基于GIS的鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

吳志勇,李盤(pán)靖,鞠傳香

(山東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東淄博 255049)

2006年鐵道部建設(shè)司對(duì)各路局下發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加快鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用的意見(jiàn)》(鐵建設(shè)函[2006]810號(hào)),指出加快鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用是建設(shè)世界一流客運(yùn)專(zhuān)線的必然要求,是提高鐵路建設(shè)管理水平的迫切需要,是有效控制投資的重要手段,是實(shí)現(xiàn)建設(shè)管理與運(yùn)營(yíng)管理有機(jī)結(jié)合的基礎(chǔ)保證[1]。同年4月,鐵道部建設(shè)司在武漢召開(kāi)了推進(jìn)鐵路建設(shè)信息化的會(huì)議,指出加快鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)的推進(jìn),是努力提升建設(shè)項(xiàng)目管理水平的重要舉措。另外,“大力提升建設(shè)管理水平,依靠科學(xué)、規(guī)范的管理制度和機(jī)制,深入推進(jìn)鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化管理”是鐵道部黨組提出的要求。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo),就必須借助現(xiàn)代科學(xué)手段優(yōu)化鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理模式,加快推進(jìn)現(xiàn)代化管理進(jìn)程[2]。

1 鐵路建設(shè)工程項(xiàng)目管理特點(diǎn)

我國(guó)鐵路項(xiàng)目建設(shè)一般包括5個(gè)階段:立項(xiàng)決策(預(yù)可研和可研)、工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、竣工驗(yàn)收和后評(píng)價(jià)。其中在工程實(shí)施階段,施工控制尤為重要,控制范圍包括費(fèi)用控制、進(jìn)度控制、質(zhì)量控制及安全控制等,同時(shí)項(xiàng)目監(jiān)理單位對(duì)工程施工和驗(yàn)工計(jì)價(jià)實(shí)施監(jiān)理。鐵路建設(shè)工程項(xiàng)目管理的主要特點(diǎn)包括[3]:

(1)優(yōu)化管理的多目標(biāo)性

在鐵路建設(shè)工程項(xiàng)目管理中,工期、質(zhì)量、安全、投資之間存在著相互依賴(lài)、相互制約的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系。這就要求在信息化管理中對(duì)于進(jìn)度控制、質(zhì)量控制、安全控制和投資控制進(jìn)行綜合考慮。

(2)計(jì)劃實(shí)施的多變性

在鐵路工程建設(shè)過(guò)程中,影響施工因素較多(例如:人員、材料、資金、機(jī)具、設(shè)備及自然和社會(huì)環(huán)境等),即使是經(jīng)過(guò)多方面綜合平衡而優(yōu)化的施工計(jì)劃,其變化也是不可避免的。為了對(duì)施工計(jì)劃的變化進(jìn)行有效控制,應(yīng)采用動(dòng)態(tài)控制原理,使建設(shè)過(guò)程中每一階段的進(jìn)度、質(zhì)量和投資都得到有效控制。因此,在信息化過(guò)程中,所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)具備良好的自適應(yīng)性,特別要求注重對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)或信息的處理能力。

(3)進(jìn)度控制的多階段性

施工進(jìn)度信息對(duì)于建設(shè)過(guò)程控制指揮決策具有重要意義。目前,由于施工單位沿線分布,存在交通不便等困難,進(jìn)度等信息的反饋本身有一定的滯后期,加之對(duì)于施工單位的反饋信息進(jìn)行匯總,如果依靠人工處理,也不能及時(shí)呈交至指揮決策層,控制周期的縮短受到了現(xiàn)實(shí)條件的限制。因此,在信息化管理系統(tǒng)的構(gòu)建中,應(yīng)以網(wǎng)絡(luò)在線形式為導(dǎo)向,從而提高進(jìn)度控制的時(shí)效性。

(4)項(xiàng)目管理的多層次性

我國(guó)的鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理是由項(xiàng)目法人公司(或鐵路建設(shè)指揮部)、建設(shè)監(jiān)理單位、工程局指揮部及施工現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目經(jīng)理組織的多層次、全方位的管理。因此,在信息化管理系統(tǒng)的構(gòu)建中,應(yīng)強(qiáng)調(diào)用戶(hù)角色管理,多層次、全方位地強(qiáng)化管理。

根據(jù)上述分析可知,鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)是一個(gè)龐大復(fù)雜的多級(jí)遞階管理系統(tǒng),鐵路工程建設(shè)管理過(guò)程是一個(gè)多目標(biāo)、多階段、動(dòng)態(tài)優(yōu)化的控制過(guò)程[3]。因此,系統(tǒng)對(duì)鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理過(guò)程中的進(jìn)度控制進(jìn)行分析,在有效的專(zhuān)業(yè)WBS(Work Breakdown Structure)基礎(chǔ)上[4],研究數(shù)據(jù)庫(kù)的來(lái)源與采集標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)進(jìn)度管理模塊與其他模塊之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析,結(jié)合鐵路建設(shè)的特點(diǎn),提出基于施工日志進(jìn)度數(shù)據(jù)自動(dòng)生成模型、基于投資與物資管理的計(jì)劃與進(jìn)度數(shù)據(jù)自匯總模型、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工期預(yù)測(cè)模型,并給出進(jìn)度管理的有效展示方法:基于Web-GIS(地理信息系統(tǒng) )、E-SandTable(電子沙盤(pán) )、VR(虛擬現(xiàn)實(shí) )技術(shù)的形象進(jìn)度,從而實(shí)現(xiàn)鐵路建設(shè)工程項(xiàng)目的可視化管理[5]。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解決方案

在鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建中,為保證信息反饋的時(shí)效性,應(yīng)以網(wǎng)絡(luò)在線形式為導(dǎo)向。根據(jù)項(xiàng)目和建設(shè)管理單位的實(shí)際情況,在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃組建局域網(wǎng)。要求建設(shè)單位、施工單位使用統(tǒng)一規(guī)劃的工程管理系統(tǒng),使用統(tǒng)一的信息平臺(tái)及應(yīng)用軟件,以保證工程的施工數(shù)據(jù)采集和信息管理工作。以向建設(shè)單位提供項(xiàng)目有關(guān)信息的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為核心,所建立的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu),系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)配置的原則是:(1)施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的所有服務(wù)器、圖形工作站、微機(jī)、檢測(cè)采集設(shè)備,用有線(同軸電纜、光纖)或無(wú)線進(jìn)行互連。(2)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器結(jié)點(diǎn)的數(shù)量、機(jī)型應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目模塊的劃分、數(shù)據(jù)量的大小、施工現(xiàn)場(chǎng)的布置確定。在分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的支持下統(tǒng)一建庫(kù),分項(xiàng)目管理。(3)統(tǒng)一布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集點(diǎn),采集方式分自動(dòng)采集和人工采集,通過(guò)數(shù)據(jù)集散點(diǎn)向相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器結(jié)點(diǎn)傳送。

圖1 鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 系統(tǒng)GUI設(shè)計(jì)方案

鐵路系統(tǒng)數(shù)據(jù)繁多、存儲(chǔ)分散,缺乏統(tǒng)一的管理[6],通過(guò)GIS將各標(biāo)段施工單位集成在GIS操作平臺(tái)上,并與鐵路建設(shè)指揮部相連接,如圖2所示。GIS作為整個(gè)信息管理系統(tǒng)的操作平臺(tái)和查詢(xún)顯示平臺(tái),對(duì)標(biāo)段建設(shè)進(jìn)度情況、安全控制、物資管理、重難點(diǎn)工程等可形象化的動(dòng)態(tài)顯示。

圖2 鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)GUI設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)鐵路項(xiàng)目工程施工的方法技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟件模塊劃分技術(shù),把該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)分為4層[7]。

(1)操作系統(tǒng)軟件平臺(tái):這是硬件之上的最低層系統(tǒng)軟件,其性能直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率、安全、開(kāi)放性等等。

(2)支撐軟件層:該層是在操作系統(tǒng)之上應(yīng)用軟件的支撐工具。從施工現(xiàn)場(chǎng)管理的實(shí)際需求來(lái)看,該層應(yīng)由下述2個(gè)部分軟件構(gòu)成。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng):它統(tǒng)一管理施工現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)施工的技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)(包括建筑物、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、質(zhì)量控制因素等)。集中式與分布式數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合;分項(xiàng)目及主體建筑物建庫(kù)。它為其上層(項(xiàng)目管理層)提供數(shù)據(jù)信息服務(wù)。

圖形處理系統(tǒng):項(xiàng)目管理層應(yīng)用軟件大多涉及圖形處理(如土石方工程、橋梁、混凝土工程等)。

(3)項(xiàng)目管理層:該層直接面向施工主體項(xiàng)目,并在支撐軟件層之上。由于項(xiàng)目的施工技術(shù)方法、管理的內(nèi)容不同,對(duì)軟硬件的要求也不同。

(4)高層項(xiàng)目管理:該層是整個(gè)系統(tǒng)的最高層,即項(xiàng)目管理層的上層。主要功能是綜合處理項(xiàng)目管理層的基層信息,協(xié)調(diào)項(xiàng)目管理層中各模塊間的管理調(diào)度功能。對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的總體進(jìn)度、工程質(zhì)量、造價(jià)成本、投資4個(gè)重要因素實(shí)施管理、控制及調(diào)度。

由于系統(tǒng)的使用者(建設(shè)指揮部、施工單位和監(jiān)理單位)分散在不同的地方,同時(shí)考慮到所需承擔(dān)的功能,所以系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)構(gòu)架。數(shù)據(jù)及程序集中存放在服務(wù)器端,保證了數(shù)據(jù)的一致性和安全性。

5 系統(tǒng)技術(shù)解決方案

鐵路建設(shè)管理是涉及多部門(mén)、多途徑、多方位、多階段的龐大系統(tǒng)工程。在其決策和管理的全過(guò)程中,要對(duì)大量來(lái)自不同部門(mén)的基礎(chǔ)與技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。系統(tǒng)科學(xué)地管理、分析這些信息是鐵路建設(shè)管理現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。采用地理信息系統(tǒng)(GIS)建立鐵路建設(shè)管理信息系統(tǒng),是管理分析鐵路建設(shè)各類(lèi)空間和非空間數(shù)據(jù)的最有力手段。因此,鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)將以GIS地理信息系統(tǒng)作為整個(gè)信息管理系統(tǒng)的操作平臺(tái)和查詢(xún)顯示平臺(tái)。在此平臺(tái)上構(gòu)建的軟件架構(gòu)如圖3所示。

主要技術(shù)及其解決方案如下。

(1)鐵路建設(shè)信息的標(biāo)準(zhǔn)化方法

圖3 鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)軟件框架

按照鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化管理的要求,“以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)”,將數(shù)據(jù)劃分為空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和專(zhuān)題數(shù)據(jù)三大類(lèi)。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化管理的要求,通過(guò)對(duì)鐵路建設(shè)工程項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)規(guī)范進(jìn)行研究和探索,建立起各類(lèi)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模型與規(guī)范。其數(shù)據(jù)交換格式采用XML(可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言)技術(shù)。

(2)施工進(jìn)度的標(biāo)準(zhǔn)化控制方法

針對(duì)鐵路建設(shè)管理中的特別需求,以WBS為導(dǎo)向,劃分施工專(zhuān)業(yè),分為拆遷、路基、橋涵、隧道、軌道、通信及信號(hào)、電力及電力牽引、給排水以及房建、大臨等工程,并根據(jù)各模塊的特點(diǎn)和具體需求,對(duì)其進(jìn)行細(xì)化。從施工圖數(shù)據(jù)入手,對(duì)相關(guān)的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,生成對(duì)應(yīng)施工圖各項(xiàng)目的進(jìn)度數(shù)據(jù),再建立施工圖各項(xiàng)目與工程量清單的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型,將底層的進(jìn)度數(shù)據(jù)匯總到每個(gè)單位工程層面,實(shí)現(xiàn)進(jìn)度數(shù)據(jù)與投資、物資數(shù)據(jù)的相互關(guān)聯(lián)模型,并展示形象進(jìn)度;并對(duì)進(jìn)度控制的原理分析,形成施工計(jì)劃與進(jìn)度展示、計(jì)劃調(diào)整的閉環(huán)管理模型,如圖4所示。

圖4 鐵路建設(shè)進(jìn)度控制流程

對(duì)鐵路專(zhuān)業(yè)WBS項(xiàng)目數(shù)據(jù)、單位工程施工組織設(shè)計(jì)等資料數(shù)據(jù)、各級(jí)單位施工計(jì)劃下達(dá)數(shù)據(jù)、施工圖數(shù)據(jù)、進(jìn)度數(shù)據(jù)等進(jìn)行分類(lèi),如屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù),為進(jìn)度控制各級(jí)管理提供數(shù)據(jù)源,并提出數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則。

(3)鐵路建設(shè)工程的可視化管理技術(shù)

將 Web-GIS(地理信息系統(tǒng))、E-SandTable(電子沙盤(pán))、VR(虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)集成,并在此基礎(chǔ)上建立起基于施工圖數(shù)據(jù)的形象進(jìn)度模型,將形象進(jìn)度專(zhuān)題圖表直接鏈接至質(zhì)量控制、物資管理、安全控制等系統(tǒng)[8]。

(4)鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)的架構(gòu)

SOA(面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu))是軟件體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的最新成果,以其強(qiáng)健的業(yè)務(wù)適應(yīng)性和快速響應(yīng)能力,在解決軟件征用和軟件集成的方案中占據(jù)重要地位[9]。據(jù)其SOA “軟件變服務(wù)”,鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)使用開(kāi)放的、模塊化的、可重用、可擴(kuò)展的系統(tǒng)架構(gòu)。

6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

邯濟(jì)鐵路擴(kuò)能改造工程是國(guó)家“十一五”規(guī)劃中的重點(diǎn)工程,工程為既有邯濟(jì)線(邯鄲南至晏城北232 km線路)增建二線并電氣化改造,含引入邯鄲地區(qū)、聊城地區(qū)、濟(jì)南樞紐相關(guān)工程,工程范圍全長(zhǎng)248.61正線km,增建晏城北至焦斌線路長(zhǎng)度15.62 km。

鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)以邯濟(jì)擴(kuò)能改造工程為依托設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),開(kāi)發(fā)環(huán)境采用 Visual Studio 2008(ASP.NETC號(hào)),數(shù)據(jù)庫(kù)采用 SQL SERVER 2005,系統(tǒng)主界面結(jié)構(gòu)如圖5所示。

地圖開(kāi)發(fā)采用XML+FLASH實(shí)現(xiàn),地圖信息包括建設(shè)指揮部、施工指揮部、項(xiàng)目部、施工車(chē)站、施工大橋、制存梁場(chǎng)和預(yù)制場(chǎng)等施工相關(guān)熱點(diǎn),用戶(hù)通過(guò)點(diǎn)擊地圖熱點(diǎn)可以查看工程概要、設(shè)計(jì)資料、施工形象化進(jìn)度等信息,如圖6所示。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的使用,實(shí)現(xiàn)了工程進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)控,工程資料共享,信息及時(shí)傳遞,為提高工程管理水平具有重要意義。

圖5 系統(tǒng)主界面截圖

圖6 施工形象化進(jìn)度

7 結(jié)論

實(shí)踐表明,鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)的上線使用提高了工程管理水平。通過(guò)系統(tǒng)及時(shí)掌握工程進(jìn)度和建設(shè)生產(chǎn)信息,對(duì)領(lǐng)導(dǎo)決策提供數(shù)據(jù)保證。各種建設(shè)施工規(guī)范文檔的共享促進(jìn)了工程建設(shè)的規(guī)范化,保證了生產(chǎn)安全和生產(chǎn)質(zhì)量。用戶(hù)界面引入地理信息保證了系統(tǒng)的直觀性,方便了用戶(hù)操作。為保證系統(tǒng)的通用性和推廣工作,下一步繼續(xù)研究工程特點(diǎn),完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

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