城市地下空间产业大数据智能分析与服务平台建设及示范应用

中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司副总工程师、地下工程研究所所长 张继宏

城市地下空间产业大数据智能分析与服务平台建设及示范应用

中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司副总工程师、地下工程研究所所长 张继宏

1991年在东京召开的地下空间国际学术会议通过《东京宣言》，指出21世纪是地下空间开发利用的世纪。如何建设具有中国特色的资源节约型、环境友好型智慧城市，成为我国城市建设面临的重大问题。解决该问题的关键在于运用先进的城市规划理论，先进适用的科学技术进行城市的规划，其中地下空间是国际国内宝贵的战略资源，对其充分开发利用成为智慧城市建设的重要部分。本文将针对城市地下空间产业大数据智能分析与服务平台，详细介绍地下工程项目建设及示范应用。

1 项目背景与目标

1.1 城市地下空间产业背景简介

国务院住房和城乡建设部早在2011年发布了修订的《城市地下空间开发利用管理规定》，对地下空间勘测、设计、施工、运营等方面都提出了要求。地铁隧道、电缆隧道、大直径公路地铁两用隧道、矩形顶管人行/公路隧道、排污管道、地下商业综合体等都属于地下工程范畴。

从目前来看，城市地下空间产业呈现出如下发展特征：

（1）产业规模庞大

• 未来地下工程产业规模达每年上万亿元；

• 未来盾构机规模预计将达到1万台。

（2）发展速度快、空间大

• 全国39个城市已开通地铁建设，“十三五”规划3000公里；

• 上万公里的地下管廊、海绵城市、智慧城市建设；

• 一带一路将带动地下空间产业输出。

（3）经济和社会影响大

• 安全事故过去十年内造成经济损失累计达数百亿元；

• 行业整体粗放式管理，成本浪费大。

（4）地下空间开发特点鲜明

• 城市地下空间管理与国土资源、城市规划、水利防洪、环保、水电、国防等有关；

• 地下空间复杂，具有不可逆性，地下空间规划难度高。

1.2 城市地下开发的产业链

城市地下空间产业开发环节十分复杂且充满挑战，从规划到运营要考虑多个方面，具体如图1所示。

1.3 地下空间产业协同面临的挑战

目前由于存在技术和管理上的困难，各方之间形成了信息孤岛，在信息共享、协同发展方面存在壁垒，具体如下：

（1）工程机械产业链

• 高端复杂装备，可靠性要求高；

• 订单类型繁多，个性化定制生产，单台价值高，无法开展大规模试验；

• 企业创新能力不足，运营效率和服务水平低。

（2）地下工程产业链

• 管理跨度大，运营陈本高，利润率低，决策困难；

• 地质工况复杂，施工工艺和设备管理使用水平要求高；

• 人员和设备来源复杂，经验流失，安全、质量、工期难以保障。

（3）地下空间产业链

• 地下工程缺乏监管，难以运维；

• 各自为政，重复投资，规划困难；

• 地下工程运营缺乏数据支撑，难以决策。

总之，地下空间产业开发要考虑产业链间的协同融合，如图2所示。

图2 产业链协同图

2 项目现有工作基础

中铁一局是国家大型综合性建筑施工企业，拥有子分公司31家。经营范围包含铁路、公路、隧道、桥梁、地铁轻轨、市政公用、机场、房建、设计、咨询、监理等。拥有大型设备4650套，价值35亿元。中铁一局参与过国内几乎所有城市的地铁、轻轨修建，是目前国内地铁施工门类最全的建筑企业。盾构施工实力位居国内前茅，全面掌握盾构法、各类不良地质地铁车站深基坑及暗挖隧道修建核心技术，专业种类齐全，是国内地铁施工专业最齐全的综合施工企业。

2.1 强大的施工能力

中铁一局建立了盾构远程监控及智能管理中心，具备了远程智能管理经验，解决了管理跨度大、决策难等问题。

（1）需求分析：过去4年，中铁一局围绕地下工程产业链进行了业务梳理和需求分析。

（2）数据资源：已经开发了盾构远程监控及智能管理系统V2.0版本，接入了数十台盾构设备，积累了TB级的盾构施工、设备数据。

（3）数据分析：围绕地面沉降预测、地质分析、智能决策支持、油液数据分析等方面，取得了良好效果。

（4）经济效益：采用盾构施工协同保障及设备远程运维管理手段，大幅提升了公司工程施工生产管理水平，每年为企业新增产值4亿元，节省设备维修成本5000万元，并有效避免了各类重大安全事故的发生。 中铁一局建立了盾构远程监控及智能管理中心，具备了远程智能管理经验，解决了管理跨度大、决策难等问题。

2.2 盾构远程监控系统成功应用

盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法。它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌。同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。

（1）盾构地下工程施工行业特点：

• 盾构含义：既是工法的名称，又是装备的名称。既是地下工程核心工法与装备，又是产生大部分地下工程数据的源头。

• 盾构施工行业特点：地质是根本，设备是关键，管理是保障。

（2）成功应用

上海地铁9号线三期10标包含金桥站～申江路站及出入场线共两个区间主体工程，金～申区间全长1518M，出入场线区间全长588M。 金申区间上行线盾构始发后，从掘进45环开始出现大面积的管片破损和渗水现象、管片错台、错缝问题严重。通过盾构远程监控系统采集的数据认真分析并总结经验，用了不到一个月的时间走过了通常需要一个项目才能总结出来的淤泥质软件盾构施工经验。

460环至1100环的通缝管片拼装作业仅有二处管片破损，创造了破损率仅为0.3%的优异成绩，远远低于上海地铁建设单位规定的≤5%规定。多次得到业主的表彰与经验推广。

此外，还建立了离线油液监测实验室和管理系统，针对盾构机的核心设备部件的油样数据进行离线监测，通过对不同手段为运维盾构设备进行健康管理提供数据依据。

3 项目规划与实施方案

3.1 建设总体思路

（1）需求分析

从产业链打通、产业链协同等维度，以业务目标和数据目标驱动梳理需求，分析数据资源，制定大数据战略和路线图，如图3所示。

图3 大数据平台建设规划路线图

（2）感知、汇集数据资源和数据分析

全方位感知采集各类数据，汇集外部数据和跨领域数据；

形成大数据分析方法和工具集，解决本行业和跨领域需求。

（3）搭建平台

依据业务驱动原则、数据共享原则、平台统一原则、数据服务原则。

（4）部署与示范应用

总体规划，分步实施，按企业级、行业级、国家级逐步推进，不断汇总聚合跨领域、跨行业、跨部门的数据资源。

3.2 充分挖掘分析地下工程产业链的数据资源

盾构系统设备庞大（包含21个子系统），施工过程复杂（既有地面又有地下），时间跨度和地域跨度广，在盾构施工过程中产生大量的静态和动态数据。

（1）主要包含如下数据：

• 需要从PLC中采集盾构各系统工况数据，采集周期S级，数据量大；

• 需要采集盾构隧道导向系统中数据；

• 需要感知盾前地质数据，填补施工前地质勘测50米范围盲区；

• 需要感知盾构机刀具、传动链等核心关键设备的工况和工作状态数据，数据量少，但实时性高；

• 需要监测后配套电瓶车工作状态数据；

• 需要监测盾构沿线地质沉降相关数据；

• 需要采集盾构施工人员上岗、主要物料消耗、能耗等数据；

• 需要采集盾构施工过程中的视频和音频数据，数据上行流量大，对连接性需求强；

• 需要导入盾构设备机、电、液图纸数据，导入地图数据，属于静态类数据；

• 需要能够在盾构施工现场接收管理中心发送的施工操作指导指令，流量小但实时性高；

• 需要采集位置信息，上行数据量大。

（2）以上这些数据将构成海量、多维、异构的城市地下空间产业大数据资源，其规划分析如图4所示。

图4 大数据资源规划分析

（3）地下空间产业链需求分析

地下空间产业不仅要多产业链协同，还要满足项目的业务需求和大数据分析需求，如图5所示。

3.3 完善大数据平台架构

在丰富数据资源的基础上，联接线下和线上资源，协同创新。完善大数据平台架构，为客户提供跨领域、跨行业的数据服务，如图6、图7所示。

图5 地下空间产业链需求分析

图6 地下工程产业示范应用——管理和协同创新

图7 大数据平台架构图

3.4 建立地下空间运营管理服务体系

通过建立城市地下空间产业大数据运营管理服务中心，将数据平台运维、数据资源处理、地下工程运维数据等集中到一起，形成大数据新业态、新模式，工程运维数据包含图8所示的各项数据，地下空间运营如图9所示。

图8 工程运维数据

图9 地下空间运营图

希望通过开发利用大数据分析，建立地下工程产业链示范应用，提升地下空间运营效率，帮助各细分行业实现转型升级。

4 项目运营方案

项目采用“4+1+X 运营模式”，其基本框架如图10所示。

图10 基本框架图

4.1 “4+1+X 运营模式”的发展规划

（1）2011~2016年，形成“政产学研资用”的“众创”模式，建立面向盾构工程建设行业协同的工业大数据智能分析与服务平台（企业级）；

（2）2017~2019年，以PPP模式，成立“中铁智能”公司，建立面向盾构全行业协同你的行业大数据智能分析与服务平台（行业级）；

（3）2020~2025年，通过数据共享、服务对接，建立面向城市地下空间产业大数据综合服务门户（国家级）。

4.2 “4+1+X 运营模式”的收益

面向盾构产业协同的工业大数据智能分析与服务平台为该项目带来了巨大收益

（1）非营利性数据服务，体现社会责任的担当（公益收益）

扩展为城市地下工程建设领域和装备制造行业的大数据平台，并与城市规划、国土资源地下数据收集、装备制造创新研究等行业大数据平台对接为政府安全监管、宏观经济分析、国家政策制定、行业管理和标准制定、人才培养等提供多元化决策支持。

（2）体现大数据商业价值，实现企业创收盈利（商业收益）

• 为平台的各个参与主体提供多元化服务（线上线下O2O模式，线上：托管云，维修云。线下：4S维修、融资租赁等），根据用户的需求按需收费。

• 平台应用示范期（企业级）实现中国中铁全覆盖，预计每年为中铁提升150亿的产能效益。

• 平台推广期（行业级）预计每年为行业提升400亿元的产能效益。

5 项目总结

5.1 项目的引领、示范作用

面向城市地下空间产业协同的工业大数据智能分析与服务平台在推动数据产业发展和带动其他行业研发创新方面也将发挥重要作用。

（1）数据产业发展

• 提升数据的采集、汇聚、清洗和智能分析能力；

• 实现数据资源跨行业的共享、融合和交易；

• 推动数据价值服务体系的规范建立和完善。

（2）辐射带动作用

• 带动传统产业（装备制造）研发体系的创新；

• 推动工程建设领域生产、管理手段的转变；

• 提升政府宏观调控和行业管理的决策水平。

5.2 项目重要性和意义

（1）促进地下工程建设行业管理方式变革，由粗放式向精细化管理方式转变，以数据流引领技术流、物质流、资金流和人才流，由劳动密集型的建设行业向知识密集型的现代服务业转变，形成了新的经济增长点。

（2）促进工程机械行业向《中国制造2025》迈进，带动产业技术研发体系创新，大幅度缩短产品周期，提高零部件国产化率、可靠性和再制造能力。

（3）为地下空间运维、运营、规划等提供决策支持。

（4）充分发挥数据资源的潜力与价值，为城市建设、国土资源、国防军事等提供可靠的地理空间、环境、管理等数据支撑。

（5）打通行业链条和壁垒，促进工程、装备、社会公用等行业数据融合、实现跨领域、跨行业协同创新。

（本文根据张继宏在“互联网+工业大数据暨工控安全产业发展2016高峰论坛”上的报告整理）