大數據技術的智慧施工運營一體化平臺研究

中鐵電氣化局集團第三工程有限公司 何生軍

中鐵電氣化局集團有限公司城鐵公司 羅 金 賴一雄

隨著數字經濟時代的到來，地鐵施工運營面臨著來自內外部的挑戰。應用先進的大數據、物聯網、云計算等數字化技術，融合地鐵施工運營管理規范和技術標準，建構支撐地鐵施工和運營的一體化平臺是地鐵投資、施工和運營單位能力建設的關鍵。中鐵電氣化局集團有限公司應用企業架構、設計思維和軟件工程方法，深入分析地鐵施工和運營技術特性與管理體系，研究開發了基于大數據技術的智慧施工運營一體化平臺，旨在發揮投資融資-工程建設-運營維管的“一體化”優勢，推進地鐵行業的數字化轉型。

1 地鐵施工運營面臨的問題與PPP模式的發展機遇

“十四五”期間，多地地鐵迎來爆發式增長，地鐵施工和運營單位擁有空前的發展機遇。但是地鐵從規劃、設計、建設到運營，接口多、周期長、資產重、要求高，各階段業務既有分工又銜接緊密，管理高度復雜，地鐵施工和運營管理面臨著巨大的挑戰：

1.1 地鐵施工面臨的問題

地鐵施工涉及多專業、多單位的復雜協同，傳統施工組織手段造成施工計劃指導性差，施工執行透明度低，移交調試周期長。總體計劃、節點計劃、詳細計劃（月-周-日）沒有嚴謹的編制與發布機制，進度計劃與資源計劃不匹配，停工待料和搶工趕工的矛盾現象突出，工程變更、計劃調整缺乏分析、控制與追溯能力。施工機械、人員、物資分散，安全質量隱患預防和處置難度大。施工產值-成本預算與實際差異大，缺乏支撐經濟分析與成本控制的方法和手段。工程驗收貫穿施工過程，對過程質量控制與數據管理要求很高，目前為了準備驗收，投入大量人力事后編寫竣工資料。

1.2 地鐵運營面臨的問題

地鐵運營中設備管理成本約占35%~40%。但是普遍存在資產底數不清、管理比較粗放、組織流程繁瑣等問題，導致運營效率低、成本高。設備臺賬維護職能分散在不同部門，設備賬實不符嚴重，數據更新不及時，存在資產流失風險。設備履歷不全，全壽命周期數據缺失，造成使用維保成本高，設備技術狀態與質量不可控，存在安全隱患。運營管理以故障修為主的維修模式付出了很高的故障成本，對應急處置考驗大，備品工具缺乏定額管理，消耗、報廢合理性缺乏數據支撐。生產和管理人員多，對工作量化核定手段不足。施工計劃、作業請令、故障處理流程繁瑣，流轉時間長，實際決策智能化水平低。

1.3 地鐵行業PPP模式的發展機遇

地鐵行業PPP模式經過近20年實踐，逐漸成為政府首選投資方式。作為投資建設+運營的經營主體，有著研究和落實科技賦能地鐵行業的良好發展機遇。PPP模式相比傳統政府融資模式來說，在項目投資建設和運營上更具有整體視角，能夠統籌施工、運營并通過運營數據的分析持續改善產業鏈前端的設計和施工技術和質量，推動行業的整體發展。

圖1給出了體系結構圖，建設單位作為PPP模式的主體，既是施工單位又是運營單位，在投資建設和運營兩大階段對地鐵行業有更體系化的思考：（1）投資：關注全生命周期的成本和收益，而不是單純的施工產值或者運營收入。（2）施工：既要滿足設計要求，更要服務于后期運營。（3）移交：竣工驗收資料不單是存檔，更大的價值在于用，并且持續更新。（4）運營：精細化成本管控，不斷提升運營效率和乘客體驗。（5）持續改善：通過大數據技術分析設計和施工中能夠改善的環節，推動行業的持續發展。

圖1 體系結構

2 基于大數據技術的智慧地鐵施工運營一體化平臺設計理念與架構

圖2給出了企業架構設計思維，根據PPP模式對地鐵施工和運營的管理要求，應用企業架構（EA）和設計思維方法，結合先進的物聯網、云計算、大數據等IT技術，研究和實現對地鐵全生命周期的數字化、智能化、精細化的管理，是擺在建設單位面前的重要課題。通過需求分析、方案設計、開發測試、試點運行，基于大數據技術的智慧地鐵施工運營一體化平臺已取得階段性成果，并得到良好應用。

圖2 企業架構設計思維

從應用架構來說，自底向上分為4層，分別是：（1）智慧監控：這是應用物聯網和5G等技術采集現場設備、人員、環境、物料等信息，并實現遠程動態監控和控制。（2）智慧生產：這是地鐵施工和運營管理的核心業務組件。施工管理有進度、物資、安裝、成本、質量、資源、移交等，運營管理有設備管理、施工調度、工單、巡檢、票務、站務等。（3）智慧管理：這是人財物和綜合管理，這些組件支撐生產活動，對業務起到計劃、控制和評價作用。（4）智慧決策：既有面向領導層的施工和運營主題分析，如進度、經濟、資源、安全、質量、設備、服務等業務域，又有面向執行層的操作賦能，如資源配置、作業調度、設備故障預測等。圖3給出了架構分成。

圖3 架構分成

從技術架構來說，自底向上分為4層，分別是：（1）邊緣層：在地鐵施工和運營中大量的物聯網設備分布在不同的區域，邊緣計算為終端用戶提供實時、動態和智能的服務計算。（2）IaaS即基礎設施層，支撐公有云、私有云和混合云。（3）PaaS層：平臺核心層，提供平臺資源部署和管理、地鐵施工運營大數據采集&處理、地鐵施工運營大數據建模&分析和應用開發能力，并基于業務需求持續開發、迭代適用于行業發展的微服務組件。（4）SaaS層：面向施工運營業務和決策分析的應用組件，包含技術、進度、物資、安裝、運營、服務等。

通過智慧地鐵施工運營一體化平臺構建支撐地鐵產業鏈的協同生態環境，業主、集團、專業公司、項目部（公司）、運營公司、供應商、行業客戶、消費者等互聯互通，智慧協同。

3 核心技術方案

3.1 地鐵施工管理方案

地鐵施工項目分為三個階段：施工準備、工程施工和竣工驗收，管理機構有工程、物資、安質、工經、財務等。針對地鐵施工特點，構建了進度、物資、安裝、移交調試等核心業務模塊，同時開發了勞動力、機械、安質、成本等基礎服務模塊，進而結合物聯網、大數據技術，實現施工現場的智能監測、預警和決策分析。圖4給出了業務管理分層圖。

圖4 業務管理分成

通過智慧施工運營一體化平臺，業務管理（工程部門、物資部門、安質部門等）與財務管理（工經部門、財務部門）在項目各階段緊密協同：在施工準備階段，業務部門依據施工技術與進度要求做項目整體策劃，財務部門依據項目合同與進度計劃做財務預算，這樣形成施工進度計劃、物資供應計劃、機械配置計劃、人力配置計劃、安全質量策劃、收入預算和責任成本預算，指導施工作業；在工程施工階段，工程部門依據進度計劃管理現場施工作業，物資部門依據工程進度要求組織物資、機械供應，工經部門依據人力配置計劃組織人員進場和退場，安質部門依據策劃管理安全、組織質量驗收，工經部門依據工程完成數量組織驗工計價，計算物資、機械和人力成本；在竣工驗收階段，業務部門組織驗收、移交工程資料、管理剩余尾工，財務部門編制項目決算。

3.2 地鐵運營管理方案

地鐵運營管理的主要內容有：車輛、設備（供電、通號、工務、機電）和客運（乘務、站務、票務、控制中心）管理等基礎業務，管理機構有人力資源、物資、財務、安全等。針對地鐵運營業務需求，構建以設備管理（含設備檔案、設備調度、施工調度、移動巡檢）、乘務管理、站務管理等主體，融合物聯網、大數據技術，實現地鐵運營設備設施的智能監測、預警和決策分析。圖5給出了運營管理分層圖。

圖5 運營管理分層

設備管理是地鐵運營保障的關鍵。通過智慧施工運營一體化平臺，構建支撐設備維修“策劃、計劃、執行和評價”完整體系；并與財務、物資模塊集成，實現維修過程中“設備、物資、人力資源、成本”等資源的整合。其中，“策劃階段”主要是設備基礎信息管理（含編碼、位置、設備履歷等），并建立作業標準、故障體系和安全計劃，指導和規范維修作業。“計劃階段”是依據維修來源和作業區間、供電、行車等資源占用情況而運算出的維修時間計劃。“執行階段”是工單分配到具體工班或作業負責人后，維修人員通過移動終端接收任務到現場作業，實現現場作業全程的管理。“評價階段”是管理人員對維修作業執行的狀態、成本、效率、設備故障等進行統計和分析。

智慧施工運營一體化平臺依據“管理有標準，操作有指引，計劃有統籌，執行有監控，事后可追溯，數據可分析”的目標，能夠做到施工計劃合理、施工作業透明、施工響應快捷。

3.3 大數據技術對地鐵施工運營數字化轉型的賦能

在地鐵施工階段，應用大數據指導作業過程，精細化統籌項目準備和施工過程，并為預配、安裝、調試推薦最優的技術、質量和經濟參數，隨施工過程建立項目數字檔案，做到無縫的數字化工程移交。

在地鐵運營階段，無時不刻產生大量的數據，如車輛的空調、供電等系統運行參數，轉向架運行參數；供電各級變壓器、開關運行參數、軌溫參數等。物聯網和大數據的應用能夠實時采集、監測、分析、處理數據，為維修策略制定、故障處理提供科學的管理方式。

通過物聯網采集到的海量設備運行狀態數據，有針對性地對單類設備展開模型分析，預測設備劣化趨勢并評估當前維修策略的精確度。如果出現偏差，將分析結果通知專業工程師，并由專業工程師發起對現有維修策略的調優工作。當設備狀態信息和環境信息改變后，再次發起分析及調優業務，從而保證維修策略與設備的當前狀態匹配，保證維修策略的最優化。

通過在線設備狀態數據的采集，獲取設備運行異常故障信息。結合已有的標準體系，應用大數據技術自動生成網絡化的狀態修工單，并通過移動互聯網及時通知維修工程師。維修工程師在移動終端即可獲取現場設備狀態及設備履歷，并將分析結果通過網絡廣播，指導相關人員、設備迅速啟動排障預案，達到異常及故障的快速處置。故障處理后，問題、原因和處理措施自動積累為設備管理大數據資產。

同時，平臺源源不斷采集所有相關的運營數據，例如客流信息、行車信息、運營指標、運力配置、維修服務、維修成本等運營數據，與地鐵設計、施工數據一道，共同形成地鐵大數據資產。通過建立分析與預測模型，全面分析地鐵設計、施工和運營數據，從多維度分析地鐵全生命周期的經濟、技術和質量指標，持續優化地鐵設計、投資和施工，為地鐵行業的高質量發展賦能。

4 平臺應用價值

基于大數據技術的智慧施工運營一體化平臺的應用，能夠構建具有超強感知能力、敏捷執行能力、明智決策能力的地鐵行業數字經濟模式，實現地鐵施工運營的一體化、數字化、智慧化，助力地鐵行業的數字化轉型。

（1）超強感知能力：通過物聯網、5G等技術采集地鐵施工和運營過程中的實時數據，依據閾值智能預警，并動態增加集團公司數字資產。

（2）敏捷執行能力：施工和運營的標準、知識融入系統，依據應用場景，提供智能的業務指引和操作建議，賦能生產一線。

（3）明智決策能力：各級領導能夠從宏觀到微觀洞察PPP項目全生命周期內生產、物資、工經、財務、客流、服務、質量、安全等分析主題，決策數據可視化。