城市地下空間產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務平臺建設及示范應用

中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司副總工程師、地下工程研究所所長 張繼宏

城市地下空間產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務平臺建設及示范應用

中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司副總工程師、地下工程研究所所長 張繼宏

1991年在東京召開的地下空間國際學術會議通過《東京宣言》，指出21世紀是地下空間開發(fā)利用的世紀。如何建設具有中國特色的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型智慧城市，成為我國城市建設面臨的重大問題。解決該問題的關鍵在于運用先進的城市規(guī)劃理論，先進適用的科學技術進行城市的規(guī)劃，其中地下空間是國際國內(nèi)寶貴的戰(zhàn)略資源，對其充分開發(fā)利用成為智慧城市建設的重要部分。本文將針對城市地下空間產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務平臺，詳細介紹地下工程項目建設及示范應用。

1 項目背景與目標

1.1 城市地下空間產(chǎn)業(yè)背景簡介

國務院住房和城鄉(xiāng)建設部早在2011年發(fā)布了修訂的《城市地下空間開發(fā)利用管理規(guī)定》，對地下空間勘測、設計、施工、運營等方面都提出了要求。地鐵隧道、電纜隧道、大直徑公路地鐵兩用隧道、矩形頂管人行/公路隧道、排污管道、地下商業(yè)綜合體等都屬于地下工程范疇。

從目前來看，城市地下空間產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出如下發(fā)展特征：

（1）產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大

? 未來地下工程產(chǎn)業(yè)規(guī)模達每年上萬億元；

? 未來盾構機規(guī)模預計將達到1萬臺。

（2）發(fā)展速度快、空間大

? 全國39個城市已開通地鐵建設，“十三五”規(guī)劃3000公里；

? 上萬公里的地下管廊、海綿城市、智慧城市建設；

? 一帶一路將帶動地下空間產(chǎn)業(yè)輸出。

（3）經(jīng)濟和社會影響大

? 安全事故過去十年內(nèi)造成經(jīng)濟損失累計達數(shù)百億元；

? 行業(yè)整體粗放式管理，成本浪費大。

（4）地下空間開發(fā)特點鮮明

? 城市地下空間管理與國土資源、城市規(guī)劃、水利防洪、環(huán)保、水電、國防等有關；

? 地下空間復雜，具有不可逆性，地下空間規(guī)劃難度高。

1.2 城市地下開發(fā)的產(chǎn)業(yè)鏈

城市地下空間產(chǎn)業(yè)開發(fā)環(huán)節(jié)十分復雜且充滿挑戰(zhàn)，從規(guī)劃到運營要考慮多個方面，具體如圖1所示。

1.3 地下空間產(chǎn)業(yè)協(xié)同面臨的挑戰(zhàn)

目前由于存在技術和管理上的困難，各方之間形成了信息孤島，在信息共享、協(xié)同發(fā)展方面存在壁壘，具體如下：

（1）工程機械產(chǎn)業(yè)鏈

? 高端復雜裝備，可靠性要求高；

? 訂單類型繁多，個性化定制生產(chǎn)，單臺價值高，無法開展大規(guī)模試驗；

? 企業(yè)創(chuàng)新能力不足，運營效率和服務水平低。

（2）地下工程產(chǎn)業(yè)鏈

? 管理跨度大，運營陳本高，利潤率低，決策困難；

? 地質工況復雜，施工工藝和設備管理使用水平要求高；

? 人員和設備來源復雜，經(jīng)驗流失，安全、質量、工期難以保障。

（3）地下空間產(chǎn)業(yè)鏈

? 地下工程缺乏監(jiān)管，難以運維；

? 各自為政，重復投資，規(guī)劃困難；

? 地下工程運營缺乏數(shù)據(jù)支撐，難以決策。

總之，地下空間產(chǎn)業(yè)開發(fā)要考慮產(chǎn)業(yè)鏈間的協(xié)同融合，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同圖

2 項目現(xiàn)有工作基礎

中鐵一局是國家大型綜合性建筑施工企業(yè)，擁有子分公司31家。經(jīng)營范圍包含鐵路、公路、隧道、橋梁、地鐵輕軌、市政公用、機場、房建、設計、咨詢、監(jiān)理等。擁有大型設備4650套，價值35億元。中鐵一局參與過國內(nèi)幾乎所有城市的地鐵、輕軌修建，是目前國內(nèi)地鐵施工門類最全的建筑企業(yè)。盾構施工實力位居國內(nèi)前茅，全面掌握盾構法、各類不良地質地鐵車站深基坑及暗挖隧道修建核心技術，專業(yè)種類齊全，是國內(nèi)地鐵施工專業(yè)最齊全的綜合施工企業(yè)。

2.1 強大的施工能力

中鐵一局建立了盾構遠程監(jiān)控及智能管理中心，具備了遠程智能管理經(jīng)驗，解決了管理跨度大、決策難等問題。

（1）需求分析：過去4年，中鐵一局圍繞地下工程產(chǎn)業(yè)鏈進行了業(yè)務梳理和需求分析。

（2）數(shù)據(jù)資源：已經(jīng)開發(fā)了盾構遠程監(jiān)控及智能管理系統(tǒng)V2.0版本，接入了數(shù)十臺盾構設備，積累了TB級的盾構施工、設備數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)分析：圍繞地面沉降預測、地質分析、智能決策支持、油液數(shù)據(jù)分析等方面，取得了良好效果。

（4）經(jīng)濟效益：采用盾構施工協(xié)同保障及設備遠程運維管理手段，大幅提升了公司工程施工生產(chǎn)管理水平，每年為企業(yè)新增產(chǎn)值4億元，節(jié)省設備維修成本5000萬元，并有效避免了各類重大安全事故的發(fā)生。 中鐵一局建立了盾構遠程監(jiān)控及智能管理中心，具備了遠程智能管理經(jīng)驗，解決了管理跨度大、決策難等問題。

2.2 盾構遠程監(jiān)控系統(tǒng)成功應用

盾構法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法。它是將盾構機械在地中推進，通過盾構外殼和管片支承四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌。同時在開挖面前方用切削裝置進行土體開挖，通過出土機械運出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進，并拼裝預制混凝土管片，形成隧道結構的一種機械化施工方法。

（1）盾構地下工程施工行業(yè)特點：

? 盾構含義：既是工法的名稱，又是裝備的名稱。既是地下工程核心工法與裝備，又是產(chǎn)生大部分地下工程數(shù)據(jù)的源頭。

? 盾構施工行業(yè)特點：地質是根本，設備是關鍵，管理是保障。

（2）成功應用

上海地鐵9號線三期10標包含金橋站～申江路站及出入場線共兩個區(qū)間主體工程，金～申區(qū)間全長1518M，出入場線區(qū)間全長588M。 金申區(qū)間上行線盾構始發(fā)后，從掘進45環(huán)開始出現(xiàn)大面積的管片破損和滲水現(xiàn)象、管片錯臺、錯縫問題嚴重。通過盾構遠程監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)認真分析并總結經(jīng)驗，用了不到一個月的時間走過了通常需要一個項目才能總結出來的淤泥質軟件盾構施工經(jīng)驗。

460環(huán)至1100環(huán)的通縫管片拼裝作業(yè)僅有二處管片破損，創(chuàng)造了破損率僅為0.3%的優(yōu)異成績，遠遠低于上海地鐵建設單位規(guī)定的≤5%規(guī)定。多次得到業(yè)主的表彰與經(jīng)驗推廣。

此外，還建立了離線油液監(jiān)測實驗室和管理系統(tǒng)，針對盾構機的核心設備部件的油樣數(shù)據(jù)進行離線監(jiān)測，通過對不同手段為運維盾構設備進行健康管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 項目規(guī)劃與實施方案

3.1 建設總體思路

（1）需求分析

從產(chǎn)業(yè)鏈打通、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等維度，以業(yè)務目標和數(shù)據(jù)目標驅動梳理需求，分析數(shù)據(jù)資源，制定大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略和路線圖，如圖3所示。

圖3 大數(shù)據(jù)平臺建設規(guī)劃路線圖

（2）感知、匯集數(shù)據(jù)資源和數(shù)據(jù)分析

全方位感知采集各類數(shù)據(jù)，匯集外部數(shù)據(jù)和跨領域數(shù)據(jù)；

形成大數(shù)據(jù)分析方法和工具集，解決本行業(yè)和跨領域需求。

（3）搭建平臺

依據(jù)業(yè)務驅動原則、數(shù)據(jù)共享原則、平臺統(tǒng)一原則、數(shù)據(jù)服務原則。

（4）部署與示范應用

總體規(guī)劃，分步實施，按企業(yè)級、行業(yè)級、國家級逐步推進，不斷匯總聚合跨領域、跨行業(yè)、跨部門的數(shù)據(jù)資源。

3.2 充分挖掘分析地下工程產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)據(jù)資源

盾構系統(tǒng)設備龐大（包含21個子系統(tǒng)），施工過程復雜（既有地面又有地下），時間跨度和地域跨度廣，在盾構施工過程中產(chǎn)生大量的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)。

（1）主要包含如下數(shù)據(jù)：

? 需要從PLC中采集盾構各系統(tǒng)工況數(shù)據(jù)，采集周期S級，數(shù)據(jù)量大；

? 需要采集盾構隧道導向系統(tǒng)中數(shù)據(jù)；

? 需要感知盾前地質數(shù)據(jù)，填補施工前地質勘測50米范圍盲區(qū)；

? 需要感知盾構機刀具、傳動鏈等核心關鍵設備的工況和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量少，但實時性高；

? 需要監(jiān)測后配套電瓶車工作狀態(tài)數(shù)據(jù)；

? 需要監(jiān)測盾構沿線地質沉降相關數(shù)據(jù)；

? 需要采集盾構施工人員上崗、主要物料消耗、能耗等數(shù)據(jù)；

? 需要采集盾構施工過程中的視頻和音頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上行流量大，對連接性需求強；

? 需要導入盾構設備機、電、液圖紙數(shù)據(jù)，導入地圖數(shù)據(jù)，屬于靜態(tài)類數(shù)據(jù)；

? 需要能夠在盾構施工現(xiàn)場接收管理中心發(fā)送的施工操作指導指令，流量小但實時性高；

? 需要采集位置信息，上行數(shù)據(jù)量大。

（2）以上這些數(shù)據(jù)將構成海量、多維、異構的城市地下空間產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)資源，其規(guī)劃分析如圖4所示。

圖4 大數(shù)據(jù)資源規(guī)劃分析

（3）地下空間產(chǎn)業(yè)鏈需求分析

地下空間產(chǎn)業(yè)不僅要多產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，還要滿足項目的業(yè)務需求和大數(shù)據(jù)分析需求，如圖5所示。

3.3 完善大數(shù)據(jù)平臺架構

在豐富數(shù)據(jù)資源的基礎上，聯(lián)接線下和線上資源，協(xié)同創(chuàng)新。完善大數(shù)據(jù)平臺架構，為客戶提供跨領域、跨行業(yè)的數(shù)據(jù)服務，如圖6、圖7所示。

圖5 地下空間產(chǎn)業(yè)鏈需求分析

圖6 地下工程產(chǎn)業(yè)示范應用——管理和協(xié)同創(chuàng)新

圖7 大數(shù)據(jù)平臺架構圖

3.4 建立地下空間運營管理服務體系

通過建立城市地下空間產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)運營管理服務中心，將數(shù)據(jù)平臺運維、數(shù)據(jù)資源處理、地下工程運維數(shù)據(jù)等集中到一起，形成大數(shù)據(jù)新業(yè)態(tài)、新模式，工程運維數(shù)據(jù)包含圖8所示的各項數(shù)據(jù)，地下空間運營如圖9所示。

圖8 工程運維數(shù)據(jù)

圖9 地下空間運營圖

希望通過開發(fā)利用大數(shù)據(jù)分析，建立地下工程產(chǎn)業(yè)鏈示范應用，提升地下空間運營效率，幫助各細分行業(yè)實現(xiàn)轉型升級。

4 項目運營方案

項目采用“4+1+X 運營模式”，其基本框架如圖10所示。

圖10 基本框架圖

4.1 “4+1+X 運營模式”的發(fā)展規(guī)劃

（1）2011~2016年，形成“政產(chǎn)學研資用”的“眾創(chuàng)”模式，建立面向盾構工程建設行業(yè)協(xié)同的工業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務平臺（企業(yè)級）；

（2）2017~2019年，以PPP模式，成立“中鐵智能”公司，建立面向盾構全行業(yè)協(xié)同你的行業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務平臺（行業(yè)級）；

（3）2020~2025年，通過數(shù)據(jù)共享、服務對接，建立面向城市地下空間產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)綜合服務門戶（國家級）。

4.2 “4+1+X 運營模式”的收益

面向盾構產(chǎn)業(yè)協(xié)同的工業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務平臺為該項目帶來了巨大收益

（1）非營利性數(shù)據(jù)服務，體現(xiàn)社會責任的擔當（公益收益）

擴展為城市地下工程建設領域和裝備制造行業(yè)的大數(shù)據(jù)平臺，并與城市規(guī)劃、國土資源地下數(shù)據(jù)收集、裝備制造創(chuàng)新研究等行業(yè)大數(shù)據(jù)平臺對接為政府安全監(jiān)管、宏觀經(jīng)濟分析、國家政策制定、行業(yè)管理和標準制定、人才培養(yǎng)等提供多元化決策支持。

（2）體現(xiàn)大數(shù)據(jù)商業(yè)價值，實現(xiàn)企業(yè)創(chuàng)收盈利（商業(yè)收益）

? 為平臺的各個參與主體提供多元化服務（線上線下O2O模式，線上：托管云，維修云。線下：4S維修、融資租賃等），根據(jù)用戶的需求按需收費。

? 平臺應用示范期（企業(yè)級）實現(xiàn)中國中鐵全覆蓋，預計每年為中鐵提升150億的產(chǎn)能效益。

? 平臺推廣期（行業(yè)級）預計每年為行業(yè)提升400億元的產(chǎn)能效益。

5 項目總結

5.1 項目的引領、示范作用

面向城市地下空間產(chǎn)業(yè)協(xié)同的工業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務平臺在推動數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和帶動其他行業(yè)研發(fā)創(chuàng)新方面也將發(fā)揮重要作用。

（1）數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

? 提升數(shù)據(jù)的采集、匯聚、清洗和智能分析能力；

? 實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源跨行業(yè)的共享、融合和交易；

? 推動數(shù)據(jù)價值服務體系的規(guī)范建立和完善。

（2）輻射帶動作用

? 帶動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（裝備制造）研發(fā)體系的創(chuàng)新；

? 推動工程建設領域生產(chǎn)、管理手段的轉變；

? 提升政府宏觀調(diào)控和行業(yè)管理的決策水平。

5.2 項目重要性和意義

（1）促進地下工程建設行業(yè)管理方式變革，由粗放式向精細化管理方式轉變，以數(shù)據(jù)流引領技術流、物質流、資金流和人才流，由勞動密集型的建設行業(yè)向知識密集型的現(xiàn)代服務業(yè)轉變，形成了新的經(jīng)濟增長點。

（2）促進工程機械行業(yè)向《中國制造2025》邁進，帶動產(chǎn)業(yè)技術研發(fā)體系創(chuàng)新，大幅度縮短產(chǎn)品周期，提高零部件國產(chǎn)化率、可靠性和再制造能力。

（3）為地下空間運維、運營、規(guī)劃等提供決策支持。

（4）充分發(fā)揮數(shù)據(jù)資源的潛力與價值，為城市建設、國土資源、國防軍事等提供可靠的地理空間、環(huán)境、管理等數(shù)據(jù)支撐。

（5）打通行業(yè)鏈條和壁壘，促進工程、裝備、社會公用等行業(yè)數(shù)據(jù)融合、實現(xiàn)跨領域、跨行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新。

（本文根據(jù)張繼宏在“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)大數(shù)據(jù)暨工控安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展2016高峰論壇”上的報告整理）