數字孿生技術在上海軌道交通車站資產管理中的應用

趙剛

（上海申通地鐵集團有限公司，上海 201103）

引言

隨著數字中國建設的深入實踐，數字技術正引領和推動諸多領域變革，軌道交通作為城市重要基礎設施，其數字化發展在我國城市治理工作中具有重要地位。截至2022 年底，我國內地累計55 個城市投運城軌，運營線路達10 291.95km[1]，運營路線規模已達到快速發展階段。與其他行業相比，軌道交通資產整體呈現線性狀態，具有體量種類多、區域分布廣、管理周期長、資金比重大等特點[2]，且車站作為網絡關鍵節點，為客流服務提供重要功能的同時，還布置了密集且繁多的固定資產等設施設備，為城軌實物資產管理工作帶來巨大挑戰。資產管理是指應用風險為本的系統化協作的活動或方法，持續優化管理資產和資產體系、達到資產的表現、成本和風險的平衡，以實現組織的戰略目標[3]。在業務提升內驅力和行業轉型趨勢雙因素驅動下，資產管理的數字化轉型是保障管理工作精細化的重要手段，BIM 技術輔助工程項目建設，不僅能保證工程建設質量與工期，還可以滿足精細化與智能化建造要求。

鑒于此，探索數字孿生技術的建筑三維模型應用于上海軌道交通資產數字化管理平臺，對上海軌道交通固定資產管理具有一定的現實意義。

1 資產管理現狀與需求

1.1 資產管理現狀

上海地鐵已經建立規范的固定資產編碼體系，通過信息化系統對資產管理業務進行全流程操作，有較好的信息化基礎，同時也存在一些不足，主要表現在以下幾個方面：

（1）基礎數據庫完善

當前，上海軌道交通采用信息化手段，已經建立了以EAM 管理系統為平臺的基礎管理體系和移交、接管及常規管理功能，并且在日常管理中，運維單位定期或不定期對資產采取全面清點或重點抽查等方式，用掃碼槍掃描資產條形碼對資產管理進行現場盤點，確保帳卡物一致性和實物資產實際狀態，最大限度地維護國有資產數據全面性。

（2）可視化功能不足

隨著業務需求和管理目標的不斷提升，現有平臺系統中仍存在資產資產調配、現場管理、變更等業務與現場實物對應不緊密以及可視化功能不足等薄弱問題，管理人員無法及時掌握資產現場管理并追溯全生命周期及全環節鏈條。

（3）固資數據不匹配

上海軌道交通已實現了設計全過程的BIM 功能，部分線路的竣工驗收階段也具備BIM 交接，但由于BIM 模型體量大，對計算機運行的軟硬件條件要求高，實際與設計變更在BIM 平臺的更新及時性不足等眾多條件制約，導致該技術在實際運行維護階段運用受限，造成數字資產與實物資產管理間未形成協同，無法直接利用數字資產為實物資產管理提供助力。

1.2 資產管理數字孿生應用需求

近年來，上海軌道交通發布了《上海軌道交通數字化轉型發展實施意見》，提出一朵云、一站網、一個大數據平臺、五大應用系統群，打造資產數字標準體系，為實現軌道交通全路網資產、業務、流程的精準管控、協同治理創造了一定條件。由于各專業固資管理設備量大、布局分散，現場盤點人員工作量大、效率較低，其準確性也依賴條形碼標簽張貼的完整性、規范性。固定資產盤點數字孿生應用基于BIM 數據基礎實現資產盤點管理可視化，有效利用信息化手段提升人工盤點效率，實現自動盤點過濾，顯著減少人工盤點工作量。在此數字化轉型趨勢下，聚焦固定資產管理業務，探索數字孿生應用總體思路和應用場景。

2 資產管理數字孿生應用

自2014 年以來，已先后完成17 號線、5 號線南延伸及15 號線等線路BIM 模型數字資產交付，覆蓋線路長度約176km，積累了豐富的數字資產，在數字化交付過程中同步推進數字資產與實物資產移交的初步融合，從資產管理層面保證了數字孿生的虛實數據的統一性[4]，為資產管理數字孿生應用的建設提供了堅實的數據基礎。

2.1 總體思路

以BIM 模型數據為基礎，融入EAM 系統，本文從數據層、應用層、平臺層及展示層四個層面對資產管理數字孿生應用探索，打造信息共享、多方合作、協同管理的數字孿生平臺[5]，采用“數據+平臺+應用+展示”的工作流，實現上海軌道交通資產數字化管理，如圖1所示。

圖1 總體框架圖

（1）數據層

將BIM 模型數據、資產清冊數據、物聯網數據和業務數據，按類型、業務及板塊等條線納入數據庫，以滿足資產管理應用的數據需求。其中，物聯網數據來自上海地鐵已經建設的專業系統。

（2）平臺層

利用大數據平臺建設的數據中臺、業務中臺，為應用層提供數據服務和通用業務服務，包括主數據管理服務、設施設備結構樹服務、設施設備履歷服務、模型庫服務、BIM 服務以及數據倉庫等內容，以滿足數字孿生應用需求。其中，模型庫包括記錄模型、仿真算法和預測算法等。數據和仿真模型庫組成了數據孿生體[6]，為應用層提供數據和模型算法支撐。

（3）應用層

以資產管理業務需求為導向，開展固資移動盤點、固資可視化盤點、房屋臺賬動態管理以及房屋土地可視化管理等業務應用。同時，數字孿生技術的重要意義在于對實體對象的故障預測和健康管理[7]，基于數字孿生的系統應包含虛實交互和預測分析[8]。本文聚焦城市軌道交通資產管理業務，基于業務應用，通過業務數據的積累，結合物聯網數據，利用深度學習方法，對資產狀態、房屋土地狀態進行預測分析，獲得相應固資盤點分析策略、房屋管理分析策略，指導實際工作。

（4）展示層

上述應用通過Web 網頁和移動端App，為用戶提供交互頁面，使數據與上海地鐵既有的企業資產管理EAM 系統、土地房屋系統實現互通。

基于上述架構設計和總體思路，本文開展了其中一部分數字孿生應用探索和試點應用。

2.2 固定資產盤點應用

BIM 竣工模型繼承建設期所有設備資產數據，利用BIM 三維可視化及數據整合能力，開展設施設備臺帳管理、維修管理、變更管理和資產統計等業務，實現運維期設備資產的可視化、智能化管理[9]。本文以固資移動盤點、固資可視化盤點為試點應用展開了研究和開發試點應用。

（1）固資移動盤點

固資移動盤點應用，除了以手持終端App 代替掃碼槍，實現基礎的盤點任務下達、現場盤點執行、盤點結果上傳及盤點工作評估等功能以外，以帳卡物映射關系為基礎，通過多維度數據分析自動生成未完成盤點清單并提示盤點人員，引導后續盤點工作，有效提升盤點工作便利性。

（2）固資可視化盤點

利用業務中臺的BIM 服務，搭建軌道交通數字孿生場景，實現固資盤點計劃、過程、結果的可視化查詢。方式一是在三維場景中點擊設備對象查詢對應資產信息和資產盤點記錄，包括資產編碼、資產名稱、權屬信息、盤點時間、盤點人員以及盤點位置等內容，為管理人員提供直觀查詢方式，其中資產編碼是實現數字孿生的關鍵數據，資產管理系統的所有業務建立在一套完整的編碼體系之上[10]；方式二是對專業進行篩選，實現資產樹篩選，顯示資產對應的設備模型，并查詢資產信息和資產盤點記錄，如圖2所示。

圖2 選中設備查詢資產信息和盤點信息

在上述應用基礎上，根據固資盤點業務的實際需求，可進一步展望固資自動盤點應用，通過制定自動過濾規則，在EAM 系統下達固資盤點任務后，利用業務中臺的主數據管理服務、設施設備結構樹服務以及設施設備履歷服務等獲取數據進行匹配分析，結合物聯網的實時狀態數據，實現固資的非現場邏輯盤點，將滿足過濾規則的資產項目自動判斷為盤點完成[11]，減少現場實地盤點工作量，提高盤點工作效率。

同時，借助平臺設備使用人員可以在手機App 端拍照上傳故障設備和不定時地派發巡檢任務，通過流程改進，不僅保證維修結果的準確性，而且提高了設備巡檢效率。

2.3 應用效果

本文在上海地鐵試點線路已開展了數字資產產移交、資產標簽升級，并在試點車站開展了固資可視化盤點應用。通過與綜合監控系統打通數據獲取自動售檢票、站臺門以及電梯等重點專業設備資產的實時狀態，通過與車站運營管理系統打通數據獲取點巡檢、周檢、月檢、季檢、（半）年檢以及故障維修和配件更換等業務信息，通過與視頻監控系統打通實時監控信息，可在三維場景中進行可視化遠程盤點工作。通過試點，單個標準車站重點專業設備資產的盤點工作由原來的30 分鐘縮短至10 分鐘，可提升工作效率66%，效果顯著。后續將持續開展其他應用的試點工作。

3 房地資源管理探索

GIS 系統對地理空間信息能顯示地球表面空間三維實景模型和數據信息[12]，利用BIM+GIS 技術建立的三維可視化模型能夠準確展示房屋土地空間結構和位置關系，結合車站權證、規劃紅線等資料關聯，管理人員可準確地掌握管理界面。同時，將房屋土地管理涉及的收儲、出租及調配等業務流程管理納入數字孿生應用中，與房屋土地管理使用管理臺賬相互關聯，實現房地資源的數據生成、維護與應用等動態更新。

3.1 房屋臺賬動態管理

將建筑BIM 模型拓展至GIS 中對應，利用業務中臺的主數據管理服務、BIM 服務等內容，在線建立車站房屋臺賬，對房屋信息進行動態管理，支持增、刪、改、查等功能，并將房屋臺賬與三維場景空間信息關聯，一鍵查詢站內房屋信息，包括設備用房、出入口以及商鋪，商鋪信息包括名稱、面積、權屬及租期等內容，可進一步與商鋪合同信息關聯，形成對商鋪房屋的全方位管理，如圖3 所示。

圖3 房屋信息可視化查看

3.2 土地可視化管理

將BIM、GIS 和資產臺賬結合起來可實現從宏觀到微觀的管理[13]，利用業務中臺的BIM 服務和GIS 地圖服務，實現土地管理可視化，將GIS 地圖中傾斜影像數據與輕量化后的車站BIM 模型相融合，可直觀地掌握車站出入口與周邊環境的關系、車站外輪廓范圍，以及征地范圍的管轄區域，指導車站對周邊土地管理工作，如圖4 所示。

圖4 基于BIM+GIS 的土地可視化管理

4 結語

在數字化轉型的大趨勢下，城市軌道交通資產管理從業務需求的內因和數字化基礎建設逐步完善的外因雙重作用下，亟需通過開展數字孿生應用，驅動管理的革新。本文以上海軌道交通數字化轉型發展實施意見為方向，基于GIS+BIM 融合技術，構建資產數字化管理平臺，在試點線路實現了數字資產與實物資產同步移交、資產標簽升級，打通資產數據與設備全生命周期履歷數據，利用GIS 數據和BIM 數據的整合實現資產信息的可視化，提升資產數字化管理水平，進一步提高交通軌道建設的質量與水平。今后，應充分發揮工程信息海量數據和豐富應用場景的優勢，以數字孿生為應用向導，以數字化管理平臺為依托，以先進的AI、物聯網、互聯網技術為支撐，實現工程數字化、資產數字化的管理目標，進一步完善數字資產體系，助力智慧城市軌道交通建設。