基于云計(jì)算平臺(tái)的建筑工程概算信息管理系統(tǒng)

羅旭紅,付叢振

(1.西安曲江大明宮建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，陜西 西安 710061；2.華優(yōu)信項(xiàng)目管理有限公司，陜西 西安 710061)

1 引言

建筑工程概算是建筑企業(yè)對(duì)于工程初期各項(xiàng)成本預(yù)算的文件信息，該類信息種類劃分以及涵蓋內(nèi)容較多，并且該類信息的管理對(duì)于建筑企業(yè)的利潤(rùn)預(yù)算存在直接關(guān)聯(lián)[1]，建筑企業(yè)在工程建設(shè)過(guò)程中，多個(gè)部門(mén)之間需對(duì)該信息的實(shí)時(shí)查看、共享以及交互等，實(shí)時(shí)關(guān)注工程在進(jìn)展過(guò)程中，是否與概算相符合，掌握工程的真實(shí)情況[2]。因此，對(duì)其實(shí)行有效、全面的管理，是企業(yè)保證工程進(jìn)展以及利潤(rùn)預(yù)算的依據(jù)。其在管理時(shí)，信息數(shù)據(jù)運(yùn)算量、信息存儲(chǔ)量均較大[3]，導(dǎo)致建筑企業(yè)對(duì)于該類信息的管理面臨較大問(wèn)題，很難高效實(shí)現(xiàn)信息的全面管理。王春偉等人依據(jù)文本位置和關(guān)鍵詞的確定，實(shí)現(xiàn)信息的管理；該管理系統(tǒng)對(duì)于文本類型信息的管理效果良好，可實(shí)現(xiàn)文本信息的高效查詢[4]，但是，對(duì)于其他類型的信息管理的效果則不理想；鄧鐵軍等人基于BIM模型，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，完成信息管理；該管理系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢(shì)是可實(shí)現(xiàn)信息的動(dòng)態(tài)可視化[5]，但是其對(duì)于數(shù)字類型信息的運(yùn)算管理存在一定不足。

云計(jì)算平是一種綜合性的平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲(chǔ)，并具備分布式存儲(chǔ)，當(dāng)用戶向云發(fā)送服務(wù)指令后，其可快速呈現(xiàn)不用程度和類型的信息結(jié)果。本文基于云計(jì)算平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)建筑工程概算信息管理系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)該類信息的全面、高效管理。

2 基于云計(jì)算平臺(tái)的建筑工程概算信息管理系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于云計(jì)算平臺(tái)的建筑工程概算信息管理系統(tǒng)，共分為物理層、資源層、管理層和服務(wù)層。物理層通過(guò)信息處理器，完成建筑工程概算信息的集成以及轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)至資源層數(shù)據(jù)庫(kù)中，資源層對(duì)信息實(shí)行分布式虛擬化存儲(chǔ)，管理層則依據(jù)用戶的需求實(shí)現(xiàn)信息的相關(guān)管理，并將結(jié)果傳送至服務(wù)層，用戶可通過(guò)該層次實(shí)行信息查看。其架構(gòu)詳情用圖1描述。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

(1) 物理層：該層包含計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、處理器等硬件設(shè)備，同時(shí)設(shè)有本文第數(shù)據(jù)庫(kù)。該層主要用于完成建筑工程概算信息的集成、壓縮以及轉(zhuǎn)換，將處理后的信息實(shí)行存儲(chǔ)[6]，并且為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供網(wǎng)絡(luò)通信和傳輸支撐。

(2) 資源層：該層中包含云計(jì)算模塊和云存儲(chǔ)模塊，用于實(shí)現(xiàn)建筑工程信息聚類以及分布式存儲(chǔ)。其中，分布式存儲(chǔ)是通過(guò)虛擬化數(shù)據(jù)庫(kù)完成[7]，實(shí)現(xiàn)信息分類存儲(chǔ)。

(3) 管理層：該層是系統(tǒng)的核心層，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源的整合以及軟件資源的調(diào)度，保證系統(tǒng)在提供信息服務(wù)時(shí)的高效性和安全性。該層中包含信息管理、用戶管理、安全管理、執(zhí)行調(diào)度四個(gè)模塊，可實(shí)現(xiàn)信息的調(diào)度、查看、共享等[8]，并對(duì)信息的使用情況實(shí)行管控和統(tǒng)計(jì)，并對(duì)各個(gè)運(yùn)行節(jié)點(diǎn)的均衡性實(shí)行控制，避免節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障后，造成系統(tǒng)的運(yùn)行不穩(wěn)定；同時(shí)，用戶在對(duì)信息實(shí)行調(diào)用或者查看時(shí)，需完成用戶身份驗(yàn)證、授權(quán)管理[9]，通過(guò)執(zhí)行調(diào)度模塊的交互接口，完成相應(yīng)信息的交互。

(4) 服務(wù)層：該層次的主要功能是提供各個(gè)服務(wù)接口，用戶根據(jù)不同接口，完成不同信息服務(wù)指令的發(fā)送，同時(shí)用戶可通過(guò)該層查看信息服務(wù)結(jié)果。

2.2 物理層設(shè)計(jì)

2.2.1 處理器結(jié)構(gòu)

物理層信息的集成處理等均是依據(jù)處理器實(shí)現(xiàn)，為保證建筑工程信息的高效、完整集成，文中采用ARM(Advanced RISC Machine)處理器完成。將信息采集、AD(數(shù)字轉(zhuǎn)換器)、串口以及外聯(lián)接口等功能建立在ARM上，實(shí)現(xiàn)物理層信息的集成處理，其結(jié)構(gòu)用圖2描述。處理器在執(zhí)行信息集成處理時(shí)，信息的交互和通信，是依據(jù)VXI 總線完成[10]，將采集到的各類建筑工程概算信息實(shí)行相關(guān)信息集成控制后，利用DSP(Digital Signal Processing)芯片對(duì)信息實(shí)行過(guò)濾、壓縮等處理；處理后的信息用于兩個(gè)總線之間調(diào)度，即LOCAAL總線和PCI總線，兩者之間的調(diào)度需依據(jù)接口電路完成[11-12]，在PCI和本地總線分別構(gòu)建時(shí)鐘，用于完成中斷復(fù)位。

圖2 處理器結(jié)構(gòu)

2.2.2 AD子模塊

處理器執(zhí)行過(guò)程中，通過(guò)AD子模塊完成建筑工程概算信息的采集和集成。該子模塊的執(zhí)行電路結(jié)構(gòu)用圖3描述。文中采用STM32芯片作為處理器AD子模塊的信息采集，并通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器將其實(shí)行轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，并輸入至信息處理終端[13]，實(shí)現(xiàn)建筑工程概算信息的集成處理以及在線調(diào)動(dòng)。

圖3 AD子模塊的執(zhí)行電路結(jié)構(gòu)

2.2.3 本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)

本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)是物理層用于實(shí)現(xiàn)集成信息的存儲(chǔ)，文中采用并行結(jié)構(gòu)構(gòu)建本文數(shù)據(jù)庫(kù)，保證信息在向Client端和Server 端實(shí)行分配時(shí)的合理性，保證信息的高效的傳輸。為提升數(shù)據(jù)庫(kù)的集成性，數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建過(guò)程中，融入TLXT1 和J2MAT 兩種技術(shù)。同時(shí)，在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)建立數(shù)據(jù)邏輯集合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存和分析。邏輯的生成主要依據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)配芯片實(shí)現(xiàn)，可使信息在操作過(guò)程中的緩存量降低，實(shí)現(xiàn)高效存儲(chǔ)，該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)用圖4描述。數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)配芯片可完成信息的緩存和分析，其賦予分析后信息的相應(yīng)邏輯字符，生成邏輯信息編碼，系統(tǒng)可依據(jù)編號(hào)類型，對(duì)信息重新排列后，經(jīng)由通信鏈路傳送至資源層實(shí)行進(jìn)一步處理[14-15]。數(shù)據(jù)庫(kù)在接收信息過(guò)程中，需保證其接收的完成性，信息接收率為：

圖4 本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

式中：信息帶寬和傳出系數(shù)為：Vi、Ii，均屬于第i頻次；P表示通信的最大效率。

2.3 信息聚類

建筑工程概算信息在管理時(shí)，由于該類信息的種類較多，且存在同類信息不同時(shí)間段的現(xiàn)象，因此，在對(duì)信息實(shí)行管理過(guò)程中，虛擬資源層為完成信息的分類存儲(chǔ)，需對(duì)信息實(shí)行聚類。系統(tǒng)中的資源層中采用AP(Affinity propagation)聚類算法完成建筑工程概算信息聚類。

(1) 求解相似度矩陣。數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量為N，s(i，k)表示相似度值，屬于每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，S表示相似度矩陣，其由s(i，k)構(gòu)成，大小為N×N；則s(i，k)的求解為：

式中：偏向度取值用p(k)表示，且為初始時(shí)，k表示數(shù)據(jù)點(diǎn)；此時(shí)i=k，可看作偏向程度的大小可用k表示，并可描述信息類的代表點(diǎn)。

(2) 信息間的彼此傳遞。r(i，k)和a(i，k)表示建筑工程的兩類信息，AP 算法聚類的實(shí)現(xiàn)，需依據(jù)這兩者間的相互傳遞完成。xk和xi均表示數(shù)據(jù)點(diǎn)，且為不同類，前者可作為后者代表點(diǎn)的程度值可用r(i，k)描述、后者可作為前者代表點(diǎn)的程度描述可用a(i，k)描述。r(i，k)和a(i，k)之間的相互傳遞公式為：

公式(4)在運(yùn)算過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生震蕩，影響收斂速度，為解決該現(xiàn)象，引入阻尼因子λ，可得到

(3) 聚類中心的確定。xk表示xi的類代表點(diǎn)，則k需滿足如下條件：

公式(7)表示：a(i，k)+r(i，k)的結(jié)果，在i取值不變時(shí)，k的取值為最大值。

(4) 停止迭代。在迭代過(guò)程中，如果經(jīng)過(guò)數(shù)次迭代操作，聚類中心不再發(fā)生變化停止迭代；或者達(dá)到設(shè)定的最大的迭代次數(shù)后停止迭代，表示聚類完成，即代表建筑工程概算信息聚類結(jié)束。

3 測(cè)試結(jié)果分析

為測(cè)試本文系統(tǒng)的對(duì)于建筑工程概算信息的管理效果以及系統(tǒng)的運(yùn)行性能，將其應(yīng)用于某建筑企業(yè)，對(duì)該企業(yè)的一年內(nèi)工程概算信息實(shí)行管理，分析系統(tǒng)整體效果，測(cè)試均采用MATLABB軟件完成。該企業(yè)的工程概算信息包含工程材料成本、人工成本、附加成本三大類，該企業(yè)每個(gè)月三類信息規(guī)模依次分別為168、220、378、480、574、680、660、720、810、570、340、270。

測(cè)試本文系統(tǒng)的信息壓縮效果，采用本文系統(tǒng)對(duì)每個(gè)月的概算信息實(shí)行壓縮，統(tǒng)計(jì)文本系統(tǒng)的壓縮效果；并且以聚類效率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，分析壓縮前、后的信息聚類效率，以此衡量本文系統(tǒng)的壓縮效果，結(jié)果用表1和圖5描述。由表1和圖5測(cè)試結(jié)果可知：經(jīng)本文系統(tǒng)壓縮后，各個(gè)月份的概算信息規(guī)模顯著縮小，壓縮率均在37.2%以上，最高壓縮率為54.9%，壓縮效果良好；并且，系統(tǒng)在對(duì)壓縮前后的信息分別實(shí)行聚類時(shí)，壓縮前的信息聚類效率較低，壓縮后聚類效率顯著提升。該結(jié)果直觀表明本文系統(tǒng)良好的壓縮效果，可提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

表1 壓縮效果測(cè)試結(jié)果

圖5 壓縮前后的聚類結(jié)果

為進(jìn)一步測(cè)試本文系統(tǒng)的在對(duì)信息管理過(guò)程中對(duì)信息的壓縮性能，采用空間節(jié)約百分比K、平均吞吐量P 以及資源消耗程度Z，作為衡量系統(tǒng)壓縮性能的指標(biāo)，并依據(jù)該指標(biāo)分析系統(tǒng)的管理效果，結(jié)果用圖6描述。其中，Z是平均吞吐量和壓縮率的比值，用于衡量平臺(tái)中信息資源的消耗程度，即為傳輸成本，該值越高，傳輸成本越低。由圖6測(cè)試結(jié)果可知：信息壓縮后，空間節(jié)約百分比最大可達(dá)到接近75%，最低百分比也高于40%；平均吞吐量均高于500MB/s，該值越高表示系統(tǒng)的傳輸效率越高；并且消耗程度均高于300%，表示傳輸成本較低。該結(jié)果進(jìn)一步表明本文系統(tǒng)良好的信息壓縮效果，可在傳輸成本較低的情況下，完成信息管理。

圖6 系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果

為保證本文系統(tǒng)在信息聚類過(guò)程的收斂速度，測(cè)試阻尼因子λ的最佳取值，測(cè)試本文系統(tǒng)在不同λ取值下，完成全部信息聚類所需迭代次數(shù)，結(jié)果用圖7描述。由圖7測(cè)試結(jié)果可知：阻尼因子取值的增加，系統(tǒng)完成聚類所需的迭代次數(shù)隨之變化，取值為0.1時(shí)，所需的迭代次數(shù)最多，取值為0.5時(shí)，所需的迭代次數(shù)最少，因此，λ取值為0.5。

圖7 收斂速度測(cè)試結(jié)果

為進(jìn)一步分析本文系統(tǒng)的信息聚類效果，采用DI指數(shù)作為衡量本文系統(tǒng)聚類效果的指標(biāo)，該指數(shù)的最小距離和最大距離的比值，兩者屬于任意兩個(gè)元素間，且前者位于任意兩個(gè)簇內(nèi)；后者則為位于任一簇內(nèi)。其公式為：

式中：dmin(Ci，Cj)=dist(xi，xj)，diam(Cl)=dist(xi，xj)。DI的結(jié)果可表示聚類后信息的質(zhì)量，前者值越高，則信息聚類后質(zhì)量越好。依據(jù)公式(8)獲取本文系統(tǒng)的DI結(jié)果，用圖8描述。由圖8測(cè)試結(jié)果可知：本文系統(tǒng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾和壓縮后實(shí)行信息聚類的DI值均高于0.9，表示本文系統(tǒng)聚類后的信息質(zhì)量較好。

圖8 DI測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)在對(duì)概算信息實(shí)行管理時(shí)，本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)對(duì)信息實(shí)行緩存和分析，在該過(guò)程中，寫(xiě)閃存次數(shù)對(duì)于信息的存儲(chǔ)存在直接影響，測(cè)試本文系統(tǒng)在讀密集請(qǐng)求、讀寫(xiě)請(qǐng)求均衡以及寫(xiě)密集請(qǐng)求三種信息請(qǐng)求下系統(tǒng)的寫(xiě)閃存次數(shù)，以此衡量系統(tǒng)管理性能，結(jié)果用圖9描述。其期望的標(biāo)準(zhǔn)次數(shù)低于5000 次。由圖9測(cè)試結(jié)果可知：在三種信息請(qǐng)求下，隨著緩存區(qū)大小的增加，系統(tǒng)的寫(xiě)閃存次數(shù)逐漸降低，其中讀密集請(qǐng)求的閃寫(xiě)存次數(shù)高于另外兩種請(qǐng)求的次數(shù)，但是其依舊低于期望標(biāo)準(zhǔn)；該結(jié)果是由于系統(tǒng)在對(duì)請(qǐng)求實(shí)行處理時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)是通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)配芯片完成信息的處理，其可最大程度保證信息的處理效果。

圖9 信息管理性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)基于云計(jì)算平臺(tái)的建筑工程概算信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)建筑工程概算信息的高效管理，對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)行相關(guān)管理性能以及效果測(cè)試，結(jié)果表明：該系統(tǒng)在保證良好信息質(zhì)量情況下，完成信息壓縮，壓縮率均在37.2%以上，并且系統(tǒng)的信息聚類效率較高，聚類后的信息質(zhì)量較好，同時(shí)，在阻尼因子取值為0.5時(shí)，可快速完成聚類處理，性能良好；測(cè)試結(jié)果證明本文所設(shè)計(jì)的管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)于建筑工程概算信息的全面、可靠、高效管理，為企業(yè)的正常運(yùn)營(yíng)以及利潤(rùn)預(yù)算提供可靠依據(jù)。