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面向知識重用的地鐵工程施工安全集成控制過程研究

文檔作者：周誠烈云周迎余群舟文檔來源：華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月10日
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2010 年9 月
第39 卷第9 期
施工技術(shù)
CONSTRUCTION TECHNOLOGY 17
面向知識重用的地鐵工程施工安全集成控制過程研究
周誠，丁烈云，周迎，余群舟
( 華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北武漢430074)
［摘要］地鐵工程施工的復(fù)雜性和動態(tài)性給施工安全帶來了極大的壓力和挑戰(zhàn)。通過分析地鐵工程施工安全控制
過程及其知識重用的條件、特性和途徑，針對傳統(tǒng)安全控制過程中存在的控制黑箱、信息孤島和知識遺失等問題，
提出并建立了面向知識重用的地鐵工程施工安全集成控制過程模型，研究了施工過程、安全控制過程和知識重用
過程的集成技術(shù)、安全控制知識的組織和表達(dá)模型?；谠摷赡Ｐ烷_發(fā)的地鐵工程建設(shè)安全控制系統(tǒng)，在我國
多個城市地鐵工程中推廣應(yīng)用并取得良好的應(yīng)用效果，提高了我國地鐵工程建設(shè)安全管理和知識重用水平。
［關(guān)鍵詞］地鐵施工;安全風(fēng)險(xiǎn);控制過程;集成模型;知識重用
［中圖分類號］U283. 4 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A ［文章編號］1002-8498(2010)09-0017-04
Integrated Safety Controlling of Subway Construction
Based on Knowledge Reuse
Zhou Cheng，Ding Lieyun，Zhou Ying，Yu Qunzhou
( School of Civil Engineering ＆ Mechanics，Huazhong University of Science ＆ Technology，Wuhan，Hubei 430074，China)
Abstract:Subway construction is an extremely complicated and dynamic engineering which brings too
much pressure and challenge to the safety controlling. The current disadvantages of the safety controlling
such as the black box，the information silo and the knowledge losing needs to be changed. Authors
systematically analyze the conditions，characteristics and approaches of knowledge reuse in the subway
construction safety controlling. And the integrated safety controlling model of subway construction based
on knowledge reuse is proposed. This paper fulfills the model design and describes the elements and the
mechanism for realizing integration of the construction，the safety controlling and the knowledge reuse
processes. In addition，the organization and description models for the safety controlling knowledge are
proposed. At present the safety controlling system based on these models and information technology have
been widely applied in all kinds of subway construction in China. They play an important role in the
improvement of safety controlling and knowledge reuse in the subway construction.
Key words:subway construction; safety risk; control system; integrated model; knowledge reuse
［收稿日期］2010-04-20
［基金項(xiàng)目］中國博士后面上項(xiàng)目基金(20080440947)
［作者簡介］周誠，華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院博士研
究生，湖北省武漢市華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院西六樓
411 室430074，電話: ( 027 ) 87558171，E-mail: hello _ grace @
163. com
0 引言
截至目前，全國已有25 個城市的地鐵近期建設(shè)規(guī)
劃獲得國務(wù)院批復(fù)。到2015 年前后，中國將建設(shè)87
條地鐵線路、總里程2 495 km，總投資9 886 億元。地鐵
工程施工周期長、施工難度大、施工環(huán)境復(fù)雜，給傳統(tǒng)
安全控制管理模式造成極大壓力，在建地鐵工程幾乎
每個城市均有不同程度的建設(shè)人員傷亡，重特大事故
時有發(fā)生［1-2］，安全形勢堪憂。
近年來，地鐵工程施工安全控制研究已經(jīng)取得了
一定進(jìn)展:錢七虎［3］系統(tǒng)論述了地下工程安全風(fēng)險(xiǎn)管
理的現(xiàn)狀和地下工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐中的問題，針
對性地提出將安全控制管理作為工程施工的必要組成
部分;王夢?。?］結(jié)合具體的地鐵工程施工安全事故原
因分析并提出了相應(yīng)的工程施工安全控制對策;張頂
立［5］在對地層變形及安全事故機(jī)理系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)
上，提出并建立了基于技術(shù)主導(dǎo)的五階段地鐵工程安
全風(fēng)險(xiǎn)控制體系。
但是，我國地鐵工程中的施工過程與安全控制過
程存在較為嚴(yán)重的脫離，前一階段施工過程中的安全
18 施工技術(shù)第39 卷
問題容易被后續(xù)的施工過程掩蓋，這種以“安全結(jié)果導(dǎo)
向”而非過程控制的傳統(tǒng)安全控制模式，在動態(tài)復(fù)雜的
施工過程中不可避免地帶來安全控制的“黑箱”。同
時，施工過程中產(chǎn)生的海量工程安全控制信息，由于責(zé)
任主體的博弈、專業(yè)的割裂，不僅產(chǎn)生“信息孤島［6-7］”，
也造成工程安全知識的遺失、扭曲以及獲取、重用和共
享困難等問題。
本文在分析地鐵工程施工安全控制過程及其知識
重用條件、特性和途徑的基礎(chǔ)上，建立面向知識重用的
地鐵工程施工安全集成控制過程模型，實(shí)現(xiàn)對地鐵工
程施工安全的動態(tài)化、系統(tǒng)化、集成化控制管理，提高
施工安全控制過程的知識重用水平和能力，降低和減
少地鐵工程施工安全事故的發(fā)生。
1 地鐵工程施工安全控制過程的知識重用
1. 1 地鐵施工安全控制知識重用的條件
知識重用就是依據(jù)類似情境從知識載體中獲得需
要的知識內(nèi)容的過程［8-10］。面向地鐵工程施工中的知
識重用必須滿足以下條件。
1) 知識載體的可訪問性可訪問性確保顯性及隱
性知識項(xiàng)可以被獲取。載體的可訪問性要求物質(zhì)載體
的可用性和人的可聯(lián)系性。
2) 知識內(nèi)容的有效性有效性確保知識項(xiàng)的科
學(xué)、合理、完備。目前我國地鐵工程中某些安全控制知
識不具備有效性，以施工過程中地表沉降的控制值
30mm 為例，在某些風(fēng)險(xiǎn)等級較高的工程中，該取值偏
松，而大部分工程中該取值又偏保守。超過30mm 的
地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)后，多數(shù)情況下施工仍可以繼續(xù)進(jìn)
行，此時的地表沉降控制值已處于失效狀態(tài)。
3)知識情境的相似性情境的相似性確保知識項(xiàng)
可以應(yīng)用于恰當(dāng)?shù)那榫撤秶?。如地鐵工程施工中的冷
凍法在很多地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道施工中均有應(yīng)用，但在過
江地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工時必須考慮動水條件下的冷
凍效果，否則在開挖過程中易出現(xiàn)特大涌水坍塌事故。
1. 2 地鐵施工安全控制知識重用過程與途徑
地鐵工程施工安全控制過程是應(yīng)用安全控制知識
解決問題的過程，同時也是安全控制知識產(chǎn)生創(chuàng)造、組
織存儲和檢索應(yīng)用的過程。已完成的A 地鐵工程施工
過程中的安全知識經(jīng)驗(yàn)存儲在知識庫中，現(xiàn)有B 地鐵
工程施工過程中通過情境啟發(fā)、匹配和檢索對其進(jìn)行
修改后重用，并對安全知識重用的正確性和效率進(jìn)行
檢查，如圖1 所示，具體主要體現(xiàn)在以下兩種途徑。
1) 基于規(guī)則推理( rule-based reasoning RBR) 的安
全控制知識重用這類知識重用通常關(guān)注共性特征，
通過建立抽象規(guī)則或綜合模型進(jìn)行推理，大都是顯性
的數(shù)值性知識。地鐵工程施工過程中應(yīng)用的基于規(guī)則
圖1 地鐵工程施工安全控制過程的知識重用
Fig. 1 Knowledge reuse in safety controlling
process of subway engineering
推理的安全控制知識主要包括工程危險(xiǎn)源辨識與定級
準(zhǔn)則、監(jiān)控指標(biāo)預(yù)報(bào)警準(zhǔn)則、結(jié)構(gòu)及環(huán)境力學(xué)模型評判
準(zhǔn)則、工程風(fēng)險(xiǎn)巡視評判準(zhǔn)則、工程關(guān)鍵問題綜合評判
準(zhǔn)則等［11-12］。
2) 基于案例推理( case-based reasoning CBR) 的安
全控制知識重用借鑒歷史工程安全控制實(shí)例的經(jīng)驗(yàn)
與知識來求解類似工程的安全控制策略與技術(shù)問題，
這些大都是隱性的零散分布于工程專家中的經(jīng)驗(yàn)知
識。地鐵工程施工過程中應(yīng)用的基于案例推理的安全
控制知識主要包括施工影響預(yù)測分析、工程風(fēng)險(xiǎn)成因
分析、工程安全綜合診斷與預(yù)警、安全技術(shù)措施制定和
應(yīng)急決策等。這類知識可以通過具體工程案例描述事
物，具有更豐富的工程個性特征( 屬性)。
2 地鐵工程施工安全集成控制過程模型
地鐵工程施工安全控制過程指基于控制原理的一
系列地鐵工程施工安全控制相關(guān)活動及其程序。為了
有效解決目前我國地鐵工程施工安全控制中存在的過
程黑箱、信息孤島、知識遺失等問題，建立如圖2 所示的
面向知識重用的地鐵工程施工安全集成控制過程模型。
2. 1 施工任務(wù)活動與安全控制過程集成
地鐵工程施工可按照WBS 結(jié)構(gòu)分解至具體的施
工任務(wù)活動層次，施工任務(wù)活動之間存在邏輯關(guān)系，形
成施工進(jìn)度的CPM 網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃。本文借鑒全面質(zhì)量管
理TQM 的思路，提出基于施工任務(wù)活動( construction
activity)［13-14］的安全控制過程。
施工進(jìn)度CPM 網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃中每個具體的施工任務(wù)
活動是最小的施工活動單元，附著在每個施工任務(wù)活
動上的要素都對應(yīng)該活動執(zhí)行時所必須的安全控制屬
性。每個施工任務(wù)活動對應(yīng)的安全控制屬性綜合成最
小的安全控制節(jié)點(diǎn)( safety control point) ，反之，通過這
2010 No. 9 周誠等:面向知識重用的地鐵工程施工安全集成控制過程研究19
圖2 面向知識重用的地鐵工程施工
安全集成控制過程模型
Fig. 2 Integrated safety controlling model of subway
construction based on knowledge reuse
些安全控制節(jié)點(diǎn)控制相應(yīng)施工任務(wù)活動執(zhí)行時的安
全，并形成基于地鐵任務(wù)活動的安全控制網(wǎng)絡(luò)。
基于施工任務(wù)活動的安全控制過程使地鐵工程施
工安全控制由傳統(tǒng)“結(jié)果導(dǎo)向”的“黑箱”型控制模式
轉(zhuǎn)換為兼顧中間過程環(huán)節(jié)與結(jié)果驗(yàn)證的“灰箱”型控
制模式，并體現(xiàn)出“人-機(jī)-環(huán)境”一體化的安全控制特
點(diǎn)［15］。這種過程可以看作由兩個部分組成:一是對于
施工任務(wù)活動的安全微控制;另一個則是對施工任務(wù)
整體的安全宏控制。宏控制的目的在于建立完整的施
工過程安全控制程序體系，總體可分為地鐵工程施工
的事前控制( 前饋控制)、事中控制( 同期控制) 和事后
控制( 反饋控制) 等3 個階段。
2. 2 知識重用過程與安全控制過程集成
前述的安全控制節(jié)點(diǎn)與施工任務(wù)活動的集成，已
經(jīng)包含工程結(jié)構(gòu)、工程環(huán)境、施工工藝、人員投入、機(jī)械
設(shè)備等情境信息，并具備了層次和網(wǎng)絡(luò)的特征。隨著
安全控制節(jié)點(diǎn)分解的粒度，附著其上的知識情境形成
變粒度，通過檢索算法調(diào)用規(guī)則知識庫、案例知識庫中
具有高相似度的安全控制知識，實(shí)現(xiàn)地鐵工程施工安
全控制知識重用過程。
從系統(tǒng)工程的角度看，地鐵工程施工按照WBS 結(jié)
構(gòu)分解至具體的施工任務(wù)活動層次，每個施工任務(wù)活
動對應(yīng)于一個最小安全控制節(jié)點(diǎn)，如圖3a 所示，這種
樹狀分解結(jié)構(gòu)將整個地鐵施工安全控制過程的各種知
識項(xiàng)關(guān)聯(lián)在一起，每個安全控制節(jié)點(diǎn)形成一個知識單
元，通過知識單元完成對安全控制知識載體、知識內(nèi)容
和知識情境等方面的全面描述，如圖3b 所示，包括節(jié)點(diǎn)
信息、情境知識和領(lǐng)域知識等內(nèi)容。其中，情境知識是
安全控制節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的施工任務(wù)活動的要素，包括工程結(jié)
構(gòu)維向量( S1
，S2
，…，Sn
)、工程環(huán)境維向量(C1
，C2
，…，
Cn
)、施工工藝維向量(P1
，P2
，…，Pn
)、操作行為維向量
(B1
，B2
，…，Bn
)和機(jī)械設(shè)備維向量(E1
，E2
，…，En
)，通過
5 個維度向量的組合可構(gòu)成地鐵工程施工安全控制節(jié)點(diǎn)
中需要獲取的知識情境。領(lǐng)域知識包括地鐵工程施工
安全控制的規(guī)則知識、案例知識等。通過對每個安全控
制節(jié)點(diǎn)的知識描述，將不同水平、不同層次的知識組織
起來，并在基于施工過程的3 階段安全控制中隨時被反
復(fù)調(diào)用，不斷交叉?zhèn)鬟f、流動和創(chuàng)造。
圖3 地鐵工程施工安全控制知識組織及表達(dá)模型
Fig. 3 Organization and description model
of safety controlling knowledge in subway construction
3 工程應(yīng)用實(shí)例
基于面向知識重用的地鐵工程施工安全集成控制
過程模型，構(gòu)建地鐵工程建設(shè)安全控制系統(tǒng)，如圖4 所
20 施工技術(shù)第39 卷
示。系統(tǒng)前臺開發(fā)采用JAVA 語言，后臺采用Oracle9i
數(shù)據(jù)庫，基于J2EE、Web Services 技術(shù)構(gòu)建分布式多層
結(jié)構(gòu);并運(yùn)用與平臺無關(guān)的XML 數(shù)據(jù)傳輸和交換技
術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全控制模型與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的分離，以提升
控制系統(tǒng)的技術(shù)無關(guān)性; 同時采用GIS /CAD 平臺技
術(shù)、智能終端PDA 數(shù)據(jù)采集技術(shù)、VR 可視化技術(shù)、多
媒體技術(shù)等，較好的從應(yīng)用層面解決了如何實(shí)現(xiàn)面向
知識重用的地鐵工程施工安全集成控制過程的問題。
圖4 地鐵工程建設(shè)安全控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
Fig. 4 System structure for subway
construction safety controlling system
地鐵工程建設(shè)安全控制系統(tǒng)在沈陽地鐵1，2 號線
工程、武漢軌道交通2 號線一期工程、鄭州軌道交通1
號線一期工程、深圳軌道交通9 號線工程等全國多個
城市多條地鐵工程施工中實(shí)施應(yīng)用。通過系統(tǒng)實(shí)施建
立起滿足各參建主體安全控制需要的安全控制體系，
進(jìn)行施工安全控制過程和流程再造，改變了傳統(tǒng)的安
全控制方式，很大程度上減少了地鐵工程施工安全中
存在的控制過程黑箱、信息孤島、知識遺失現(xiàn)象的發(fā)
生，使安全控制過程動態(tài)化、系統(tǒng)化、集成化，確保上述
工程建設(shè)的安全順利開展。
4 結(jié)語
全國城市軌道交通工程正處在高速發(fā)展階段，地
鐵工程施工的動態(tài)性和復(fù)雜性導(dǎo)致施工安全風(fēng)險(xiǎn)激
增。大量的工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)表明，由于施工安全控制不
力，引發(fā)地鐵工程施工安全事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損
失和人員傷亡，產(chǎn)生了嚴(yán)重的社會負(fù)面影響。因此，必
須針對傳統(tǒng)安全控制過程中存在的控制黑箱、信息孤
島和知識遺失等問題，解決施工過程、安全控制過程、
知識重用過程的集成關(guān)鍵技術(shù)。
通過分析地鐵工程施工安全控制過程中存在的問
題，闡述安全控制過程中知識重用的條件、特性和途
徑。本文提出并建立了面向知識重用的地鐵工程施工
安全集成控制過程模型。該過程模型研究了基于施工
任務(wù)活動的安全控制過程集成技術(shù)，提出完整的施工
過程安全風(fēng)險(xiǎn)控制程序體系，從施工任務(wù)活動和施工
過程整體兩個角度實(shí)現(xiàn)施工過程與安全控制過程的集
成，消除了安全控制過程黑箱。同時研究了知識重用
過程與安全控制過程集成技術(shù)，給出了安全控制知識
的組織和表達(dá)模型，為安全控制過程執(zhí)行創(chuàng)造了有效
的知識重用環(huán)境。
基于面向知識重用的地鐵工程施工安全集成控制
過程模型開發(fā)的地鐵工程建設(shè)安全控制系統(tǒng)，在我國
多個城市地鐵工程中推廣應(yīng)用并取得良好的應(yīng)用效
果。該集成控制模型的可行性在實(shí)際工程中得到了驗(yàn)
證，實(shí)現(xiàn)了對地鐵工程施工安全的動態(tài)化、系統(tǒng)化、集
成化控制管理，提高了施工安全控制過程的知識重用
水平和能力，有力地降低和預(yù)防了地鐵工程施工安全
事故的發(fā)生。
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( 下轉(zhuǎn)第24 頁)
24 施工技術(shù)第39 卷
單位根據(jù)批準(zhǔn)的二級計(jì)劃編制三級計(jì)劃，并監(jiān)督其實(shí)
施、整改。
4) 三級進(jìn)度計(jì)劃須經(jīng)監(jiān)( 管) 理單位或投資建設(shè)
公司項(xiàng)目經(jīng)理部審核、批準(zhǔn)后方可實(shí)施。
5) 對項(xiàng)目經(jīng)理部、監(jiān)( 管) 理單位、施工單位等的
檢查、評比所得總平均分，為整個項(xiàng)目進(jìn)度管理的綜合
得分。
6) 各級進(jìn)度計(jì)劃均須以Project 軟件編制的橫道
圖表示，有條件的可以采用網(wǎng)絡(luò)圖，須標(biāo)示各工作的邏
輯關(guān)系、關(guān)鍵路徑。
7) 合同中須有工期要求( 開工時間、完工時間、總
工期) 及因提前或延期完工而獎罰的內(nèi)容。
8) 投資建設(shè)公司項(xiàng)目經(jīng)理部每次向承包單位付款
時，均要核對其所承包工作或工程的進(jìn)度控制情況;若
經(jīng)核實(shí)為承包單位的責(zé)任而使相關(guān)工作或工程進(jìn)展滯
后，則須按合同予以經(jīng)濟(jì)處罰。
9) 參建單位每次工程會議均要通報(bào)有關(guān)工程的進(jìn)
展情況，若工作落后于計(jì)劃，則要研究、提出切實(shí)可行
的處理措施，確定實(shí)施單位，并記載于會議紀(jì)要等相關(guān)
文件中。
10) 以分解目標(biāo)打分的方式對進(jìn)度計(jì)劃及其實(shí)施
情況進(jìn)行檢查、評價。
11) 根據(jù)對進(jìn)度計(jì)劃、實(shí)施、控制、檢查、評比所得
分?jǐn)?shù)，對相關(guān)責(zé)任方予以獎懲。
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