生產信息三維管理系統研發應用初步探討

李志軍，趙康林

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

目前國內施工企業大多數已跨行業、跨區域經營生產，涵蓋了鐵路、公路、市政軌道交通、水利水電、房建等行業領域，工程項目地點的分布也越來越廣，很多企業甚至已進入國際市場。同時，近年來網絡覆蓋也越來越廣，無網絡區域越來越少，網絡技術和相應的軟硬件技術已達到了較高的程度。但許多企業工程項目生產過程的信息管理仍局限在傳統的人工填寫表格、文件上報機制中，處于人工單機辦公階段，即各下屬工程項目每天將普通辦公軟件(比如 WORD、EXCEL、CAD、圖片等)形成的單個項目生產信息多個文件上報，公司業務部門當天將這些文件進行逐個人工單機篩選，對數據采取逐個摘選、逐個匯總的方法，生成公司各類型數據報表，再將這些報表上報上級公司、報送公司管理層、上傳內部網公布和打印留存等。

人工單機辦公存在數據量龐大，重復匯總工作頻繁，相關業務數據規范性較差、隨意性高、準確性差、不易查看且及時性不足，無法快速查詢和統計分析生產信息數據的缺點，不僅耗費大量人力、財力，而且工程生產信息不能及時得到共享，也無法讓公司管理層直觀、實時、動態地掌握公司各個在建項目的生產進展情況，更無法為公司生產決策提供強有力的信息支持，制約了企業管理的現代化發展(見圖1)。因此，生產信息三維管理系統是現代工程施工企業與時俱進的需要。

圖1 人工單機辦公現狀Fig.1 Situation of manual stand-alone information management mode

目前國內現有相關的工程項目生產管理系統大多只實現了純數據的匯總、統計查詢功能［1］，而少數工程進度3D模型多是以低空遙感平臺獲取的高空間分辨率遙感正射影像圖為基礎數據生成的［2－3］，該種3D圖形生成方式易受現場環境因素制約，基礎設備花費較多，維護成本較高，并牽一發而動全身，圖片影像數據源龐大，轉化運行十分不暢。而生產信息三維管理系統是基于日常工程生產進度數據自動生成直觀、動態的3D工程模型來展示工程項目生產相關信息的，系統設備簡單，維護成本低廉，且無需真實影像錄入，僅輸入真實準確的生產進度數據便可即時生成生動的3D工程模型。

1 生產信息三維管理系統概述

生產信息三維管理系統(以下簡稱“系統”)是一套涉及施工企業生產信息三維管理的系統軟件，其關鍵特點是基于“Web3D虛擬現實”、“3D自動建模”及“數據庫”等各類市場成熟的軟件編程技術，充分結合各類型工程施工的專業特點，根據實際施工生產信息數據，自動處理并即時生成三維模擬工程圖形，以在線網頁瀏覽的模式生動展示工程進展，是能實現施工企業生產信息三維可視化管理的系統軟件。數據分析主要完成風險監控、項目基本信息、計劃和調度、工程量、協作分包、人力資源共7大類，三維展示主要有隧道工程、地下工程、路基工程、橋涵工程共4大類，可根據不同企業性質進行定制開發。

系統是以施工企業施工生產過程信息管理統計、分析和三維展示為核心，通過對工程從三維建模到日常數據上報，從數據匯總到統計分析，最后實現三維圖形人機交互的網絡共享，使得工程企業可以在第一時間掌握各項目最新施工狀況，并針對施工生產信息數據的類型，提供強大的查詢和統計分析工具，采取圖文并茂的方式，為工程企業的生產決策提供強有力的信息支持。

1.1 系統具體功能［4］

1)實現施工企業及項目機構與人員的集中化管理。能對企業、企業中間管理分級機構、項目部、施工場地、分項工程及工作面等機構的基本信息、人員進行統一管理。

2)實現對施工企業生產數據信息的實時動態三維模擬顯示，即施工生產信息的三維可視化管理。項目人員事先做好相應的工程構件設計工作，系統根據實時錄入的實際生產信息數據自動處理、轉換生成直觀、動態的三維模擬圖形，能對圖形進行放大、縮小、平移、切換等操作，采用點擊彈出框形式查看具體部位的生產信息等;目前可實現隧道、橋梁、路基、涵洞4類工程的三維圖形自動生成。

3)實現工程量的精細化管理。建立較為完備的鐵路、公路、市政的工程量清單，根據每月錄入工程量計劃及完成數據，自動匯總統計出產值完成情況。

4)實現風險預警功能。根據工程實際的實物量、工程量進度基礎數據和預定的預警指標，系統自動統計分析并發出預警，如隧道臺階、步距和變形點超標預警，工期、合同及其他預警等。

5)實現一鍵生成報表功能。提供更加便捷的自動查詢統計功能，提高報表生成的效率和準確性，為調度和計劃人員節約寶貴的時間，為施工企業決策及時提供依據。

1.2 研發的目的

生產信息管理系統的建設，可以工程企業自身的業務為出發點，服務于各個應用部門的實際工作，提升系統應用部門的生產效率。系統的建設能夠使工程企業從全局掌握生產及安全的動態，同時，又實現工程企業對內部事務的精細化管理［5］。

對整個系統的分類進行數據的管理、分析及展示，實現“管控一體、虛實一體”的管理目標(詳見圖2)，構建生產及安全的管控體系，服務于整個企業的決策支持，提升工程企業在整個行業的藝術管理水平。

系統基于互聯網技術的網絡軟件，實現工程企業生產信息管理的三維形象化、自動及時化、網絡交互化的目標和成果，實現工程企業內部各項目單位工程施工進度數據的采集、提交、匯總、統計、分析、管理、三維展示、預警及報表輸出。

系統基本可以實現計劃與調度人員的整合，也可真正實現無紙化辦公，節省人力和辦公成本，并突破工程企業生產信息管理純數據化的瓶頸［5］。

圖2 系統應用目標介紹示意圖Fig.2 Functions of 3D production information management system

1.3 研發內容、方式及難點

系統以如何第一時間、形象地掌握工程生產情況，如何滿足強大的數據查詢和統計分析功能為研究對象，采用參數化技術、三維模型構建技術、數據庫技術、網絡化技術等技術，建立滿足不少于100個施工項目單位且每個項目單位不少于5年施工周期的統一的、基礎性的、可量化及可匯總分析的網絡信息管理平臺，根據采集的工程日常數據信息，自動處理生成對應類型的三維工程圖形，以實現施工企業工程數據的匯總統計、管理分析、預警和報表導出功能。該系統需要項目人員事先做相應的工程構件設計工作，并按時錄入施工計劃及調度數據，系統才會根據填寫的數據自動生成三維圖形和報表數據、報警信息等。

整個系統研發的難點在于不同工程類型龐大生產數據的歸類、命名及各個參數確定工作，數據信息轉換成三維形象圖形，圖形的質量、表達內容的豐富和對龐大工程信息數據的處理速度和質量、系統操作便捷等方面(詳見圖3)。

1.4 系統架構設計

1.4.1 工程企業信息化總平臺架構

工程企業整體的信息化總平臺包括數據源、數據層、應用層和展現層［6］。

1)數據源包括與工程企業管理相關的各業務系統數據庫及各種格式的數據;

2)數據層包括數據的加工、處理、清洗、轉換，數據倉庫、數據共享區和圖形數據庫;

3)應用層主括支撐業務實現的查詢、多維分析、報表、模型構建和空間分析等技術組件;

4)展現層是展現給企業各個層級的領導所對應的各類業務應用，包括三維展示、業務追蹤、安全預警和報表等。

圖3 系統各個模塊設計碰到的主要問題Fig.3 Problems encountered in the design of the modules of the 3D production information management system

1.4.2 系統平臺

該系統是工程企業整個信息化總平臺數據源頭之一，是工程企業分析生產與經營的根本，是企業領導決策支持的重要依據。系統作為總平臺的先行啟動項目，需要完成對應的數據源的上報機制、分析機制及展示機制，才能及時反映工程生產信息，并將這些信息有效地組織、分析及展示，實現工程企業管理的信息化［7］。

1.4.3 系統具體部署設計

系統結構劃分為公司端和項目部端。公司端采用B/S架構，即打開IE網頁使用系統，面向公司和項目部用戶;項目部端采用C/S架構，即需要安裝單機版軟件程序，面向項目部用戶。各用戶端需要安裝Flash插件和3D圖形顯示插件，方可查看3D模型。系統平臺應用部署詳見圖 4［4－5］。

圖4 工程項目全生命周期管理信息平臺部署圖Fig.4 Structure of project full-life cycle management information platform

1.4.4 系統安裝設計1)安裝方案A。軟件自動安裝，采取點擊“下一步”的方式實現簡易安裝，步驟如下:安裝oracle數據庫—安裝Net Framework 3.5框架—建立oracle訪問數據庫客戶(用戶名和ID都為zt)—導入數據庫并創建視圖—設置IIS—安裝結束—系統調試，詳見圖5。

圖5 系統安裝步驟示意圖Fig.5 Installation procedure of the system

2)安裝方案B。Ghost版軟件系統，無需用戶再安裝各類軟件及系統，只需按照正常安裝Ghost操作系統方法安裝指定Ghost操作系統到目標服務器即可，此版Ghost系統集成了系統所需環境及系統本身。

1.4.5 系統界面設計

輸入網址 http://服務器 IP/login.aspx，登錄系統，輸入用戶名密碼點擊“登錄”按鈕，進入主界面，見圖6。

圖6 系統主界面Fig.6 Main interface of the system

1.5 系統功能實現思路及原理

利用數據庫、網絡等通用技術，建立了工程生產信息數據從創建、流轉、管理、共享及應用全過程的分塊自動處理機制，達到了數據管控一體化的要求，并為自動建模提供完備的數據基礎。系統運行及管理流程圖詳見圖7。

圖7 系統運行流程圖Fig.7 Operation flowchart of the system

操作流程說明:

1)工程企業管理員首先登陸系統，在機構管理模塊中建立下列機構及人員:①公司管理;②公司級中間分級機構管理;③項目管理;④項目部管理;⑤分項工程、工作面信息管理(工作面可以由項目部人員增加)。

2)項目部管理員數據下載(由項目部人員操作)。在數據下載模塊中下載項目、項目部、分項工程、工作面信息到本地服務器，此步驟需要公司端管理員分配的密碼。

3)項目部機構管理，由項目部人員完善如下信息:①修改項目部信息;②建立人員信息;③建立分包臺賬信息;④通過數據上傳模塊上傳公司(可以一部分一部分的傳)。

4)計劃與調度(由項目部人員操作):①三維建模(暗挖需要分項工程);②工作面的設計;③查看設計模型是否正確;④填寫施工計劃數據;⑤填寫三維形象進度數據，查看整體模型是否正確。填寫施工情況，上傳公司。

5)工程量錄入(由項目部人員操作):①建立工程量工作面的設計;②填寫工程量計劃數據;③工程量調度數據;④上傳公司。

6)變形點管理及其他預警信息(由項目部人員操作):①填寫變形點;②填寫其他預警信息;③上傳公司。

7)計算報警信息，并上傳。

8)統計分析:EXCEL報表，可以導出日報、周報、月報等數據報表，供分析使用。

9)項目部需要下載的數據(只需下載一次):①項目;②項目部;③分項工程;④工作面。

10)項目部需要上傳的數據:①項目部信息(上傳一次);②聯系人(上傳一次);③人員明細(上傳一次);④分包臺賬(上傳一次);⑤三維建模(上傳一次);⑥施工計劃(每次計劃完成后，上傳);⑦三維形象進度(每天填寫完成后，上傳);⑧工程量設計(上傳一次);⑨工程量計劃(每次計劃完成后，上傳);⑩工程量調度(每月填寫完成后，上傳);[11]變形點(每天填寫完成后，上傳);[12]預警(周末計算一次，上傳)。

11)上傳日期說明:①調度上傳日期，以實際發生日期為準;②計劃上傳日期，以計劃起始日期為準。

1.6 系統具體實施方式

項目部端用戶可以逐塊進行離線錄入和聯網上傳數據，通過從數據庫中上傳、下載信息數據，公司服務器端和項目部端系統實現數據對接，并通過通用的計算機編程，實現數據查詢和統計分析等數據處理功能;項目安裝項目部端系統后，聯網并下載公司服務端基礎數據后，開始錄入并上傳生產信息數據。

公司端系統需事先建立項目部端的基本機構。公司端系統管理員需事先建立某一項目的機構框架，如項目名稱、項目部機構、項目部從公司端服務器下載基本信息的密碼、項目施工場地、分項工程、工作面信息;項目部端系統安裝并調試完畢后，首先需要登錄公司服務器下載本項目部的基本信息，下載密碼需和公司端管理員設置的密碼匹配，然后進一步完善本項目部機構與人員信息，詳見圖8。

圖8 系統機構與人員管理界面Fig.8 Organization and staff management interface of the system

根據項目部上報的工程進度數據進行3D模型的構建，反映不同工程項目實際完成情況及問題所在，并能夠以3D分析與數據分析相結合的方式，宏觀展現工程項目的總體情況，同時可追溯到施工方法、進尺、安全和計劃等明細數據，輔助發現現象背后的問題成因。三維圖形模擬展示工程進展，是根據各類型(如隧道、路基、橋梁、涵洞、基坑等)工程較為普遍的圖形特點，利用“數據庫”、“網絡”、“Web3D 虛擬現實技術”及“3D自動建模技術”等比較成熟的軟件編程手段，基于各類現實工程設計數據或測量數據，經由計算機程序的一系列模型構建算法及數據處理，形成3D模型的過程。優點是速度快，操作方便，可實現自動化和序列化過程，適合專業項目快速建模。圖9為實現工程項目生產信息三維可視化管理流程圖。

圖9 工程項目生產信息三維可視化管理流程圖Fig.9 3D visualized management procedure of the system

1)工程3D模型設計。用戶設計操作簡單，無需額外的測量工作，便可實現各類型工程3D模擬圖形的即時自動生成。系統基于通用的3D自動建模、Web3D虛擬現實、數據庫、網絡及計算機編程等成熟的電腦技術，充分結合了隧道、橋梁、路基、涵洞等各類型工程的專業特點及施工工藝等參數，預先生成了各類型工程構件的基本三維模型，如隧道正洞、斜井、豎井、橫通道、開挖工藝(臺階、多部等)、二次襯砌，橋梁樁基、承臺、墩柱、蓋梁、梁片，路基路面、挖填方，涵洞土方開挖、板墻結構等，項目部端用戶根據工程設計圖紙，確定工程含有的構件種類、個數、大小及相對位置關系，并錄入相關數據及位置參數，系統即可自動拼裝組合并即時生成工程模擬圖形;用戶對工程各工作面的設計施工實物量進行錄入，并對應、關聯3D模型的某個構件和施工起始點，3D模型設計工作至此結束。3D模型設計操作簡單，且即時構建即時查看，方便快捷，可斷網單機操作，錄入完畢，便可聯網上傳公司服務器，公司服務器即可查看圖形等信息。圖10為隧道工作面實物量設計圖，圖11為隧道3D模型設計示意圖。

圖10 隧道工作面實物量設計圖Fig.10 Design of working volumn at tunnel face

圖11 隧道3D模型設計示意圖Fig.11 Design of 3D model of tunnel

2)3D模型實時自動表達生產信息。3D模型可適應工程進度數據的實時變化，解決工程進度數據和三維模型數據的冗余性，實現自動實時表達工程項目生產信息。系統采取填充不同顏色、控制顏色體的長度來區分各施工工序及工程構件施工狀態、施工進度，通過用戶實時錄入的生產進度數據，系統可自動處理，自動完成3D模擬圖形填充顏色及長度的變化，并實時關聯數據庫信息，完成在三維場景下的生產信息搜索和管理，點擊各相關工程構件即可調出該部位(工序)詳細的施工生產進度情況，實現通過3D模擬圖形對各類型工程生產信息的精確實時表達，用戶可隨時形象生動地在線同步查閱各項目工程的施工進展。如隧道3D模型中，隧道圍巖為黃色填充物、隧道開挖完畢為土色填充、拱墻二次襯砌分別為暗紅和藍色填充物、底板為綠色填充物，系統事先根據用戶錄入的各工序的設計施工實物量數據，生成對應長度的各工序不同顏色填充物，然后再根據用戶日常錄入的隧道各工序施工進度數據，自動計算相應的變化填充物長度來顯示進度，要查看具體進度信息，可點擊相關工序或構件，即可查看詳細生產信息，詳見圖12和圖13。橋梁3D模型中的樁基、蓋梁等構件的生產狀態分開挖、鋼筋綁扎、關模、澆筑混凝土等，采用不同顏色來區分各自狀態，點擊相關構件即可查看詳細生產信息。路基、涵洞工程與隧道工程相同，預先設定各工序設計施工實物量或總長度，生成不同顏色的填充物，根據日常實際工作中的各工序進度數據，自動計算填充物變化長度來顯示進度，點擊相關構件即可查看詳細生產信息。圖14為橋梁施工3D模型圖，圖15為路基施工3D模型圖，圖16為涵洞施工3D模型圖。

圖12 CRD分部開挖法隧道施工3D模型圖Fig.12 3D model of tunnel constructoin by CRD method

圖13 臺階開挖法隧道施工3D模型圖Fig.13 3D model of tunnel construction by bench cut method

3)監測預警。建立工程項目監測指標體系，反映進度計劃、施工項目、安全控制等方面的實時數據，把握工程項目的計劃、生產、安全及產值等的動態及進展情況。通過業務規則、預警規則的定制，及時對異常、違規、投機等現象進行預警，進而為規范項目工程提供依據，保質保量地完成每個項目工程。同時，將風險管控融入到3D模型中，實現風險的實時監控。例如隧道的監控量測變形異常，達到報警級別，3D模擬圖形中相應的工作面位置會不停的閃爍，提示用戶此處存在風險報警信息，用戶點擊可進一步點擊查看詳細的風險管控信息以及變形趨勢分析圖等，便于用戶及時發現問題，并作出決策。圖17為變形點趨勢圖。

4)在線網頁瀏覽3D模型操作。實現了放大、縮小、旋轉、平移等操作和構件名稱的自動顯示和隱藏，最大亮點是實現了工程施工作業面的一鍵自動切換查看功能，用戶能第一時間查看某工程模型中某個構件或施工面的施工進展情況，給用戶更加直觀、便捷的體驗。

5)工程量管理與統計。工程量是以價值計量單位對項目各分項或構件的實際產值的量度和表示。通常以元為計量單位，以施工材料(如鋼筋、水泥、挖土石方、填土石方等)在施工過程中消耗、發生的實際數量為依據，與材料單價相乘后，分類匯總計算產生，數據填寫后，自動根據工作面、分項工程、項目部、項目逐級匯總產值，實現工程數據的精細化管理和自動化匯總分析。系統重點綜合了12類工程的施工專業特點，包括明/暗挖隧道、TBM/盾構隧道、橋梁、涵洞、路基、排樁/放坡/蓋挖/房建基坑、出入口和站場等，建立了較為統一的數據管理機制，實現了工程數據的精細化管理和自動化匯總數據報表，替代了日常工程項目生產信息報表上報式的業務模式，同時系統一律采用表單式數據錄入模式，操作簡單，降低了工作壓力，提高了工作效率。其中，工程項目實物量、工程量數據的管理均采用設計、計劃、實際的管理模式，以工程量數據管理為例，用戶只需將本工程的工程量設計清單錄入1次，在錄入工程量計劃和實際完成數據時，就可以直接將設計清單細目復制，再以表單的方式整體修改、編輯，不必再重新錄入清單細目，系統將自動匯總統計出結果，極大地提高了工作效率，詳見圖18—21。

6)數據標準。系統匯集并整合了企業工程項目管理部門數據類型，建立了數據標準化格式，實現了數據的上傳及統計分析的口徑一體化，并擴大了業務數據應用的廣度及深度;同時，為工程企業整體信息化平臺打下了良好的數據標準基礎。

7)數據傳輸。系統結合項目部端的工作環境及應用特點，提供了項目端在下載項目數據及上報項目工程進度數據時，“一鍵式”數據傳輸功能，即系統自動把項目部數據直接上傳，匯總到服務器端，不需要公司端任何操作，并且能快速查詢出哪些項目部沒有上報數據，滿足公司端管理的需要，如圖22所示。

8)統計報表導出。系統提供一致化的報表功能，報表類別多種，數據統計完全滿足現有工作需要。報表的出具是一鍵式，能大大提高整體工作效率，以前往往需要幾天時間統計生成報表，現在可以直接導出所需要的6大類報表，見圖23和圖24。

圖14 橋梁施工3D模型圖Fig.14 3D model of bridge construction

圖15 路基施工3D模型圖Fig.15 3D model of subgrade construction

圖16 涵洞施工3D模型圖Fig.16 3D model of culvert construction

圖17 變形點趨勢圖Fig.17 Deformation point chart

9)權限管理。系統除了提供菜單級別權限控制，還提供按鈕級別權限控制，即哪些人可以增加，哪些人可以修改，哪些人可以刪除，可以根據不同需要作不同設置［7］。

系統在實現對施工企業各工程生產信息精細化管理和自動匯總統計分析的同時，可基于日常工程進度數據，自動即時生成所承建工程的3D模型圖，直觀、實時、自動的展示所承建工程的生產進度情況及相關生產信息，使施工企業對工程生產信息的管理達到三維可視化。

2 系統的特點

1)融合了3D技術與數據分析技術，實現了“以工程進度為核心，以3D平臺為載體”的整合。

2)打通了施工企業進度管理的各環節的業務數據，構建出了工程施工進度的全生命周期全景。

3)以需求為導向，服務于施工企業工程管理部門的全局用戶。

4)自動的、可判斷的數據處理，保證數據的真實性、準確性和及時性。

5)形象、生動的展示形式，更直觀的詮釋數據信息。

6)報警和預警提醒功能，有效識別工程施工過程中存在的風險情況。

7)簡單、便捷、友好的操作界面，易于學習掌握。

圖18 各項目某月實物量完成情況Fig.18 Working volume of each project fullfilled in a month

圖19 各項目某月產值完成情況Fig.19 Production value of each project fullfilled in a month

圖20 某項目工作面產值完成情況Fig.20 Production value at a working face fullfilled in a month

圖21 各項目產值情況Fig.21 Production value of each project

圖22 數據傳輸Fig.22 Data transmission

圖23 各項目施工計劃Fig.23 Construction plan of each project

圖24 各項目施工進度日報Fig.24 Daily report of construction progress of each project

3 系統的應用效果

系統經在北京地鐵六號線一期項目、仁赤高速公路項目及山西中南部鐵路通道項目的試運行、實踐應用，效果較好，有效地降低了人力、物力資源，并有如下應用效果:

1)打通施工企業工程施工進度管理業務的各個環節，消除信息孤島，規范了業務口徑;

2)極大地擴大了施工企業工程施工數據應用的廣度和深度，全面提升了決策能力和決策效率;

3)建立了高效的數據交換通道，加強了業務數據互通共享、上下級間業務協同;

4)動態、三維的數據發布，提升了施工企業對業務的分析及處理能力;

5)建立了工程信息資源標準，全面提升和優化了施工信息化整體環境。

4 結論與體會

生產信息三維管理系統實現了基于日常工程生產進度數據自動生成直觀、動態的3D工程模型來展示工程項目生產相關信息的目標。運用該系統模擬再現的三維環境，能方便、實時、快速地按照空間位置，形象、直觀、準確、可視化地展現、查詢、統計、分析管理工程生產信息;借助該系統，施工管理者能夠直觀、便捷、可視化掌握工程實施過程中存在的問題，大大提高對工程建設狀況的感知能力。

未來的生產信息管理技術發展方向是更加信息化、更加高效化和更加直觀化。生產信息三維管理系統在施工企業信息化管理方面具有較好的應用推廣價值，然而著眼未來，該系統要改變傳統軟件帶給人的固有工作慣性，還需不斷摸索前進，通過局部應用帶來效益和效率提高后，再實施全面推廣。

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