大数据技术的智慧施工运营一体化平台研究

2021-02-28中铁电气化局集团第三工程有限公司何生军

电子世界 2021年21期

中铁电气化局集团第三工程有限公司何生军

中铁电气化局集团有限公司城铁公司罗金赖一雄

随着数字经济时代的到来，地铁施工运营面临着来自内外部的挑战。应用先进的大数据、物联网、云计算等数字化技术，融合地铁施工运营管理规范和技术标准，建构支撑地铁施工和运营的一体化平台是地铁投资、施工和运营单位能力建设的关键。中铁电气化局集团有限公司应用企业架构、设计思维和软件工程方法，深入分析地铁施工和运营技术特性与管理体系，研究开发了基于大数据技术的智慧施工运营一体化平台，旨在发挥投资融资-工程建设-运营维管的“一体化”优势，推进地铁行业的数字化转型。

1 地铁施工运营面临的问题与PPP模式的发展机遇

“十四五”期间，多地地铁迎来爆发式增长，地铁施工和运营单位拥有空前的发展机遇。但是地铁从规划、设计、建设到运营，接口多、周期长、资产重、要求高，各阶段业务既有分工又衔接紧密，管理高度复杂，地铁施工和运营管理面临着巨大的挑战：

1.1 地铁施工面临的问题

地铁施工涉及多专业、多单位的复杂协同，传统施工组织手段造成施工计划指导性差，施工执行透明度低，移交调试周期长。总体计划、节点计划、详细计划（月-周-日）没有严谨的编制与发布机制，进度计划与资源计划不匹配，停工待料和抢工赶工的矛盾现象突出，工程变更、计划调整缺乏分析、控制与追溯能力。施工机械、人员、物资分散，安全质量隐患预防和处置难度大。施工产值-成本预算与实际差异大，缺乏支撑经济分析与成本控制的方法和手段。工程验收贯穿施工过程，对过程质量控制与数据管理要求很高，目前为了准备验收，投入大量人力事后编写竣工资料。

1.2 地铁运营面临的问题

地铁运营中设备管理成本约占35%~40%。但是普遍存在资产底数不清、管理比较粗放、组织流程繁琐等问题，导致运营效率低、成本高。设备台账维护职能分散在不同部门，设备账实不符严重，数据更新不及时，存在资产流失风险。设备履历不全，全寿命周期数据缺失，造成使用维保成本高，设备技术状态与质量不可控，存在安全隐患。运营管理以故障修为主的维修模式付出了很高的故障成本，对应急处置考验大，备品工具缺乏定额管理，消耗、报废合理性缺乏数据支撑。生产和管理人员多，对工作量化核定手段不足。施工计划、作业请令、故障处理流程繁琐，流转时间长，实际决策智能化水平低。

1.3 地铁行业PPP模式的发展机遇

地铁行业PPP模式经过近20年实践，逐渐成为政府首选投资方式。作为投资建设+运营的经营主体，有着研究和落实科技赋能地铁行业的良好发展机遇。PPP模式相比传统政府融资模式来说，在项目投资建设和运营上更具有整体视角，能够统筹施工、运营并通过运营数据的分析持续改善产业链前端的设计和施工技术和质量，推动行业的整体发展。

图1给出了体系结构图，建设单位作为PPP模式的主体，既是施工单位又是运营单位，在投资建设和运营两大阶段对地铁行业有更体系化的思考：（1）投资：关注全生命周期的成本和收益，而不是单纯的施工产值或者运营收入。（2）施工：既要满足设计要求，更要服务于后期运营。（3）移交：竣工验收资料不单是存档，更大的价值在于用，并且持续更新。（4）运营：精细化成本管控，不断提升运营效率和乘客体验。（5）持续改善：通过大数据技术分析设计和施工中能够改善的环节，推动行业的持续发展。

图1 体系结构

2 基于大数据技术的智慧地铁施工运营一体化平台设计理念与架构

图2给出了企业架构设计思维，根据PPP模式对地铁施工和运营的管理要求，应用企业架构（EA）和设计思维方法，结合先进的物联网、云计算、大数据等IT技术，研究和实现对地铁全生命周期的数字化、智能化、精细化的管理，是摆在建设单位面前的重要课题。通过需求分析、方案设计、开发测试、试点运行，基于大数据技术的智慧地铁施工运营一体化平台已取得阶段性成果，并得到良好应用。

图2 企业架构设计思维

从应用架构来说，自底向上分为4层，分别是：（1）智慧监控：这是应用物联网和5G等技术采集现场设备、人员、环境、物料等信息，并实现远程动态监控和控制。（2）智慧生产：这是地铁施工和运营管理的核心业务组件。施工管理有进度、物资、安装、成本、质量、资源、移交等，运营管理有设备管理、施工调度、工单、巡检、票务、站务等。（3）智慧管理：这是人财物和综合管理，这些组件支撑生产活动，对业务起到计划、控制和评价作用。（4）智慧决策：既有面向领导层的施工和运营主题分析，如进度、经济、资源、安全、质量、设备、服务等业务域，又有面向执行层的操作赋能，如资源配置、作业调度、设备故障预测等。图3给出了架构分成。

图3 架构分成

从技术架构来说，自底向上分为4层，分别是：（1）边缘层：在地铁施工和运营中大量的物联网设备分布在不同的区域，边缘计算为终端用户提供实时、动态和智能的服务计算。（2）IaaS即基础设施层，支撑公有云、私有云和混合云。（3）PaaS层：平台核心层，提供平台资源部署和管理、地铁施工运营大数据采集&处理、地铁施工运营大数据建模&分析和应用开发能力，并基于业务需求持续开发、迭代适用于行业发展的微服务组件。（4）SaaS层：面向施工运营业务和决策分析的应用组件，包含技术、进度、物资、安装、运营、服务等。

通过智慧地铁施工运营一体化平台构建支撑地铁产业链的协同生态环境，业主、集团、专业公司、项目部（公司）、运营公司、供应商、行业客户、消费者等互联互通，智慧协同。

3 核心技术方案

3.1 地铁施工管理方案

地铁施工项目分为三个阶段：施工准备、工程施工和竣工验收，管理机构有工程、物资、安质、工经、财务等。针对地铁施工特点，构建了进度、物资、安装、移交调试等核心业务模块，同时开发了劳动力、机械、安质、成本等基础服务模块，进而结合物联网、大数据技术，实现施工现场的智能监测、预警和决策分析。图4给出了业务管理分层图。

图4 业务管理分成

通过智慧施工运营一体化平台，业务管理（工程部门、物资部门、安质部门等）与财务管理（工经部门、财务部门）在项目各阶段紧密协同：在施工准备阶段，业务部门依据施工技术与进度要求做项目整体策划，财务部门依据项目合同与进度计划做财务预算，这样形成施工进度计划、物资供应计划、机械配置计划、人力配置计划、安全质量策划、收入预算和责任成本预算，指导施工作业；在工程施工阶段，工程部门依据进度计划管理现场施工作业，物资部门依据工程进度要求组织物资、机械供应，工经部门依据人力配置计划组织人员进场和退场，安质部门依据策划管理安全、组织质量验收，工经部门依据工程完成数量组织验工计价，计算物资、机械和人力成本；在竣工验收阶段，业务部门组织验收、移交工程资料、管理剩余尾工，财务部门编制项目决算。

3.2 地铁运营管理方案

地铁运营管理的主要内容有：车辆、设备（供电、通号、工务、机电）和客运（乘务、站务、票务、控制中心）管理等基础业务，管理机构有人力资源、物资、财务、安全等。针对地铁运营业务需求，构建以设备管理（含设备档案、设备调度、施工调度、移动巡检）、乘务管理、站务管理等主体，融合物联网、大数据技术，实现地铁运营设备设施的智能监测、预警和决策分析。图5给出了运营管理分层图。

图5 运营管理分层

设备管理是地铁运营保障的关键。通过智慧施工运营一体化平台，构建支撑设备维修“策划、计划、执行和评价”完整体系；并与财务、物资模块集成，实现维修过程中“设备、物资、人力资源、成本”等资源的整合。其中，“策划阶段”主要是设备基础信息管理（含编码、位置、设备履历等），并建立作业标准、故障体系和安全计划，指导和规范维修作业。“计划阶段”是依据维修来源和作业区间、供电、行车等资源占用情况而运算出的维修时间计划。“执行阶段”是工单分配到具体工班或作业负责人后，维修人员通过移动终端接收任务到现场作业，实现现场作业全程的管理。“评价阶段”是管理人员对维修作业执行的状态、成本、效率、设备故障等进行统计和分析。

智慧施工运营一体化平台依据“管理有标准，操作有指引，计划有统筹，执行有监控，事后可追溯，数据可分析”的目标，能够做到施工计划合理、施工作业透明、施工响应快捷。

3.3 大数据技术对地铁施工运营数字化转型的赋能

在地铁施工阶段，应用大数据指导作业过程，精细化统筹项目准备和施工过程，并为预配、安装、调试推荐最优的技术、质量和经济参数，随施工过程建立项目数字档案，做到无缝的数字化工程移交。

在地铁运营阶段，无时不刻产生大量的数据，如车辆的空调、供电等系统运行参数，转向架运行参数；供电各级变压器、开关运行参数、轨温参数等。物联网和大数据的应用能够实时采集、监测、分析、处理数据，为维修策略制定、故障处理提供科学的管理方式。

通过物联网采集到的海量设备运行状态数据，有针对性地对单类设备展开模型分析，预测设备劣化趋势并评估当前维修策略的精确度。如果出现偏差，将分析结果通知专业工程师，并由专业工程师发起对现有维修策略的调优工作。当设备状态信息和环境信息改变后，再次发起分析及调优业务，从而保证维修策略与设备的当前状态匹配，保证维修策略的最优化。

通过在线设备状态数据的采集，获取设备运行异常故障信息。结合已有的标准体系，应用大数据技术自动生成网络化的状态修工单，并通过移动互联网及时通知维修工程师。维修工程师在移动终端即可获取现场设备状态及设备履历，并将分析结果通过网络广播，指导相关人员、设备迅速启动排障预案，达到异常及故障的快速处置。故障处理后，问题、原因和处理措施自动积累为设备管理大数据资产。

同时，平台源源不断采集所有相关的运营数据，例如客流信息、行车信息、运营指标、运力配置、维修服务、维修成本等运营数据，与地铁设计、施工数据一道，共同形成地铁大数据资产。通过建立分析与预测模型，全面分析地铁设计、施工和运营数据，从多维度分析地铁全生命周期的经济、技术和质量指标，持续优化地铁设计、投资和施工，为地铁行业的高质量发展赋能。