上海地鐵隧道設備智能運維管理平臺設計與開發

衷兆程

(上海地鐵維護保障有限公司，上海 200031)

上海市軌道交通發展迅速，地鐵隧道網絡化日臻完善，對上海城市發展發揮了舉足輕重的作用。面對地鐵增加運能、延長運營時間、縮短夜間維護的疊加挑戰，隧道安全運維管護的壓力越來越大。軌道交通運維作為典型的資產密集型行業，涉及專業多，管理的設備設施數量巨大。制定規范的運維工作作業流程，確保地鐵運營相關的設備設施正常、高效的運行，是軌道交通安全、穩定、高效運營的決定性因素[1-3]。

筆者所在單位主要負責上海城市軌道交通相關的軌道及房屋建筑、隧道及其附屬設施的養護、維修及相關業務的技術咨詢、技術培訓服務等。目前主要的運維檢修模式以人工檢查、維修為主，信息化手段在檢修管理中應用不夠深入。在城市軌道交通建設初期，傳統的運維管理模式尚能維持，近年來隨著地鐵網絡規模的擴大、各線路投入運行時間增長以及人員成本逐年增高，運維面臨著前所未有的困難和挑戰，當前的檢修模式已經形成無法可持續發展的態勢[2]。上海地鐵每天要完成700 余千米的隧道檢修工作，人工成本高、檢修規模大、檢修效率低等因素都是困擾城市軌道交通持續發展的阻力[3]，智能化運維管理的需求迫在眉睫。

本文結合上海地鐵隧道設備運維管理實際需求，深入分析地鐵隧道設備運維管理需求和數據基礎，系統性的梳理了現有運維信息化工作，探討了上海地鐵隧道設備智能化運維管理平臺的解決方案。

1 需求分析與數據整合

平臺建設的總體目標是“用智能運維指導生產”，可分解為如下三個方面：

（1）設備管理：在設備狀態信息化的基礎上，開展病害報警、綜合分析、履歷管理；

（2）生產管理：開發生產輔助APP，以工單為執行對象，貫穿巡檢、作業、驗收等環節；另外，在設備信息推送的基礎上，進行作業排程、資源配置、工單管理；

（3）決策分析：在設備管理、生產管理的基礎上，進行跨專業分析、健康度趨勢分析、生產效率分析、生產效果評估等工作[4-5]。

具體任務是將表觀病害、監護項目數據（項目范圍）、保護區巡查數據、長期沉降與收斂數據（三維激光掃描數據）、重點區段數據、地鐵線路數據（中線、車站、保護區）、基礎地理數據（行政邊界、地面高程等）、地面沉降數據（基巖標、分層標、水準點、等值線圖）、地質資料（地質鉆孔、地質剖面圖）等有機地整合在一起，實現實時查詢、統計分析、預警決策、應急搶險等功能，構筑綜合性隧道設備智能化管理平臺。

隧道運維涉及的內容眾多，筆者對申通集團內部與隧道運維相關的業務系統進行了梳理，各系統包含的主要數據內容與功能如表1 所示

從表1 可以看出，軌道交通安全運維的相關業務系統在專題數據管理上有各自的特色，但各系統間數據相互獨立。而地鐵隧道安全運維作為一項系統性的工程，最迫切需要解決的就是數據統一管理問題[6-7]。通過對地鐵隧道運維業務的分析，在綜合考慮各業務系統現狀的基礎上，考慮按如圖1 所示數據庫組織形式來完成數據的對接。

在數據源整合方面，除了考慮集成EAM、病害管理、地面巡查、云圖（監護項目）等核心業務數據外，還考慮將基礎地理、地面沉降長期監測、隧道收斂數據、重點區段沉降監測、地質資料、地下空間數據作為基礎數據資料一并集成到數據庫中進行統一管理。

表1 與隧道安全運維相關的業務系統Table 1 Business systems related to tunnel security operation and maintenance

圖1 地鐵隧道設備智能化運維管理平臺數據整合Fig.1 Data integration of the intelligent operation and maintenance management platform of metro tunnel equipment

2 核心功能與架構設計

本平臺的核心功能邏輯是按照“全網—線路—區間—管片”的組織形式來展示運維數據，系統中能夠直觀展示整個隧道設備的運維管理狀態、線網的健康度評價、隧道管片的履歷數據等。在整個地鐵隧道運維管理工作中，管理者需要時刻掌握全網的安全運營狀態，排查隧道安全隱患點，并及時調度人員、物資對病害進行處理。

系統底層以隧道管片為管理單元，可通過查詢（掃描）管片標識牌，集成展示維保數據、大修數據、地質數據等；通過定位管片三維空間位置坐標，結合GIS 地圖和BIM 模型，集成管理周邊調查監測數據；另外，可考慮加入一些預警決策模型，根據基礎資料、監測數據等開展決策預警。

根據系統的核心功能需求，可將該平臺設計為如圖2所示的三層架構。

2.1 數據獲取與管理維護

圖2 地鐵隧道設備智能化運維管理平臺技術架構Fig.2 Technical architecture of intelligent operation and maintenance management platform for metro tunnel equipment

負責整個平臺的數據集成與數據交換，通過設置相應的專題數據庫，并梳理各專題數據的詳細數據目錄，多系統間協商確定相應的數據交換格式與數據接口，打通各個系統間的數據通訊鏈路，形成相對完善的綜合數據庫；并在此基礎上，根據各類數據的采集和利用方式不同，設計具有針對性的數據交換方式、數據更新機制等，確保各類數據都能夠得到有效管理、及時更新。

2.2 數據挖掘與分析評價

根據隧道設備運維的管理需求，深入理解業務邏輯和相應的數據處理流程，在滿足病害處理排程、生產行為統計、人員績效評價等日常業務工作需要的基礎上，還需要開展相應的專題數據分析研究，結合各類數據進行跨學科、跨專業的深度分析，如監測異常數據與表觀病害的印證分析、長期監測異常數據與周邊施工的關聯分析、周邊地質與數據異常的綜合分析等，挖掘探索影響地鐵隧道安全運營的原因，為地鐵隧道的運維管理提供技術支撐。

2.3 智能預警與決策支持

在長期的研究工作成果沉淀基礎上，總結歸納出相應的作業規范和標準，并嘗試建立各類有效的預警模型，例如沉降收斂預警、違規項目預警、結構變形預警等，對于隱患點早發現早處理，爭取把地鐵安全運營的風險降到最低；另外，在相應的地鐵應急搶險環節中，能夠及時調閱到出險點周邊的基礎數據、調查監測數據、維保核心業務數據等，并提供一些智能化的預判，為現場專家會商提供科學的決策支撐。

3 主要關鍵技術探索

擬開發的運維管理平臺作為智能運維信息化改造的重要組成部分，在前文數據整合與系統架構設計的基礎上，還需要開展一系列關鍵技術的研究工作。

3.1 隧道精細化管理與數據集成技術

運維管理需要整合現有業務系統數據，涉及的專題面廣、數據內容復雜，需要建立相應的數據交換格式和數據管理標準，尤其是原EAM 系統介入申通集團的內部管理流程較深，在系統設計過程中，要充分考慮與原有系統并存下的一些數據組織形式、數據編碼規則等內在邏輯，確保與原有系統的無縫對接，實現技術到生產的相互閉環。

3.2 隧道監測一體化數據采集與分析

研究隧道病害數據、收斂數據、沉降數據的一體化快速采集設備及成套系統，將現有的人工隧道病害巡查、光學相機隧道照片采集、三維激光掃描收斂數據采集、人工沉降數據監測等多合一，在保證數據精度的基礎上，研究突破速度瓶頸，并開發相應的系統進行統一管理。

3.3 地鐵隧道病害與設施識別技術

開展計算機視覺的圖像識別、深度學習等應用探索，研究地鐵隧道圖像的要素識別技術，智能識別地鐵隧道內的地鐵軌道、監測設備、隧道病害等；另外為提高病害識別精度，結合隧道全景成像、三維激光掃描、地質條件等數據，建立高精度病害智能識別模型。

3.4 地鐵隧道與地下空間BIM 的全場景融合

收集地鐵隧道周邊地質資料、地下建（構）筑物、地下管線數據，研究將地質三維模型、軌道交通三維模型、地下建（構）筑物三維模型、地下管線三維模型與地鐵車站BIM 模型、激光掃描數據、隧道監測IoT 設備等全場景融合的關鍵技術，建立以隧道為中心的虛擬現實VR 場景，將整個地下的隧道、地質、調查、監測數據集成展示，滿足智能化運維需求。

3.5 隧道結構安全預警模型

軌道交通運營安全涉及城市安全，在地鐵隧道運營的前期，事故險情發生較少，但隨著運營時間的增長，地鐵隧道出現病害的概率不斷增加，突發性的病害如果不能及時發現和治理，其后果將十分嚴重，智能運維迫切需要有一套安全預警機制，后續可利用層次分析-模糊綜合評估、人工智能等方法，建立隧道結構安全預警模型集成到系統中。

4 系統界面設計與開發

綜合考慮地鐵隧道設備智能運維管理需求，擬將系統界面分為三個層次來表達運維信息（如圖3 所示）。

4.1 以地鐵網絡為管理單元的全網安全運營狀態

地鐵網絡圖，展示全網內區間的健康度情況和致命風險項分布，對超標報警的區間，高亮、動態顯示，點擊區間可以進入對應區間詳情查看數據；線路健康度維度統計，通過收斂、沉降、病害、致命風險、違規項目、監護項目6 個維度，對線路進行評分。

4.2 以地鐵線路為管理單元的線路安全運營狀態

展示每條線、每個區間健康度，通過顏色（紅黃綠）來區分健康等級；在該界面可統計線路病害統計數據、及相關圖表（比如周期內新增、消除、結存數等），點擊后進入相應區間查看具體數據。

4.3 以地鐵隧道管片設備（區間段）為管理單元的單點安全運營狀態

列出區間內所有管片，統計項目分為監護項目、大修信息、土層信息、違規施工、病害信息、綜合詳情等，用不同顏色表示系統不同病害等級；另外可展示不同類別的數據曲線，生成各類型圖表等。

圖3 地鐵隧道設備智能化運維管理平臺界面設計Fig.3 Interface design of intelligent operation and maintenance management platform for subway tunnel equipment

5 結語

筆者結合自身多年來地鐵隧道運維一線的工作經驗和思考，在深入分析運維管理需求和數據的基礎上，對現有運維信息化工作進行了系統性的梳理，探討了上海地鐵隧道設備智能化運維管理平臺的解決方案，該平臺的開發實施有助于及時準確地掌控地鐵隧道的安全與質量狀態，促進隧道運維的信息化建設，期望依托技術手段進一步提高運維管理的精細化程度，以適應地鐵運維新要求。