基于大数据的盾构全生命周期管理

刘东亮，张宏达，刘作威

（中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458）

随着高速铁路、城市轨道交通和地下综合管廊等基建投资规模持续增长，盾构工程市场参与主体逐年递增，因此，施工企业如何在现有施工设备资产规模基础上，深入实施盾构全生命周期管理，从设备资产整体规划统筹考虑，注重风险、质量和效益的管控，全面提升施工设备资产管理水平和核心竞争力，更好地适应市场经济运行法则具有很强的紧迫性。

1 盾构全生命周期管理背景

1.1 提高效率，降低成本的客观需要

盾构在使用管理中存在的问题：制造周期长，单台价值高，投入回收周期长；使用年限长，资产管理跨度大；地质适应性强，设计制造风险高；规格型号多，闲置风险高等。

因此，需要从设备资产管理全过程、全费用视角出发，统筹考虑盾构在规划、选型、设计、采购、制造、使用、维护、再制造直至报废各环节的管理和技术要求，将施工设备采购、建设、资产运营使用以及故障成本、报废成本等全生命周期成本统一纳入综合考量，这对于实现盾构资源保值增值，规避设备闲置、降低设备全生命周期成本，提升设备利用率具有非常重要的意义。

1.2 现代信息技术与设备资产管理融合的需要

大数据、云计算等新兴技术蓬勃发展，为推进现代信息技术与设备资产管理的高效集成融合发展奠定了坚实基础。资产全寿命周期管理作为一种先进的管理理念，统筹考虑设备可靠性和资产的经济性，在实物资产管理方面具有的突出优势，已被国内外越来越多的资产密集型企业关注与践行。当前国内施工企业在盾构实时状态管控以及使用维护管理等方面，如何创新利用大数据等新兴技术，推动资产管理模式创新，促进现代信息技术与设备选型、采购监造、状态检测、运维检修等资产管理关键环节的深度融合，充分发挥新兴技术的优势，对于提升盾构管理水平，提升企业管理效率效益具有十分重要意义。

2 盾构全生命周期管理内涵

当前，现代企业资产管理对象已经由设备层面上升到整体资产层面。与传统设备管理相比，管理目的、手段、管理重点均不同（表1）。盾构全生命周期管理，涵盖了资产管理和设备管理两方面内容，包含资产和设备管理的全过程，既包括设备管理，也渗透着其全寿命周期价值变动过程。实施盾构全生命周期管理，旨在通过对资产选型、采购、监造、使用维护、退役处置进行统筹优化，将近期需求和未来发展需要进行统筹考虑，同时综合考虑资产不同环节的关联性，盾构寿命全过程管理的协同性，加强资产管理的整体性、全局性、系统性，发挥资产的整体最大价值，促进企业运营管理整体效率效益的提升。

表1 日常管理与全生命周期管理区别

根据盾构的装备构成特点和施工特性，盾构全寿命周期分为3 个阶段：①设备决策与形成阶段：设备从规划、选型、设计、制造、监造，调试和试运行，验收，直至交付使用的过程；②设备使用与维护阶段：设备从交付使用、维护、修理；③改造和再制造、调拨、调整，直至报废的过程。

2.1 建立盾构大数据管控平台

着眼于加强盾构全过程实时在线闭环管理，提高盾构全生命周期管理精益化水平，通过建立大数据管控系统，推动各关键节点数据信息融合共享，持续优化盾构管理业务流程，实现全生命周期管理的科学化、信息集成化及业务的基本统一。对设备各阶段关键参数和施工环境参数进行专业化处理分析，利用“深加工”实现数据“增值”，不断加强对盾构的状态控制、进度控制、成本控制，强化企业业务管理的监控职能，降低盾构管理风险和成本，为企业经营发展提供坚强的决策支撑。

1）科学建立大数据系统架构 利用盾构机掘进技术国家重点实验室牵头搭建“智慧盾构大数据平台”。大数据系统主要由数据采集层、数据预处理层、数据存储与计算层、数据分析层、能力层及应用层组成，基本架构如图1 所示。

图1 大数据基本架构示意图

2）建立涵盖全流程的大数据平台功能模块大数据系统智能化管理系统包含6 个功能模块（图2）：盾构选型设计、制造（再）、盾构采购调拨、施工运行管理、维修保养管理、盾构报废管理。其中，盾构选型设计模块，旨在根据地层渗透系数、地层颗粒级配、地下水压等因素进行科学选型。制造（再）模块，主要包括制造（再）台账、关键部件改造清单，进度成本管理、验收管理等内容。采购调拨模块，主要包括调拨管理、采购计划管理，招标管理，评标专家库管理、合同管理等内容，提升设备利用率。施工运行管理模块，用来对施工过程进行全程跟踪，将设备施工中的感知设备信息实时采集，对相关的业务数据进行上传，利用平台进行辅助决策、统计分析和风险管控等，主要包含设备状态监控、风险预警和管控、进度管理、质量管理、工序分析等内容。维修保养模块，主要包括故障库维护、刀具管理、日常保养、预测性维护、备件库管理等内容。盾构报废模块，主要包括报废计划、设备及管件部件状态评估，设备残值登记等内容。

图2 系统化功能架构示意图

3）深化盾构大数据系统应用 重点在前期管理、运行维修和轮换报废等阶段进行基于大数据的深度挖掘分析，提高设备全生命周期的整体利用效率。例如，在前期管理阶段，大数据系统利用所存储的大量盾构的施工数据，选择相似地质、类似案例施工情况的经验数据，为盾构的运输、安装、始发施工决策规划提供指导；通过对数据进行挖掘分析，为盾构的类型选择提供支持；在运行阶段，实现远程实时监控盾构运行状态和关键参数，保证设备在运行阶段的稳定性，有效减少事故的发生率，节约成本。在轮换报废阶段，通过大数据系统衡量盾构的状况，对再制造的经济性进行提前预测，准确判断设备及其零部件的可再制造性，辅助做出科学正确的决策。通过对施工运行状态大数据系统管理，能够有效满足多层级管理部门业务需求，不断增强防范风险能力。

2.2 强化盾构选型、采购与监造管理

1）因地制宜开展盾构选型。盾构采用“量体裁衣”式的设计理念，类型、工作模式、关键参数的选取与工程地质条件息息相关。在每次选型前广泛召开专家研讨会，汇集众智，共同研究复杂地质情况下的盾构机选型。同时，注重与各盾构厂家进行技术交流，邀请类似项目、类似设备有经验技术人员广泛充分讨论。在盾构选型时，还需要解决理论合理性与实际可能性之间的矛盾，同时充分考虑环保、地质和安全等因素。特别是在河湖等水体下、在密集的建筑物或构筑物下及上软下硬的地层中等特殊环境施工时，施工过程的安全性是盾构选型时着重考虑的重要原则（图3）。

图3 选型操作流程示意图

2）强化盾构采购全过程管控。采购管理是盾构全寿命周期管理中的先决部分，设备采购质量对设备安全稳定运行和优化运维检修成本极为关键，决定了盾构后续使用和管理的优劣。严格把好“计划需求-招标采购-市场调研-合同管理-过程监理-验收发货”每个关口，规范履行盾构采购招标程序，加强盾构采购合同执行，对重点项目的大型盾构采购、整修（改造）、再制造实行第三方设备监理制度，夯实设备安全物质基础。

3）在编制计划需求方面做好适应性分析，确保盾构自身性能参数、设备功能适应项目工况，满足施工组织计划进度。做好经济性分析，确保设备全生命周期内的使用价值、延伸价值及剩余价值将大于当前采购价值，为采购经济性、适应性、性价比等综合优势较高的设备提供可靠依据。

2.3 加强盾构使用与维护管理

1）建立盾构动态管理台账，每月更新，实现资源优化配置。强化招标使用管理，盾构参与投标的项目，投标前对盾构适应性进行初步分析，对不能满足施工要求的设备，在项目评审和成本分析中充分考虑整修和改造费用，以满足中标后实施设备整修和改造。当设备掘进里程达到再制造条件时，通过再制造，保证设备机况。

2）深入开展盾构状态智能监测和评估（图4）。明确盾构状态监测内容和周期，建立严格的检测程序、设备检测管理体系和质量管理体系，对检测数据和评估报告进行信息化管理。同时，着眼于推动异常问题闭环反馈处理，建立状态监测异常及评估问题反馈处理渠道，确保各级设备监测体系发现的设备问题能够及时畅通的反馈到设备管理部门，以便立即处理。推广设备状态智能在线检测，充分利用5G 信息化手段，开展设备智能检测。智能在线监测系统主要分为状态监测模块、油液检测模块和PLC 数据读取模块。通过智能在线检测的应用，可实现数据采集连续性，为远程专家诊断提供有效保障。

图4 盾构在线状态监测系统示意图

3）强化盾构保养与维修管理。坚持“养修并重，预防为主”，使用前检查机况、使用中跟踪运转、使用后维护清洁。加强专项方案、技术交底管理。项目建立专项方案台账，包括盾构装拆方案、调试方案、步进、脱困方案、始发到达方和负环安拆等方案及相应的技术交底等。

2.4 创新盾构再制造管理

设备再制造是以装备全生命周期理论为指导，基于既有盾构资源循环利用的制造模式，运用现代技术中先进的新材料、新工艺、新技术对老化盾构进行修复和改造的一系列技术措施或工程活动。设备再制造后能够实现盾构质量、安全、性能、环保等各项整体指标不低于原型新机，促进设备资源循环、绿色利用。在此基础上，进一步开展对盾构历史使用情况和故障统计的大数据分析，有助于推动盾构技术更新发展，特别是设备地质适应性配套技术的持续演进。

2.5 规范盾构报废管理

设备退役报废处置处于资产管理的末端，主要包括技术鉴定评估、处置方案研判和退役处置过程等业务环节。目前，资产退役处置是众多企业资产管理的薄弱环节，退役设备技术鉴定缺乏科学、客观、量化的统一判别依据，退役设备再利用率普遍较低。在满足安全、环保、技术等约束条件下，创新应用设备技术状态的评价结果及残值量化评价方法，统一设备退役技术和经济性鉴定标准和流程，为“设备是否再利用、再利用的适用条件”提供决策支撑，科学确定退役资产处置方式。

3 盾构全生命周期管理实施效果

经过多年大量实践和反复摸索，中铁隧道局集团已形成了完善的盾构管、用、养、修机制。近年来，通过积极推进盾构全生命周期管理工作，取得了良好效果，在保证盾构制造质量和施工正常运行的同时，有效满足了盾构周转使用需求。围绕安全、效能、成本等综合目标最优，在盾构选型、采购与监造管理等前段环节，统筹考虑后期运维检修、退役处置等工作需要，优化设备投资利用决策，提升建设标准。运维检修、设备再制造以及报废环节发现的问题及时向采购、监理部门反馈，促进各环节业务提升，有效降低资产寿命周期成本。基于大数据的盾构全生命周期管理，全面系统统筹了设备管理环节中重点难点问题，有效解决了工作推进中存在的实际问题。

盾构全生命周期管理具有较强的扩展性与示范性，其方法具有通用性，可复制性强，不仅适用于盾构管理，同时也适用于其他常规设备全生命周期管理，尤其对于凿岩台车、混凝土湿喷机组、双轮铣、旋挖钻机、多功能钻机、悬臂掘进机、提运架设备、移动模架造桥机等大型专用设备，具有良好的示范推广应用价值，管理理念与实践经验在操作层面能够落地实施，能够为其他大型装备企业妥善解决设备资产管理难题提供有益的参考借鉴。O