i o no fs u b w a yi nt h ec i 锣i s s t e p i n gi n t oas t e a d y o r d e r l ya n dr 印i ds t a g e i np a n i c u l a r i nr e c e n ty e a r s b yt h ec o r r c c t g u i d a n c eo fn a t i o n a lp o l i c i e sa n da c t i v ep l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i o no ft h es u b w a yi nv a r i o u s c t i e s m o r et h a i ll0c i t i e sa c r o s sm ec o u n t 眄h a v el a u n c h e dd o z e n so fl i n e s h o w e v e r d u r i n g t h es u b w a yc o n s t r u c t i o n v a r i o u sa c c i d e n t st a k ep l a c eo n ea r e ra n o t i l e ra n dc a u s et r e m e n d o u s p r o p e r t d 锄a g ea n dc a s u a i t i e st ot h es t a t e s o c i e 够a n dp e o p l e i ti sn e c e s s a 巧t oi m p r 0 v et l l e s a f e 够l e v e lo fs u b a yc o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n t t h i st h e s i sp r e s e n t sas o l u t i o no fe s t a b l i s har e a l t i m es a f e 坶r i s k sm o n i t o r i n gs y s t e m b ya n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fm ea c c i d e n t s u t i l i z i n gi tt e c h n o l o g i e st 0c o l l e c ti n s t a n t l y i n f o r r l l a t i o no fh u m a n m a c h i l l e e n v i r o n m e n ta n dm a t c r i a li nt h es u b w a yc o n s t m c t i o n p r o c e s s b u i l d i n ge a r l y w a m i n gm o d e la n da s s e s s i n gt h es a f i e 够s 臼帆so f t h ec o n s t m c t i o ns i t e a u t o m a t i c a l l y w h i c hc a ni m p r o v et h ep e 以 0 n 1 1 a n c eo fs a f e 够m a n a g e m e n t f r s to fa 1 1 t h er e s e a r c hc o l l e c t san u m b e ro fs u b w a yc o n s t r u c t i o na c c i d e n tc a s e sa n d 觚a l v z e st l l ec a u s e p o i n t i n go u tt h a tt h ec o l l a p s eo fd e e pf o u n d a t i o np i ti sam o 佗c o m m o n c o n s n u c t i o na c c i d e n t s a n d 戗k ei ta st h er e p r e s e n t i v et 0a n a l y z et h ei n f o m a t i o nn e e e d so f r e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e m a n dt h en e e d sa f ec l a s s i f i e d i na d d i t i o n t h ea n a l y s i so fs y s t e m 向n c t i o n a ln e e d s s y s t e ms t m c t i o n 锄dw o r k i n gm e c h a n i s m si sc a l l r i e do u t t h e n t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h r e e 虹n d so fo n s i t cr e a l t i m ei n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n m o d e w i r e l e s sn e t w o r i sb a s e do nz i g b e ep r o t o c o la c q u i s i t i o nm o d e i n t e g r a t i o nz i g b e e p r o t o c o l a n dr f i dt e c h n o l o g ya c q u i s t i o nm o d e 粕dt 1 1 i r d p a r tm o n i t o r i n go fr e a l t i m e i n f o 册a t i o na c q u i s i t i o nm o d e m e a n w h i l e a c c o r d i n gt 0s y s t e mr e q u i r e m e n t s a 出船b a s eo f p r e c u r s o r si sb u i l t i na d d i t i o n as t a t is t i c a la n a l y s i so ft h eq u e s t i o n a i r ca b o u tr e a l t i m e i n f o m l a t i o no ns u b w a yc o n s t m c t i o ns i t ei sc a r r i e do u ta n ds o m ec o n s c l u s i o ns u c ha s 锄o n g t h ed e m a n d so nt h es u b 矾l yc o n s t m c t i o ns i t c t h ed e m a n do fr e a l t i m em o n i t o r i n ga i l d a u t o m 砷e da s s e s s m e n to ft h e 曲a t eo fs a f e 僻i st i l eg r e a t e s t f i n a l l y t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e de a r l yw a m i n gf h n c t i o nm o d u l ep r i n c i p l e e a r i y w a m i n gs t e p s e a r l yw a r n i n gc o m p u t i n go fs a f e 锣r i s k so fr e a i t i m em o n i t o r i n gs y s t e mi n s u b w a yc o n s t r u c t i o n r e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mi nt h ea p p l i c a t i o no fs u b w a yc o n s t l m c t i o n o fd e e pf o u n d a t i o np i ta n d 幽er e l e a s eo fa l 锄a n ds oo n i nm ee a r l yw a m i n gc a l c u l a t i o n t h e i n t r o d u c t i o no ft h es a f e 锣i n c i d e n t sc a s ei ns u b a yc o n s t m c t i o ns h o w si nd e t a i lt 1 1 ep r o c e s so f e a r l yw 锄i n ga n de a r l yw a r n i n gr e s u l t s t h ed i s s e r t a t i o ns e t su pe a r l yw a m i n gi n d i c a t o r so f t i l ea c c i d e n t 钟p e c o l l a p s eo fd e e pf o u n d a t i o np i t b o t hf 硒mt 1 1 et e c h n i c a la n dm a n a g e r i a l p o i n to fv i e wa n de a r i yw 啪i n gc r i t e r i ar e s p e c t i v e l y a tt l l ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n w a y so f i s s u i n gt h e a m i n gi sd i s c u s s e d k e y w o r d s s u b w a yc o m 仃1 j c t i s a f e t yr i s k s r e a l t i m em o n i t 0 血g p 陀c u r s o r 摘要 a b s t r a c t 目录 目录 i i i 第一章绪论 1 1 选题依据及研究意义 1 1 2 国内外研究现状分析 1 1 2 1 国外研究现状 l 1 2 2 国内研究现状 2 1 3 国内研究的不足 4 1 4 研究目标 4 1 5 研究内容及框架 5 1 6 本文技术路线 5 1 7 本章小结 6 第二章理论基础 7 2 1 事故致因理论 7 2 1 1 多米诺骨牌理论 7 2 1 2 拉夫堡大学的c o n c a 建筑业事故原因模型 8 2 2 未遂事件 n e a r m i s s 9 2 3 前馈信号 9 2 3 1 事故前馈信号的概念 9 2 3 2 事故的前馈信号与未遂事件的关系 l o 2 4 预警系统 1 l 2 5 模糊聚类分析 1 2 2 6 灰色关联分析 1 2 2 7 本章小结 1 3 第三章地铁施工安全风险实时监控系统功能与结构分析 1 4 3 1 系统信息需求 1 4 3 1 1 地铁施工安全事故统计分析 1 4 3 1 2 地铁施工坍塌事故原因分析 1 5 3 1 3 地铁深基坑施工坍塌事故安全风险前馈信号 1 6 3 1 4 地铁深基坑施工安全风险前馈信号的实时信息需求 1 8 3 1 5 地铁深基坑施工安全风险前馈信号的实时信息分类 1 9 3 2 系统功能需求 2 4 i 3 3 系统的体系结构 2 4 3 4 系统的工作机制 2 6 3 5 本章小结 2 8 第四章地铁深基坑施工安全风险实时信息采集分析 2 9 4 1 基于z i g b e e 协议的无线传感器网络 w s n 的实时信息采集方式 2 9 4 1 1 关于传感器 2 9 4 1 2 无线传感器网络 w s n 2 9 4 1 4z i g b e e 协议标准 一3 0 4 1 5 基于z i g b 协议的无线传感网的实时信息采集 3 l 4 2 融合基于z i g b e e 协议的w s n 与r f i d 技术的实时信息采集方式 3 4 4 2 1 关于无线射频技术 r f i d 3 4 4 2 2 融合基于z i g b 协议的w s n 与r f i d 技术的实时信息采集 3 5 4 3 地铁施工第三方监测的实时信息采集方式 3 6 4 3 1 关于地铁施工第三方监测 3 6 4 3 2 地铁施工第三方监测的实时信息采集 3 7 4 4 前馈信号数据库的构建 3 8 4 4 1 数据库及数据库系统 3 8 4 4 2 构建前馈信号数据库 38 4 5 关于地铁施工实时信息采集的统计调查 3 9 4 6 本章小结 4 2 第五章地铁深基坑施工安全风险实时监控系统预警分析 4 4 5 1 地铁深基坑施工安全风险实时监控系统预警原理 4 4 5 2 地铁施工安全风险实时监控系统预警计算 4 6 5 2 1 样本状态模糊模式 4 6 5 2 2 危险性的灰色关联分析 4 7 5 2 3 某施工安全风险实时预警的简单案例 一4 7 5 3 地铁施工安全风险实时监控系统预警在深基坑施工中的应用 4 9 5 3 1 预警指标体系 4 9 5 3 2 预警的准则 5 0 5 4 警报的发布 5 2 5 5 本章小结 5 2 第六章结论与展望 5 3 6 1 主要结论 5 3 6 2 研究不足及研究展望 5 3 6 2 1 研究的不足之处 5 3 6 2 2 未来展望 5 4 致谢 参考文献 5 6 附录 地铁施工现场调查问卷 5 8 作者简介 6 0 v 第一章绪论 1 1 选题依据及研究意义 第一章绪论 改革开放以来 中国的经济发展取得了举世瞩目的成就 2 0 0 8 年 中国g d p 总量 超过德国 位居世界第三 目前 随着中国经济的不断发展 城市地铁建设正逐步进入 稳步 有序和快速的发展阶段 尤其是近年来 在国家政策的正确引导和相关城市对地 铁的积极规划下 全国已有1 0 多个城市开通了近几十条线路 如北京 上海 天津 广州 长春 大连 重庆 武汉 深圳 南京等 据报道 未来五年 全国特大城市的 地铁和轻轨通车里程将达2 0 0 0 公里 投资将约8 0 0 0 亿元 可以说 我国目前正处于城 市地铁建设的高潮期 成为世界上最大的城市地铁建设市场 而大量的文献和工程事实表明 地铁项目在施工过程中存在着巨大的安全风险 各 种因素导致的安全事故给国家 企业和个人都造成了巨大的经济损失 2 0 0 3 年北京地 铁5 号线崇文门车站工程事故 2 0 0 6 年广州地铁3 号线支线段石牌桥站车站工程坍塌 事故以及2 0 0 8 年杭州市风情大道地铁一号线施工现场发生坍塌事故等 都导致了不同 程度的人员伤亡和巨大的经济损失 给地铁建设造成了负面的社会影响 地铁项目施工 阶段的安全风险一直都是工程师和研究人员非常关心的问题 现有的研究也已经取得了 一定的成果 降低了地铁项目的安全风险 然而 地铁项目施工阶段的安全事故仍然不 断地困扰着地铁行业 地铁项目的安全问题仍然没有得到根本上的解决 如果能够在地铁项目发生安全事故之前就预测到事故的发生 及时地向可能被卷入 到此次安全事故的人员发出警告 相关人员就可以及时地采取措施而避免了此次安全事 故的发生 拯救了珍贵的生命 换句话说 如果我们能够像天气预报一样对地铁项目安 全风险进行实时预测 这将是从根本上解决地铁项目安全事故的可能途径 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 国外研究现状 在现场施工过程控制中 国外主要针对施工中需要监测的项目建立数据采集系统 通过通信网络传回主机 进而采取进一步行动 主要有两种功能 一种无预警功能 只 是纯粹的收集数据 主要用于替代人工传递数据的低效 这方面的研究有 m i c h a e lj a m e sw a r d 描述了钻孔灌注桩施工管理的数据采集系统的开发和实施过 程 这个系统是在现场操作的 由无线网络 布置在现场的服务器和基于网络的平板电 脑所构成的数据采集系统 l 垄堕奎兰堡主堂堡堡茎 另外一种是系统在现场的数据收集之外还带有预警功能 国外早期在施工过程控制 的思路一般是这样的 先确定客观位置相对不变的监测对象 然后在这些对象周围布置 监测仪器 如传感器 接着通过网络与主机端进行通信 以指导施工 m a a i ls 等提出了一个安全仪表系统来实时监控不稳定陡坡的一切活动 该系统是 由与数据记录仪相连的土壤应变计和张力计等构成 能够对施工阶段持续监控 采用两 种等级的预警方式 可以对工人进行早期预警 2 1 w r e i l l l l l 锄t l 等提出了一个独特的安装在纽约联邦储备银行的监测系统 这个系统 通过5 0 0 个传感器采集数据 然后由系统中央电脑将这些数据自动处理成有意义的参 数 再与预先制定的反应相比较 3 1 在后期 国外开始将位置移动的对象纳入监测的范围 主要是人的行为 由于人在 施工现场时移动的 且现场安全事故主要与现场施工人员的活动有关 因此监测施工人 员的活动对与安全事故预防 减少人员伤亡有一定意义 得益于监测设备和网络技术的 提高 对施工人员活动的监测开始由理论转为现实 并且取得了一定的成果 c h e u n gs o 等提出了一个基于网络的施工安全及健康监测系统 该系统的主要框架 分为基于网络的接口 知识库 数据输出 评价四个部分 能够对现场安全和健康活动 进行快速评价 从而在潜在危险转化为致命或者有害的职业事故前做出管理决策和采取 正确措施 4 j a b d e n 讪i mm 等在 未来之家 项目中使用现有的商业技术和特别设计的设备开 发了一个特殊的安全系统 在这系统中 现场的每位操作工人被戴上有定位和通讯功能 的头盔 定期抽检工人的位置并且发送到监控平台 与数据库中设定的信息对比 如果 工人和特定的设备不在设定的安全位置 系统可以自动检测出这种状况并且进行预警 5 o 砌a zz 等提出了一个利用先进i c t 解决方案的健康安全管理系统的概念模型 通过 g p s 智能传感器和无线网络 这个系统可以跟踪操作人员和设备 有危险时通知管理 人员和工人1 6 n a v o n k o l t o no 提出了一个用于监测和控制高处坠落的自动模型 这个模型可以 识别坠落有关的活动以及活动发生的地点 以及设计现场的保护措施 一旦现场的护栏 不存在或者移位了 这个系统就会发出警告 刀 u n g k y 仰l e e 等为了减少现场安全事故的发生 在高空坠落多发的地点建立了 个安全监控系统 这套系统包含一个检测工人是否靠近的移动感知设备 发射装置和向 接收者发射监测信息的中继器 以及解释这些信息的程序 8 1 1 2 2 国内研究现状 国内在施工过程控制方面 同样分为不带预警功能的数据采集系统和带预警功能的 预警系统两种 2 墨二童堡垒 关于数据采集系统的研究方面 李天群 赵云龙介绍了石油开采领域内固井施工数 据采集系统的开发与应用 通过流量计 传感器等器件收集水泥浆的密度 从而提高固 井质量 9 1 贾湘楠通过分析杭州湾大桥施工和管理的过程与数据流程 结合杭州湾大桥施工数 据采集系统 提出建立施工采集数据系统的必要性 对其功能 组织结构 数据管理进 行了论述 系统采用a s p 技术和b s 模式开发 硬件设施的核心是一台中心服务器 各方均可通过w w w 浏览器访问数据 1 0 1 张新 王霞介绍了数字化管道施工现场数据采集的内容 人员配置和数据采集的方 法 对管道运营维护管理提供了数据资源 齐俊英 高嫦娥结合杭州湾跨海大桥施工期数据采集系统的设计与开发实践 详细 介绍了这类应用软件系统研究的关键环节和特剧1 2 z h a n gh y 等提出了一个铁路客运专线的灾害与事故预防监控系统 这个系统可以 自动采集信息 中央控制和大范围分享灾害信息和数据 1 3 王婷婷在其硕士论文中 将电子信息技术与建筑施工技术有机结合起来 设计了建 筑基坑开挖中的一种实时数据采集监控系统 并在实际中得以应用 该系统主要有数据 采集模块 无线传输模块 主控计算机等部分组成 将基于无线传输技术的数字化网络 数据采集技术应用到建筑工程施工过程中 具有结构简单 功能强的特点 克服了以往 人工测量数据周期过长 计算复杂 实效性差的缺点 1 4 国内对于预警系统的研究跟国外类似 对位置相对固定的研究方面 h a ny s 等提 出了建筑基础开挖的安全信息过程控制系统 该系统分为优化设计和监测施工两块 优 化设计包括目标优化和设备选择优化 监测施工包含数据采集系统和信息反馈系统 1 5 吴祥禄在其硕士论文中 首先对预应力混凝土桥梁和斜拉桥的控制和应力数据采集 进行了研究 然后提出了一种桥梁应力数据采集系统 能够现场实时采集多点的应力值 并传输到主控计算机 通过主控计算机进行应力数据 实测应力值与设计应力值的误差 以及误差是否超出安全范围等的实时显示 通过人际交互控制界面进行报警 并且根据 各种控制方法预测下一步要调整的参量和步骤 1 6 1 y a n gs l 等描述了一个基于g i s 的信息监测系统 在地铁施工过程中对施工监测的 数据进行处理 分析以及及时反馈安全信息 并且在深圳地铁施工得到了应用 任敏以建筑施工安全为研究对象 通过有关建筑施工管理的理论知识 现代系统理 论 预警理论 开展建筑施工安全预警机制的研究 首先借鉴工效学危险源识别模型进 行施工危险源的识别 同时采用l e c 风险评价法确定危险源的风险等级 结合危险源辨 识结果 应用a h p f u z 巧安全综合评价法对施工现场进行的安全状况进行评价 在此 基础上 从总体思路上设计预警系统的功能模型 结构模型 过程模型 并建议采用先 进技术 引进实时监控设备仪器 随时了解和控制施工现场的状况 及时发现潜在危险 提出应急预案 防患于未然 在事故发生前 及时报警 及时采取措施 进而建立一个 完善的建筑施工现场安全预警系统 1 8 东雨大学硕士学位论文 而国内对于施工人员活动的监控的研究比较晚 大部分文献集中于讨论在施工现场 采用视频监控的方式实现实时监控 这与国外是有差别的 国内的视频监控还离不开在 控制端经验丰富人员的判断 而国外则实现了电脑的自动判断 这方面的研究如下 只 有少量文献实现了电脑自动判断预警这个功能 杜年春介绍了 地铁施工监测信息管理及安全预警系统 的设计过程 实现了监测 作业 管理三方信息的互联互动 为地铁施工监测信息的可视化管理提供了技术保障 1 9 张海军提出了建立施工现场远程监控系统 该系统采用现场视频监控 再利用互联 网宽带实现网上传递 实现全方位 全过程地对施工进展实行实时监控 2 0 蔡翔等对地铁建设过程中引入安全监测及监控系统的必要性进行了分析 介绍了安 全监测及监控系统的重要作用 然后对国内外地铁建设中安全监控及监控系统的发展进 行了回顾 2 1 1 当然 国内也开始了电脑自动判别预警的研究 并且也付诸于实践取得了一定的成 果 但是这方面的研究较少 l u on x 等第一次采用g p s 监控技术建立了一个系统来解决龙滩水电站施工现场起 重机的碰撞问题 分析了多接收器的g p s 测量数据的快速传送和接收 实时定位 安 全状态预测和项目设计等问题 建立了一个结合g p s 数据采集 无线网络沟通 数据 计算和分析以及警报设置的动态监测系统 2 2 1 3 国内研究的不足 通过国内外研究文献的比较分析 可以发现国内对地铁施工阶段安全风险实时监控 方面的研究是不足的 主要体现在以下几个方面 1 国内对于关键安全危险源的实时信息获取的研究主要集中于石油管道 核工 业等领域 针对地铁施工阶段的研究很少 2 与国外相比 国内在安全风险研究方面缺乏对人的活动的关注 且尚无系统 自动预警的案例 3 现有的地铁施工主要通过摄像头进行监控 但是监控点较少 监控的范围有 限 对环境的变化的感知不灵敏 同时 需要借助于经验丰富的安全管理人员进行判断 效率较低 很难达到实时 1 4 研究目标 鉴于当前缺乏对地铁施工现场的安全风险实时预警方面的研究 本论文的研究目标 探讨地铁施工现场安全风险实时监控系统在施工现场的应用及可能性 该系统在分析地铁施工阶段易发生的安全事故的机理的基础上建立前馈信号数据 4 第一章绪论 库 然后在施工现场对需要采集的实时信息由采集模块采集并且传送回主机端 采集模 块将当前技术较为成熟的i t 技术应用于安全生产领域 提高施工信息化水平 将大大 提高地铁施工安全事故预防的效率 在中央监控主机端 安全风险实时预警模块利用现 场采集的实时信息 运用预警模型进行计算 如果计算结果为现场处于需要报警的状态 则发出报警信号 启动地铁施工现场应急程序 因此 系统可以实现实时信息的自动采 集 警情的自动识别 完全可以弥补人工监控的低效 而且数据更加客观可靠 更加精 确 1 5 研究内容及框架 1 第一章主要内容 主要介绍研究背景 研究意义 介绍国内外关于施工监控方面的研究现状 介绍论 文的研究思路和技术路线 2 第二章主要内容 介绍与事故致因有关的理论 包括介绍多米诺骨牌理论 拉夫堡大学的c o n c a 建 筑业事故原因模型 未遂事件 n e a r m i s s 以及前馈信号 介绍预警的基本概念 以及 模糊聚类分析与灰色关联分析的主要内容 3 第三章主要内容 分析了地铁施工安全风险实时监控系统的功能与需求 分析地铁施工安全风险实时 监控系统的信息需求 并且以所有事故中比重较大的地铁深基坑施工坍塌事故作为代表 进行深入研究 还分析了系统的功能需求 提出了监控系统的体系结构和工作机制 4 第四章主要内容 研究分析了地铁施工安全风险实时信息采集功能模块 依据前馈信号的性质和当前 科技的发展 提出可以从三种采集方式采集实时信息 并且以地铁深基坑施工为例 重 点分析了该事故在三种采集方式下的采集过程 然后 本章研究了前馈信号数据库的构 建过程 以及对实时信息采集的问卷调查进行了统计分析 5 第五章主要内容 研究分析了地铁施工安全风险实时监控系统中预警模块 分析了该模块预警的原 理 预警的计算过程 监控系统在地铁深基坑施工中的应用以及警报的输出方式 6 第六章主要内容 主要是对本论文的总结与展望 提出了本研究的不足之处和未来研究的方向 1 6 本文技术路线 本文的技术路线如下图所示 东南大学硕士学位论文 研究方法 1 7 本章小结 研究内容研究成果 图1 1 技术路线 本章介绍了论文的选题依据及意义 国内外研究现状 目前研究的不足 本文的研 究目标 论文的研究内容框架 论文的研究技术路线等内容 在当前国内地铁建设正步 入高潮却事故频发的背景下 提出建立施工安全风险实时监控系统来探索事故预防具有 重要意义 通过文献检索国外和国内的相关研究发现 国外对于国内对于安全事故的预 防仍处在视频监控的阶段 而国外出现用g p s w s n 等技术建立安全预警系统 因此 本文提出利用w s n i 讧i d 等技术建立实时监控系统 弥补视频监控的不足 6 圈 国 第二章理论基础 2 1 事故致因理论 第二章理论基础 2 1 1 多米诺骨牌理论 h e i n r i e h 认为 伤亡事故是按照五个因素依次发生连锁反应的结果 这五个因素是 a 1 社会环境不良和管理欠缺 a 2 人为过失 a 3 人的不安全行为和物的 设 备的 不安全状态 a 4 意外事件 a 5 人身伤亡 按照因果关系 造成伤亡的顺 序及发生 发展关系是 社会环境不良和管理欠缺a 1 促成人为过失a 2 人为过失又造 成人的不安全行为和机械物质危害 物的不安全状态 a 3 这就此发了意外事故a 4 包括 未遂事故 和由此而产生的人身伤亡a 5 这五个因素可视为等距竖立的五张骨牌 如图 2 1 所示 社 会 环 境 不 良 和 管 理 欠 缺 人 为 过 失 人的 不安 全行 为 物的 不安 全状 态 意 外 事 件 人 身 伤 亡 图2 l 事故原因的多米诺骨牌理论 多米诺骨牌的意思是 前面一张牌被碰倒 则会发生连锁反应 后面的n 张牌也会 一张张跟随着倒下 因此 h e i n r i e h 认为 要防止事故 必须抽走前面n 张骨牌中的 任一张 如果抽走连锁中的一张牌 则连锁被破坏 事故的发展也就被中止 他还认为 伤害之所以发生 是由于前面的因素起作用 从保证安全的角度来看 只要想法防止人 的不安全行为和物的不安全状态 伤亡事故就不会发生 该理论给人的启示在于 安全管理工作的中心 应是防止人的不安全行为 消除设 备的不安全状态 人为疏忽常常是不安全行为的主要表现 故控制事故的方法也必须是 针对人为疏忽这一直接原因的 重大伤亡事故大多不是偶然的 是可以预防的 所以 安全第一 预防为主 是正确的 从另一个角度来看 只要实时识别到人的不安全行 为和物的不安全状态 并采取相应的措施 就能破坏事故的连锁 从而阻止事故的发生 东南大学硕士学位论文 2 1 2 拉夫堡大学的c o n c a 建筑业事故原因模型 英国的拉夫堡大学针对建筑业施工现场的安全事故进行了详细的分析 在2 0 0 3 年 的分析报告 c a u s a lf a c t o r si nc o n s t m c t i o na c c i d e n t s 中 利用人体工效学详细分析了施 工现场的1 0 0 多个事故案例 在此基础上 提出了建筑业事故原因的模型 该模型将安 全事故的影响因素分为直接因素 间接因素和基础原因 见图2 3 其中直接原因描 述了安全事故是由于人 环境 材料 设备 机械四方面因素各自及相互之间的作用引 起的 图2 2 英国c o n c a 建筑业事故原因模型 8 第二章理论基础 2 2 未遂事件 n e a r m i s s 目前 针对未遂事件 n e 扑m i s s 进行研究的相关领域主要集中在航空 核电 化 工 医药等领域 而在建筑业中对未遂事件 n e a r m i s s 的研究并没有引起足够的重视 因此在建筑业中关于未遂事件 n e a r m i s s 的研究成果也相对极少 在已经对未遂事件 n e 扑m i s s 展开研究的成果中 目前尚未对未遂事件 n e 扑m i s s 有一个统一的广泛的定义 以下是几位学者提出的关于未遂事件 n e 趼m i s s 的定义 j o n e s s k i r c h s t e i g e r c b j e d e w 提出为了使未遂事件管理体系有效的运行 各个企业应该为未遂事件下一个完整且易理解的定义 指出企业或公司范围为未遂事件 进行定义时 不能将其看成是一个可能会造成更严重后果的事件 一个事故 或简单地 对不安全条件或行为的识别 定义的重点应该集中在确定一个可以使企业业绩提高的状 况 因此 基于激励和容易理解的角度 提出了一个广义的未遂事件的定义 它包括不 安全行为 不安全状态 有可能产生更严重后果的小事件或伤害情况 可能但并未造成 伤害的事件 造成财产损失的事件 安全防线受到挑战的事件 可能对环境造成破坏的 事件 s i m o nj o n e s c 1 1 r i s t i a nk i r c h s t e i g e r w i l l yb j e r k e 将未遂事件定义为 一种危险状态 事件或不安全行为 如果这些状态或行为不被打断的话 将会导致事故的发生 并指出 导致未遂事件发生的直接原因为不安全状态和不安全行为 他认为未遂事件和实际事故 之间存在着联系 即每一个重大事故都有很多的微小事故以及更多的未遂事件组成 u r j t w i k 指出未遂事件包括以下一个部分 不安全行为 不安全状态 轻微伤害 对环境的轻微影响 可能对环境造成影响 潜在伤害 挑战安全防范底线 微小财产损 失 潜在财产损失 在此基础上 得出未遂事件的定义为 有可能导致伤害的事件 如 果条件发生变化则会导致事故的发生 事实上 该未遂事件并实质事故的发生 最后将 未遂事件简单表示为 可能导致伤害和财产所示的不安全状态和不安全行为 d a v i db e s 认为未遂事件是不在计划内的 不能预期的事件 它们可能导致 但是 实际上没有导致人员死亡的事件 或导致了轻微的伤害或有不良影响的事件 本文对未遂事件的定义设为 并没有引起人员伤害或财产损失的事件 但是一旦外 界条件变化 就有可能导致人员的伤亡 2 3 前馈信号 2 3 1 事故前馈信号的概念 事故前馈信号可以有效地衡量事故的潜在风险 在事故发生之前认识到前馈信号能 够为提高安全和避免事故发生提供一种可能性 在许多领域已经开展了该项研究并应用 到实际中去 美国核管理委员会早在十几年前就开发了一套 事故前馈信号体系 美 9 查堕奎兰堡主兰堡堡奎 国国家航天航空局同样也在数十年前建立了航空安全报告系统 2 0 0 3 年 美国国家工 程项目办公室采用了 事故前馈信号工程 对复杂事故问题的前馈信号进行分析和管理 除此 事故前馈信号也在铁路 健康安全中心 财务公司以及银行系统得到广泛的应用 2 3 口 近年来 美国国家科学院已经开始将研究视角放到了可能导致安全事故发生的事故 前馈信号 不良外界条件 微小事故 序列事件上 聚集了一大批风险专家 工程师 医生和来自不同行业的政策制定者所组成 该项研究表明许多机构组织已经试图开始识 别安全事故的前馈信号 并且期望从安全事故前馈信号中获取益处 2 3 目前对于事故前馈信号没有统一的定义 它可以以各种不同的方式进行定义 为了 可以从更加广泛的角度进行讨论 p h i s m i s t e r 和b i e r 将事故前馈信号从广义的角度定义 为 可以导致事故发生的状态 事件和操作程序 2 4 在这个定义的基础上 事故前馈信 号可以不确切地理解为事故的构成 砖块 它包括内部事件 如设备失误和人员失误 对组织的影响程度和外部事件 如地震等 b i e r 提出事故前馈信号是介于实际事故和 在日常经常发生的各种次要失误之间的中等严重程度的事件 如系统的不安全状态 2 5 1 此外 他们把事故本身也作为一种前馈信号 g r a b o w s i k i 对于安全事故前馈信号的广义 定义认为 凡是可能导致事故发生的条件 微小事故以及序列均为安全事故前馈信号 2 6 p e t e r 等学者提出了对于组织重复发生事故的思考 指出事故再发的同时 失常状态 比事故再次发生具有更高的频率 他们将这种 失常状态 定义为事故再发的事故前馈 信号 s c h 髓f 等学者也指出 对前馈信号的管理可以带来很多好处 首先 通过管理和分 析这些事故的前馈信号可以揭示出特定系统或技术的问题所在以及事故发展的过程 其 次 由于事故前馈信号发生往往要比事故数量多的多 因此分析事故前馈信号能够有效 地找到系统安全的发展趋势或者对其进行有效检测 例如 事故未遂事件报告系统能 够有效提高安全系统的性能 并能有效降低事故发生的可能性 b i r d 和g e m a i n 认为事故前馈信号的数据要比事故数据丰富的多 可以通过分析事 故前馈信号的数据来降低事故发生的不确定性 在此基础上 他提出将未遂事件 n e 小m i s s 作为一种事故前馈信号 通过分析未遂事件以提高安全状态 2 刀 他认为在 一个特定的情景下 未遂事件的发生频率比事故发生频率要高的多 通过分析未遂事件 就可以预防事故的发生 这一观点被其他学者所认同 2 3 2 事故的前馈信号与未遂事件的关系 s u 喇i 等人将未遂事件解释为意外发生的微小事故 该微小事故继而导致或极有可 能导致安全事故的发生 即有可能引起施工现场人员或一般公众的伤亡 还有可能导致 对于环境或者财产的损害 2 8 考虑到安全事故数据稀少的特点 一个方法是在是施工现 场采用未遂事件报告系统 该系统可以从更加广泛的程度来定位前馈信号 1 0 第二苹理论基础 人们已经广泛的认识到 施工现场的安全事故只是冰山一角 h e i n r i c h 指出 9 0 的安全事故并没有引起任何人员伤亡 而8 8 的安全事故仅仅导致了微小的伤害 只 有0 3 的引起了主要的伤亡事故 2 9 1 考虑到未遂事件和安全事故数量上的对比关系 对未遂事件的分析是对安全事故数据的极大补充 在本文中 前馈信号的定义为那些超过一般安全水平的事件 这意味着事故前馈信 号至少在先前的事故中发生过一次 或者曾经被确认过具有很大危险性的未遂事件 也 就是说 通过分析历史安全事故可以寻找到相关的事故前馈信号 此外 事故的即时因素对于施工现场安全事故的发生具有催化加剧作用 f a n g 指 出不安全状态和不安全行为正是事故发生的即时因素 3 0 拉夫堡大学c o n c a 事故因果 关系模型认为事故的即时因素正是工作人员 工作环境 设备 材料之间的相互协调作 用的失败 3 因此 针对即时因素进行前馈信号和未遂事件的分析对提高安全绩效具有 很大意义 2 4 预警系统 预警起源于军事 在英文中是e a r l y 袱l m n i n g 从词义上讲就是对某一现象的现状 和未来进行测度 预报不正常状态的时空范围和危害程度 以及提出防范措施 预警从 逻辑上讲应包括这样几个阶段 明确警义 寻找警源 分析警兆并预报警度 明确警义 是大前提 是监测预警研究的基础 而寻找警源 分析警源属于对警情的因素分析及定 量分析 预报警度则是预警目标所在 相应的预警包括预警指标的选择和确定 预警方 法的选取 预警警限的界定和预报警度几方面的内容 预警的过程是对研究对象现状和 未来的定性和定量的分析 预警方法是预警的核心 目前主要的预警方法有 k l r 信 息量法 a 舢舱模型法 概率模式识别模型 灰色预测模型和人工神经网络法等 预警主要能够达到以下几个效果 1 预警及时定期地发布施工现场安全管理状况 可以帮助人们尽早发现问题 预 警系统还可以针对警情 提出相应的调整措施 使我国施工现场安全状况沿着有利方向 发展 2 预警系统突出作用在于它可以通过某些敏感性指标的异常变化帮助人们及早发 现问题 并把问题解决在萌芽状态 这样可以减少不必要的损失 地铁施工现场安全管 理控制机制包括前馈控制 同期控制和反馈控制 而预警属于前馈控制 前馈控制也称 事前控制 强调的是面向未来的控制 即通过情况的观察 规律的掌握 信息的获得 趋势的分析 预计可能发生的问题或提供的机会 在其未发生前就加以防止或争取 这 些正是预警超前调控功能的体现 地铁施工安全风险预警是指在掌握地铁施工中各类事故的成因机理的基础上 监测 和分析地铁施工现场及周围的安全风险实时发展状况 预测安全风险发