城市軌道交通工程投資測算的實現(xiàn)技術(shù)研究
——基于可變參數(shù)和遞歸函數(shù)

黃一格，雷江松，張中安，李海洋，甘璐凱，王立勇，鄒軍華

(1.深圳市地鐵集團有限公司，深圳 518000；2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430000；3.湖北大學(xué)教育學(xué)院，武漢 430000)

城市軌道交通具有速度快、安全系數(shù)高、智能環(huán)保的突出優(yōu)勢，在便利市民高效安全出行、緩解城市道路擁堵以及推動生態(tài)友好型、資源節(jié)約型城市建設(shè)新格局方面扮演著不可替代的重要角色.截至2020年12月31日，全國(不含港澳臺地區(qū))共有44個城市開通運營城市軌道交通線路，運營里程超過7 000 km.城市軌道交通工程投資規(guī)模大，專業(yè)涉及面廣，工程技術(shù)復(fù)雜.因此，城市軌道交通工程投資測算的研究具有很強的實際價值.

1 相關(guān)研究

城市軌道交通工程投資測算方面的研究集中在三個方面.1)城市軌道交通工程概算費用的構(gòu)成.城市軌道交通工程概算費用包括工程費用、工程建設(shè)其他費用、預(yù)備費和專項費用[1-3].工程費用由建設(shè)工程費、安裝工程費和設(shè)備購置費等幾個部分組成.工程建設(shè)其他費用包括前期工程費、與項目建設(shè)有關(guān)的其他費用和與試運行有關(guān)的其他費用等.預(yù)備費由基本預(yù)備費和價差預(yù)備費組成.專項費用包括車輛購置費(含車輛監(jiān)造費)、建設(shè)期貸款利息和鋪底流動資金等.其中每一項的費用都可能包含多個組成部分.例如.工程費用中的建筑安裝工程費可以分為人工費、材料費、施工機具使用費、企業(yè)管理費、利潤、規(guī)費和增值稅等.2)城市軌道交通工程投資測算分解體系.羅芳艷等[4]對國際上廣泛采用的面向工種工程的分解體系、面向結(jié)構(gòu)和部位的分解體系分別進行了詳細研究.作者認為工程項目投資分解和編碼主要分為二大類，一是面向材料、工種工程的投資分解體系，二是面向工程構(gòu)成部位的投資分解體系.為了提高投資測算的準確度，劉賀等[5]對城市軌道交通工程投資測算方法進行了優(yōu)化，提出UniformatⅡ與定額相匹配的綜合估算體系，使投資估算的分解口徑與概預(yù)算保持一致.3)城市軌道交通工程的投資測算方法.除了傳統(tǒng)的測算方法(如一元、多元回歸和比例估算)之外，很多學(xué)者針對城市軌道交通工程的非線性測算方法研究[6-8].例如，楊文成等在使用少量關(guān)鍵指標信息的情況下，采用支持向量機(SVM)方法對城市軌道交通成本做了較小誤差的估算.張飛漣和梁秀峰提出特征指標優(yōu)化假設(shè)及驗證，并且提出了遺傳算法(GA)優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機(ELM)輸入權(quán)值和隱含層閾值的算法，對城市軌道交通工程投資樣本數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練和驗證.

在實際應(yīng)用方面，由于適用范圍不一致，國外的投資測算軟件(如Innovaya公司開發(fā)的Innovaya Visual Estimating[9]等)難以進入國內(nèi)市場.目前國內(nèi)主流的投資測算軟件可以分為算量軟件和計價軟件等兩個大類，其中的算量軟件又可以按照專業(yè)進行細分.例如，深圳斯維爾軟件[10]包括鋼筋算量軟件、安裝算量軟件和三維算量軟件等.廣聯(lián)達科技股份有限公司推出的地鐵工程GDT[11]是城市軌道交通工程投資管理軟件，具有招標管理、投標管理和清單計價等模塊，支持清單計價和定額計價兩種模式，可以實現(xiàn)批量處理工作模式.這些專業(yè)軟件具有一定的普適性，能夠解決投資測算方面的一些基本問題.

但是，實際的投資測算可以分為線路、單項工程和分部工程等多種級別，而且，每種級別的投資測算都有不同的敏感因素，投資測算的單位、數(shù)量和指標的關(guān)系也是不一樣的.通用的城市軌道交通工程軟件不能解決這些問題，本文在深圳軌道交通技術(shù)經(jīng)濟指標及標準成本應(yīng)用系統(tǒng)中，提出并實現(xiàn)了基于Java Web的城市軌道交通工程投資測算方案.

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)需求分析

深圳軌道交通技術(shù)經(jīng)濟指標及標準成本應(yīng)用系統(tǒng)主要有幾個功能模塊：1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入與更新；2)實現(xiàn)概算、合同價、設(shè)備價的查詢功能樹形分級查詢、關(guān)鍵字查詢兩種)；3)實現(xiàn)概述價和合同價的數(shù)據(jù)可視化；4)實現(xiàn)投資測算功能；5)實現(xiàn)成本測算功能.其中的投資測算是最為復(fù)雜的功能模塊之一.投資測算可以分3個層級：全線投資測算、單項單位投資測算、分部工程投資測算.用戶選擇具體的測算的項目，輸入敏感參數(shù)的數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)調(diào)用相關(guān)的測算公式進行計算，并呈現(xiàn)在用戶界面上.

以車站單位工程為例，車站工程數(shù)量的主要影響因素包括四個方面：1)車站主體建筑面積.車站主體建筑面積主要受車站外包長度、車站寬度影響.2)地連墻長度和體積.地連墻長度和體積主要受車站長度、寬度、墻厚、基坑深度以及嵌固深度影響.3)主體明挖土石方體積.主體明挖土石方體積主要受車站長度、寬度、埋深及覆土厚度影響.4)主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)體積.主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)體積主要受車站長度、寬度、梁板柱尺寸影響.

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于遞歸算法的城市軌道交通工程投資測算主要分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層三層技術(shù)架構(gòu).1)應(yīng)用層采用了Layui前端框架(https://www.layui.site).Layui是一款國產(chǎn)開源的前端框架，遵循原生HTML/CSS/JS的組織形式.該框架包含了豐富的組件(彈出層、即時通訊、模板引擎、穿梭框等等)，從核心代碼到API的每一處細節(jié)都經(jīng)過了精心雕琢.2)業(yè)務(wù)層實現(xiàn)了投資測算，通過Ajax和JSON等技術(shù)進行投資測算內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯處理(包括分項參數(shù)設(shè)置和測算公式設(shè)置等)，調(diào)用接口方法訪問數(shù)據(jù)層，并得到相關(guān)投資測算模板數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)層則實現(xiàn)信息存儲，主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫表的增加、刪除、查詢、以及修改等操作.在業(yè)務(wù)層，通過DAO(Data Access Object，數(shù)據(jù)訪問對象)接口實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的訪問.3)系統(tǒng)采用Oracle作為后臺數(shù)據(jù)庫軟件，通過Servlet技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)層的業(yè)務(wù).系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)后臺創(chuàng)建了投資測算模板表(MC＿MEASUREMENT).投資測算模板表包含ID、父級ID、名稱、特征、單位、數(shù)量、投資金額、指標、備注、層級編號以及敏感參數(shù)等字段.其中的ID和父級ID是通過UUID(universally unique identifier)進行存儲的，UUID是指在一臺機器上生成的唯一數(shù)字.該數(shù)字根據(jù)開放軟件基金會制定的標準計算，用到了以太網(wǎng)卡地址、納秒級時間、芯片ID碼和許多可能的數(shù)字.

為了實現(xiàn)投資測算模板數(shù)據(jù)的層級關(guān)系，每條數(shù)據(jù)存儲了自身編號(ID)和父級ID兩個字段，系統(tǒng)通過父級ID這個字段判斷結(jié)點之間的包含關(guān)系.例如，車站主體這條投資模板數(shù)據(jù)除了自身的ID之外，其父級ID就是車站的ID，出入口、風道、車站裝修、施工監(jiān)測等投資模板數(shù)據(jù)的父級ID也是車站的ID.以此類推，主體地連墻圍護、主體土石方和主體鋼筋砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)等投資模板信息除了自身的ID之外，其父級ID就是車站主體的ID.這種層級關(guān)系在Oracle數(shù)據(jù)庫中的存儲如圖2所示.

圖2 投資測算的層級關(guān)系Fig.2 The hierarchical relationship of investment measurement

3 功能模塊分析

投資測算的處理主要包括兩個方面，一是敏感參數(shù)的輸入，這些輸入?yún)?shù)主要包括兩種類型，一種是文本框，另外一種是選擇框.以車站單位工程為例，主體的長度的輸入就是一個文本框；二是層級關(guān)系的處理，例如，車站主體的投資由車站地連墻圍護、主體土石方/支撐及降水、主體鋼筋砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)三個部分的投資之和構(gòu)成.本文研究如何實現(xiàn)基于遞歸算法的投資測算，具有管理權(quán)限的用戶可以動態(tài)輸入投資測算公式，系統(tǒng)可以快速計算出各個層次的投資數(shù)量和指標，從而為實現(xiàn)軌道交通工程項目管理奠定良好基礎(chǔ).

3.1 敏感參數(shù)處理模塊

3.1.1 設(shè)置敏感參數(shù) 投資測算模板分為三個層級，每個層級的敏感參數(shù)的個數(shù)和類型都不一樣，例如，線路級的敏感參數(shù)包括線路長度、車站座數(shù)、是否是全自動駕駛、車輛段數(shù)目和停車場等.車站單位工程的敏感參數(shù)包括主體面積、主體埋深、地連墻圍護結(jié)構(gòu)、明挖土石方、車站出入口面積等；車站風道分部工程的敏感參數(shù)包括圍護結(jié)構(gòu)、土石方工程、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地面建筑等.

設(shè)置敏感參數(shù)包括新增敏感參數(shù)、修改敏感參數(shù)和刪除敏感參數(shù)三個功能模塊.這些功能模塊的原理都是對敏感參數(shù)的HTML源代碼進行操作.以新增敏感參數(shù)功能模塊為例，該模塊的主要作用就是通過用戶“輸入新增參數(shù)的名稱”和“選擇新增參數(shù)的類型”等操作，對投資測算模板表中的敏感參數(shù)字段進行操作.例如，車站投資測算模塊中添加了主體長度、主體寬度和主體埋深等參數(shù)之后，該投資測算模板表的敏感參數(shù)字段實際上存儲了三個文本框的HTML源代碼，如圖3所示.

圖3 敏感參數(shù)在數(shù)據(jù)庫中的存儲Fig.3 The storage of sensitive parameters in the database

3.1.2 獲取敏感參數(shù) 在獲取敏感參數(shù)時，系統(tǒng)首先定義了一個JavaScript數(shù)組用來存儲用戶錄入的參數(shù)，當用戶需要錄入?yún)?shù)時，系統(tǒng)讀取投資測算模板表中敏感參數(shù)的HTML源代碼，然后通過彈出框顯示所有的敏感參數(shù)，當用戶錄入所有的敏感參數(shù)并單擊“保存”時，系統(tǒng)依次將這些參數(shù)存入到名為R的數(shù)組中，獲取敏感參數(shù)的流程圖如圖4所示.

圖4 獲取敏感參數(shù)的流程Fig.4 The process of getting sensitive parameters

3.2 投資測算公式處理模塊

為了對投資測算公式中的固定值進行操作，系統(tǒng)采用了Layui前端框架的treeTable組件(https://gitee.com/ele-admin/treetable-lay).該組件是一款基于Lay UI的動態(tài)數(shù)據(jù)表格組件，其主要功能是為Web應(yīng)用程序利用樹形結(jié)構(gòu)展開或者折疊數(shù)據(jù).treeTable組件可以用于表格進行動態(tài)化數(shù)據(jù)操作，支持多級表頭，支持單元格的自定義模板，支持對表格重載(比如搜索、條件篩選等)，支持復(fù)選框，支持分頁，支持單元格編輯等一系列功能，還可以監(jiān)聽各種事件(包括工具欄事件、行的單雙擊事件、復(fù)選框選擇事件、單元格編輯和排序切換事件等).

3.2.1 設(shè)置投資測算公式 在投資測算公式中，有三類參數(shù)需要進行設(shè)置.第一類是常數(shù).例如，在車站投資測算的公式中，車站出入口的指標值是1.53，風道的指標值是1.53，車站裝修的指標值是0.18等.

第二類由通過用戶輸入的敏感參數(shù)來獲取的.系統(tǒng)在處理敏感參數(shù)時，已經(jīng)獲取了所有參數(shù)的數(shù)組，所以，只要通過數(shù)組下標正確處理數(shù)據(jù)就可以對投資測算公式中的敏感參數(shù)進行設(shè)置.例如，車站出入口的“數(shù)量”由風道面積決定，而風道面積對應(yīng)于車站投資測算敏感參數(shù)的第12個參數(shù)，因此，車站出入口的“數(shù)量”就設(shè)置為R12；主體地連墻數(shù)量=(主體長度+主體寬度)×2×(主體埋深+嵌固深度)×圍護結(jié)構(gòu)尺寸.在處理輸入?yún)?shù)時，下標從1開始，主體長度對應(yīng)于表單的第5個參數(shù)，也就是說表單參數(shù)解析之后，R5對應(yīng)與主體長度.R6對應(yīng)于主體寬度，R7對應(yīng)于主體埋深，R10對應(yīng)于圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度.因此，主體地連墻數(shù)量的設(shè)置為(R5+R6)×2×(R7+R10)×R9.

第三類則指代其他公式，這類參數(shù)用大寫字母“T”開頭的字符串來表示.例如，主體地連墻數(shù)量的公式為(R5+R6)×2×(R7+R10)×R9；其指標為常數(shù)0.46；主體地連墻的投資等于數(shù)量乘以指標，在treeTable中，主體地連的數(shù)量對應(yīng)于第“e”列，投資對應(yīng)于第“f”列，指標對應(yīng)于第“g”列，而且數(shù)量和指標同屬于第二行，那么就可以將主體地連墻的投資公式設(shè)置為Te2×Tg2.車站主體的投資包含主體地連墻、主體土石方和主體鋼筋砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)三個部分.主體地連墻在treeTable組件中的位置是第2行，主體土石方的位置是第3行，主體鋼筋砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位置是第4行，他們都是位于第f列.因此，車站主體的投資這個單元格就應(yīng)該設(shè)置為“Tf2+Tf3+Tf4”.

3.2.2 通過遞歸算法獲取結(jié)點信息 城市軌道交通工程中的投資測算有著復(fù)雜的層次關(guān)系.例如，每個線路都包含了“區(qū)間”這個單位工程；“區(qū)間”這個單位工程的投資測算又包括盾構(gòu)機安裝與拆除、洞門處理、盾構(gòu)掘進與出渣、同步及二次注漿、管片運輸、制作及安裝、防水處理、聯(lián)絡(luò)通道、進出洞及聯(lián)絡(luò)通道加固以及洞內(nèi)臨時工程等分項工程；掘進與出渣包括盾構(gòu)機安裝及拆除、洞門處理、硬巖處理以及盾構(gòu)掘進及出渣等.因此，必須通過遞歸算法來處理這種層級關(guān)系.系統(tǒng)通過遞歸算法實現(xiàn)了獲取所有子結(jié)點的信息，該函數(shù)的參數(shù)是字符串類型的結(jié)點ID和結(jié)點自身的數(shù)據(jù)(包括名稱、特征、單位、數(shù)量、投資金額、指標等)，結(jié)點自身的數(shù)據(jù)是用JSON形式拼接起來的字符串.遞歸函數(shù)的返回結(jié)果是字符串類型的數(shù)據(jù).具體的算法描述如表1所示.

表1 獲取子結(jié)點信息的遞歸算法Tab.1 Recursive algorithm for obtaining child node information

3.3 通過遞歸算法處理投資測算公式

如上文所述，投資測算公式中包含了常數(shù)、動態(tài)的敏感參數(shù)和其他公式，而其他公式又可能包含了常數(shù)或者動態(tài)的敏感參數(shù).因此，必須通過遞歸算法來處理treeTable組件中的公式，從而使得投資測算公式中僅僅包含常數(shù)和以R命名的數(shù)組.系統(tǒng)通過遞歸函數(shù)進行投資測算，該函數(shù)的參數(shù)包括三個：第一個是字符串類型的計算公式；第二個是輸入?yún)?shù)的個數(shù)；第三個是List類型的投資數(shù)據(jù)(包括名稱、特征、單位、數(shù)量、投資金額、指標等).遞歸函數(shù)的返回結(jié)果是字符串類型的投資公式數(shù)據(jù).具體的算法描述如表2所示.

表2 處理投資測算公式的遞歸算法Tab.2 Recursive algorithm for dealing with investment measurement formulas

4 應(yīng)用結(jié)果

本文以車站單位工程投資測算為例，說明上述功能模塊的應(yīng)用過程.

4.1 設(shè)置敏感參數(shù)

車站單位工程的敏感參數(shù)包括列車編組、施工方法、車站層數(shù)、圍護結(jié)構(gòu)形式、主體長度、主體寬度、主體埋深、主體覆土、圍護結(jié)構(gòu)尺寸、圍護結(jié)構(gòu)的嵌固深度、圍護結(jié)構(gòu)的入巖比例、出入口面積、風道面積和專項技術(shù)措施費等14個參數(shù).車站單位工程的輸入?yún)?shù)如圖5所示.

圖5 車站投資測算的輸入?yún)?shù)Fig.5 Input parameters of station investment calculation

4.2 設(shè)置投資測算公式

在車站單位工程的投資測算設(shè)置中，需要處理數(shù)量、投資和指標三個數(shù)值之間的關(guān)系.例如，車站主體地連墻的投資測算需要進行三個方面的設(shè)置.

1)指標的設(shè)置.主體地連墻的“指標”為經(jīng)驗值0.46.

2)數(shù)量的設(shè)置.“數(shù)量”的計算公式為：數(shù)量=(主體長度+主體寬度)×2×(主體埋深+嵌固深度)×圍護結(jié)構(gòu)尺寸.在處理輸入?yún)?shù)時，下標從1開始，主體長度對應(yīng)于表單的第5個參數(shù)，也就是說表單參數(shù)解析之后，R5對應(yīng)與主體長度.R6對應(yīng)于主體寬度，R7對應(yīng)于主體埋深，R10對應(yīng)于圍護結(jié)構(gòu)的嵌固深度.因此，主體地連墻數(shù)量的設(shè)置為(R5+R6)×2×(R7+R10)×R9.

3)指標的設(shè)置.在table模塊中，數(shù)量對應(yīng)于第“e”列，投資對應(yīng)于第“f”列，指標對應(yīng)于第“g”列，由于數(shù)量和指標都已經(jīng)計算出來了，根據(jù)三者的關(guān)系，就可以將主體地連墻的投資設(shè)置為Te2×Tg2.車站投資測算的輸入?yún)?shù)車站投資測算公式編輯后的結(jié)果如圖6所示.

圖6 車站單位工程的投資測算公式Fig.6 The investment calculation formula of station unit project

4.3 投資測算

假設(shè)某個車站的施工方式為明挖，車站層數(shù)是地下二層，圍護結(jié)構(gòu)形式為地連墻，主體長度235 m，主體寬度22 m，主體埋深17 m，主體覆土3 m，圍護結(jié)構(gòu)尺寸0.8 m，嵌固深度6 m，明挖出入口面積1 200 m2，風道面積1 200 m2.將這些參數(shù)輸入之后，按照圖5的車站投資測算結(jié)果如圖7所示.

圖7 車站單位工程投資測算結(jié)果驗證Fig.7 Verification of the calculation results of station unit project investment

5 結(jié)語

城市軌道交通工程的投資測算是非常復(fù)雜的,每個類型投資測算都具有復(fù)雜的層級關(guān)系.

本文闡述了基于Java Web的城市軌道交通工程投資測算實現(xiàn)技術(shù).技術(shù)的核心就是可變參數(shù)和兩個遞歸算法，可變參數(shù)允許動態(tài)添加特征指標，兩個遞歸算法很好地處理了城市軌道交通工程結(jié)點的層級關(guān)系和投資測算公式的復(fù)雜性.測試結(jié)果表明，城市軌道交通工程投資測算技術(shù)設(shè)計合理、運行穩(wěn)定、操作便捷，信息呈現(xiàn)直觀高效，滿足深圳軌道交通技術(shù)經(jīng)濟指標及標準成本應(yīng)用系統(tǒng)的實際需求.