城市隧道设施运维管养平台的设计与实现

常莹

（上海城建城市运营（集团）有限公司 上海市 200023）

我国隧道建设发展迅猛，全国隧道总数达到1.7 万座合1800万延米。作为核心的城市基础设施，城市隧道在城市交通功能中发挥着重要的作用。然而容易忽略的问题是隧道设施的运维管养问题：安全、通畅与维养效率。如何在隧道设施的百年运营过程中，既能保障安全通畅运营，又能控制全寿命周期的整体资金投入，需要完备的理论和理念以及运维管养信息化技术体系来支撑。针对城市隧道运维管养中遇到的问题，本文提出了基于全寿命理念建立隧道运维管养平台的设计思路，建立了综合智能监测体系、BIM 信息集成和可视化管理，以及基于数据驱动的预测化管养的应用平台系统，为大数据模式下的隧道科学管养提供了实践借鉴。

1 隧道管养存在的问题

1.1 安全与时效问题

隧道土建主体设施一般是百年的设计寿命，普遍认为是建成后就是稳定的，其性能的检查主要面向表观的病害。但城市的持续建设发展使得周边道路、深基坑、地铁等建设对既有隧道的结构安全产生深远的影响。这些难以及时通过人工检查的方式去发现和预防，可能造成隧道的不利沉降或断面收敛变形，缩短隧道的使用寿命。基于物联网的结构安全监测系统提供了相应的解决方式。

此外，隧道日常运维的主体对象是6 大机电系统：通风系统、排水系统、通信系统、综合监控系统、消防与火灾监控系统、供配电与照明系统。这其中包含数千套设备，若不能够全面进行检查和监测，会出现故障难发现、处理不及时等，影响到设施正常运转，甚至造成行车安全问题和运营事故。需要在有限的时间内进行修复，才能高可靠性的确保设施正常运转，避免不必要的隐患。

1.2 全寿命成本问题

根据研究，隧道的全寿命成本划分到建设期和运营期，其折现值比是1:1。在漫长的运维期，管养成本波动受到很大的挑战，包括：持续走高的劳动力成本（当前典型的运养业务中劳动力成本占比超过50%）、日常维养经费的使用对设施延年益寿的针对性较差（或费用没有落实在维持性能与服务水准上）、设施设备的大中修成本难以控制、因封道维修的拥堵绕行造成社会经济损失更是无可估计。典型的如上海延安东路隧道大修施工周期9 个多月，一次性投资2.4亿元，接近10年养护经费总和。如何降低人工成本、平顺全寿命期的养护资金投入，是需要在全寿命理念指导下，依靠智能化、信息化的信息管理手段来提供解决途径。

1.3 信息管理问题

从目前隧道设施运维管养的实际来看，建设期信息、厂商数据、二维图纸、维修手册、检查记录、作业单等还是主要以纸质档案形式管理。这种管理方式不能直观反映实际情况，查询和使用的方式比较繁琐，效率低，信息传达沟通的方式不够顺畅。基于BIM 的信息集成应用技术提供了高效的信息技术支持。

2 隧道设施运维管养平台设计

隧道设施运维管养平台设计包含系统总体架构、数据处理流程、系统编码、系统功能、基于BIM 的模型服务，以及安全性设计。

2.1 系统总体架构

图1：系统总体架构

根据隧道设施管养需求，合理估算其模型数据、监测数据、管养业务数据的数据量，谨慎选择平台底层架构以确保数据的可靠存储与并发处理。通过调研现有主流大数据技术体系Hadoop、Spark等，本平台的架构选择了最适合IOT 监测应用的Kafka+InfluxDB技术体系。平台使用微服务的方式进行架构，主要采用dubbo 做服务发布，微服务方式可有效解决我们当前系统多数据库，数据接收、入库、处理压力集中问题，同时为以后的系统功能扩展及负载均衡提供技术条件。图 1 给出了系统的总体架构，从底层到顶层分别为智能监测感知层、基础服务层、平台业务应用层。

2.2 数据处理流程

系统数据处理流程规定了数据传播路径及使用的通信协议。现场接收层为各类设备的接收提供相应的预处理服务，并依据设备的特定协议实现通信。同时也包含有协议转换程序，按照一定的通信规范将数据转换为Modbus/TCP 协议并存储OPC 中。

2.3 系统编码

根据管养需求，制定隧道设施设备的统一分类标准，建立设施划分和设备编码规则，以便隧道设施的精细化管养由单设施扩展到多设施扩展。隧道空间划分标准如下：遵循管理单元、纵向位置（延通道方向或楼层方向）、横向位置（时钟位置或房间编号）三个层次。

2.4 系统功能

隧道管养平台主要平台功能架构设计如图 2所示，各功能模块简述如下：

图2：系统功能架构设计

图3：基于BIM 轻量化的Web 效果

（1）资产管理系统：包括设施信息管理、设备信息管理、养护资源管理、BIM 模型管理。核心模块是基于WebGL 无插件的BIM 引擎实现设施和设备的信息管理；

（2）养护管理系统：包括养护计划、工单处理、故障缺陷管理、封道管理、移动巡检养护APP。根据全寿命周期的管理理念，以工单集中记录人机料的消耗和成本估算；

（3）运营管理系统：包括日常运营管理、应急事件管理、安全管理等；其中日常运营的信息主要采用自动监测数据，从既有交通监控等第三方独立系统中通过接口方式获取；

（4）运营监测系统：包括设备状态监测、结构安全监测、运营环境监测、能耗监测；实现大数据的采集、存储、融合处理、指标分析等业务功能，为评价体系提供数据输入；

（5）全寿命分析评价系统：包括设施性能评估、运营服务评价、设备技术状态评价等；基于定制的评价体系和指标评估引擎，实现灵活和可进化的评价体系；

（6）养护决策系统：包括养护决策知识库、养护优先级决策、养护资金分配管理等。

2.5 基于BIM的轻量化服务

通过BIM 模型轻量化技术的研究，实现体量巨大的隧道BIM工程模型高效的在web 端的应用。3 个主要的轻量化技术包括：

（1）模型减面，高精度的BIM模型存在大量的冗余三角面数据，以建模软件插件形式对模型构件设置参数实现自动减面，结合人为控制建模时的放样曲线顶点数。

（2）实例化技术，BIM 实例化技术继承重复构件的空间位置信息，进行模型的复用，显著提高渲染效率。

（3）LOD 技术应用：在BIM 模型与GIS 场景结合场景下可突破高密度模型的浏览性能瓶颈。

基于以上技术研发的BIM 引擎，为业务平台提供稳定和高效的Restful 服务。图 3 示为全专业隧道BIM 模型的轻量化web 服务效果。

2.6 安全性设计

系统功能中包含着大量数据，物联网监测数据、基础设备配置数据以及BIM 基础信息。需要对系统进行安全设计，确保生产系统的稳定运行。主要包含系统性安全设计和管理安全设计。

（1）系统安全设计：包含软件安全、存储安全，以及传输安全内容。如通过设置身份校验和session 超时功能，确保与服务器的有效和安全连接；通过建立VPN 的方式在网络上建立独享和私密的传输通道。

（2）管理安全设计：为保证系统安全，需要建立一套完整的管理体系，包含安全管理机构、安全管理制度、人员安全管理、系统建设管理、系统运维管理。

3 平台实现

针对一条城市核心区域的5km 地下隧道，根据第3 节的隧道运维管养平台的设计，进行系统的研发实现。首先，建立隧道物联网监测系统，采用“数据主动感知”的方法及时获取隧道结构健康状态、设备运行状况和能耗等关键指标，基于数据分析预测技术挖掘隧道结构安全演变规律、设备的运行状态趋势；其次，将监测数据以及运维业务数据以BIM 统一数据建模方式，进行数据统一管理与应用，并以隧道智慧运维平台为最终呈现。平台为提高运营管理效率，隧道延年益寿、管养科学决策提供了技术手段和强大工具，使得城市隧道的“智慧运维”成为现实。

图 4 给出了基于智能感知的物联监测的系统实现，涵盖结构安全、运行环境、设备性能与能耗三大方面。图5 实现了基于BIM的全寿命数据的集成应用。

图4：基于智能感知的物联监测

图5：基于BIM 的全寿命数据的集成应用

4 结论

本文针对城市隧道运维过程中面临的安全、效率问题，提出了基于数据驱动的全寿命隧道运营养护模式，通过隧道运维信息化平台的设计与建设，打通了隧道设计、建造信息、运维信息和监测信息，实现了管养业务的无缝式溯源应用，并基于BIM 轻量化技术的实现了信息集成管理、多维度展示与驱动应用；通过定制的全寿命评价体系，为隧道的预测性动态养护决策和可追溯式的精细化运营管理提供了可用工具和可借鉴的解决方案。