城市地下空間產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務(wù)平臺建設(shè)及示范應(yīng)用

中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司副總工程師、地下工程研究所所長 張繼宏

城市地下空間產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務(wù)平臺建設(shè)及示范應(yīng)用

中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司副總工程師、地下工程研究所所長 張繼宏

1991年在東京召開的地下空間國際學(xué)術(shù)會議通過《東京宣言》，指出21世紀(jì)是地下空間開發(fā)利用的世紀(jì)。如何建設(shè)具有中國特色的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型智慧城市，成為我國城市建設(shè)面臨的重大問題。解決該問題的關(guān)鍵在于運(yùn)用先進(jìn)的城市規(guī)劃理論，先進(jìn)適用的科學(xué)技術(shù)進(jìn)行城市的規(guī)劃，其中地下空間是國際國內(nèi)寶貴的戰(zhàn)略資源，對其充分開發(fā)利用成為智慧城市建設(shè)的重要部分。本文將針對城市地下空間產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務(wù)平臺，詳細(xì)介紹地下工程項(xiàng)目建設(shè)及示范應(yīng)用。

1 項(xiàng)目背景與目標(biāo)

1.1 城市地下空間產(chǎn)業(yè)背景簡介

國務(wù)院住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部早在2011年發(fā)布了修訂的《城市地下空間開發(fā)利用管理規(guī)定》，對地下空間勘測、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等方面都提出了要求。地鐵隧道、電纜隧道、大直徑公路地鐵兩用隧道、矩形頂管人行/公路隧道、排污管道、地下商業(yè)綜合體等都屬于地下工程范疇。

從目前來看，城市地下空間產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出如下發(fā)展特征：

（1）產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大

? 未來地下工程產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)每年上萬億元；

? 未來盾構(gòu)機(jī)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到1萬臺。

（2）發(fā)展速度快、空間大

? 全國39個(gè)城市已開通地鐵建設(shè)，“十三五”規(guī)劃3000公里；

? 上萬公里的地下管廊、海綿城市、智慧城市建設(shè)；

? 一帶一路將帶動地下空間產(chǎn)業(yè)輸出。

（3）經(jīng)濟(jì)和社會影響大

? 安全事故過去十年內(nèi)造成經(jīng)濟(jì)損失累計(jì)達(dá)數(shù)百億元；

? 行業(yè)整體粗放式管理，成本浪費(fèi)大。

（4）地下空間開發(fā)特點(diǎn)鮮明

? 城市地下空間管理與國土資源、城市規(guī)劃、水利防洪、環(huán)保、水電、國防等有關(guān)；

? 地下空間復(fù)雜，具有不可逆性，地下空間規(guī)劃難度高。

1.2 城市地下開發(fā)的產(chǎn)業(yè)鏈

城市地下空間產(chǎn)業(yè)開發(fā)環(huán)節(jié)十分復(fù)雜且充滿挑戰(zhàn)，從規(guī)劃到運(yùn)營要考慮多個(gè)方面，具體如圖1所示。

1.3 地下空間產(chǎn)業(yè)協(xié)同面臨的挑戰(zhàn)

目前由于存在技術(shù)和管理上的困難，各方之間形成了信息孤島，在信息共享、協(xié)同發(fā)展方面存在壁壘，具體如下：

（1）工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)鏈

? 高端復(fù)雜裝備，可靠性要求高；

? 訂單類型繁多，個(gè)性化定制生產(chǎn)，單臺價(jià)值高，無法開展大規(guī)模試驗(yàn)；

? 企業(yè)創(chuàng)新能力不足，運(yùn)營效率和服務(wù)水平低。

（2）地下工程產(chǎn)業(yè)鏈

? 管理跨度大，運(yùn)營陳本高，利潤率低，決策困難；

? 地質(zhì)工況復(fù)雜，施工工藝和設(shè)備管理使用水平要求高；

? 人員和設(shè)備來源復(fù)雜，經(jīng)驗(yàn)流失，安全、質(zhì)量、工期難以保障。

（3）地下空間產(chǎn)業(yè)鏈

? 地下工程缺乏監(jiān)管，難以運(yùn)維；

? 各自為政，重復(fù)投資，規(guī)劃困難；

? 地下工程運(yùn)營缺乏數(shù)據(jù)支撐，難以決策。

總之，地下空間產(chǎn)業(yè)開發(fā)要考慮產(chǎn)業(yè)鏈間的協(xié)同融合，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同圖

2 項(xiàng)目現(xiàn)有工作基礎(chǔ)

中鐵一局是國家大型綜合性建筑施工企業(yè)，擁有子分公司31家。經(jīng)營范圍包含鐵路、公路、隧道、橋梁、地鐵輕軌、市政公用、機(jī)場、房建、設(shè)計(jì)、咨詢、監(jiān)理等。擁有大型設(shè)備4650套，價(jià)值35億元。中鐵一局參與過國內(nèi)幾乎所有城市的地鐵、輕軌修建，是目前國內(nèi)地鐵施工門類最全的建筑企業(yè)。盾構(gòu)施工實(shí)力位居國內(nèi)前茅，全面掌握盾構(gòu)法、各類不良地質(zhì)地鐵車站深基坑及暗挖隧道修建核心技術(shù)，專業(yè)種類齊全，是國內(nèi)地鐵施工專業(yè)最齊全的綜合施工企業(yè)。

2.1 強(qiáng)大的施工能力

中鐵一局建立了盾構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控及智能管理中心，具備了遠(yuǎn)程智能管理經(jīng)驗(yàn)，解決了管理跨度大、決策難等問題。

（1）需求分析：過去4年，中鐵一局圍繞地下工程產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行了業(yè)務(wù)梳理和需求分析。

（2）數(shù)據(jù)資源：已經(jīng)開發(fā)了盾構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控及智能管理系統(tǒng)V2.0版本，接入了數(shù)十臺盾構(gòu)設(shè)備，積累了TB級的盾構(gòu)施工、設(shè)備數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)分析：圍繞地面沉降預(yù)測、地質(zhì)分析、智能決策支持、油液數(shù)據(jù)分析等方面，取得了良好效果。

（4）經(jīng)濟(jì)效益：采用盾構(gòu)施工協(xié)同保障及設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維管理手段，大幅提升了公司工程施工生產(chǎn)管理水平，每年為企業(yè)新增產(chǎn)值4億元，節(jié)省設(shè)備維修成本5000萬元，并有效避免了各類重大安全事故的發(fā)生。 中鐵一局建立了盾構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控及智能管理中心，具備了遠(yuǎn)程智能管理經(jīng)驗(yàn)，解決了管理跨度大、決策難等問題。

2.2 盾構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)成功應(yīng)用

盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法。它是將盾構(gòu)機(jī)械在地中推進(jìn)，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌。同時(shí)在開挖面前方用切削裝置進(jìn)行土體開挖，通過出土機(jī)械運(yùn)出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，并拼裝預(yù)制混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機(jī)械化施工方法。

（1）盾構(gòu)地下工程施工行業(yè)特點(diǎn)：

? 盾構(gòu)含義：既是工法的名稱，又是裝備的名稱。既是地下工程核心工法與裝備，又是產(chǎn)生大部分地下工程數(shù)據(jù)的源頭。

? 盾構(gòu)施工行業(yè)特點(diǎn)：地質(zhì)是根本，設(shè)備是關(guān)鍵，管理是保障。

（2）成功應(yīng)用

上海地鐵9號線三期10標(biāo)包含金橋站～申江路站及出入場線共兩個(gè)區(qū)間主體工程，金～申區(qū)間全長1518M，出入場線區(qū)間全長588M。 金申區(qū)間上行線盾構(gòu)始發(fā)后，從掘進(jìn)45環(huán)開始出現(xiàn)大面積的管片破損和滲水現(xiàn)象、管片錯(cuò)臺、錯(cuò)縫問題嚴(yán)重。通過盾構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)認(rèn)真分析并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，用了不到一個(gè)月的時(shí)間走過了通常需要一個(gè)項(xiàng)目才能總結(jié)出來的淤泥質(zhì)軟件盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)。

460環(huán)至1100環(huán)的通縫管片拼裝作業(yè)僅有二處管片破損，創(chuàng)造了破損率僅為0.3%的優(yōu)異成績，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上海地鐵建設(shè)單位規(guī)定的≤5%規(guī)定。多次得到業(yè)主的表彰與經(jīng)驗(yàn)推廣。

此外，還建立了離線油液監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室和管理系統(tǒng)，針對盾構(gòu)機(jī)的核心設(shè)備部件的油樣數(shù)據(jù)進(jìn)行離線監(jiān)測，通過對不同手段為運(yùn)維盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行健康管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 項(xiàng)目規(guī)劃與實(shí)施方案

3.1 建設(shè)總體思路

（1）需求分析

從產(chǎn)業(yè)鏈打通、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等維度，以業(yè)務(wù)目標(biāo)和數(shù)據(jù)目標(biāo)驅(qū)動梳理需求，分析數(shù)據(jù)資源，制定大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略和路線圖，如圖3所示。

圖3 大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)規(guī)劃路線圖

（2）感知、匯集數(shù)據(jù)資源和數(shù)據(jù)分析

全方位感知采集各類數(shù)據(jù)，匯集外部數(shù)據(jù)和跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)；

形成大數(shù)據(jù)分析方法和工具集，解決本行業(yè)和跨領(lǐng)域需求。

（3）搭建平臺

依據(jù)業(yè)務(wù)驅(qū)動原則、數(shù)據(jù)共享原則、平臺統(tǒng)一原則、數(shù)據(jù)服務(wù)原則。

（4）部署與示范應(yīng)用

總體規(guī)劃，分步實(shí)施，按企業(yè)級、行業(yè)級、國家級逐步推進(jìn)，不斷匯總聚合跨領(lǐng)域、跨行業(yè)、跨部門的數(shù)據(jù)資源。

3.2 充分挖掘分析地下工程產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)據(jù)資源

盾構(gòu)系統(tǒng)設(shè)備龐大（包含21個(gè)子系統(tǒng)），施工過程復(fù)雜（既有地面又有地下），時(shí)間跨度和地域跨度廣，在盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生大量的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)。

（1）主要包含如下數(shù)據(jù)：

? 需要從PLC中采集盾構(gòu)各系統(tǒng)工況數(shù)據(jù)，采集周期S級，數(shù)據(jù)量大；

? 需要采集盾構(gòu)隧道導(dǎo)向系統(tǒng)中數(shù)據(jù)；

? 需要感知盾前地質(zhì)數(shù)據(jù)，填補(bǔ)施工前地質(zhì)勘測50米范圍盲區(qū)；

? 需要感知盾構(gòu)機(jī)刀具、傳動鏈等核心關(guān)鍵設(shè)備的工況和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量少，但實(shí)時(shí)性高；

? 需要監(jiān)測后配套電瓶車工作狀態(tài)數(shù)據(jù)；

? 需要監(jiān)測盾構(gòu)沿線地質(zhì)沉降相關(guān)數(shù)據(jù)；

? 需要采集盾構(gòu)施工人員上崗、主要物料消耗、能耗等數(shù)據(jù)；

? 需要采集盾構(gòu)施工過程中的視頻和音頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上行流量大，對連接性需求強(qiáng)；

? 需要導(dǎo)入盾構(gòu)設(shè)備機(jī)、電、液圖紙數(shù)據(jù)，導(dǎo)入地圖數(shù)據(jù)，屬于靜態(tài)類數(shù)據(jù)；

? 需要能夠在盾構(gòu)施工現(xiàn)場接收管理中心發(fā)送的施工操作指導(dǎo)指令，流量小但實(shí)時(shí)性高；

? 需要采集位置信息，上行數(shù)據(jù)量大。

（2）以上這些數(shù)據(jù)將構(gòu)成海量、多維、異構(gòu)的城市地下空間產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)資源，其規(guī)劃分析如圖4所示。

圖4 大數(shù)據(jù)資源規(guī)劃分析

（3）地下空間產(chǎn)業(yè)鏈需求分析

地下空間產(chǎn)業(yè)不僅要多產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，還要滿足項(xiàng)目的業(yè)務(wù)需求和大數(shù)據(jù)分析需求，如圖5所示。

3.3 完善大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)

在豐富數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)上，聯(lián)接線下和線上資源，協(xié)同創(chuàng)新。完善大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)，為客戶提供跨領(lǐng)域、跨行業(yè)的數(shù)據(jù)服務(wù)，如圖6、圖7所示。

圖5 地下空間產(chǎn)業(yè)鏈需求分析

圖6 地下工程產(chǎn)業(yè)示范應(yīng)用——管理和協(xié)同創(chuàng)新

圖7 大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)圖

3.4 建立地下空間運(yùn)營管理服務(wù)體系

通過建立城市地下空間產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)運(yùn)營管理服務(wù)中心，將數(shù)據(jù)平臺運(yùn)維、數(shù)據(jù)資源處理、地下工程運(yùn)維數(shù)據(jù)等集中到一起，形成大數(shù)據(jù)新業(yè)態(tài)、新模式，工程運(yùn)維數(shù)據(jù)包含圖8所示的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，地下空間運(yùn)營如圖9所示。

圖8 工程運(yùn)維數(shù)據(jù)

圖9 地下空間運(yùn)營圖

希望通過開發(fā)利用大數(shù)據(jù)分析，建立地下工程產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉稇?yīng)用，提升地下空間運(yùn)營效率，幫助各細(xì)分行業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。

4 項(xiàng)目運(yùn)營方案

項(xiàng)目采用“4+1+X 運(yùn)營模式”，其基本框架如圖10所示。

圖10 基本框架圖

4.1 “4+1+X 運(yùn)營模式”的發(fā)展規(guī)劃

（1）2011~2016年，形成“政產(chǎn)學(xué)研資用”的“眾創(chuàng)”模式，建立面向盾構(gòu)工程建設(shè)行業(yè)協(xié)同的工業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務(wù)平臺（企業(yè)級）；

（2）2017~2019年，以PPP模式，成立“中鐵智能”公司，建立面向盾構(gòu)全行業(yè)協(xié)同你的行業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務(wù)平臺（行業(yè)級）；

（3）2020~2025年，通過數(shù)據(jù)共享、服務(wù)對接，建立面向城市地下空間產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)綜合服務(wù)門戶（國家級）。

4.2 “4+1+X 運(yùn)營模式”的收益

面向盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)協(xié)同的工業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務(wù)平臺為該項(xiàng)目帶來了巨大收益

（1）非營利性數(shù)據(jù)服務(wù)，體現(xiàn)社會責(zé)任的擔(dān)當(dāng)（公益收益）

擴(kuò)展為城市地下工程建設(shè)領(lǐng)域和裝備制造行業(yè)的大數(shù)據(jù)平臺，并與城市規(guī)劃、國土資源地下數(shù)據(jù)收集、裝備制造創(chuàng)新研究等行業(yè)大數(shù)據(jù)平臺對接為政府安全監(jiān)管、宏觀經(jīng)濟(jì)分析、國家政策制定、行業(yè)管理和標(biāo)準(zhǔn)制定、人才培養(yǎng)等提供多元化決策支持。

（2）體現(xiàn)大數(shù)據(jù)商業(yè)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)企業(yè)創(chuàng)收盈利（商業(yè)收益）

? 為平臺的各個(gè)參與主體提供多元化服務(wù)（線上線下O2O模式，線上：托管云，維修云。線下：4S維修、融資租賃等），根據(jù)用戶的需求按需收費(fèi)。

? 平臺應(yīng)用示范期（企業(yè)級）實(shí)現(xiàn)中國中鐵全覆蓋，預(yù)計(jì)每年為中鐵提升150億的產(chǎn)能效益。

? 平臺推廣期（行業(yè)級）預(yù)計(jì)每年為行業(yè)提升400億元的產(chǎn)能效益。

5 項(xiàng)目總結(jié)

5.1 項(xiàng)目的引領(lǐng)、示范作用

面向城市地下空間產(chǎn)業(yè)協(xié)同的工業(yè)大數(shù)據(jù)智能分析與服務(wù)平臺在推動數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和帶動其他行業(yè)研發(fā)創(chuàng)新方面也將發(fā)揮重要作用。

（1）數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

? 提升數(shù)據(jù)的采集、匯聚、清洗和智能分析能力；

? 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源跨行業(yè)的共享、融合和交易；

? 推動數(shù)據(jù)價(jià)值服務(wù)體系的規(guī)范建立和完善。

（2）輻射帶動作用

? 帶動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（裝備制造）研發(fā)體系的創(chuàng)新；

? 推動工程建設(shè)領(lǐng)域生產(chǎn)、管理手段的轉(zhuǎn)變；

? 提升政府宏觀調(diào)控和行業(yè)管理的決策水平。

5.2 項(xiàng)目重要性和意義

（1）促進(jìn)地下工程建設(shè)行業(yè)管理方式變革，由粗放式向精細(xì)化管理方式轉(zhuǎn)變，以數(shù)據(jù)流引領(lǐng)技術(shù)流、物質(zhì)流、資金流和人才流，由勞動密集型的建設(shè)行業(yè)向知識密集型的現(xiàn)代服務(wù)業(yè)轉(zhuǎn)變，形成了新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

（2）促進(jìn)工程機(jī)械行業(yè)向《中國制造2025》邁進(jìn)，帶動產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)體系創(chuàng)新，大幅度縮短產(chǎn)品周期，提高零部件國產(chǎn)化率、可靠性和再制造能力。

（3）為地下空間運(yùn)維、運(yùn)營、規(guī)劃等提供決策支持。

（4）充分發(fā)揮數(shù)據(jù)資源的潛力與價(jià)值，為城市建設(shè)、國土資源、國防軍事等提供可靠的地理空間、環(huán)境、管理等數(shù)據(jù)支撐。

（5）打通行業(yè)鏈條和壁壘，促進(jìn)工程、裝備、社會公用等行業(yè)數(shù)據(jù)融合、實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域、跨行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新。

（本文根據(jù)張繼宏在“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)大數(shù)據(jù)暨工控安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展2016高峰論壇”上的報(bào)告整理）