基于GIS的鐵路建設管理系統(tǒng)研究與設計

吳志勇,李盤靖,鞠傳香

(山東理工大學計算機科學與技術學院,山東淄博 255049)

2006年鐵道部建設司對各路局下發(fā)了《關于進一步加快鐵路建設項目管理信息系統(tǒng)建設和應用的意見》(鐵建設函[2006]810號),指出加快鐵路建設項目管理信息系統(tǒng)建設和應用是建設世界一流客運專線的必然要求,是提高鐵路建設管理水平的迫切需要,是有效控制投資的重要手段,是實現(xiàn)建設管理與運營管理有機結合的基礎保證[1]。同年4月,鐵道部建設司在武漢召開了推進鐵路建設信息化的會議,指出加快鐵路建設項目管理信息系統(tǒng)的推進,是努力提升建設項目管理水平的重要舉措。另外,“大力提升建設管理水平,依靠科學、規(guī)范的管理制度和機制,深入推進鐵路建設標準化管理”是鐵道部黨組提出的要求。為實現(xiàn)此目標,就必須借助現(xiàn)代科學手段優(yōu)化鐵路建設項目管理模式,加快推進現(xiàn)代化管理進程[2]。

1 鐵路建設工程項目管理特點

我國鐵路項目建設一般包括5個階段:立項決策(預可研和可研)、工程設計、工程實施、竣工驗收和后評價。其中在工程實施階段,施工控制尤為重要,控制范圍包括費用控制、進度控制、質量控制及安全控制等,同時項目監(jiān)理單位對工程施工和驗工計價實施監(jiān)理。鐵路建設工程項目管理的主要特點包括[3]:

(1)優(yōu)化管理的多目標性

在鐵路建設工程項目管理中,工期、質量、安全、投資之間存在著相互依賴、相互制約的對立統(tǒng)一關系。這就要求在信息化管理中對于進度控制、質量控制、安全控制和投資控制進行綜合考慮。

(2)計劃實施的多變性

在鐵路工程建設過程中,影響施工因素較多(例如:人員、材料、資金、機具、設備及自然和社會環(huán)境等),即使是經(jīng)過多方面綜合平衡而優(yōu)化的施工計劃,其變化也是不可避免的。為了對施工計劃的變化進行有效控制,應采用動態(tài)控制原理,使建設過程中每一階段的進度、質量和投資都得到有效控制。因此,在信息化過程中,所開發(fā)的系統(tǒng)應具備良好的自適應性,特別要求注重對動態(tài)數(shù)據(jù)或信息的處理能力。

(3)進度控制的多階段性

施工進度信息對于建設過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,進度等信息的反饋本身有一定的滯后期,加之對于施工單位的反饋信息進行匯總,如果依靠人工處理,也不能及時呈交至指揮決策層,控制周期的縮短受到了現(xiàn)實條件的限制。因此,在信息化管理系統(tǒng)的構建中,應以網(wǎng)絡在線形式為導向,從而提高進度控制的時效性。

(4)項目管理的多層次性

我國的鐵路建設項目管理是由項目法人公司(或鐵路建設指揮部)、建設監(jiān)理單位、工程局指揮部及施工現(xiàn)場項目經(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)的構建中,應強調(diào)用戶角色管理,多層次、全方位地強化管理。

根據(jù)上述分析可知,鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)是一個龐大復雜的多級遞階管理系統(tǒng),鐵路工程建設管理過程是一個多目標、多階段、動態(tài)優(yōu)化的控制過程[3]。因此,系統(tǒng)對鐵路建設項目管理過程中的進度控制進行分析,在有效的專業(yè)WBS(Work Breakdown Structure)基礎上[4],研究數(shù)據(jù)庫的來源與采集標準,并對進度管理模塊與其他模塊之間的關系進行詳細分析,結合鐵路建設的特點,提出基于施工日志進度數(shù)據(jù)自動生成模型、基于投資與物資管理的計劃與進度數(shù)據(jù)自匯總模型、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的工期預測模型,并給出進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 )、VR(虛擬現(xiàn)實 )技術的形象進度,從而實現(xiàn)鐵路建設工程項目的可視化管理[5]。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡解決方案

在鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)的構建中,為保證信息反饋的時效性,應以網(wǎng)絡在線形式為導向。根據(jù)項目和建設管理單位的實際情況,在現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎上進行統(tǒng)一規(guī)劃組建局域網(wǎng)。要求建設單位、施工單位使用統(tǒng)一規(guī)劃的工程管理系統(tǒng),使用統(tǒng)一的信息平臺及應用軟件,以保證工程的施工數(shù)據(jù)采集和信息管理工作。以向建設單位提供項目有關信息的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為核心,所建立的計算機網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。

根據(jù)鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)軟件結構,系統(tǒng)的硬件結構配置的原則是:(1)施工現(xiàn)場內(nèi)的所有服務器、圖形工作站、微機、檢測采集設備,用有線(同軸電纜、光纖)或無線進行互連。(2)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫服務器結點的數(shù)量、機型應根據(jù)項目模塊的劃分、數(shù)據(jù)量的大小、施工現(xiàn)場的布置確定。在分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)的支持下統(tǒng)一建庫,分項目管理。(3)統(tǒng)一布設現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集點,采集方式分自動采集和人工采集,通過數(shù)據(jù)集散點向相應的數(shù)據(jù)庫服務器結點傳送。

圖1 鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

3 系統(tǒng)GUI設計方案

鐵路系統(tǒng)數(shù)據(jù)繁多、存儲分散,缺乏統(tǒng)一的管理[6],通過GIS將各標段施工單位集成在GIS操作平臺上,并與鐵路建設指揮部相連接,如圖2所示。GIS作為整個信息管理系統(tǒng)的操作平臺和查詢顯示平臺,對標段建設進度情況、安全控制、物資管理、重難點工程等可形象化的動態(tài)顯示。

圖2 鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)GUI設計

4 系統(tǒng)結構設計方案

根據(jù)鐵路項目工程施工的方法技術及計算機軟件模塊劃分技術,把該系統(tǒng)的軟件結構分為4層[7]。

(1)操作系統(tǒng)軟件平臺: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)的運行效率、安全、開放性等等。

(2)支撐軟件層:該層是在操作系統(tǒng)之上應用軟件的支撐工具。從施工現(xiàn)場管理的實際需求來看,該層應由下述2個部分軟件構成。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng):它統(tǒng)一管理施工現(xiàn)場產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)及設計施工的技術經(jīng)濟數(shù)據(jù)(包括建筑物、設計標準、規(guī)范、質量控制因素等)。集中式與分布式數(shù)據(jù)庫相結合;分項目及主體建筑物建庫。它為其上層(項目管理層)提供數(shù)據(jù)信息服務。

圖形處理系統(tǒng):項目管理層應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)項目管理層:該層直接面向施工主體項目,并在支撐軟件層之上。由于項目的施工技術方法、管理的內(nèi)容不同,對軟硬件的要求也不同。

(4)高層項目管理:該層是整個系統(tǒng)的最高層,即項目管理層的上層。主要功能是綜合處理項目管理層的基層信息,協(xié)調(diào)項目管理層中各模塊間的管理調(diào)度功能。對施工現(xiàn)場的總體進度、工程質量、造價成本、投資4個重要因素實施管理、控制及調(diào)度。

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

5 系統(tǒng)技術解決方案

鐵路建設管理是涉及多部門、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程中,要對大量來自不同部門的基礎與技術數(shù)據(jù)進行分析和處理。系統(tǒng)科學地管理、分析這些信息是鐵路建設管理現(xiàn)代化的重要基礎。采用地理信息系統(tǒng)(GIS)建立鐵路建設管理信息系統(tǒng),是管理分析鐵路建設各類空間和非空間數(shù)據(jù)的最有力手段。因此,鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)將以GIS地理信息系統(tǒng)作為整個信息管理系統(tǒng)的操作平臺和查詢顯示平臺。在此平臺上構建的軟件架構如圖3所示。

主要技術及其解決方案如下。

(1)鐵路建設信息的標準化方法

圖3 鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)軟件框架

按照鐵路建設標準化管理的要求,“以數(shù)據(jù)為驅動”,將數(shù)據(jù)劃分為空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)三大類。結合標準化管理的要求,通過對鐵路建設工程項目管理數(shù)據(jù)規(guī)范進行研究和探索,建立起各類數(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(可擴展標記語言)技術。

(2)施工進度的標準化控制方法

針對鐵路建設管理中的特別需求,以WBS為導向,劃分施工專業(yè),分為拆遷、路基、橋涵、隧道、軌道、通信及信號、電力及電力牽引、給排水以及房建、大臨等工程,并根據(jù)各模塊的特點和具體需求,對其進行細化。從施工圖數(shù)據(jù)入手,對相關的檢驗數(shù)據(jù)進行解析,生成對應施工圖各項目的進度數(shù)據(jù),再建立施工圖各項目與工程量清單的對應關系模型,將底層的進度數(shù)據(jù)匯總到每個單位工程層面,實現(xiàn)進度數(shù)據(jù)與投資、物資數(shù)據(jù)的相互關聯(lián)模型,并展示形象進度;并對進度控制的原理分析,形成施工計劃與進度展示、計劃調(diào)整的閉環(huán)管理模型,如圖4所示。

圖4 鐵路建設進度控制流程

對鐵路專業(yè)WBS項目數(shù)據(jù)、單位工程施工組織設計等資料數(shù)據(jù)、各級單位施工計劃下達數(shù)據(jù)、施工圖數(shù)據(jù)、進度數(shù)據(jù)等進行分類,如屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù),為進度控制各級管理提供數(shù)據(jù)源,并提出數(shù)據(jù)庫表結構的設計原則。

(3)鐵路建設工程的可視化管理技術

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

(4)鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)的架構

SOA(面向服務的體系結構)是軟件體系結構發(fā)展的最新成果,以其強健的業(yè)務適應性和快速響應能力,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”,鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)使用開放的、模塊化的、可重用、可擴展的系統(tǒng)架構。

6 系統(tǒng)實現(xiàn)

邯濟鐵路擴能改造工程是國家“十一五”規(guī)劃中的重點工程,工程為既有邯濟線(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)、濟南樞紐相關工程,工程范圍全長248.61正線km,增建晏城北至焦斌線路長度15.62 km。

鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)以邯濟擴能改造工程為依托設計實現(xiàn),開發(fā)環(huán)境采用 Visual Studio 2008(ASP.NETC號),數(shù)據(jù)庫采用 SQL SERVER 2005,系統(tǒng)主界面結構如圖5所示。

地圖開發(fā)采用XML+FLASH實現(xiàn),地圖信息包括建設指揮部、施工指揮部、項目部、施工車站、施工大橋、制存梁場和預制場等施工相關熱點,用戶通過點擊地圖熱點可以查看工程概要、設計資料、施工形象化進度等信息,如圖6所示。

通過對系統(tǒng)的使用,實現(xiàn)了工程進度實時監(jiān)控,工程資料共享,信息及時傳遞,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 施工形象化進度

7 結論

實踐表明,鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)的上線使用提高了工程管理水平。通過系統(tǒng)及時掌握工程進度和建設生產(chǎn)信息,對領導決策提供數(shù)據(jù)保證。各種建設施工規(guī)范文檔的共享促進了工程建設的規(guī)范化,保證了生產(chǎn)安全和生產(chǎn)質量。用戶界面引入地理信息保證了系統(tǒng)的直觀性,方便了用戶操作。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,完善系統(tǒng)結構。

[1] 付國成,佟曉生.鐵路建設項目管理信息化發(fā)展趨勢與對策[J].鐵路計算機應用,2010(4):20-22.

[2] 楊尚輝.鐵路建設項目信息化管理系統(tǒng)的建立[J].中國西部科技,2010(4):66-67.

[3] 胡琳娜,謝勝強.基于GIS的鐵路建設項目投資管理信息系統(tǒng)設計研究[J].中國管理信息化,2009(2):52-54.

[4] 江 萍,成 虎.施工項目結構分解(WBS)方法及準則研究[J].東南大學學報:自然科學版,2000(4):105-108.

[5] Wu CL,et al.GeoView:A computer-aided system for informatization of geological and mineral resources survey and exploration works[J].GISAND SPATIAL ANALYSIS,2005(1):958-963.

[6] 李 洋,劉 影,劉仍牽.鐵路地理信息系統(tǒng)(RGIS)元數(shù)據(jù)問題研究[J].中國鐵道科學,2003(5):75-79.

[7] 張海藩,倪 寧.軟件工程[M].3版.北京:人民郵電出版社,2010:66-69.

[8] 譚樹人,張茂軍,程 鋼,等.增強現(xiàn)實電子沙盤及關鍵技術研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2007(40):4727-4730.

[9] 張韜,應 時.基于統(tǒng)一建模語言的面向服務體系結構的描述[J].計算機工程,2005(16):89-91.