数字孪生技术在上海轨道交通车站资产管理中的应用

赵刚

（上海申通地铁集团有限公司，上海 201103）

引言

随着数字中国建设的深入实践，数字技术正引领和推动诸多领域变革，轨道交通作为城市重要基础设施，其数字化发展在我国城市治理工作中具有重要地位。截至2022 年底，我国内地累计55 个城市投运城轨，运营线路达10 291.95km[1]，运营路线规模已达到快速发展阶段。与其他行业相比，轨道交通资产整体呈现线性状态，具有体量种类多、区域分布广、管理周期长、资金比重大等特点[2]，且车站作为网络关键节点，为客流服务提供重要功能的同时，还布置了密集且繁多的固定资产等设施设备，为城轨实物资产管理工作带来巨大挑战。资产管理是指应用风险为本的系统化协作的活动或方法，持续优化管理资产和资产体系、达到资产的表现、成本和风险的平衡，以实现组织的战略目标[3]。在业务提升内驱力和行业转型趋势双因素驱动下，资产管理的数字化转型是保障管理工作精细化的重要手段，BIM 技术辅助工程项目建设，不仅能保证工程建设质量与工期，还可以满足精细化与智能化建造要求。

鉴于此，探索数字孪生技术的建筑三维模型应用于上海轨道交通资产数字化管理平台，对上海轨道交通固定资产管理具有一定的现实意义。

1 资产管理现状与需求

1.1 资产管理现状

上海地铁已经建立规范的固定资产编码体系，通过信息化系统对资产管理业务进行全流程操作，有较好的信息化基础，同时也存在一些不足，主要表现在以下几个方面：

（1）基础数据库完善

当前，上海轨道交通采用信息化手段，已经建立了以EAM 管理系统为平台的基础管理体系和移交、接管及常规管理功能，并且在日常管理中，运维单位定期或不定期对资产采取全面清点或重点抽查等方式，用扫码枪扫描资产条形码对资产管理进行现场盘点，确保帐卡物一致性和实物资产实际状态，最大限度地维护国有资产数据全面性。

（2）可视化功能不足

随着业务需求和管理目标的不断提升，现有平台系统中仍存在资产资产调配、现场管理、变更等业务与现场实物对应不紧密以及可视化功能不足等薄弱问题，管理人员无法及时掌握资产现场管理并追溯全生命周期及全环节链条。

（3）固资数据不匹配

上海轨道交通已实现了设计全过程的BIM 功能，部分线路的竣工验收阶段也具备BIM 交接，但由于BIM 模型体量大，对计算机运行的软硬件条件要求高，实际与设计变更在BIM 平台的更新及时性不足等众多条件制约，导致该技术在实际运行维护阶段运用受限，造成数字资产与实物资产管理间未形成协同，无法直接利用数字资产为实物资产管理提供助力。

1.2 资产管理数字孪生应用需求

近年来，上海轨道交通发布了《上海轨道交通数字化转型发展实施意见》，提出一朵云、一站网、一个大数据平台、五大应用系统群，打造资产数字标准体系，为实现轨道交通全路网资产、业务、流程的精准管控、协同治理创造了一定条件。由于各专业固资管理设备量大、布局分散，现场盘点人员工作量大、效率较低，其准确性也依赖条形码标签张贴的完整性、规范性。固定资产盘点数字孪生应用基于BIM 数据基础实现资产盘点管理可视化，有效利用信息化手段提升人工盘点效率，实现自动盘点过滤，显著减少人工盘点工作量。在此数字化转型趋势下，聚焦固定资产管理业务，探索数字孪生应用总体思路和应用场景。

2 资产管理数字孪生应用

自2014 年以来，已先后完成17 号线、5 号线南延伸及15 号线等线路BIM 模型数字资产交付，覆盖线路长度约176km，积累了丰富的数字资产，在数字化交付过程中同步推进数字资产与实物资产移交的初步融合，从资产管理层面保证了数字孪生的虚实数据的统一性[4]，为资产管理数字孪生应用的建设提供了坚实的数据基础。

2.1 总体思路

以BIM 模型数据为基础，融入EAM 系统，本文从数据层、应用层、平台层及展示层四个层面对资产管理数字孪生应用探索，打造信息共享、多方合作、协同管理的数字孪生平台[5]，采用“数据+平台+应用+展示”的工作流，实现上海轨道交通资产数字化管理，如图1所示。

图1 总体框架图

（1）数据层

将BIM 模型数据、资产清册数据、物联网数据和业务数据，按类型、业务及板块等条线纳入数据库，以满足资产管理应用的数据需求。其中，物联网数据来自上海地铁已经建设的专业系统。

（2）平台层

利用大数据平台建设的数据中台、业务中台，为应用层提供数据服务和通用业务服务，包括主数据管理服务、设施设备结构树服务、设施设备履历服务、模型库服务、BIM 服务以及数据仓库等内容，以满足数字孪生应用需求。其中，模型库包括记录模型、仿真算法和预测算法等。数据和仿真模型库组成了数据孪生体[6]，为应用层提供数据和模型算法支撑。

（3）应用层

以资产管理业务需求为导向，开展固资移动盘点、固资可视化盘点、房屋台账动态管理以及房屋土地可视化管理等业务应用。同时，数字孪生技术的重要意义在于对实体对象的故障预测和健康管理[7]，基于数字孪生的系统应包含虚实交互和预测分析[8]。本文聚焦城市轨道交通资产管理业务，基于业务应用，通过业务数据的积累，结合物联网数据，利用深度学习方法，对资产状态、房屋土地状态进行预测分析，获得相应固资盘点分析策略、房屋管理分析策略，指导实际工作。

（4）展示层

上述应用通过Web 网页和移动端App，为用户提供交互页面，使数据与上海地铁既有的企业资产管理EAM 系统、土地房屋系统实现互通。

基于上述架构设计和总体思路，本文开展了其中一部分数字孪生应用探索和试点应用。

2.2 固定资产盘点应用

BIM 竣工模型继承建设期所有设备资产数据，利用BIM 三维可视化及数据整合能力，开展设施设备台帐管理、维修管理、变更管理和资产统计等业务，实现运维期设备资产的可视化、智能化管理[9]。本文以固资移动盘点、固资可视化盘点为试点应用展开了研究和开发试点应用。

（1）固资移动盘点

固资移动盘点应用，除了以手持终端App 代替扫码枪，实现基础的盘点任务下达、现场盘点执行、盘点结果上传及盘点工作评估等功能以外，以帐卡物映射关系为基础，通过多维度数据分析自动生成未完成盘点清单并提示盘点人员，引导后续盘点工作，有效提升盘点工作便利性。

（2）固资可视化盘点

利用业务中台的BIM 服务，搭建轨道交通数字孪生场景，实现固资盘点计划、过程、结果的可视化查询。方式一是在三维场景中点击设备对象查询对应资产信息和资产盘点记录，包括资产编码、资产名称、权属信息、盘点时间、盘点人员以及盘点位置等内容，为管理人员提供直观查询方式，其中资产编码是实现数字孪生的关键数据，资产管理系统的所有业务建立在一套完整的编码体系之上[10]；方式二是对专业进行筛选，实现资产树筛选，显示资产对应的设备模型，并查询资产信息和资产盘点记录，如图2所示。

图2 选中设备查询资产信息和盘点信息

在上述应用基础上，根据固资盘点业务的实际需求，可进一步展望固资自动盘点应用，通过制定自动过滤规则，在EAM 系统下达固资盘点任务后，利用业务中台的主数据管理服务、设施设备结构树服务以及设施设备履历服务等获取数据进行匹配分析，结合物联网的实时状态数据，实现固资的非现场逻辑盘点，将满足过滤规则的资产项目自动判断为盘点完成[11]，减少现场实地盘点工作量，提高盘点工作效率。

同时，借助平台设备使用人员可以在手机App 端拍照上传故障设备和不定时地派发巡检任务，通过流程改进，不仅保证维修结果的准确性，而且提高了设备巡检效率。

2.3 应用效果

本文在上海地铁试点线路已开展了数字资产产移交、资产标签升级，并在试点车站开展了固资可视化盘点应用。通过与综合监控系统打通数据获取自动售检票、站台门以及电梯等重点专业设备资产的实时状态，通过与车站运营管理系统打通数据获取点巡检、周检、月检、季检、（半）年检以及故障维修和配件更换等业务信息，通过与视频监控系统打通实时监控信息，可在三维场景中进行可视化远程盘点工作。通过试点，单个标准车站重点专业设备资产的盘点工作由原来的30 分钟缩短至10 分钟，可提升工作效率66%，效果显著。后续将持续开展其他应用的试点工作。

3 房地资源管理探索

GIS 系统对地理空间信息能显示地球表面空间三维实景模型和数据信息[12]，利用BIM+GIS 技术建立的三维可视化模型能够准确展示房屋土地空间结构和位置关系，结合车站权证、规划红线等资料关联，管理人员可准确地掌握管理界面。同时，将房屋土地管理涉及的收储、出租及调配等业务流程管理纳入数字孪生应用中，与房屋土地管理使用管理台账相互关联，实现房地资源的数据生成、维护与应用等动态更新。

3.1 房屋台账动态管理

将建筑BIM 模型拓展至GIS 中对应，利用业务中台的主数据管理服务、BIM 服务等内容，在线建立车站房屋台账，对房屋信息进行动态管理，支持增、删、改、查等功能，并将房屋台账与三维场景空间信息关联，一键查询站内房屋信息，包括设备用房、出入口以及商铺，商铺信息包括名称、面积、权属及租期等内容，可进一步与商铺合同信息关联，形成对商铺房屋的全方位管理，如图3 所示。

图3 房屋信息可视化查看

3.2 土地可视化管理

将BIM、GIS 和资产台账结合起来可实现从宏观到微观的管理[13]，利用业务中台的BIM 服务和GIS 地图服务，实现土地管理可视化，将GIS 地图中倾斜影像数据与轻量化后的车站BIM 模型相融合，可直观地掌握车站出入口与周边环境的关系、车站外轮廓范围，以及征地范围的管辖区域，指导车站对周边土地管理工作，如图4 所示。

图4 基于BIM+GIS 的土地可视化管理

4 结语

在数字化转型的大趋势下，城市轨道交通资产管理从业务需求的内因和数字化基础建设逐步完善的外因双重作用下，亟需通过开展数字孪生应用，驱动管理的革新。本文以上海轨道交通数字化转型发展实施意见为方向，基于GIS+BIM 融合技术，构建资产数字化管理平台，在试点线路实现了数字资产与实物资产同步移交、资产标签升级，打通资产数据与设备全生命周期履历数据，利用GIS 数据和BIM 数据的整合实现资产信息的可视化，提升资产数字化管理水平，进一步提高交通轨道建设的质量与水平。今后，应充分发挥工程信息海量数据和丰富应用场景的优势，以数字孪生为应用向导，以数字化管理平台为依托，以先进的AI、物联网、互联网技术为支撑，实现工程数字化、资产数字化的管理目标，进一步完善数字资产体系，助力智慧城市轨道交通建设。