城市隧道設施運維管養(yǎng)平臺的設計與實現(xiàn)

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（上海城建城市運營（集團）有限公司 上海市 200023）

我國隧道建設發(fā)展迅猛，全國隧道總數(shù)達到1.7 萬座合1800萬延米。作為核心的城市基礎設施，城市隧道在城市交通功能中發(fā)揮著重要的作用。然而容易忽略的問題是隧道設施的運維管養(yǎng)問題：安全、通暢與維養(yǎng)效率。如何在隧道設施的百年運營過程中，既能保障安全通暢運營，又能控制全壽命周期的整體資金投入，需要完備的理論和理念以及運維管養(yǎng)信息化技術體系來支撐。針對城市隧道運維管養(yǎng)中遇到的問題，本文提出了基于全壽命理念建立隧道運維管養(yǎng)平臺的設計思路，建立了綜合智能監(jiān)測體系、BIM 信息集成和可視化管理，以及基于數(shù)據(jù)驅動的預測化管養(yǎng)的應用平臺系統(tǒng)，為大數(shù)據(jù)模式下的隧道科學管養(yǎng)提供了實踐借鑒。

1 隧道管養(yǎng)存在的問題

1.1 安全與時效問題

隧道土建主體設施一般是百年的設計壽命，普遍認為是建成后就是穩(wěn)定的，其性能的檢查主要面向表觀的病害。但城市的持續(xù)建設發(fā)展使得周邊道路、深基坑、地鐵等建設對既有隧道的結構安全產(chǎn)生深遠的影響。這些難以及時通過人工檢查的方式去發(fā)現(xiàn)和預防，可能造成隧道的不利沉降或斷面收斂變形，縮短隧道的使用壽命?；谖锫?lián)網(wǎng)的結構安全監(jiān)測系統(tǒng)提供了相應的解決方式。

此外，隧道日常運維的主體對象是6 大機電系統(tǒng)：通風系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、消防與火災監(jiān)控系統(tǒng)、供配電與照明系統(tǒng)。這其中包含數(shù)千套設備，若不能夠全面進行檢查和監(jiān)測，會出現(xiàn)故障難發(fā)現(xiàn)、處理不及時等，影響到設施正常運轉，甚至造成行車安全問題和運營事故。需要在有限的時間內(nèi)進行修復，才能高可靠性的確保設施正常運轉，避免不必要的隱患。

1.2 全壽命成本問題

根據(jù)研究，隧道的全壽命成本劃分到建設期和運營期，其折現(xiàn)值比是1:1。在漫長的運維期，管養(yǎng)成本波動受到很大的挑戰(zhàn)，包括：持續(xù)走高的勞動力成本（當前典型的運養(yǎng)業(yè)務中勞動力成本占比超過50%）、日常維養(yǎng)經(jīng)費的使用對設施延年益壽的針對性較差（或費用沒有落實在維持性能與服務水準上）、設施設備的大中修成本難以控制、因封道維修的擁堵繞行造成社會經(jīng)濟損失更是無可估計。典型的如上海延安東路隧道大修施工周期9 個多月，一次性投資2.4億元，接近10年養(yǎng)護經(jīng)費總和。如何降低人工成本、平順全壽命期的養(yǎng)護資金投入，是需要在全壽命理念指導下，依靠智能化、信息化的信息管理手段來提供解決途徑。

1.3 信息管理問題

從目前隧道設施運維管養(yǎng)的實際來看，建設期信息、廠商數(shù)據(jù)、二維圖紙、維修手冊、檢查記錄、作業(yè)單等還是主要以紙質檔案形式管理。這種管理方式不能直觀反映實際情況，查詢和使用的方式比較繁瑣，效率低，信息傳達溝通的方式不夠順暢?；贐IM 的信息集成應用技術提供了高效的信息技術支持。

2 隧道設施運維管養(yǎng)平臺設計

隧道設施運維管養(yǎng)平臺設計包含系統(tǒng)總體架構、數(shù)據(jù)處理流程、系統(tǒng)編碼、系統(tǒng)功能、基于BIM 的模型服務，以及安全性設計。

2.1 系統(tǒng)總體架構

圖1：系統(tǒng)總體架構

根據(jù)隧道設施管養(yǎng)需求，合理估算其模型數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、管養(yǎng)業(yè)務數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，謹慎選擇平臺底層架構以確保數(shù)據(jù)的可靠存儲與并發(fā)處理。通過調(diào)研現(xiàn)有主流大數(shù)據(jù)技術體系Hadoop、Spark等，本平臺的架構選擇了最適合IOT 監(jiān)測應用的Kafka+InfluxDB技術體系。平臺使用微服務的方式進行架構，主要采用dubbo 做服務發(fā)布，微服務方式可有效解決我們當前系統(tǒng)多數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)接收、入庫、處理壓力集中問題，同時為以后的系統(tǒng)功能擴展及負載均衡提供技術條件。圖 1 給出了系統(tǒng)的總體架構，從底層到頂層分別為智能監(jiān)測感知層、基礎服務層、平臺業(yè)務應用層。

2.2 數(shù)據(jù)處理流程

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程規(guī)定了數(shù)據(jù)傳播路徑及使用的通信協(xié)議。現(xiàn)場接收層為各類設備的接收提供相應的預處理服務，并依據(jù)設備的特定協(xié)議實現(xiàn)通信。同時也包含有協(xié)議轉換程序，按照一定的通信規(guī)范將數(shù)據(jù)轉換為Modbus/TCP 協(xié)議并存儲OPC 中。

2.3 系統(tǒng)編碼

根據(jù)管養(yǎng)需求，制定隧道設施設備的統(tǒng)一分類標準，建立設施劃分和設備編碼規(guī)則，以便隧道設施的精細化管養(yǎng)由單設施擴展到多設施擴展。隧道空間劃分標準如下：遵循管理單元、縱向位置（延通道方向或樓層方向）、橫向位置（時鐘位置或房間編號）三個層次。

2.4 系統(tǒng)功能

隧道管養(yǎng)平臺主要平臺功能架構設計如圖 2所示，各功能模塊簡述如下：

圖2：系統(tǒng)功能架構設計

圖3：基于BIM 輕量化的Web 效果

（1）資產(chǎn)管理系統(tǒng)：包括設施信息管理、設備信息管理、養(yǎng)護資源管理、BIM 模型管理。核心模塊是基于WebGL 無插件的BIM 引擎實現(xiàn)設施和設備的信息管理；

（2）養(yǎng)護管理系統(tǒng)：包括養(yǎng)護計劃、工單處理、故障缺陷管理、封道管理、移動巡檢養(yǎng)護APP。根據(jù)全壽命周期的管理理念，以工單集中記錄人機料的消耗和成本估算；

（3）運營管理系統(tǒng)：包括日常運營管理、應急事件管理、安全管理等；其中日常運營的信息主要采用自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，從既有交通監(jiān)控等第三方獨立系統(tǒng)中通過接口方式獲取；

（4）運營監(jiān)測系統(tǒng)：包括設備狀態(tài)監(jiān)測、結構安全監(jiān)測、運營環(huán)境監(jiān)測、能耗監(jiān)測；實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的采集、存儲、融合處理、指標分析等業(yè)務功能，為評價體系提供數(shù)據(jù)輸入；

（5）全壽命分析評價系統(tǒng)：包括設施性能評估、運營服務評價、設備技術狀態(tài)評價等；基于定制的評價體系和指標評估引擎，實現(xiàn)靈活和可進化的評價體系；

（6）養(yǎng)護決策系統(tǒng)：包括養(yǎng)護決策知識庫、養(yǎng)護優(yōu)先級決策、養(yǎng)護資金分配管理等。

2.5 基于BIM的輕量化服務

通過BIM 模型輕量化技術的研究，實現(xiàn)體量巨大的隧道BIM工程模型高效的在web 端的應用。3 個主要的輕量化技術包括：

（1）模型減面，高精度的BIM模型存在大量的冗余三角面數(shù)據(jù)，以建模軟件插件形式對模型構件設置參數(shù)實現(xiàn)自動減面，結合人為控制建模時的放樣曲線頂點數(shù)。

（2）實例化技術，BIM 實例化技術繼承重復構件的空間位置信息，進行模型的復用，顯著提高渲染效率。

（3）LOD 技術應用：在BIM 模型與GIS 場景結合場景下可突破高密度模型的瀏覽性能瓶頸。

基于以上技術研發(fā)的BIM 引擎，為業(yè)務平臺提供穩(wěn)定和高效的Restful 服務。圖 3 示為全專業(yè)隧道BIM 模型的輕量化web 服務效果。

2.6 安全性設計

系統(tǒng)功能中包含著大量數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、基礎設備配置數(shù)據(jù)以及BIM 基礎信息。需要對系統(tǒng)進行安全設計，確保生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。主要包含系統(tǒng)性安全設計和管理安全設計。

（1）系統(tǒng)安全設計：包含軟件安全、存儲安全，以及傳輸安全內(nèi)容。如通過設置身份校驗和session 超時功能，確保與服務器的有效和安全連接；通過建立VPN 的方式在網(wǎng)絡上建立獨享和私密的傳輸通道。

（2）管理安全設計：為保證系統(tǒng)安全，需要建立一套完整的管理體系，包含安全管理機構、安全管理制度、人員安全管理、系統(tǒng)建設管理、系統(tǒng)運維管理。

3 平臺實現(xiàn)

針對一條城市核心區(qū)域的5km 地下隧道，根據(jù)第3 節(jié)的隧道運維管養(yǎng)平臺的設計，進行系統(tǒng)的研發(fā)實現(xiàn)。首先，建立隧道物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，采用“數(shù)據(jù)主動感知”的方法及時獲取隧道結構健康狀態(tài)、設備運行狀況和能耗等關鍵指標，基于數(shù)據(jù)分析預測技術挖掘隧道結構安全演變規(guī)律、設備的運行狀態(tài)趨勢；其次，將監(jiān)測數(shù)據(jù)以及運維業(yè)務數(shù)據(jù)以BIM 統(tǒng)一數(shù)據(jù)建模方式，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與應用，并以隧道智慧運維平臺為最終呈現(xiàn)。平臺為提高運營管理效率，隧道延年益壽、管養(yǎng)科學決策提供了技術手段和強大工具，使得城市隧道的“智慧運維”成為現(xiàn)實。

圖 4 給出了基于智能感知的物聯(lián)監(jiān)測的系統(tǒng)實現(xiàn)，涵蓋結構安全、運行環(huán)境、設備性能與能耗三大方面。圖5 實現(xiàn)了基于BIM的全壽命數(shù)據(jù)的集成應用。

圖4：基于智能感知的物聯(lián)監(jiān)測

圖5：基于BIM 的全壽命數(shù)據(jù)的集成應用

4 結論

本文針對城市隧道運維過程中面臨的安全、效率問題，提出了基于數(shù)據(jù)驅動的全壽命隧道運營養(yǎng)護模式，通過隧道運維信息化平臺的設計與建設，打通了隧道設計、建造信息、運維信息和監(jiān)測信息，實現(xiàn)了管養(yǎng)業(yè)務的無縫式溯源應用，并基于BIM 輕量化技術的實現(xiàn)了信息集成管理、多維度展示與驅動應用；通過定制的全壽命評價體系，為隧道的預測性動態(tài)養(yǎng)護決策和可追溯式的精細化運營管理提供了可用工具和可借鑒的解決方案。