高鐵鋪架施工智能化系統(tǒng)的研究與開發(fā)

張海哲

（中鐵三局集團(tuán)線橋工程有限公司，三河 065201）

高鐵鋪架施工由于涉及到的線路廣、工序繁多且施工質(zhì)量要求高、工期緊張、施工機(jī)械化程度較高等特點(diǎn)，施工過程中影響因素眾多，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性和連續(xù)性，必須采用系統(tǒng)而智能的方法分析[1]，是目前公認(rèn)的鐵路施工建設(shè)過程的難點(diǎn)之一，其施工質(zhì)量對(duì)于確保鐵路運(yùn)輸安全具有重要保障意義。傳統(tǒng)的高鐵鋪架施工進(jìn)度跟蹤和過程質(zhì)量監(jiān)控往往采用人工監(jiān)理的方式，效率和精確度都較差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高鐵鋪架施工的時(shí)效性和精確性要求?；谏鲜霰尘?，開發(fā)一款具有智能化數(shù)據(jù)分析的高鐵鋪架施工系統(tǒng)顯得尤為重要[2]，在充分調(diào)研一線施工工人的施工需求的基礎(chǔ)上，從組織施工調(diào)查模塊、設(shè)計(jì)文件審核模塊、竣工驗(yàn)收模塊、完善移交模塊等4個(gè)模塊對(duì)高鐵鋪架施工生命全周期進(jìn)行智能化管理[3]，以進(jìn)一步滿足高鐵鋪架施工對(duì)施工嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性、實(shí)踐性、智能化的要求，也在一定程度上提高了施工企業(yè)的智能化管理水平[4]，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)管理整體質(zhì)量的有效的提升，不斷推動(dòng)施工企業(yè)又好又快地發(fā)展。

1 系統(tǒng)需求分析

平臺(tái)的需求分析是平臺(tái)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)和保證，因?yàn)樾枨蠓治鲋笇?dǎo)研發(fā)方向，而研發(fā)方向?qū)ο到y(tǒng)的設(shè)計(jì)邏輯、工作量、組成和設(shè)計(jì)方式有著極大的影響，對(duì)于高鐵鋪架施工智能化系統(tǒng)需要滿足這幾個(gè)方面：

（1）錄入初始信息，提升信息打理的便捷度。

（2）通過各種方式密切相關(guān)角色的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)其交換信息的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

基于系統(tǒng)需求分析，系統(tǒng)組成，如圖1所示。各個(gè)模塊的具體功能如下：（1）組織施工調(diào)查模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)制定調(diào)查提綱，進(jìn)行人員分工等；（2）設(shè)計(jì)文件審核模塊是平臺(tái)的核心模塊，負(fù)責(zé)工程數(shù)量審核、總軌料計(jì)劃提報(bào)等；（3）竣工驗(yàn)收模塊主要用于施工單位與驗(yàn)收單位之間的信息交互，主要負(fù)責(zé)施工質(zhì)量驗(yàn)收、施工規(guī)范性檢查、問題整改等；（4）完善移交模塊主要在驗(yàn)收通過的基礎(chǔ)上向鐵路部門移交使用，主要負(fù)責(zé)施工單位與鐵路部門交接工作和人員培訓(xùn)等。

圖 1 系統(tǒng)功能模塊組成示意圖

2.2 總體業(yè)務(wù)流程

由于高鐵鋪架施工總體業(yè)務(wù)流程受諸多因素的影響，不同地段施工任務(wù)，業(yè)務(wù)流程有較大差別，本文以“北京至張家口鐵路站前工程” 鋪架分部施工為例說明系統(tǒng)的總體業(yè)務(wù)流程，如圖2所示。

圖 2 系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)流程示意圖

2.3 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于實(shí)際應(yīng)用需求的考慮，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，模型-視圖-控制器（MVC）開發(fā)模式，多層體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

（1）表示層所顯示的系統(tǒng)界面，是由瀏覽器完成的。同時(shí)表示層與使用者之間的聯(lián)系也最為頻繁。

（3）要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，它決定了信息的安全性。

（4）要保證數(shù)據(jù)真實(shí)可靠有效。

（5）要便于后期的更新與維護(hù)。表示層有登錄、數(shù)據(jù)集管理、用戶管理和動(dòng)態(tài)鏈接庫調(diào)用界面等。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層，把現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)象轉(zhuǎn)化成為實(shí)體類。這一層面中，囊括了該系統(tǒng)劃分的基本類別，其分別是各類用戶、軟件測試規(guī)則、數(shù)據(jù)集優(yōu)化和動(dòng)態(tài)庫擴(kuò)展類等方面[5]。業(yè)務(wù)邏輯層包括接口層，接口層的作用在于對(duì)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層實(shí)施連接工作。這一系統(tǒng)內(nèi)的邏輯層有：SQL命令構(gòu)造類Salting和獲得安全數(shù)據(jù)類GetSafeData。

（3）數(shù)據(jù)訪問層的位置處于這一系統(tǒng)的最底層，且其只擁有一個(gè)基礎(chǔ)的單元數(shù)據(jù)庫，也就是Database，然而數(shù)據(jù)訪問層的作用卻十分重要，原因在于數(shù)據(jù)庫內(nèi)容有該系統(tǒng)全部的數(shù)據(jù)信息，故而數(shù)據(jù)訪問層的安全和整體系統(tǒng)的安全都是密切聯(lián)系、息息相關(guān)的。

2.4 訪問控制系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

在充分調(diào)研用戶需求和閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，確定了系統(tǒng)的總體功能模塊，系統(tǒng)總體上分為組織施工調(diào)查模塊、設(shè)計(jì)文件審核模塊、竣工驗(yàn)收模塊、完善移交模塊等，各個(gè)模塊對(duì)自身要發(fā)揮的功能進(jìn)行數(shù)據(jù)處置，不同的模塊也能夠進(jìn)行合作交流，使系統(tǒng)運(yùn)行的效率更高。根據(jù)本系統(tǒng)在實(shí)際操作實(shí)現(xiàn)階段，當(dāng)注冊(cè)用戶登錄系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)登錄的相關(guān)角色進(jìn)行特定的判斷，同時(shí)根據(jù)角色的不同為用戶展現(xiàn)出具有差異性的視圖，借助此類方法能夠使系統(tǒng)降低對(duì)于授權(quán)表的訪問，而基于角色的權(quán)限訪問控制（RBAC）主要是作用于管理員以及用戶之間，以此來減少對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問次數(shù)。因此，基于RBAC的訪問控制系統(tǒng)模型圖，如圖4所示。

圖4 基于RBAC的訪問控制系統(tǒng)模型圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)核心技術(shù)

3.1.1 數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)

目前，對(duì)數(shù)據(jù)倉庫公認(rèn)的定義是由科學(xué)家W.H.Inmon在其著作中提出的，他把數(shù)據(jù)倉庫描述為多個(gè)異構(gòu)數(shù)據(jù)源的有序集合，根據(jù)主題對(duì)其重新組合，而且數(shù)據(jù)一旦被放進(jìn)數(shù)據(jù)倉庫，就不能輕易修正。數(shù)據(jù)倉庫與傳統(tǒng)應(yīng)用的分散數(shù)據(jù)庫的最大區(qū)別是，它能夠把各個(gè)收集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到中央存儲(chǔ)庫[6]，并按照不同的類型收集整理重新排序以后，更有利于進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)分析和比較，這也使得它在實(shí)現(xiàn)上比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫更困難?？刂瞥绦驘o論是否處于忙碌狀態(tài)都能將數(shù)據(jù)批量地存入數(shù)據(jù)庫，但通常數(shù)據(jù)的批量存儲(chǔ)在控制程序不忙碌的時(shí)候進(jìn)行。存儲(chǔ)和管理，是數(shù)據(jù)倉庫的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)最后在用戶面前的表現(xiàn)形式由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理方式?jīng)Q定，這也是與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的區(qū)別?；谏鲜鼋榻B，結(jié)合本文所設(shè)計(jì)的高鐵鋪架施工智能化系統(tǒng)實(shí)際，數(shù)據(jù)倉庫的體系結(jié)構(gòu)，如圖5所示，與圖5相對(duì)應(yīng)，高鐵鋪架施工智能化系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫的實(shí)現(xiàn)核心代碼，如下所示：

SELECT Place of Origin. 正、站線鋪軌, Logistics. 無碴道床鋪設(shè), Products. 鋪岔, SUM(上碴整道)FROM Sales, logistics, Products, Place of Origin WHERE Sales. logistics_key = logistics.logistics_key

AND Sales. Place of Origin _key = Place of Origin.Locate_key

AND Logistics.Product_key = Products.Product_key

GROUP BY Dates. 組織施工調(diào)查，設(shè)計(jì)文件審核, Settlement. 竣工驗(yàn)收, Products. 完善移交。

圖 5 數(shù)據(jù)倉庫架構(gòu)示意圖

3.1.2 Apriori算法

Apriori算法是由Agrawal等人設(shè)計(jì)和研發(fā)出來的，這一算法起初是基于在數(shù)據(jù)庫中挖掘出對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目集格空間理論而產(chǎn)生的，從設(shè)計(jì)出來到現(xiàn)在，這一算法依舊是大多數(shù)新型頻繁項(xiàng)集發(fā)現(xiàn)算法的研究基石[7]，由于本文設(shè)計(jì)的高鐵鋪架施工智能化系統(tǒng)需要對(duì)施工進(jìn)度、施工質(zhì)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘預(yù)測，因此需要在平臺(tái)中集成Apriori算法，針對(duì)高鐵鋪架施工智能化系統(tǒng)，該算法實(shí)現(xiàn)代碼如下：

Li = {large 1-itemsets} : //表示的為全部的1-項(xiàng)S 頻集

F0R(k=2； k++) DO BEGIN

C^=apriori-gen{h^.) //表示的是由(k_l)-頻集而得到的K-侯選集

FOR all transactions teD DO BEGIN

Ct-5wZ)5e/(Ck，t)； //其中Ct表示為t中含有的全部候選集元素

FOR all candidates cg Q DO

cxount++；

END

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境

根據(jù)上文給出的系統(tǒng)架構(gòu)和總體功能模塊設(shè)計(jì)方案，在VS2012環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)，本文主要利用的是WindowsServer2008操作系統(tǒng)平臺(tái)，采用的硬件設(shè)備 CPU為英特爾酷睿i5，主頻3.0 GHz。系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)存為16 GB，存儲(chǔ)空間8 TB ，網(wǎng)絡(luò)帶寬20 M獨(dú)享。系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件是MSSQLServer2015。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，要滿足用戶利用瀏覽器來訪問系統(tǒng)的要求。為了使用戶能夠利用域名和IP來進(jìn)入系統(tǒng)，就要先對(duì)系統(tǒng)做服務(wù)器的布置與分配。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

本文開發(fā)的高鐵鋪架施工智能化系統(tǒng)作為“北京至張家口鐵路站前工程”智能化、信息化施工的重要組成部分，在鋪架施工過程中發(fā)揮了重要作用，為項(xiàng)目節(jié)約人員投入約30人，為項(xiàng)目節(jié)約投入資金約100萬元，該智能化系統(tǒng)的應(yīng)用，在確保架梁通道順暢、物料供應(yīng)及時(shí)、規(guī)避停窩工等方面發(fā)揮了重要作用，為企業(yè)樹立了良好的品牌形象。開發(fā)的高鐵鋪架施工智能化系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用到“北京至張家口鐵路站前工程”智能化、信息化施工時(shí)的實(shí)景圖，如圖6所示。

圖 6 高鐵鋪架施工智能化系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)景圖

4 系統(tǒng)性能測試

性能測試，是在大量訪問的情況下，平臺(tái)能否正常運(yùn)行、是否能滿足用戶需求的一種測試，一般通過并發(fā)用戶來完成系統(tǒng)性能測試工作[8]。本系統(tǒng)采用的是LoadRunner軟件檢測工具來完成系統(tǒng)一些性能的檢測，同時(shí)設(shè)置200個(gè)用戶在線登錄的情況下，所有參與體驗(yàn)的用戶在同一時(shí)間段內(nèi)反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)頁面的訪問，如圖7所示。從圖7可以看出，200個(gè)用戶訪問的情況都比較正常，可以進(jìn)行正常的運(yùn)行和流程的訪問，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間也比較符合用戶的要求，響應(yīng)速度＜1 s。

圖 7 系統(tǒng)測試資源監(jiān)控示意圖

對(duì)測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析的結(jié)果表明：并發(fā)數(shù)量即使一直在提升，對(duì)于程序而言并沒有太大的改變，雖然系統(tǒng)的用戶數(shù)量能夠超過規(guī)定的數(shù)值，對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)造成的時(shí)間卻非常短，可以忽略不計(jì)。同時(shí)，對(duì)于該系統(tǒng)而言，在其它功能上也趨于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)束語

高鐵鋪架施工學(xué)科跨度大、涉及的工序繁多，施工嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性、實(shí)踐性、智能化要求進(jìn)一步提升，基于此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款高鐵鋪架施工智能化系統(tǒng)，系統(tǒng)從組織施工調(diào)查、設(shè)計(jì)文件審核、竣工驗(yàn)收、完善移交等4個(gè)模塊對(duì)高鐵鋪架施工生命全周期進(jìn)行智能化管理，可以較好地滿足高鐵鋪架施工對(duì)施工嚴(yán)謹(jǐn)性等方面的要求，對(duì)提升我國高鐵鋪架施工智能化水平具有積極意義。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用和性能測試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能性、抗壓性等方面達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。