基于云平臺(tái)的鐵路施工信息管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

秦剛 薛小慶

摘? 要： 研究目的：隨著中國(guó)鐵路建設(shè)企業(yè)新型管理模式的推行，作業(yè)單位分散性和流動(dòng)性不斷加強(qiáng)，使得企業(yè)對(duì)整體施工信息的管理難度加大，影響著企業(yè)決策的制定和資源調(diào)度的有效進(jìn)行。針對(duì)上述問題我們開發(fā)了一套鐵路施工信息管理系統(tǒng)并在云端服務(wù)器平臺(tái)上部署。研究結(jié)論：（1）虛擬服務(wù)器的使用解決了施工單位在跨區(qū)域和不同通信運(yùn)營(yíng)商下，訪問服務(wù)器的速率低和網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定對(duì)工作效率造成的影響;（2）基于J2EE的信息管理系統(tǒng)支持異構(gòu)環(huán)境以及多種數(shù)據(jù)類型的整合提高了適用性;（3）將優(yōu)化的粒子群算法和維特比算法引入到鐵路施工物資調(diào)度系統(tǒng)輔助人員進(jìn)行調(diào)度決策;（4）與第三方手機(jī)APP的無(wú)縫對(duì)接實(shí)現(xiàn)了作業(yè)一線的移動(dòng)辦公，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞： 鐵路施工;信息管理系統(tǒng);云平臺(tái);調(diào)度算法;移動(dòng)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(xì)化管理以來，一線施工組織逐步向精簡(jiǎn)化與專業(yè)化發(fā)展。從企業(yè)整體管理層面來看，一線施工組織呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、區(qū)域分散化、調(diào)度頻繁化的新特點(diǎn)。在此背景下未來施工企業(yè)管理面臨的難題也日益突出：

（1）空間的分散性造成資源調(diào)度困難。鐵路施工企業(yè)根據(jù)中標(biāo)內(nèi)容組織項(xiàng)目部（或作業(yè)隊(duì)）進(jìn)行一線作業(yè)。在這種組織結(jié)構(gòu)下物資的調(diào)配受實(shí)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(diào)度策略會(huì)使得大量購(gòu)買或租賃重復(fù)性資源。

（2）時(shí)間的滯后性導(dǎo)致管理機(jī)制的失效。由于資金、人員、物資等資源受實(shí)際施工情況變化很大，如果企業(yè)的決策層不能及時(shí)掌握這些資源的變化的信息，會(huì)導(dǎo)致下發(fā)的策略不能有效執(zhí)行或者無(wú)法執(zhí)行，使得企業(yè)整體管理機(jī)制失效，執(zhí)行力下降。

（3）員工知識(shí)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(shí)和經(jīng)驗(yàn)成為企業(yè)最基本的資產(chǎn)，必須對(duì)其加以適當(dāng)?shù)墓芾?。Kiesler和Cummings（2002）[2]等學(xué)者經(jīng)過研究表明，由于分散性團(tuán)隊(duì)成員之間缺乏知識(shí)共享環(huán)境，以及溝通和交流的困難，分散性員工的知識(shí)管理更加困難。Cramton（2003）[3]指出了分散性員工的知識(shí)管理存在以下問題：不能交流和保存來自不同成員的相關(guān)知識(shí)，信息的不平衡分配和團(tuán)隊(duì)合作之間的沖突，相關(guān)信息評(píng)估的差異，信息運(yùn)用速度的不同，難以衡量缺乏交流帶來的影響。這種現(xiàn)象使得員工與企業(yè)之間交流的隱性信息缺失，認(rèn)同感相對(duì)一般企業(yè)來說普遍不高。在這種情況下企業(yè)的文化發(fā)展以及企業(yè)的創(chuàng)新能力都受到嚴(yán)重影響。

上述幾個(gè)方面嚴(yán)重制約著鐵路工程局精細(xì)化管理的進(jìn)一步推進(jìn)和企業(yè)自身未來發(fā)展。因此，為了滿足新型管理模式與企業(yè)信息化發(fā)展的需要，我們從技術(shù)角度出發(fā)，提出了基于云平臺(tái)的鐵路施工信息管理系統(tǒng)用于解決上述問題。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 企業(yè)組織結(jié)構(gòu)

我們以中鐵某局下屬某分公司為例進(jìn)行實(shí)例分析。該公司是以鐵路橋梁鋪架和無(wú)縫軌道焊接為主營(yíng)業(yè)務(wù)的專業(yè)化分公司，施工以作業(yè)隊(duì)的形式進(jìn)駐施工項(xiàng)目部為其提供鋪架和焊接服務(wù)。該公司的主要機(jī)構(gòu)層次為：

（1）公司領(lǐng)導(dǎo)是決策層，對(duì)公司的施工信息有宏觀的把握，對(duì)各項(xiàng)審批具有相應(yīng)權(quán)限。

（2）公司內(nèi)部機(jī)構(gòu)按職能劃為“五部一室”，辦公地點(diǎn)為固定地址。設(shè)有內(nèi)網(wǎng)（局域網(wǎng)）和外網(wǎng)，辦公以臺(tái)式電腦為主。負(fù)責(zé)收集各作業(yè)隊(duì)人員上報(bào)信息并做統(tǒng)計(jì)分析后提供給決策層領(lǐng)導(dǎo)，以及按部門職能范圍下發(fā)領(lǐng)導(dǎo)審批后的文件傳達(dá)到各作? ?業(yè)隊(duì)。

（3）作業(yè)隊(duì)根據(jù)施工需求設(shè)立，一個(gè)項(xiàng)目?jī)?nèi)有單個(gè)或多個(gè)作業(yè)隊(duì)進(jìn)行施工。流動(dòng)性強(qiáng)，無(wú)固定施工地點(diǎn)。作業(yè)隊(duì)基層管理人員每日匯報(bào)施工進(jìn)度以及其他信息資料。辦公設(shè)備主要以移動(dòng)設(shè)備為主。

1.2? 需求分析

基于上述分析，我們?cè)O(shè)計(jì)的鐵路施工信息管理系統(tǒng)需要滿足以下幾方面需求：

（1）施工關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息化的需求。隨著BIM技術(shù)等數(shù)字化的逐步推廣以及作業(yè)機(jī)構(gòu)的人員精簡(jiǎn)化的進(jìn)行，都需要將技術(shù)人員從傳統(tǒng)的大量帶有重復(fù)信息的手寫表單的形式轉(zhuǎn)化成一次性輸入的形式，通過后臺(tái)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(xiàng)業(yè)務(wù)的保障，信息的滯后與失真都會(huì)影響公司決策層的決策策略與資源調(diào)度的執(zhí)行效果。因此需要建立一個(gè)跨區(qū)域的支持異構(gòu)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)鏈接以及持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的服務(wù)器。

（3）數(shù)據(jù)整合與分析的需求。各職能部門對(duì)從現(xiàn)場(chǎng)上傳的所有信息進(jìn)行匯總和分析，從中找到所需要的內(nèi)容。這就需要一個(gè)將各種數(shù)據(jù)格式的上傳信息進(jìn)行整合的平臺(tái)，以及能夠輔助相關(guān)人員從平臺(tái)內(nèi)大量數(shù)據(jù)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(jiǎn)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(shù)據(jù)共享性需求。同權(quán)限人員可以讀取相同的內(nèi)容，并可在內(nèi)部交流，為企業(yè)提供內(nèi)部交流與學(xué)習(xí)的平臺(tái)。

（6）系統(tǒng)兼容性需求。在保障數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)上系統(tǒng)需有良好的數(shù)據(jù)互通性，便于整合公司現(xiàn)有的信息服務(wù)（企業(yè)微信、釘釘?shù)龋?。以及具有良好的可移植性、支持異?gòu)環(huán)境，保障各種終端設(shè)備可以訪問。

1.3? 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

傳統(tǒng)上各個(gè)跨區(qū)域的作業(yè)隊(duì)通過互聯(lián)網(wǎng)和電腦終端與公司內(nèi)部進(jìn)行信息交流或傳遞資料。因鐵路標(biāo)段所在地域普遍比較偏遠(yuǎn)，不僅上傳和下載速率受施工所在地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境制約，而且企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性也影響著工作效率。同時(shí)大量的數(shù)據(jù)存放于內(nèi)部服務(wù)器中，不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)造成現(xiàn)場(chǎng)的終端與數(shù)據(jù)庫(kù)之間經(jīng)常斷開，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或操作重復(fù)使得信息準(zhǔn)確性下降。為了解決上述難題，我們?cè)O(shè)計(jì)將開發(fā)的施工信息管理系統(tǒng)放入云端服務(wù)器運(yùn)行。我們?cè)O(shè)計(jì)的總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。服務(wù)器集群從邏輯上劃分為五個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能服務(wù)器，其中各節(jié)點(diǎn)的分發(fā)和同步由管理服務(wù)器完成。

1.4? 功能模塊

平臺(tái)內(nèi)的子系統(tǒng)按功能進(jìn)一步分解，它們之間的關(guān)系如圖2所示（權(quán)限管理模塊涉及所有登錄人員未在圖中標(biāo)出）。從圖中可以看出系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵性功能模塊有：權(quán)限管理模塊，表單與流轉(zhuǎn)管理模塊，數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，調(diào)度算法模塊。

1.5? 非功能模塊

主要是實(shí)現(xiàn)與第三方程序?qū)?，系統(tǒng)兼容與擴(kuò)展，地理信息（GIS模塊）等輔助性模塊。

2? 系統(tǒng)平臺(tái)搭建

2.1? CVM服務(wù)器實(shí)例

相對(duì)于傳統(tǒng)服務(wù)器，采用云計(jì)算技術(shù)的虛擬云服務(wù)器（Cloud Virtual Machine，CVM）的優(yōu)勢(shì)有：（1）負(fù)載均衡可以將流量分發(fā)到多臺(tái)CVM上，防止當(dāng)文件、公告等資料下發(fā)時(shí)，所有人員同時(shí)訪問造成服務(wù)器擁堵。（2）采用BGP網(wǎng)絡(luò)可以最大兼容各種終端不同的通訊運(yùn)營(yíng)商接入實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)入口故障

時(shí)跨域秒級(jí)調(diào)度，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。（3）減少因停電、死機(jī)、硬件故障等突發(fā)事件造成的服務(wù)器癱瘓，保證業(yè)務(wù)的可用性。

我們將施工信息管理系統(tǒng)部署在虛擬云服務(wù)器內(nèi)，該服務(wù)器為分布式架構(gòu)采用對(duì)等連接（Peering Connection），具有多區(qū)域、多賬戶、多種網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)互通等特點(diǎn)。并且?guī)в泄W(wǎng)加速等功能，可以解決跨區(qū)域多個(gè)或單個(gè)節(jié)點(diǎn)高速訪問的問題，為信息的及時(shí)性提供最大的保障[7-9]。我們選用的服務(wù)器實(shí)例為雙核16 GB高性能云硬盤，操作系統(tǒng)為Windows Server 2012 R2-64位（數(shù)據(jù)中心版），其他配置參數(shù)如圖3所示。

2.2? SQL類數(shù)據(jù)庫(kù)

相對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)部服務(wù)器，云數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)有：（1）云數(shù)據(jù)庫(kù)的使用可以減少施工企業(yè)這樣非IT企業(yè)在使用數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)的維護(hù)和升級(jí)，使企業(yè)專注于自身業(yè)務(wù)的發(fā)展。（2）在線的主從兩份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并支持跨可用區(qū)部署，保障了數(shù)據(jù)的安全可靠。我們?cè)谠贫耸褂肕ySQL類數(shù)據(jù)庫(kù)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3? 基于J2EE的施工信息管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

J2EE是專注于企業(yè)級(jí)開發(fā)的一組技術(shù)規(guī)范。基于J2EE架構(gòu)的軟件在不同平臺(tái)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(shù)據(jù)類型和格式進(jìn)行整合[10-11]。為實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)內(nèi)的資源整合以及異構(gòu)環(huán)境的需求，我們采用基于J2EE的開源軟件進(jìn)行二次開發(fā)。按標(biāo)準(zhǔn)J2EE的技術(shù)體系 結(jié)構(gòu)對(duì)施工信息管理系統(tǒng)進(jìn)行描述為圖5所示層次關(guān)系。

3.1? 關(guān)鍵性功能模塊實(shí)現(xiàn)

3.1.1? 調(diào)度算法

（1）消耗性物資的調(diào)度算法

合理的資源調(diào)度可以減少運(yùn)輸成本和資產(chǎn)成本。假設(shè)N個(gè)作業(yè)單位同一物資告急，現(xiàn)有多余物資可調(diào)配的臨近作業(yè)單位M個(gè)（且M

我們將不同M點(diǎn)的運(yùn)輸能力轉(zhuǎn)化成相同運(yùn)輸速度和運(yùn)力下不同到達(dá)需求點(diǎn)時(shí)間，這樣問題就轉(zhuǎn)化成為帶時(shí)限的多出救點(diǎn)物資調(diào)度的數(shù)學(xué)模型。因此，我們采用一種帶有高斯優(yōu)化的粒子群算法輔助人員進(jìn)行調(diào)度策略，并根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)論[5]該算法有較高的尋優(yōu)能力。算法描述如下[5]：

第一步，初始化參數(shù)：粒子群規(guī)模n和相關(guān)? ?參數(shù)。

第二步，適應(yīng)度計(jì)算：計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度值，并檢查是否滿足約束條件。

第三步，對(duì)于每個(gè)粒子，如果粒子的當(dāng)前適應(yīng)度優(yōu)于個(gè)體極值pbest，pbest設(shè)置成當(dāng)前粒子的適應(yīng)度。如果粒子的當(dāng)前適應(yīng)度優(yōu)于全局極值gbest，則gbest設(shè)置成當(dāng)前粒子的適應(yīng)度。

第四步，判斷粒子群是否陷入早熟收斂。

第五步，非線性優(yōu)化，并轉(zhuǎn)至第三步。

第六步，執(zhí)行高斯優(yōu)化計(jì)算高斯優(yōu)化后pbest和gbest的值，并和先前記錄中的pbest和gbest進(jìn)行比較，如優(yōu)于之前的記錄，則更新記錄中的pbest和gbest。

第七步，判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù)Nmax。如是，輸出最優(yōu)解，否則轉(zhuǎn)第四步。

（2）非消耗性物資周轉(zhuǎn)算法。

鐵路施工所用的物資體積和質(zhì)量較大，一般使用后不會(huì)將其返還，而是交給下一個(gè)項(xiàng)目（或作業(yè)隊(duì)）。周轉(zhuǎn)目標(biāo)是在最短的時(shí)間內(nèi)最大化的滿足作業(yè)單位需求數(shù)量。因此，我們將流轉(zhuǎn)周期按時(shí)間分為運(yùn)輸時(shí)間，使用時(shí)間，以及將需求方的緊急程度按最低滿足期限進(jìn)行時(shí)間換算，將物資當(dāng)前位置設(shè)為起點(diǎn)，物資需求的最遠(yuǎn)地點(diǎn)設(shè)為終點(diǎn)，這樣就將對(duì)某個(gè)資源的整個(gè)物資流動(dòng)行為轉(zhuǎn)化一個(gè)多層多步驟的有向無(wú)環(huán)圖下的動(dòng)態(tài)規(guī)劃并求其最優(yōu)解問題。

在這個(gè)數(shù)學(xué)模型下我們選用維特比算法找到最優(yōu)選擇項(xiàng)，維特比算法的基礎(chǔ)可以簡(jiǎn)單概括為下面幾步[4]：

第一步，從點(diǎn)S出發(fā)，對(duì)于第一個(gè)狀態(tài)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)假定有n1個(gè)，計(jì)算出S到它們的距離，其中代表任意狀態(tài)1的節(jié)點(diǎn)。因?yàn)橹挥幸徊?，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(quán)限管理

管理系統(tǒng)內(nèi)部主要分為三個(gè)權(quán)限類別：超級(jí)管理員，部門（或業(yè)務(wù)）管理員，普通員工。超級(jí)管理員負(fù)責(zé)對(duì)整體系統(tǒng)的維護(hù)與權(quán)限分配。部門管理員負(fù)責(zé)對(duì)職能范圍的數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)進(jìn)行審批或修改。普通員工可以讀取權(quán)限的內(nèi)容和在公共平臺(tái)的信息交流。超級(jí)管理員在按系統(tǒng)按該公司的實(shí)際組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，如圖6所示。然后在每個(gè)組織根級(jí)目錄設(shè)置該組織的管理人，成員和職務(wù)，并給予相應(yīng)的權(quán)限，如圖7所示。

3.1.3? 表單與流程

在設(shè)計(jì)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(tái)以及J2EE框架的需要。

表單樣式設(shè)計(jì)如圖8所示，我們?cè)谠械谋韱螛邮交A(chǔ)上根據(jù)各部門的業(yè)務(wù)需要和文件樣式，設(shè)計(jì)成專用表格進(jìn)行文件下發(fā)或數(shù)據(jù)上報(bào)。

流程管理模塊是系統(tǒng)中最為關(guān)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(shè)置為單向流程（逐級(jí)）與并行流程（協(xié)同）。在表建立后即可制作流程，通知相關(guān)人員查看或?qū)徟?。工作流程的?chuàng)建與使用主要分為如下幾個(gè)步驟：首先使用可視化工具創(chuàng)建工作流，指定每個(gè)節(jié)點(diǎn)審批的人員，如圖9所示。在審批節(jié)點(diǎn)中的每個(gè)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?qū)徟鞒讨杏腥送嘶貏t該次審批結(jié)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(tái)的應(yīng)用，如圖10? 所示。工作人員點(diǎn)擊相應(yīng)圖標(biāo)即可啟動(dòng)應(yīng)用，發(fā)起流程。

3.1.4? 數(shù)據(jù)庫(kù)管理

4? 結(jié)論

（1）云平臺(tái)的使用是鐵路信息化管理的一種創(chuàng)新，適用于我國(guó)目前分散性鐵路施工的實(shí)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(tǒng)穩(wěn)定、拓展性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單，為類似鐵路企業(yè)這類非IT企業(yè)的信息化升級(jí)提供了良好的解決方案。

（3）鐵路施工物資調(diào)度系統(tǒng)中采用高斯優(yōu)化的粒子群算法和維特比算法可以輔助物資管理人員進(jìn)行調(diào)度決策，節(jié)約企業(yè)成本。

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

（5）本系統(tǒng)的研究與應(yīng)用是鐵路施工管理上的一次大膽嘗試，也為今后國(guó)內(nèi)鐵路施工行業(yè)中“云制造”理念的發(fā)展和實(shí)踐提供有意義的借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]Mariano Corsoa， Antonella Martini， Luisa Pellegrini， Silvia Massa， Stefania Testa.Managing dispersed workers： the new challenge in Knowledge Management[J]， 2006： 1-20.

[2]Kiseler R S， Cummings J N. What do we know about proximity and distance in work groups？[M]. Cambridge： MIT Press， 2002： 57-80.

[3]Cramton C D， Orvis K L. Overcoming barriers to information sharing in virtual teams[M]. Gibson， C B.， Cohen， S. G. Virtual teams that Work： Greating conditions for Virtual Team Effectiveness. San Francisco： Jossey-Bass， 2003： 214-230.

[4]吳軍. 數(shù)學(xué)之美[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012： 229-232.

[5]鄔開俊， 王鐵君. 帶時(shí)限的多出救點(diǎn)應(yīng)急物資調(diào)度模型及算法[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用， 2012， 48（30）： 19-23.

[6]田亞麗. 基于J2EE架構(gòu)的企業(yè)信息化應(yīng)用平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 軟件， 2017， 38（8）： 197-199.

[7]劉萍， 陳東東. 校園啄木鳥平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件， 2018， 39（4）： 122-125.

[8]尹航， 楊歡， 崔海斌， 等. 基于大數(shù)據(jù)應(yīng)用的虛擬化云平臺(tái)建設(shè)方法研究[J]. 軟件， 2018， 39（4）： 201-207.

[9]黃超， 唐子蛟. 基于云計(jì)算技術(shù)的智慧校園平臺(tái)建設(shè)研究[J]. 軟件， 2018， 39（5）： 27-30.

[10]王鋼， 王書夢(mèng). 供給側(cè)改革下農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈“云物流”平臺(tái)構(gòu)建研究[J]. 軟件， 2018， 39（5）： 75-78.

[11]王月， 閻慧， 梁家林， 等. 科研數(shù)字資源平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析[J]. 軟件， 2018， 39（5）： 156-159.