上海地铁隧道设备智能运维管理平台设计与开发

衷兆程

(上海地铁维护保障有限公司，上海 200031)

上海市轨道交通发展迅速，地铁隧道网络化日臻完善，对上海城市发展发挥了举足轻重的作用。面对地铁增加运能、延长运营时间、缩短夜间维护的叠加挑战，隧道安全运维管护的压力越来越大。轨道交通运维作为典型的资产密集型行业，涉及专业多，管理的设备设施数量巨大。制定规范的运维工作作业流程，确保地铁运营相关的设备设施正常、高效的运行，是轨道交通安全、稳定、高效运营的决定性因素[1-3]。

笔者所在单位主要负责上海城市轨道交通相关的轨道及房屋建筑、隧道及其附属设施的养护、维修及相关业务的技术咨询、技术培训服务等。目前主要的运维检修模式以人工检查、维修为主，信息化手段在检修管理中应用不够深入。在城市轨道交通建设初期，传统的运维管理模式尚能维持，近年来随着地铁网络规模的扩大、各线路投入运行时间增长以及人员成本逐年增高，运维面临着前所未有的困难和挑战，当前的检修模式已经形成无法可持续发展的态势[2]。上海地铁每天要完成700 余千米的隧道检修工作，人工成本高、检修规模大、检修效率低等因素都是困扰城市轨道交通持续发展的阻力[3]，智能化运维管理的需求迫在眉睫。

本文结合上海地铁隧道设备运维管理实际需求，深入分析地铁隧道设备运维管理需求和数据基础，系统性的梳理了现有运维信息化工作，探讨了上海地铁隧道设备智能化运维管理平台的解决方案。

1 需求分析与数据整合

平台建设的总体目标是“用智能运维指导生产”，可分解为如下三个方面：

（1）设备管理：在设备状态信息化的基础上，开展病害报警、综合分析、履历管理；

（2）生产管理：开发生产辅助APP，以工单为执行对象，贯穿巡检、作业、验收等环节；另外，在设备信息推送的基础上，进行作业排程、资源配置、工单管理；

（3）决策分析：在设备管理、生产管理的基础上，进行跨专业分析、健康度趋势分析、生产效率分析、生产效果评估等工作[4-5]。

具体任务是将表观病害、监护项目数据（项目范围）、保护区巡查数据、长期沉降与收敛数据（三维激光扫描数据）、重点区段数据、地铁线路数据（中线、车站、保护区）、基础地理数据（行政边界、地面高程等）、地面沉降数据（基岩标、分层标、水准点、等值线图）、地质资料（地质钻孔、地质剖面图）等有机地整合在一起，实现实时查询、统计分析、预警决策、应急抢险等功能，构筑综合性隧道设备智能化管理平台。

隧道运维涉及的内容众多，笔者对申通集团内部与隧道运维相关的业务系统进行了梳理，各系统包含的主要数据内容与功能如表1 所示

从表1 可以看出，轨道交通安全运维的相关业务系统在专题数据管理上有各自的特色，但各系统间数据相互独立。而地铁隧道安全运维作为一项系统性的工程，最迫切需要解决的就是数据统一管理问题[6-7]。通过对地铁隧道运维业务的分析，在综合考虑各业务系统现状的基础上，考虑按如图1 所示数据库组织形式来完成数据的对接。

在数据源整合方面，除了考虑集成EAM、病害管理、地面巡查、云图（监护项目）等核心业务数据外，还考虑将基础地理、地面沉降长期监测、隧道收敛数据、重点区段沉降监测、地质资料、地下空间数据作为基础数据资料一并集成到数据库中进行统一管理。

表1 与隧道安全运维相关的业务系统Table 1 Business systems related to tunnel security operation and maintenance

图1 地铁隧道设备智能化运维管理平台数据整合Fig.1 Data integration of the intelligent operation and maintenance management platform of metro tunnel equipment

2 核心功能与架构设计

本平台的核心功能逻辑是按照“全网—线路—区间—管片”的组织形式来展示运维数据，系统中能够直观展示整个隧道设备的运维管理状态、线网的健康度评价、隧道管片的履历数据等。在整个地铁隧道运维管理工作中，管理者需要时刻掌握全网的安全运营状态，排查隧道安全隐患点，并及时调度人员、物资对病害进行处理。

系统底层以隧道管片为管理单元，可通过查询（扫描）管片标识牌，集成展示维保数据、大修数据、地质数据等；通过定位管片三维空间位置坐标，结合GIS 地图和BIM 模型，集成管理周边调查监测数据；另外，可考虑加入一些预警决策模型，根据基础资料、监测数据等开展决策预警。

根据系统的核心功能需求，可将该平台设计为如图2所示的三层架构。

2.1 数据获取与管理维护

图2 地铁隧道设备智能化运维管理平台技术架构Fig.2 Technical architecture of intelligent operation and maintenance management platform for metro tunnel equipment

负责整个平台的数据集成与数据交换，通过设置相应的专题数据库，并梳理各专题数据的详细数据目录，多系统间协商确定相应的数据交换格式与数据接口，打通各个系统间的数据通讯链路，形成相对完善的综合数据库；并在此基础上，根据各类数据的采集和利用方式不同，设计具有针对性的数据交换方式、数据更新机制等，确保各类数据都能够得到有效管理、及时更新。

2.2 数据挖掘与分析评价

根据隧道设备运维的管理需求，深入理解业务逻辑和相应的数据处理流程，在满足病害处理排程、生产行为统计、人员绩效评价等日常业务工作需要的基础上，还需要开展相应的专题数据分析研究，结合各类数据进行跨学科、跨专业的深度分析，如监测异常数据与表观病害的印证分析、长期监测异常数据与周边施工的关联分析、周边地质与数据异常的综合分析等，挖掘探索影响地铁隧道安全运营的原因，为地铁隧道的运维管理提供技术支撑。

2.3 智能预警与决策支持

在长期的研究工作成果沉淀基础上，总结归纳出相应的作业规范和标准，并尝试建立各类有效的预警模型，例如沉降收敛预警、违规项目预警、结构变形预警等，对于隐患点早发现早处理，争取把地铁安全运营的风险降到最低；另外，在相应的地铁应急抢险环节中，能够及时调阅到出险点周边的基础数据、调查监测数据、维保核心业务数据等，并提供一些智能化的预判，为现场专家会商提供科学的决策支撑。

3 主要关键技术探索

拟开发的运维管理平台作为智能运维信息化改造的重要组成部分，在前文数据整合与系统架构设计的基础上，还需要开展一系列关键技术的研究工作。

3.1 隧道精细化管理与数据集成技术

运维管理需要整合现有业务系统数据，涉及的专题面广、数据内容复杂，需要建立相应的数据交换格式和数据管理标准，尤其是原EAM 系统介入申通集团的内部管理流程较深，在系统设计过程中，要充分考虑与原有系统并存下的一些数据组织形式、数据编码规则等内在逻辑，确保与原有系统的无缝对接，实现技术到生产的相互闭环。

3.2 隧道监测一体化数据采集与分析

研究隧道病害数据、收敛数据、沉降数据的一体化快速采集设备及成套系统，将现有的人工隧道病害巡查、光学相机隧道照片采集、三维激光扫描收敛数据采集、人工沉降数据监测等多合一，在保证数据精度的基础上，研究突破速度瓶颈，并开发相应的系统进行统一管理。

3.3 地铁隧道病害与设施识别技术

开展计算机视觉的图像识别、深度学习等应用探索，研究地铁隧道图像的要素识别技术，智能识别地铁隧道内的地铁轨道、监测设备、隧道病害等；另外为提高病害识别精度，结合隧道全景成像、三维激光扫描、地质条件等数据，建立高精度病害智能识别模型。

3.4 地铁隧道与地下空间BIM 的全场景融合

收集地铁隧道周边地质资料、地下建（构）筑物、地下管线数据，研究将地质三维模型、轨道交通三维模型、地下建（构）筑物三维模型、地下管线三维模型与地铁车站BIM 模型、激光扫描数据、隧道监测IoT 设备等全场景融合的关键技术，建立以隧道为中心的虚拟现实VR 场景，将整个地下的隧道、地质、调查、监测数据集成展示，满足智能化运维需求。

3.5 隧道结构安全预警模型

轨道交通运营安全涉及城市安全，在地铁隧道运营的前期，事故险情发生较少，但随着运营时间的增长，地铁隧道出现病害的概率不断增加，突发性的病害如果不能及时发现和治理，其后果将十分严重，智能运维迫切需要有一套安全预警机制，后续可利用层次分析-模糊综合评估、人工智能等方法，建立隧道结构安全预警模型集成到系统中。

4 系统界面设计与开发

综合考虑地铁隧道设备智能运维管理需求，拟将系统界面分为三个层次来表达运维信息（如图3 所示）。

4.1 以地铁网络为管理单元的全网安全运营状态

地铁网络图，展示全网内区间的健康度情况和致命风险项分布，对超标报警的区间，高亮、动态显示，点击区间可以进入对应区间详情查看数据；线路健康度维度统计，通过收敛、沉降、病害、致命风险、违规项目、监护项目6 个维度，对线路进行评分。

4.2 以地铁线路为管理单元的线路安全运营状态

展示每条线、每个区间健康度，通过颜色（红黄绿）来区分健康等级；在该界面可统计线路病害统计数据、及相关图表（比如周期内新增、消除、结存数等），点击后进入相应区间查看具体数据。

4.3 以地铁隧道管片设备（区间段）为管理单元的单点安全运营状态

列出区间内所有管片，统计项目分为监护项目、大修信息、土层信息、违规施工、病害信息、综合详情等，用不同颜色表示系统不同病害等级；另外可展示不同类别的数据曲线，生成各类型图表等。

图3 地铁隧道设备智能化运维管理平台界面设计Fig.3 Interface design of intelligent operation and maintenance management platform for subway tunnel equipment

5 结语

笔者结合自身多年来地铁隧道运维一线的工作经验和思考，在深入分析运维管理需求和数据的基础上，对现有运维信息化工作进行了系统性的梳理，探讨了上海地铁隧道设备智能化运维管理平台的解决方案，该平台的开发实施有助于及时准确地掌控地铁隧道的安全与质量状态，促进隧道运维的信息化建设，期望依托技术手段进一步提高运维管理的精细化程度，以适应地铁运维新要求。