基于云平臺的鐵路施工信息管理系統的研究與應用

秦剛 薛小慶

摘? 要： 研究目的：隨著中國鐵路建設企業新型管理模式的推行，作業單位分散性和流動性不斷加強，使得企業對整體施工信息的管理難度加大，影響著企業決策的制定和資源調度的有效進行。針對上述問題我們開發了一套鐵路施工信息管理系統并在云端服務器平臺上部署。研究結論：（1）虛擬服務器的使用解決了施工單位在跨區域和不同通信運營商下，訪問服務器的速率低和網絡不穩定對工作效率造成的影響;（2）基于J2EE的信息管理系統支持異構環境以及多種數據類型的整合提高了適用性;（3）將優化的粒子群算法和維特比算法引入到鐵路施工物資調度系統輔助人員進行調度決策;（4）與第三方手機APP的無縫對接實現了作業一線的移動辦公，提高了工作效率。

關鍵詞： 鐵路施工;信息管理系統;云平臺;調度算法;移動辦公

【Abstract】： Research purposes： With the implementation of the new management mode in Chineserailway Construction industry， the decentralization and personnel mobility of operation units are constantly strengthened， which makes it more difficult for enterprises to manage the overall construction information， and affects the decision-making of enterprises and the effective implementation of resource scheduling. In view of the above problems， we have developed a railway construction information management system and deployed it on the cloud server platform. Research conclusions： （1） The use of CVM solves the impact of low access rate and network instability on work efficiency of construction units in cross-regional and different communication operators; （2） The J2EE-based information management system supports heterogeneous environments and integration of multiple data types to improve applicability; （3） The optimized particle swarm optimization and Viterbi algorithm are introduced into the railway construction material dispatching system to assist personnel in scheduling decision; （4） Seamless docking with third-party APP achieves mobile office on the front line of work ， improving work efficiency.

【Key words】： Railway construction; Information management system; Cloud computing; Scheduling algorithm; Mobile OA

0? 引言

隨著鐵路工程局大面積推行精細化管理以來，一線施工組織逐步向精簡化與專業化發展。從企業整體管理層面來看，一線施工組織呈現出結構簡單化、區域分散化、調度頻繁化的新特點。在此背景下未來施工企業管理面臨的難題也日益突出：

（1）空間的分散性造成資源調度困難。鐵路施工企業根據中標內容組織項目部（或作業隊）進行一線作業。在這種組織結構下物資的調配受實際地理情況，交通情況等因素約束很大，如果不能采取良好的調度策略會使得大量購買或租賃重復性資源。

（2）時間的滯后性導致管理機制的失效。由于資金、人員、物資等資源受實際施工情況變化很大，如果企業的決策層不能及時掌握這些資源的變化的信息，會導致下發的策略不能有效執行或者無法執行，使得企業整體管理機制失效，執行力下降。

（3）員工知識管理難度增大。Mariano Corso，Antonella Martini等（2006）[1]在其著作中明確指出，員工的知識和經驗成為企業最基本的資產，必須對其加以適當的管理。Kiesler和Cummings（2002）[2]等學者經過研究表明，由于分散性團隊成員之間缺乏知識共享環境，以及溝通和交流的困難，分散性員工的知識管理更加困難。Cramton（2003）[3]指出了分散性員工的知識管理存在以下問題：不能交流和保存來自不同成員的相關知識，信息的不平衡分配和團隊合作之間的沖突，相關信息評估的差異，信息運用速度的不同，難以衡量缺乏交流帶來的影響。這種現象使得員工與企業之間交流的隱性信息缺失，認同感相對一般企業來說普遍不高。在這種情況下企業的文化發展以及企業的創新能力都受到嚴重影響。

上述幾個方面嚴重制約著鐵路工程局精細化管理的進一步推進和企業自身未來發展。因此，為了滿足新型管理模式與企業信息化發展的需要，我們從技術角度出發，提出了基于云平臺的鐵路施工信息管理系統用于解決上述問題。

1? 系統設計

1.1? 企業組織結構

我們以中鐵某局下屬某分公司為例進行實例分析。該公司是以鐵路橋梁鋪架和無縫軌道焊接為主營業務的專業化分公司，施工以作業隊的形式進駐施工項目部為其提供鋪架和焊接服務。該公司的主要機構層次為：

（1）公司領導是決策層，對公司的施工信息有宏觀的把握，對各項審批具有相應權限。

（2）公司內部機構按職能劃為“五部一室”，辦公地點為固定地址。設有內網（局域網）和外網，辦公以臺式電腦為主。負責收集各作業隊人員上報信息并做統計分析后提供給決策層領導，以及按部門職能范圍下發領導審批后的文件傳達到各作? ?業隊。

（3）作業隊根據施工需求設立，一個項目內有單個或多個作業隊進行施工。流動性強，無固定施工地點。作業隊基層管理人員每日匯報施工進度以及其他信息資料。辦公設備主要以移動設備為主。

1.2? 需求分析

基于上述分析，我們設計的鐵路施工信息管理系統需要滿足以下幾方面需求：

（1）施工關鍵數據信息化的需求。隨著BIM技術等數字化的逐步推廣以及作業機構的人員精簡化的進行，都需要將技術人員從傳統的大量帶有重復信息的手寫表單的形式轉化成一次性輸入的形式，通過后臺程序生成指定表單。

（2）信息的可靠性需求。信息的可靠性是開展各項業務的保障，信息的滯后與失真都會影響公司決策層的決策策略與資源調度的執行效果。因此需要建立一個跨區域的支持異構環境的網絡鏈接以及持續穩定運行的服務器。

（3）數據整合與分析的需求。各職能部門對從現場上傳的所有信息進行匯總和分析，從中找到所需要的內容。這就需要一個將各種數據格式的上傳信息進行整合的平臺，以及能夠輔助相關人員從平臺內大量數據中歸類與分析的功能需求。

（4）良好的交互性需求。由于一線基層管理人員的文化程度差異很大，清晰簡潔的交互界面可以使一線管理人員更易獲得正確的信息以及在終端上熟練操作。

（5）數據共享性需求。同權限人員可以讀取相同的內容，并可在內部交流，為企業提供內部交流與學習的平臺。

（6）系統兼容性需求。在保障數據安全的基礎上系統需有良好的數據互通性，便于整合公司現有的信息服務（企業微信、釘釘等）。以及具有良好的可移植性、支持異構環境，保障各種終端設備可以訪問。

1.3? 網絡拓撲

傳統上各個跨區域的作業隊通過互聯網和電腦終端與公司內部進行信息交流或傳遞資料。因鐵路標段所在地域普遍比較偏遠，不僅上傳和下載速率受施工所在地網絡環境制約，而且企業內部網絡的穩定性也影響著工作效率。同時大量的數據存放于內部服務器中，不穩定的網絡造成現場的終端與數據庫之間經常斷開，會導致數據丟失或操作重復使得信息準確性下降。為了解決上述難題，我們設計將開發的施工信息管理系統放入云端服務器運行。我們設計的總體網絡拓撲圖如圖1所示。服務器集群從邏輯上劃分為五個相對獨立的功能服務器，其中各節點的分發和同步由管理服務器完成。

1.4? 功能模塊

平臺內的子系統按功能進一步分解，它們之間的關系如圖2所示（權限管理模塊涉及所有登錄人員未在圖中標出）。從圖中可以看出系統內關鍵性功能模塊有：權限管理模塊，表單與流轉管理模塊，數據庫管理模塊，調度算法模塊。

1.5? 非功能模塊

主要是實現與第三方程序對接，系統兼容與擴展，地理信息（GIS模塊）等輔助性模塊。

2? 系統平臺搭建

2.1? CVM服務器實例

相對于傳統服務器，采用云計算技術的虛擬云服務器（Cloud Virtual Machine，CVM）的優勢有：（1）負載均衡可以將流量分發到多臺CVM上，防止當文件、公告等資料下發時，所有人員同時訪問造成服務器擁堵。（2）采用BGP網絡可以最大兼容各種終端不同的通訊運營商接入實現公網入口故障

時跨域秒級調度，提高網絡的可靠性。（3）減少因停電、死機、硬件故障等突發事件造成的服務器癱瘓，保證業務的可用性。

我們將施工信息管理系統部署在虛擬云服務器內，該服務器為分布式架構采用對等連接（Peering Connection），具有多區域、多賬戶、多種網絡異構互通等特點。并且帶有公網加速等功能，可以解決跨區域多個或單個節點高速訪問的問題，為信息的及時性提供最大的保障[7-9]。我們選用的服務器實例為雙核16 GB高性能云硬盤，操作系統為Windows Server 2012 R2-64位（數據中心版），其他配置參數如圖3所示。

2.2? SQL類數據庫

相對于傳統的內部服務器，云數據庫的優點有：（1）云數據庫的使用可以減少施工企業這樣非IT企業在使用數據庫時的維護和升級，使企業專注于自身業務的發展。（2）在線的主從兩份數據存儲，并支持跨可用區部署，保障了數據的安全可靠。我們在云端使用MySQL類數據庫，其結構如圖4所示。

3? 基于J2EE的施工信息管理系統的實現

J2EE是專注于企業級開發的一組技術規范?；贘2EE架構的軟件在不同平臺之間有良好的移植性、安全性，其中JDBC等接口可以將不同的數據類型和格式進行整合[10-11]。為實現云平臺內的資源整合以及異構環境的需求，我們采用基于J2EE的開源軟件進行二次開發。按標準J2EE的技術體系 結構對施工信息管理系統進行描述為圖5所示層次關系。

3.1? 關鍵性功能模塊實現

3.1.1? 調度算法

（1）消耗性物資的調度算法

合理的資源調度可以減少運輸成本和資產成本。假設N個作業單位同一物資告急，現有多余物資可調配的臨近作業單位M個（且M

我們將不同M點的運輸能力轉化成相同運輸速度和運力下不同到達需求點時間，這樣問題就轉化成為帶時限的多出救點物資調度的數學模型。因此，我們采用一種帶有高斯優化的粒子群算法輔助人員進行調度策略，并根據文獻結論[5]該算法有較高的尋優能力。算法描述如下[5]：

第一步，初始化參數：粒子群規模n和相關? ?參數。

第二步，適應度計算：計算每個粒子的適應度值，并檢查是否滿足約束條件。

第三步，對于每個粒子，如果粒子的當前適應度優于個體極值pbest，pbest設置成當前粒子的適應度。如果粒子的當前適應度優于全局極值gbest，則gbest設置成當前粒子的適應度。

第四步，判斷粒子群是否陷入早熟收斂。

第五步，非線性優化，并轉至第三步。

第六步，執行高斯優化計算高斯優化后pbest和gbest的值，并和先前記錄中的pbest和gbest進行比較，如優于之前的記錄，則更新記錄中的pbest和gbest。

第七步，判斷是否達到最大迭代次數Nmax。如是，輸出最優解，否則轉第四步。

（2）非消耗性物資周轉算法。

鐵路施工所用的物資體積和質量較大，一般使用后不會將其返還，而是交給下一個項目（或作業隊）。周轉目標是在最短的時間內最大化的滿足作業單位需求數量。因此，我們將流轉周期按時間分為運輸時間，使用時間，以及將需求方的緊急程度按最低滿足期限進行時間換算，將物資當前位置設為起點，物資需求的最遠地點設為終點，這樣就將對某個資源的整個物資流動行為轉化一個多層多步驟的有向無環圖下的動態規劃并求其最優解問題。

在這個數學模型下我們選用維特比算法找到最優選擇項，維特比算法的基礎可以簡單概括為下面幾步[4]：

第一步，從點S出發，對于第一個狀態的各個節點假定有n1個，計算出S到它們的距離，其中代表任意狀態1的節點。因為只有一步，所以這些距離都是S到它們各自的最短距離。

3.1.2? 組織與權限管理

管理系統內部主要分為三個權限類別：超級管理員，部門（或業務）管理員，普通員工。超級管理員負責對整體系統的維護與權限分配。部門管理員負責對職能范圍的數據與業務進行審批或修改。普通員工可以讀取權限的內容和在公共平臺的信息交流。超級管理員在按系統按該公司的實際組織結構進行劃分，如圖6所示。然后在每個組織根級目錄設置該組織的管理人，成員和職務，并給予相應的權限，如圖7所示。

3.1.3? 表單與流程

在設計制作各種表單和流程中使用可視化工具以方便人員操作。采用HTML5+CSS+JavaScript的組合滿足跨平臺以及J2EE框架的需要。

表單樣式設計如圖8所示，我們在原有的表單樣式基礎上根據各部門的業務需要和文件樣式，設計成專用表格進行文件下發或數據上報。

流程管理模塊是系統中最為關鍵的模塊，使用工作流可以提高工作效率，使得辦公更加透明。我們將流程主要設置為單向流程（逐級）與并行流程（協同）。在表建立后即可制作流程，通知相關人員查看或審批。工作流程的創建與使用主要分為如下幾個步驟：首先使用可視化工具創建工作流，指定每個節點審批的人員，如圖9所示。在審批節點中的每個人查看工作流信息，審批通過或選擇退回。所有人全部審批通過或審批流程中有人退回則該次審批結束。將表單和流程合并起來并于其他功能一起封裝，形成信息管理平臺的應用，如圖10? 所示。工作人員點擊相應圖標即可啟動應用，發起流程。

3.1.4? 數據庫管理

4? 結論

（1）云平臺的使用是鐵路信息化管理的一種創新，適用于我國目前分散性鐵路施工的實際需要，保障了信息交流，提高了工作效率。

（2）基于J2EE的信息管理系統穩定、拓展性強、維護簡單，為類似鐵路企業這類非IT企業的信息化升級提供了良好的解決方案。

（3）鐵路施工物資調度系統中采用高斯優化的粒子群算法和維特比算法可以輔助物資管理人員進行調度決策，節約企業成本。

（4）移動辦公可以使得一線作業人員及時獲得企業消息以及上傳施工信息，擺脫時間和場所局限，提高了工作效率。

（5）本系統的研究與應用是鐵路施工管理上的一次大膽嘗試，也為今后國內鐵路施工行業中“云制造”理念的發展和實踐提供有意義的借鑒。

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