1、既有线近接施工安全风险评估与智能监控关键技术研究及应用研 究 报 告武汉理工大学中铁十四局集团有限公司武汉光谷北斗控股集团有限公司2015年3月既有线近接施工安全风险评估与智能监控关键技术研究及应用完成单位：武汉理工大学中铁十四局集团有限公司武汉光谷北斗控股集团有限公司课题负责人：任高峰 胡仲春 池秀文课题组成员: 任高峰胡仲春池秀文安 庆李新平刘永成周长进吴 浩曹玉新周洪文任如华张卅卅刘明才张聪瑞李富强尚亿军刘小果冯海昀金 鑫侯立波刘 军谭 海张春阳王伟军徐正全吕均琳杨海燕杜玉星项目总审核：任高峰、池秀文目 录第1章前言11.1课题由来11.2国内外研究现状及存在的问题31.2.1安全风险评
2、价研究现状31.2.2施工安全监测研究现状71.3项目研究方法101.3.1项目研究技术方案111.3.2项目研究内容121.3.3项目创新13第2章既有线近接施工智能移动安全风险评估系统152.1既有线桥涵近接施工危险源辨识152.1.1危险源辨识过程152.1.2危险源辨识方法162.1.3危险源辨识结果202.2既有线桥涵近接施工风险评价体系232.2.1既有线近接施工风险识别与分类232.2.2风险评价体系建立282.2.3计算风险评价指标权重292.2.4灰色综合评价342.2.5风险应对422.3系统模块设计与实现452.3.1登陆及主界面462.3.2无线定位模块482.3.3地
3、图管理模块492.3.4基础信息管理模块512.3.5危险源识别与管理模块532.3.6安全风险评价582.3.7事故应急救援模块642.4系统现场应用652.5本章小结66第3章既有线列车-便梁-支墩耦合作用分析及动载荷动力响应数值模拟683.1工程概况683.2监测点布置693.3既有线列车-便梁-支墩耦合作用分析693.3.1列车-便梁耦合作用过程703.3.2列车-便梁-支墩相互作用703.3.3数据分析723.4动力响应数值模拟研究763.4.1模型的建立773.4.2载荷的施加793.4.3计算结果与分析803.5本章小结85第4章铁路营业线桥涵施工防护自动化监测系统874.1工程
4、及地质概况874.2顶进涵施工884.3系统开发与应用924.3.1系统需求分析934.3.2系统监测方案设计944.3.3系统总体框架1124.4系统模块设计与实现1134.4.1登录模块1144.4.2数据监测模块1164.4.3预警值设置模块1194.4.4轨道位移调整模块1204.4.5用户信息管理模块1214.4.6数据库管理模块1224.4.7帮助说明模块1264.5监测系统应用1274.5.1仿真验证1274.5.2现场测点布置1304.5.3数据采集和预警1324.5.4数据分析1384.6本章小结140第5章既有线近接施工工程地质信息管理系统1425.1系统开发设计1425.
5、1.1系统设计的目标1425.1.2系统的设计原则1425.1.3系统设计的技术路线1445.1.4系统的总体设计1455.1.5系统工作流程1485.2系统模块设计与实现1505.2.1概述1505.2.2系统登录与主界面1505.2.3无线定位模块1545.2.4数据库管理模块1555.2.5地图游览模块1615.2.6预报信息管理模块1645.2.7三维模拟模块1705.2.8辅助决策模块1715.2.9帮助支持信息1735.3本章小结173第6章结论175既有线近接施工安全风险评估与智能监控关键技术研究及应用技术报告第1章 前言1.1 课题由来铁路在交通运输业中的重要性是不言而喻的，截
6、至2014年底，全国铁路运营总里程已突破11万公里，仅次于美国；其中高铁运营总里程超过1.6万公里，位居全球第一。与此同时，我国铁路的运输能力、电气化水平却有极大的提升空间。截至2013年底，我国铁路复线里程仅占总营业里程的47%；电气化里程约占总营业里程的54%。近年来，随着铁路建设技术的发展以及人员、货物交通运输量的不断增长，铁路既有线复线建设、电气化改造项目层出不穷。既有线改建扩能工程大量涉及近接施工，近接施工与营运安全之间的矛盾引起了全社会的广泛关注。既有线近接施工在工程上属于安全风险敏感区域，已经建成并正在运营的线路对变形控制的要求极其严格。既要保证既有线铁路正常不间断运行，又要确保
7、支护结构的稳定，安全管控难度大任务重，近接施工过程经常伴随着一些大小事故的发生。比如地表既有线顶进涵施工过程中采用拉伸钢板桩支护时，列车容易发生“晃车”现象，影响营业线铁路的安全行驶；在施工接近尾声时，部分拉伸钢板桩因土压力过大而拔不出来，如果强行拔出则会造成铁路路基失稳事故。铁路既有线工程施工可能造成的铁路行车事故包括：列车脱轨、掉道；施工机具、材料、车辆侵限并挂碰机车；施工挖断既有光、电缆，造成行车通信、信号中断；封闭作业晚点、顶点，影响正常运输秩序；施工损坏既有行车设备；施工或改建（已使用但未交工）路基、线路、桥梁、通号、接触网等设备达不到列车放行条件；施工防护不到位、违章施工、超前作业
8、等违章事故；施工车辆溜逸；胀轨、跑道等影响列车运行；施工人员或旅客伤亡事故等。这些事故不仅影响了既有线的正常营运及工程进度，而且危及人员、设备和财产的安全，甚至可能造成巨大的经济损失。2008年11月15日，杭州地铁基坑近接施工造成基坑坍塌，死亡21人；2010年5月23日，江西沪昆铁路近接施工公路边坡，雨后发生滑坡，造成K859次列车脱轨，乘客死亡19人，伤71人，其中重伤11人；2013.9.16兰新线红烟段电气化改造工程发生打击事故，造成1人死亡；2014.3.31沪昆铁路电气化改造工程发生事故，造成列车剐蹭，车次延误23分，死亡1人的严重后果。因此，要适应复杂条件下铁路既有线近接施工实
9、际，及时、合理应对铁路既有线近接施工中出现的新问题，就必须转变传统的施工安全管控方式。北斗卫星导航系统（BDS）是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力，与GPS相比，北斗具有以下5点优势：（1）它同时具备定位与通讯功能，不需要其他通讯系统支持，而GPS只能定位；（2）覆盖范围大，没有通讯盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也可为周边国家服务；（3）特别适合于集
10、团用户大范围监控管理和数据采集用户数据传输应用；（4）融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，因此也可利用GPS使之应用更加丰富；（5）自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用。因此，采用北斗卫星导航系统将会是我国重大工程安全监控领域的发展趋势。虚拟仪器技术作为目前新兴技术领域，被广泛应用于航天科技、自动化控制、电子信息等领域内，在工程实践中不仅大大节省开发资金和缩短开发周期，还能够事半功倍，取得比传统仪器更好的测试效果。利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件设计的自动化监测系统已经在汽车、大坝监测、隧道开挖等方面得到广泛应用，并取得了较好的效果。既有线近接施工工程本身属于一种
11、典型的地质工程，尤其是近年来的长深埋复杂隧道地铁等既有线近接的施工，常常面临非常复杂的地质环境和施工要求，这些复杂的地质条件往往会诱发多种地质灾害，严重影响施工进度，造成严重的经济损失和人员伤亡事故。对施工单位而言，由于技术手段局限和经费投入的不足，导致对地质安全风险源重视不够，再加上地质岩体的千差万别和复杂多变，仅靠地质勘探所得到的地质资料非常有限。数字地图可让这些复杂繁多的数据更加可视化和形象化，通过数字地图特有的影像结合数据管理功能为海量地质空间数据的存储、管理和综合分析提供高效手段，利用SketchUp对近接工程进行模拟与仿真，实现地质信息的可视化和数字化，方便后期工程的快速、低成本开
12、展。中国铁建中铁十四局集团有限公司，是经国家建设部核准的具有综合施工能力的铁路特级施工总承包企业，其前身为铁道兵第四师，组建于1947年，1984年集体并入铁道部，2001年改制为母子公司的管理体制。安全生产工作一直是中铁十四局集团企业管理的重点内容，坚持“安全第一，预防为主”、“管生产必须管安全，谁主管谁负责”的安全管理原则，把安全生产作为施工生产的永恒主题。为了保证复杂条件下的铁路既有线近接施工项目安全开展，中铁十四局集团有限公司委托以武汉理工大学为牵头单位，研发既有线近接施工安全风险评估与智能监控关键技术。以铁路既有线近接施工为背景，充分发挥现代信息技术在复杂近接工程施工中的指导作用，研
13、发了“基于北斗的既有线近接施工智能移动安全风险评估系统”、“基于LabVIEW的既有线桥涵施工自动化监测系统”、“既有线近接施工地质信息管理系统”，通过对既有线近接施工全过程施工安全风险评估，发现风险，监控风险，记录风险，从而避免风险。1.2 国内外研究现状及存在的问题1.2.1 安全风险评价研究现状20世纪30年代由于世界性经济危机的爆发，美国企业设立保险部门成为风险管理萌芽。1931年美国管理协会最先提出风险管理概念，并开始进行探讨和研究，并于次年成立纽约经纪人协会。1938年后，美国企业开始采用学术会议/研究班等科学的方法研究风险管理。20世纪50年代，风险管理形成为一门新兴独立学科，逐
14、渐向系统化、专业化发展。1950年莫布雷（Mowbray）等人在保险学中对“风险管理”概念进行了阐述。1960年风险管理课程由美国保险管理协会（ASIM）纽约分社与亚普沙那大学首次联合开设。1961年赫奇斯教授主持并发表风险与保险学课程概念。1963 年Risk Management in Business Enterprise历史文献的出版。20世纪70年代风险管理研究逐渐蔓延到全球。1975 年，美国保险管理协会（ASIM）更名为风险与保险管理协会，标志着风险处理方式从保险方式变为管理方式。1983 年，“101 条风险管理准则”的通过，标志着风险管理发展到一个新阶段，达到更高水平。英国C
15、.B.Chapman教授在Risk Analysis for Large Projects: Models, Methods and Cases一文中提出“风险工程”概念。1986年英国将风险分析技术运用到北海油田输油管道的铺设过程中，保证了施工安全，降低了成本。之后，法国、德国、日本等国都展开对风险管理的研究，建立起风险管理协会，开设风险管理课程，将其运用到实践中，取得了丰硕的成果，形成了一系列的理论体系，极大的促进了风险管理学科的发展。二十世纪五十至六十年代，安全分析与评价技术首先出现在美国核工业中，并随着化工业生产中频繁发生火灾、爆炸及毒气泄漏等事故，开始得到全面系统的研究。美国道化学公
16、司首创化工生产危险度安全评价方法。火灾爆炸指数法、蒙德评价法、六阶段评价法和化工过程危险评价法等相继出现。二十世纪六十年代中期，英国提出故障数据库和可靠性服。1975年美国原子能委员会发表美国商用核电站事故危险性评价。1981年，出版概率危险性评价指南，以概率风险评估为代表的系统安全分析评价技术依托航天及核工业等高技术领域的发展而快速发展。二十世纪七十年代后，系统安全分析评价技术逐渐推广到航天、航空、石油、化工、矿山等领域。国外针对铁路施工风险的研究多集中于风险控制技术方面，如日本高速铁路运营管理系统，德国ICE高速列车使用的防灾报警系统（MAS90），法国的列车自动控制系统，然而针对营业线施
17、工安全风险方面的研究较少。下面介绍部分发达国家既有线施工模式。在作业模式上，国外铁路发达国家多采用开设天窗形式封锁施工，且单次封锁时间较长，一般为46小时，甚至更长，如西欧和日本等国的施工“天窗”一般均在6小时以上，而北美的一些铁路运输公司甚至可以通过其它平行径路安排运输，从而对某条线路集中封锁多天施工。在作业时间上，多安排在夜间或凌晨，如日本新干线以及法国高速铁路维修天窗时间均是设在0:006:00，德国则是安排在凌晨3:306:00，周末夜间通过货车较少时开设较长时间的天窗进行集中维修，这样避开列车密度较大的时段,最大限度减少交叉干扰。在作业方式上，多采用大型机械化作业,在充足的封锁时间保
18、证下，作业效率得以充分发挥,工程质量和施工安全可以得到更好的保障。风险管理研究在我国起步较晚。二十世纪七十年代末，八十年代初，我国才开始了风险管理相关研究。改革开放后，段开龄博士首先将风险管理理论带入我国。1987 年风险分析与决策的出版，表示风险研究在我国正式开始。同年，原机械电子部提出在机械制造业内开展工程安全评价，并在1988年颁布了机械工厂安全评价标准。二十世纪九十年代，风险管理逐渐进入到工程建设领域，各高校、研究院所和企业也相继对其进行研究。1996 年，雷胜强阐述了国际工程中存在的众多风险，对其进行分析评估，提出风险防范对策。1998年，卢有杰在对项目中存在的风险进行分类识别、评价
19、、应对。1999 ，于九如投资项目风险分析一书中，结合实例对风险分析理论、方法进行了较全面系统的研究。2001年中国项目管理知识体系出版。2002年，邱苑华将“熵”引入风险评价中。随后，一系列安全管理条列和安全生产法律法规相继颁布。目前,对安全风险分析的研究工作仍在继续,并不断取得进步。国内针对铁路营业线施工风险体系的相关研究不断增多，成果颇丰，保证了铁路工程的安全，促进了风险管理在铁路工程领域的发展。下面对近几年国内学者对铁路营业线施工安全所做的相关研究进行简要介绍。2012年孙晓苏针对既有线电气化铁路风险分类，运用层次分析法进行既有线电气化施工风险评估，经计算得出结论：经济风险和管理风险是
20、既有线电气化铁路施工的主要风险。2012年张小军在铁路营业线施工组织安全风险及控制对策一文中将理论引入营业线施工组织，通过识别安全风险，分析风险原因，提出强化施工安全基础管理、强化施工现场作业控制、施工预备会和总结会格式化管理、提升车站施工管理信息化水平等风险控制对策。2012年牛素彦从人员、材料、机具设备、自然环境、组织协作五个方面对铁路电气化改造工程施工安全风险进行识别，运用模糊综合评估法进行风险评估，给出风险应对策率，并提出从风险管理理念、组织、管理技术、管理人员、制度和法规政策方面建立风险保障体系。2012年刘晨曦从人的不安全行为、物的不安全因素、环境的不良状态、管理的不安全状态四个方
21、面对既有线电气化改造工程施工安全的风险因素进行分析，并针对典型安全事故，分析人、机、环境、管理对其的影响。从人、机、环境、管理四个方面构建安全预警指标体系, 运用多层次模糊评价法对安全预警指标进行评价，根据预警结果，采取相应对策。2013年林勇研究了既有线提速施工主要技术以及在施工过程中可能遇到的风险, 结合现场实际、分析后形成系统、立体既有线提速改造技术体系以及成套的安全管理办法。2013年王巍伟，唐小凡阐明了既有线施工定义，并既有线施工范围进行界定，并提出从施工前准备，施工中的防护措施，优化技术方案，提高安全意识，加强现场监管和巡查力度方面确保既有线施工安全。2014年田志芳结合安全系统工
22、程和风险管理理论，从PDCA循环的理念出发，建立铁路既有线电气化改造工程安全保障体系分别从组织职能体系、风险控制体系、安全评价体系以及应急管理体系四方面进行具体分析和介绍。虽然已有众多学者利用多种评价模型对既有线施工安全风险评价进行了研究，但仍存在一些问题：（1）不注重风险管理，管理人员缺乏专业技能，管理方法简单，管理理念陈旧。没有相应的安全管理部门，或虽设有安全管理部门都流于形式，缺乏具有安全工程专业的技术人员，管理手段简单，不能进行全面系统的危险源辨识，形成完整的风险分析、风险评价、风险控制体系。抓不住风险管理的重点，仅仅以罚款和为员工购买保险作为风险管理手段，无法有效的控制事故发生。（2
23、）危险源辨识不够全面，既有线施工由于其施工工艺的复杂性，涉及的技术领域广泛性，影响因素的多元性，导致安全隐患众多，危险源辨识工作量加剧。并且，由于施工项目上专家和专业技术人员的缺乏，危险源识别方法单一，识别结果不够全面。（3）风险评价过于简单，通过调研发现，风险评价一般采用直接经验法和LEC评价法。该方法在进行指标取值时主要凭经验和直观判断，极易受人员主观因素影响，很难把握，评价结果不够合理、科学、可靠。（4）不重视安全培训教育，铁路营业线施工人员多以农民工、临时工为主。他们一般受教育程度低，大多凭经验做事，缺乏专门教育培训，安全意识低。而由于施工工期紧张，任务繁重，许多单位为了能够按期完工，
24、岗前培训教育过于简单，走过场。不注重员工安全教育，不进行营业线施工安全培训，导致事故频发。（5）事故处理不到位，未严格执行事故四不放过原则，未对已发事故原因进行深入彻底的分析，没能找出其根本原因。没有吸取教训，达到教育的效果，导致同类事故反复发生。因此，深入进行常见事故分析，探索其根本原因很有必要。目前，针对铁路既有线施工安全风险的研究仍在继续，并在不断深入，但还未形成成熟的理论体系，已有的风险管理方法和手段还主要依靠人力，未能形成信息化，风险识别和评价主要靠经验，极易受人为主观影响，还需不断改进完善，跟上信息化时代步伐，才能满足实际需求。1.2.2 施工安全监测研究现状随着国家科技发展的昌兴
25、和安全施工重视程度的日益提高，国内越来越多的既有线近接施工工程在施工过程中采用了高精度的监测监控设备，并在提高施工安全性上取得显著成效，推动了安全监测技术在铁路领域的发展。2008年建成的京津城际轨道交通、2010年开始运营的福夏铁路以及不久前开通的武广高铁、京广高铁等，都采用了较为先进的自动化监控系统，对铁路沿线的风速、降雨、异物侵入等进行监测监控，保证了铁路线路的安全。另外，对于铁路既有线近接施工的安全监测与评估，许多学者也做了大量的研究：北京交通大学的李金平等人设计了铁路施工防护的无线报警系统，用于解决铁路线路维修时设置防护区需要有人进行值守的不便。系统由两台发射机和一台袖珍接收报警机组
26、成，实现自动监控和报警，保证铁路维修人员的安全，同时替代了防护区值守人员。系统在防护区域布置新型的光纤传感器，利用发射机进行设置，捕捉到危险信号后发送到报警机，实现报警功能。李永明等针对客运专线高速行车要求高平顺性和舒适性的特点，经过分析认为客运专线对结构物的沉降要求较高，指出不均匀沉降或沉降量超限会导致轨道板开裂，进而引发严重的质量事故。针对这些问题，提出利用人工测量的方法进行沉降观测以保证客运专线的稳定性和安全性，并且利用沉降观测的数据，真实反映实际施工情况，通过严格的数据分析来评估线下结构物的稳定性，以实现客运专线高平顺性和舒适性。中铁十三局的柳杨春等针对地下铁路施工会造成地表沉降的问题
27、，结合工程实际和数据分析，设计了一套合理的监测方案。该方案分别以土压力、地表沉降为监测对象，利用土压力盒和精密水准仪获取压力变化和位移变化数据，然后得到数据变化时程曲线，进而实现对地下铁路施工的实时监测，确保施工安全。北京交通大学的郭蒙以京沪高速铁路某岩溶地段的桥墩桩号为研究对象，利用地震反射波技术对施工过程中不同深处的岩溶分布情况进行探测，从而实现京沪高速铁路施工期岩溶地质处理效果实时监测的目的。范红波等通过分析以往人工监测的缺点，利用静力水准仪结合数据采集和传输技术，开发了铁路施工便梁沉降自动化监控系统，并成功运用于常州泡桐路下穿立交改造工程中，取得了较好的效果。目前，安全监测技术在铁路既
28、有线近接施工领域的研究和应用已经不断深入，但尚未形成比较成熟的技术体系和框架，铁路已有的安全监测体系还需不断完善，才能适应铁路不断提速的要求。对于铁路既有线近接施工的监测，营业线施工中的安全监测更加重要。我国目前铁路单线较多的现状决定了今后很长一段时间内铁路的施工都将是单线变复线的情形，许多学者也利用不同的手段和方法对铁路施工过程进行了监测监控，但是对铁路既有营业线施工的安全监测研究还无法满足实际需求，现代化的监测手段和监测设备还未能较好的利用。 LabVIEW软件和虚拟仪器技术在自动化、通信、航空航天、半导体以及电路设计和生产领域的广泛应用，在工程实践中不仅大大节省开发资金和缩短开发周期，还
29、能够事半功倍，取得比传统仪器更好的测试效果。利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件设计的自动化监测系统已经在汽车、大坝监测、隧道开挖等方面得到广泛应用，并取得了较好的效果：宋蕴璞等结合基坑开挖的特性，利用LabVIEW平台建立了服务于基坑开挖的信息监测与管理系统。系统将监控软件LabVIEW和硬件平台巧妙结合在一起，实现对各传感器的控制，实现实时数据采集和显示，具有数据超限报警的功能，能够存储历史数据，便于后期的分析处理和反馈补偿。赵利坤等人借助虚拟仪器技术、PXI数据采集平台及LabVIEW开发环境，设计了具有震动波形数据实时显示、波形数据实时处理及存储等功能的爆破震动实时监测系统。Guime
30、i Wang，Qingdong Wang等人通过分析目前矿山使用的提升系统的不足，利用LabVIEW软件和传感器技术建立了一套符合现代矿山开采的提升测试系统。该系统能够处理多种信号，克服了传统的测试系统准确度低，测试效率低的缺点，最大限度的解决了工人劳动强度高的问题。系统兼容性强，开放性高，有广泛的应用前景。陈国凡等基于LabVIEW开发了一种实时监测和显示矿井提升机提升速度、趟数、载重量并具有事故报警功能的监测系统。吴笛设计了一种基于LabVIEW的机械故障远程诊断系统，该系统采用聚类分析法和RBF神经网络相结合对机械故障进行诊断推理，利用LabVIEW进行设计开发，取得了比较理想的诊断结果
31、。系统具有速度快、性能稳定等优点，能够对机械设备运行过程中出现的故障进行实时、准确诊断，从而提高了机械设备维修效率。综上所述，传统的既有线近接施工过程中，营业线桥涵施工安全防护监测方式主要有：（1）利用传统的全站仪或水准仪测量支墩变化，从而判断营业线的安全性；（2）不定期的利用轨检车对营业线轨道进行测量，确定营业线轨道的状态；（3）施工现场人员不定期的利用卡尺进行测量，粗略的判断营业线轨道的沉降、倾斜，指导施工进行；（4）利用GPS卫星对桥涵施工中的营业线进行测量，计算变形和沉降；（5）利用单一的传感器对营业线桥涵施工中的铁路轨道的沉降或者变形，或桥涵支墩的压力等进行单独监测。前三种方法主要以
32、常规测量手段进行监测，主要是人在现场进行操作，主要缺点为：（1）传统的人工监测受主观影响较大，精度会因不同的人测量产生微小偏差；（2）需要大量的人力进行现场测量，不能适应当前信息化施工的需要；（3）人为的测量，现场的安全性难以很好的把握，并且不能实现对数据的实时处理和反馈。后两种方法利用当今先进的科学技术，能够实现自动化监测，但是主要存在以下不足：（1）GPS精度不够，铁路轨道的变形或者沉降都是精确到mm级；（2）利用传感器技术是当前比较可靠的方法，但是单一类型的传感器进行监测和数据分析科学性不够，并且单一类型传感器设计而成的单一监测系统，难以实现多种类型传感器数据监测的实时共享分析和多维度预
33、警，无法实现多类型报警数据的实时融合与处理。因此在自动化程度日益增高的科技发展下，借助LabVIEW和数字地图软件平台，结合北斗定位通讯技术、虚拟仪器技术、多传感器技术、灰色评价、神经网络技术和无线数据采集传输手段，设计开发基于北斗的既有线近接施工智能移动安全风险评估系统、基于数字地图的既有线近接施工工程地质信息管理系统、基于LabVIEW的铁路营业线桥涵施工防护自动化监测系统，合理布置监测点位置和设置监测频次，设置可靠的预警值，并进行现场的施工安全风险评估和地质数据的录入，保证既有铁路线的正常营运和施工顺利开展，达到营运、施工两不误的预期目标。1.3 项目研究方法从复杂条件下的铁路既有线近接
34、施工地质条件的复杂性、施工要求的严格性和安全监测的时效性三个角度出发，通过北斗定位通讯硬件与C#、Matlab软件联合开发集成的手段，研制开发一套适用于各种施工形式的既有线近接施工智能移动安全风险评估系统。该系统通过信息网络，由北斗卫星获得项目评估点的实时高精度位置坐标，可限制用户在某一工程设定区域范围内进行评估，确保安全检查的科学性与有效性。通过层次分析和灰色理论确定风险源和权重，研发一套集施工风险现场采集、安全信息管理、施工风险自动评估于一体的具有定时定位功能的既有线近接施工评估系统。为了实现远程自动化高精度监测，实时把握顶进施工支墩安全风险状况，运用多传感器技术、虚拟仪器技术、数据无线传
35、输技术、信号智能识别采集技术和数据过滤处理技术等构件系统的硬件和软件部分，搭建基于LabVIEW软件开发平台的既有线近接施工自动化监测系统，让容易变形失稳部位在整个施工过程中得到多维度的实时监测和评估，相互验证，提高施工风险源的可见性和预测精度，及时发现危险并提供施工调整建议或援救措施。由于现场工程地质条件复杂，采用软件工程技术和数据库技术与地质工程相结合，在数字地图软件平台上进行二次开发，在C#平台上进行系统的集成，并利用SketchUp建模软件构建既有线近接施工模型，研发工程地质信息管理系统，实现地质信息的可视化和数字化，并进行实时动态更新，便于施工过程管理和后期地质概况预测服务等。1.3
36、.1 项目研究技术方案图 11 研究技术路线图本项目采取合作开发的模式实施，采用的技术路线是：识别既有线近接施工危险源-建立指标体系与评价模型-确定监测项目及位置-研发安全风险评估和智能监控硬件平台-研发基于北斗的既有线近接施工智能移动安全风险评估软件系统-研发基于LabVIEW的既有线桥涵施工自动化监测软件系统-研发基于数字地图的既有线近接施工地质信息管理软件系统-综合凝练既有线近接施工安全风险评估与智能监控关键技术。1.3.2 项目研究内容对各种既有线近接施工工艺和流程进行分析和归纳，总结其相同点和不同点，借助LabVIEW和数字地图软件平台，结合北斗定位通讯技术、虚拟仪器技术、多传感器技
37、术、灰色评价理论、层次分析法、数据采集与无线传输技术、数据处理技术、数据库技术设计研发基于北斗的既有线近接施工智能移动安全风险评估系统、基于LabVIEW的铁路营业线桥涵施工防护自动化监测系统、基于数字地图的既有线近接施工工程地质信息管理系统，保证既有铁路线的正常营运和施工顺利开展，项目研究的主要内容包括以下几个方面：（1）基础理论分析分析当前铁路既有线近接施工自动化监测现状以及利用LabVIEW建立自动化监测系统的研究状况；总结铁路既有线近接施工的分类及概况，确认施工工艺以及施工过程的特点、隐患，分析常见的对策；结合系统工程、安全工程、层次分析和灰色理论，掌握C#结合Matlab、SQL S
38、erver数据库、Office等编程手段；根据既有线近接施工的特点，对轨道发生位移的变化规律进行分析，并利用数学方法推导出轨道位移调整公式；结合力学理论知识，对铁路既有线近接施工中的列车移动载荷进行分析，并提出移动载荷的处理和监测手段。采用ANSYS有限元分析软件，数值模拟研究列车动载荷对铁路既有线近接施工的影响，给出了各影响因素与支护主体稳定性间的关系曲线，并给出铁路既有线近接施工期列车行车建议。集成数字地图软件的功能和SketchUp辅助设计平台，利用数字地图提供的数字地形和影像图片，与既有线近接施工地质信息相结合，并在SketchUp中进行既有线和施工线的三维模拟，实现既有线近接施工地质
39、信息的可视化和数字化，为监测人员、管理人员和施工人员提供技术支持。（2）三大系统设计根据既有线近接施工的特点，确定安全隐患、评估对象和监测项目，将现场试验和理论分析相结合确定传感器的布设位置及数量；结合北斗定位技术、系统工程、安全工程、层次分析和灰色理论，利用C#结合Matlab、SQL Server数据库、Office等设计一套集施工风险现场采集、安全信息管理、施工风险自动评估于一体的定时定点可智能移动既有线近接施工安全防护评估系统，即基于北斗的既有线近接施工智能移动安全风险评估系统；利用网络技术和数据采集技术，设计研发安全监测自动化采集仪，实现多类型传感器信号的智能识别采集和数据传输；利用
40、LabVIEW软件开发设计监测系统软件界面，结合数据库技术实现对施工现场既有线近接施工的自动化在线监测和控制，即基于LabVIEW的铁路营业线桥涵施工防护自动化监测系统；研发既有线近接施工地质信息管理系统，建立了既有线近接施工地质信息动态数据库。以数字地图为可视化及二次开发平台，并利用SketchUp对既有线近接工程进行模拟与仿真，构建既有线近接施工工程地质信息管理系统，实现地质信息的可视化和数字化管理。（3）三大系统的验证应用与完善在对系统功能进行验证后，将监测评估方案和系统硬件、软件应用于中铁十四局宁启复线施工某工程中，实现铁路既有线近接施工的现场监测评估及指导施工，完善各个系统，保障既有
41、线及施工安全运行。1.3.3 项目创新（1）利用北斗卫星定位技术，建立了一套集“施工风险现场采集、安全信息管理、施工风险自动评估”于一体的具有定时定位功能的既有线近接施工评估系统 ，实现了安全检查人员在特定时间段、特设项目地点完成安全检查与评价，避免安全检查工作流于形式。（2）综合应用力学分析、现场测试以及数值模拟计算方法，揭示了列车运行静-动载荷耦合作用规律，运用正交极差分析法分析了各影响因素对既有线近接施工支护主体的影响大小，为既有线近接施工智能监控提供参考依据。（3）设计并开发了一套具有“数据智能采集并识别、数据无线传输并过滤、实时预警、轨道参数科学调整”等功能的铁路营业线桥涵施工防护多
42、传感器自动化监测系统，实现了重点监测部位的多维度实时监测、评估及预警。（4）通过理论分析以及三角函数几何关系推导出了支护便梁上任一铰接点的沉降位移及水平位移值的科学计算公式。结合现场监测数据，通过内部软件数学计算可为铁路维护部门提供一个准确的便梁铰接点和轨道位移调整参考值。（5）综合利用数字地图、SketchUp构建基于数字地图的既有线近接施工工程地质信息管理系统，实现地质信息数字化管理，为后续施工提供支持，提高施工组织管理水平。177第2章 既有线近接施工智能移动安全风险评估系统2.1 既有线桥涵近接施工危险源辨识危险源辨识是进行风险管理的首要步骤，是风险评价的基础。充分、全面合理的识别出系
43、统中存在的危险因素，才能找出系统可能发生的风险事件，有针对性的制定控制措施，有效的阻止事故的发生。识别的危险源数量越多、范围越广、深度越深，系统发生事故的概率越小，系统安全水平越高；反之，识别的危险源越少，隐含的危险因素越多，越容易发生事故，系统安全水平越低。2.1.1 危险源辨识过程既有线近接工程的风险识别主要是对与工程项目相关的各种已经存在的以及潜在的风险进行系统的分类和全面的识别。进行危险源辨识可分为四个阶段：收集相关数据资料及历史资料、识别分析各种不利因素、风险因素及危险度排序、编制风险源识别清单。具体既有线近接施工风险识别工作流程图如图 21：图 21既有线近接施工危险源辨识流程图（
44、1）收集相关数据资料及历史资料风险识别工作的基础是工程数据和概况资料。数据和资料越多，发现风险因素就越容易。通过查阅被评估工程设计和施工文件、工程施工环境方面的数据资料、以及类似工程的历史记录、档案、验收等资料，并进行现场勘察，从而对整个既有线施工工艺，施工过程中各类参数的选取，施工环境状况，如地质环境、水文情况、气象条件等进行了解和分析。（2）识别分析各种不利因素收集数据和信息资料之后，可开始对施工项目进行不确定性分析，也就是找出项目隐含的风险因素。采用一定的分析手段分析风险因素，可以从施工的不同阶段入手考虑，如按照施工过程从工作坑开挖、桥涵主体工程施工、线路加固、路基开挖及顶进施工、路基回
45、填、现场防护和监测等不同时间段对风险因素进行列举和考察；也可以从工程中的不同主体进行考虑，如施工工作、施工机械设备、施工环境、施工人员等方面。又或者以不同的风险后果出发进行风险因素分析，如可能造成人员坠落后果的可能有高处作业、施工机械材料堆放侵限、施工机械伤害、施工触电伤害、施工现场火灾爆炸事故、施工挖断电缆线、下穿便梁失稳、下穿施工便梁失稳、施工影响交通安全等；还有以不同目标为出发点的分析方法和工程结构角度的分析方法。（3）风险因素及危险度排序危险源识别出来之后，可以根据一定的安全评价方法对这些风险因素能够导致的风险危险程度进行估算分级，划分出重大危险源，进而针对这些重大危险源提出可靠的控制
46、措施，预防和减少事故发生。（4）形成辨识清单辨识完成后，将结果汇总，进行综合整理，形成近接施工危险源辨识清单，进行管理，以便相关工作人员进行查阅，并对风险进行动态跟踪。2.1.2 危险源辨识方法一般常用的危险源分析方法可分为两大类：直接判断法和安全评价法。直接判断法指通过专家评判、询问交谈、现场观察、查阅相关记录、类比法等方法直接找出存在的危险源。该类方法具有简单、方便、快捷的优点，但是直接判断法主要依靠人的经验和主观判断，极易受工作人员的主观影响，且由于人的认知能力有限，容易出现识别不全面，判断不准确的情况。安全评价法即应用系统安全工程分析法来识别危险源。该类方法主要适用于没有事故经验可供借
47、鉴的复杂新系统。项目风险识别中常用的几种方法的特点如下表 21所示：表 21 常用安全评价方法方法特点适用范围优缺点安全检查表（SCL）按要求事先编制检查表，然后逐项检查，进而发现问题各类系统的各个方面，具有很强的通用性简单易掌握，编制检查表难度和工作量较大工作危害分析法（JHA）选定作业活动，对活动中的每一步的风险进行分析，往往要和其他方法配合使用各类生产作业活动，具有很强的通用性简单易行，特别适用基层班组和岗位，对于流体性物料的生产过程不太适用工作安全分析法（JSA）事先或定期对某项工作任务进行风险评价各类生产作业活动，适应性较强在每项作业之前进行，可以和作业一起应用预先危险性分析法（PHA）分析系统存在的危害因素，触发条件事故类型，用较少的费用或时间就能进行改正各类系统物料、装置、工艺设计，生产维修前的概率分析，为FTA、ETA等方法提供依据对人员能力要求较高，要求其熟悉系统，有丰富的知识
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