衷兆程

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司，上海 200031)

上海市軌道交通發(fā)展迅速，地鐵隧道網(wǎng)絡(luò)化日臻完善，對上海城市發(fā)展發(fā)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(hù)的疊加挑戰(zhàn)，隧道安全運維管護(hù)的壓力越來越大。軌道交通運維作為典型的資產(chǎn)密集型行業(yè)，涉及專業(yè)多，管理的設(shè)備設(shè)施數(shù)量巨大。制定規(guī)范的運維工作作業(yè)流程，確保地鐵運營相關(guān)的設(shè)備設(shè)施正常、高效的運行，是軌道交通安全、穩(wěn)定、高效運營的決定性因素[1-3]。

筆者所在單位主要負(fù)責(zé)上海城市軌道交通相關(guān)的軌道及房屋建筑、隧道及其附屬設(shè)施的養(yǎng)護(hù)、維修及相關(guān)業(yè)務(wù)的技術(shù)咨詢、技術(shù)培訓(xùn)服務(wù)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(yīng)用不夠深入。在城市軌道交通建設(shè)初期，傳統(tǒng)的運維管理模式尚能維持，近年來隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)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(zhàn)，當(dāng)前的檢修模式已經(jīng)形成無法可持續(xù)發(fā)展的態(tài)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(guī)模大、檢修效率低等因素都是困擾城市軌道交通持續(xù)發(fā)展的阻力[3]，智能化運維管理的需求迫在眉睫。

本文結(jié)合上海地鐵隧道設(shè)備運維管理實際需求，深入分析地鐵隧道設(shè)備運維管理需求和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，系統(tǒng)性的梳理了現(xiàn)有運維信息化工作，探討了上海地鐵隧道設(shè)備智能化運維管理平臺的解決方案。

1 需求分析與數(shù)據(jù)整合

平臺建設(shè)的總體目標(biāo)是“用智能運維指導(dǎo)生產(chǎn)”，可分解為如下三個方面：

（1）設(shè)備管理：在設(shè)備狀態(tài)信息化的基礎(chǔ)上，開展病害報警、綜合分析、履歷管理；

（2）生產(chǎn)管理：開發(fā)生產(chǎn)輔助APP，以工單為執(zhí)行對象，貫穿巡檢、作業(yè)、驗收等環(huán)節(jié)；另外，在設(shè)備信息推送的基礎(chǔ)上，進(jìn)行作業(yè)排程、資源配置、工單管理；

（3）決策分析：在設(shè)備管理、生產(chǎn)管理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行跨專業(yè)分析、健康度趨勢分析、生產(chǎn)效率分析、生產(chǎn)效果評估等工作[4-5]。

具體任務(wù)是將表觀病害、監(jiān)護(hù)項目數(shù)據(jù)（項目范圍）、保護(hù)區(qū)巡查數(shù)據(jù)、長期沉降與收斂數(shù)據(jù)（三維激光掃描數(shù)據(jù)）、重點區(qū)段數(shù)據(jù)、地鐵線路數(shù)據(jù)（中線、車站、保護(hù)區(qū)）、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（行政邊界、地面高程等）、地面沉降數(shù)據(jù)（基巖標(biāo)、分層標(biāo)、水準(zhǔn)點、等值線圖）、地質(zhì)資料（地質(zhì)鉆孔、地質(zhì)剖面圖）等有機地整合在一起，實現(xiàn)實時查詢、統(tǒng)計分析、預(yù)警決策、應(yīng)急搶險等功能，構(gòu)筑綜合性隧道設(shè)備智能化管理平臺。

隧道運維涉及的內(nèi)容眾多，筆者對申通集團內(nèi)部與隧道運維相關(guān)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行了梳理，各系統(tǒng)包含的主要數(shù)據(jù)內(nèi)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(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)在專題數(shù)據(jù)管理上有各自的特色，但各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)相互獨立。而地鐵隧道安全運維作為一項系統(tǒng)性的工程，最迫切需要解決的就是數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理問題[6-7]。通過對地鐵隧道運維業(yè)務(wù)的分析，在綜合考慮各業(yè)務(wù)系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，考慮按如圖1 所示數(shù)據(jù)庫組織形式來完成數(shù)據(jù)的對接。

在數(shù)據(jù)源整合方面，除了考慮集成EAM、病害管理、地面巡查、云圖（監(jiān)護(hù)項目）等核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)外，還考慮將基礎(chǔ)地理、地面沉降長期監(jiān)測、隧道收斂數(shù)據(jù)、重點區(qū)段沉降監(jiān)測、地質(zhì)資料、地下空間數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料一并集成到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行統(tǒng)一管理。

表1 與隧道安全運維相關(guān)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)Table 1 Business systems related to tunnel security operation and maintenance

圖1 地鐵隧道設(shè)備智能化運維管理平臺數(shù)據(jù)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(gòu)設(shè)計

本平臺的核心功能邏輯是按照“全網(wǎng)—線路—區(qū)間—管片”的組織形式來展示運維數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中能夠直觀展示整個隧道設(shè)備的運維管理狀態(tài)、線網(wǎng)的健康度評價、隧道管片的履歷數(shù)據(jù)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(wǎng)的安全運營狀態(tài)，排查隧道安全隱患點，并及時調(diào)度人員、物資對病害進(jìn)行處理。

系統(tǒng)底層以隧道管片為管理單元，可通過查詢（掃描）管片標(biāo)識牌，集成展示維保數(shù)據(jù)、大修數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)等；通過定位管片三維空間位置坐標(biāo)，結(jié)合GIS 地圖和BIM 模型，集成管理周邊調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)；另外，可考慮加入一些預(yù)警決策模型，根據(jù)基礎(chǔ)資料、監(jiān)測數(shù)據(jù)等開展決策預(yù)警。

根據(jù)系統(tǒng)的核心功能需求，可將該平臺設(shè)計為如圖2所示的三層架構(gòu)。

2.1 數(shù)據(jù)獲取與管理維護(hù)

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

負(fù)責(zé)整個平臺的數(shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)交換，通過設(shè)置相應(yīng)的專題數(shù)據(jù)庫，并梳理各專題數(shù)據(jù)的詳細(xì)數(shù)據(jù)目錄，多系統(tǒng)間協(xié)商確定相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換格式與數(shù)據(jù)接口，打通各個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊鏈路，形成相對完善的綜合數(shù)據(jù)庫；并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各類數(shù)據(jù)的采集和利用方式不同，設(shè)計具有針對性的數(shù)據(jù)交換方式、數(shù)據(jù)更新機制等，確保各類數(shù)據(jù)都能夠得到有效管理、及時更新。

2.2 數(shù)據(jù)挖掘與分析評價

根據(jù)隧道設(shè)備運維的管理需求，深入理解業(yè)務(wù)邏輯和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理流程，在滿足病害處理排程、生產(chǎn)行為統(tǒng)計、人員績效評價等日常業(yè)務(wù)工作需要的基礎(chǔ)上，還需要開展相應(yīng)的專題數(shù)據(jù)分析研究，結(jié)合各類數(shù)據(jù)進(jìn)行跨學(xué)科、跨專業(yè)的深度分析，如監(jiān)測異常數(shù)據(jù)與表觀病害的印證分析、長期監(jiān)測異常數(shù)據(jù)與周邊施工的關(guān)聯(lián)分析、周邊地質(zhì)與數(shù)據(jù)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(shù)支撐。

2.3 智能預(yù)警與決策支持

在長期的研究工作成果沉淀基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納出相應(yīng)的作業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，并嘗試建立各類有效的預(yù)警模型，例如沉降收斂預(yù)警、違規(guī)項目預(yù)警、結(jié)構(gòu)變形預(yù)警等，對于隱患點早發(fā)現(xiàn)早處理，爭取把地鐵安全運營的風(fēng)險降到最低；另外，在相應(yīng)的地鐵應(yīng)急搶險環(huán)節(jié)中，能夠及時調(diào)閱到出險點周邊的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)、維保核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，并提供一些智能化的預(yù)判，為現(xiàn)場專家會商提供科學(xué)的決策支撐。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)探索

擬開發(fā)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(shù)據(jù)整合與系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，還需要開展一系列關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。

3.1 隧道精細(xì)化管理與數(shù)據(jù)集成技術(shù)

運維管理需要整合現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，涉及的專題面廣、數(shù)據(jù)內(nèi)容復(fù)雜，需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換格式和數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)，尤其是原EAM 系統(tǒng)介入申通集團的內(nèi)部管理流程較深，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，要充分考慮與原有系統(tǒng)并存下的一些數(shù)據(jù)組織形式、數(shù)據(jù)編碼規(guī)則等內(nèi)在邏輯，確保與原有系統(tǒng)的無縫對接，實現(xiàn)技術(shù)到生產(chǎn)的相互閉環(huán)。

3.2 隧道監(jiān)測一體化數(shù)據(jù)采集與分析

研究隧道病害數(shù)據(jù)、收斂數(shù)據(jù)、沉降數(shù)據(jù)的一體化快速采集設(shè)備及成套系統(tǒng)，將現(xiàn)有的人工隧道病害巡查、光學(xué)相機隧道照片采集、三維激光掃描收斂數(shù)據(jù)采集、人工沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測等多合一，在保證數(shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)上，研究突破速度瓶頸，并開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

3.3 地鐵隧道病害與設(shè)施識別技術(shù)

開展計算機視覺的圖像識別、深度學(xué)習(xí)等應(yīng)用探索，研究地鐵隧道圖像的要素識別技術(shù)，智能識別地鐵隧道內(nèi)的地鐵軌道、監(jiān)測設(shè)備、隧道病害等；另外為提高病害識別精度，結(jié)合隧道全景成像、三維激光掃描、地質(zhì)條件等數(shù)據(jù)，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(zhì)資料、地下建（構(gòu)）筑物、地下管線數(shù)據(jù)，研究將地質(zhì)三維模型、軌道交通三維模型、地下建（構(gòu)）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(shù)據(jù)、隧道監(jiān)測IoT 設(shè)備等全場景融合的關(guān)鍵技術(shù)，建立以隧道為中心的虛擬現(xiàn)實VR 場景，將整個地下的隧道、地質(zhì)、調(diào)查、監(jiān)測數(shù)據(jù)集成展示，滿足智能化運維需求。

3.5 隧道結(jié)構(gòu)安全預(yù)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(fā)生較少，但隨著運營時間的增長，地鐵隧道出現(xiàn)病害的概率不斷增加，突發(fā)性的病害如果不能及時發(fā)現(xiàn)和治理，其后果將十分嚴(yán)重，智能運維迫切需要有一套安全預(yù)警機制，后續(xù)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(jié)構(gòu)安全預(yù)警模型集成到系統(tǒng)中。

4 系統(tǒng)界面設(shè)計與開發(fā)

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

4.1 以地鐵網(wǎng)絡(luò)為管理單元的全網(wǎng)安全運營狀態(tài)

地鐵網(wǎng)絡(luò)圖，展示全網(wǎng)內(nèi)區(qū)間的健康度情況和致命風(fēng)險項分布，對超標(biāo)報警的區(qū)間，高亮、動態(tài)顯示，點擊區(qū)間可以進(jìn)入對應(yīng)區(qū)間詳情查看數(shù)據(jù)；線路健康度維度統(tǒng)計，通過收斂、沉降、病害、致命風(fēng)險、違規(guī)項目、監(jiān)護(hù)項目6 個維度，對線路進(jìn)行評分。

4.2 以地鐵線路為管理單元的線路安全運營狀態(tài)

展示每條線、每個區(qū)間健康度，通過顏色（紅黃綠）來區(qū)分健康等級；在該界面可統(tǒng)計線路病害統(tǒng)計數(shù)據(jù)、及相關(guān)圖表（比如周期內(nèi)新增、消除、結(jié)存數(shù)等），點擊后進(jìn)入相應(yīng)區(qū)間查看具體數(shù)據(jù)。

4.3 以地鐵隧道管片設(shè)備（區(qū)間段）為管理單元的單點安全運營狀態(tài)

列出區(qū)間內(nèi)所有管片，統(tǒng)計項目分為監(jiān)護(hù)項目、大修信息、土層信息、違規(guī)施工、病害信息、綜合詳情等，用不同顏色表示系統(tǒng)不同病害等級；另外可展示不同類別的數(shù)據(jù)曲線，生成各類型圖表等。

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

5 結(jié)語

筆者結(jié)合自身多年來地鐵隧道運維一線的工作經(jīng)驗和思考，在深入分析運維管理需求和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有運維信息化工作進(jìn)行了系統(tǒng)性的梳理，探討了上海地鐵隧道設(shè)備智能化運維管理平臺的解決方案，該平臺的開發(fā)實施有助于及時準(zhǔn)確地掌控地鐵隧道的安全與質(zhì)量狀態(tài)，促進(jìn)隧道運維的信息化建設(shè)，期望依托技術(shù)手段進(jìn)一步提高運維管理的精細(xì)化程度，以適應(yīng)地鐵運維新要求。