基于GIS的铁路建设管理系统研究与设计

吴志勇,李盘靖,鞠传香

(山东理工大学计算机科学与技术学院,山东淄博 255049)

2006年铁道部建设司对各路局下发了《关于进一步加快铁路建设项目管理信息系统建设和应用的意见》(铁建设函[2006]810号),指出加快铁路建设项目管理信息系统建设和应用是建设世界一流客运专线的必然要求,是提高铁路建设管理水平的迫切需要,是有效控制投资的重要手段,是实现建设管理与运营管理有机结合的基础保证[1]。同年4月,铁道部建设司在武汉召开了推进铁路建设信息化的会议,指出加快铁路建设项目管理信息系统的推进,是努力提升建设项目管理水平的重要举措。另外,“大力提升建设管理水平,依靠科学、规范的管理制度和机制,深入推进铁路建设标准化管理”是铁道部党组提出的要求。为实现此目标,就必须借助现代科学手段优化铁路建设项目管理模式,加快推进现代化管理进程[2]。

1 铁路建设工程项目管理特点

我国铁路项目建设一般包括5个阶段:立项决策(预可研和可研)、工程设计、工程实施、竣工验收和后评价。其中在工程实施阶段,施工控制尤为重要,控制范围包括费用控制、进度控制、质量控制及安全控制等,同时项目监理单位对工程施工和验工计价实施监理。铁路建设工程项目管理的主要特点包括[3]:

(1)优化管理的多目标性

在铁路建设工程项目管理中,工期、质量、安全、投资之间存在着相互依赖、相互制约的对立统一关系。这就要求在信息化管理中对于进度控制、质量控制、安全控制和投资控制进行综合考虑。

(2)计划实施的多变性

在铁路工程建设过程中,影响施工因素较多(例如:人员、材料、资金、机具、设备及自然和社会环境等),即使是经过多方面综合平衡而优化的施工计划,其变化也是不可避免的。为了对施工计划的变化进行有效控制,应采用动态控制原理,使建设过程中每一阶段的进度、质量和投资都得到有效控制。因此,在信息化过程中,所开发的系统应具备良好的自适应性,特别要求注重对动态数据或信息的处理能力。

(3)进度控制的多阶段性

施工进度信息对于建设过程控制指挥决策具有重要意义。目前,由于施工单位沿线分布,存在交通不便等困难,进度等信息的反馈本身有一定的滞后期,加之对于施工单位的反馈信息进行汇总,如果依靠人工处理,也不能及时呈交至指挥决策层,控制周期的缩短受到了现实条件的限制。因此,在信息化管理系统的构建中,应以网络在线形式为导向,从而提高进度控制的时效性。

(4)项目管理的多层次性

我国的铁路建设项目管理是由项目法人公司(或铁路建设指挥部)、建设监理单位、工程局指挥部及施工现场项目经理组织的多层次、全方位的管理。因此,在信息化管理系统的构建中,应强调用户角色管理,多层次、全方位地强化管理。

根据上述分析可知,铁路建设综合信息管理系统是一个庞大复杂的多级递阶管理系统,铁路工程建设管理过程是一个多目标、多阶段、动态优化的控制过程[3]。因此,系统对铁路建设项目管理过程中的进度控制进行分析,在有效的专业WBS(Work Breakdown Structure)基础上[4],研究数据库的来源与采集标准,并对进度管理模块与其他模块之间的关系进行详细分析,结合铁路建设的特点,提出基于施工日志进度数据自动生成模型、基于投资与物资管理的计划与进度数据自汇总模型、基于人工神经网络的工期预测模型,并给出进度管理的有效展示方法:基于Web-GIS(地理信息系统 )、E-SandTable(电子沙盘 )、VR(虚拟现实 )技术的形象进度,从而实现铁路建设工程项目的可视化管理[5]。

2 系统网络解决方案

在铁路建设综合信息管理系统的构建中,为保证信息反馈的时效性,应以网络在线形式为导向。根据项目和建设管理单位的实际情况,在现有网络基础上进行统一规划组建局域网。要求建设单位、施工单位使用统一规划的工程管理系统,使用统一的信息平台及应用软件,以保证工程的施工数据采集和信息管理工作。以向建设单位提供项目有关信息的数据采集系统为核心,所建立的计算机网络拓扑结构如图1所示。

根据铁路建设综合信息管理系统软件结构,系统的硬件结构配置的原则是:(1)施工现场内的所有服务器、图形工作站、微机、检测采集设备,用有线(同轴电缆、光纤)或无线进行互连。(2)网络数据库服务器结点的数量、机型应根据项目模块的划分、数据量的大小、施工现场的布置确定。在分布式网络系统的支持下统一建库,分项目管理。(3)统一布设现场实时数据采集点,采集方式分自动采集和人工采集,通过数据集散点向相应的数据库服务器结点传送。

图1 铁路建设综合信息管理系统网络拓扑图

3 系统GUI设计方案

铁路系统数据繁多、存储分散,缺乏统一的管理[6],通过GIS将各标段施工单位集成在GIS操作平台上,并与铁路建设指挥部相连接,如图2所示。GIS作为整个信息管理系统的操作平台和查询显示平台,对标段建设进度情况、安全控制、物资管理、重难点工程等可形象化的动态显示。

图2 铁路建设综合信息管理系统GUI设计

4 系统结构设计方案

根据铁路项目工程施工的方法技术及计算机软件模块划分技术,把该系统的软件结构分为4层[7]。

(1)操作系统软件平台:这是硬件之上的最低层系统软件,其性能直接影响系统的运行效率、安全、开放性等等。

(2)支撑软件层:该层是在操作系统之上应用软件的支撑工具。从施工现场管理的实际需求来看,该层应由下述2个部分软件构成。

数据库管理系统:它统一管理施工现场产生的实时数据及设计施工的技术经济数据(包括建筑物、设计标准、规范、质量控制因素等)。集中式与分布式数据库相结合;分项目及主体建筑物建库。它为其上层(项目管理层)提供数据信息服务。

图形处理系统:项目管理层应用软件大多涉及图形处理(如土石方工程、桥梁、混凝土工程等)。

(3)项目管理层:该层直接面向施工主体项目,并在支撑软件层之上。由于项目的施工技术方法、管理的内容不同,对软硬件的要求也不同。

(4)高层项目管理:该层是整个系统的最高层,即项目管理层的上层。主要功能是综合处理项目管理层的基层信息,协调项目管理层中各模块间的管理调度功能。对施工现场的总体进度、工程质量、造价成本、投资4个重要因素实施管理、控制及调度。

由于系统的使用者(建设指挥部、施工单位和监理单位)分散在不同的地方,同时考虑到所需承担的功能,所以系统采用B/S结构构架。数据及程序集中存放在服务器端,保证了数据的一致性和安全性。

5 系统技术解决方案

铁路建设管理是涉及多部门、多途径、多方位、多阶段的庞大系统工程。在其决策和管理的全过程中,要对大量来自不同部门的基础与技术数据进行分析和处理。系统科学地管理、分析这些信息是铁路建设管理现代化的重要基础。采用地理信息系统(GIS)建立铁路建设管理信息系统,是管理分析铁路建设各类空间和非空间数据的最有力手段。因此,铁路建设综合信息管理系统将以GIS地理信息系统作为整个信息管理系统的操作平台和查询显示平台。在此平台上构建的软件架构如图3所示。

主要技术及其解决方案如下。

(1)铁路建设信息的标准化方法

图3 铁路建设综合信息管理系统软件框架

按照铁路建设标准化管理的要求,“以数据为驱动”,将数据划分为空间数据、属性数据和专题数据三大类。结合标准化管理的要求,通过对铁路建设工程项目管理数据规范进行研究和探索,建立起各类数据的数据交换模型与规范。其数据交换格式采用XML(可扩展标记语言)技术。

(2)施工进度的标准化控制方法

针对铁路建设管理中的特别需求,以WBS为导向,划分施工专业,分为拆迁、路基、桥涵、隧道、轨道、通信及信号、电力及电力牵引、给排水以及房建、大临等工程,并根据各模块的特点和具体需求,对其进行细化。从施工图数据入手,对相关的检验数据进行解析,生成对应施工图各项目的进度数据,再建立施工图各项目与工程量清单的对应关系模型,将底层的进度数据汇总到每个单位工程层面,实现进度数据与投资、物资数据的相互关联模型,并展示形象进度;并对进度控制的原理分析,形成施工计划与进度展示、计划调整的闭环管理模型,如图4所示。

图4 铁路建设进度控制流程

对铁路专业WBS项目数据、单位工程施工组织设计等资料数据、各级单位施工计划下达数据、施工图数据、进度数据等进行分类,如属性数据、空间数据、元数据、文档数据,为进度控制各级管理提供数据源,并提出数据库表结构的设计原则。

(3)铁路建设工程的可视化管理技术

将 Web-GIS(地理信息系统)、E-SandTable(电子沙盘)、VR(虚拟现实)技术集成,并在此基础上建立起基于施工图数据的形象进度模型,将形象进度专题图表直接链接至质量控制、物资管理、安全控制等系统[8]。

(4)铁路建设综合信息管理系统的架构

SOA(面向服务的体系结构)是软件体系结构发展的最新成果,以其强健的业务适应性和快速响应能力,在解决软件征用和软件集成的方案中占据重要地位[9]。据其SOA “软件变服务”,铁路建设综合信息管理系统使用开放的、模块化的、可重用、可扩展的系统架构。

6 系统实现

邯济铁路扩能改造工程是国家“十一五”规划中的重点工程,工程为既有邯济线(邯郸南至晏城北232 km线路)增建二线并电气化改造,含引入邯郸地区、聊城地区、济南枢纽相关工程,工程范围全长248.61正线km,增建晏城北至焦斌线路长度15.62 km。

铁路建设综合信息管理系统以邯济扩能改造工程为依托设计实现,开发环境采用 Visual Studio 2008(ASP.NETC号),数据库采用 SQL SERVER 2005,系统主界面结构如图5所示。

地图开发采用XML+FLASH实现,地图信息包括建设指挥部、施工指挥部、项目部、施工车站、施工大桥、制存梁场和预制场等施工相关热点,用户通过点击地图热点可以查看工程概要、设计资料、施工形象化进度等信息,如图6所示。

通过对系统的使用,实现了工程进度实时监控,工程资料共享,信息及时传递,为提高工程管理水平具有重要意义。

图5 系统主界面截图

图6 施工形象化进度

7 结论

实践表明,铁路建设综合信息管理系统的上线使用提高了工程管理水平。通过系统及时掌握工程进度和建设生产信息,对领导决策提供数据保证。各种建设施工规范文档的共享促进了工程建设的规范化,保证了生产安全和生产质量。用户界面引入地理信息保证了系统的直观性,方便了用户操作。为保证系统的通用性和推广工作,下一步继续研究工程特点,完善系统结构。

[1] 付国成,佟晓生.铁路建设项目管理信息化发展趋势与对策[J].铁路计算机应用,2010(4):20-22.

[2] 杨尚辉.铁路建设项目信息化管理系统的建立[J].中国西部科技,2010(4):66-67.

[3] 胡琳娜,谢胜强.基于GIS的铁路建设项目投资管理信息系统设计研究[J].中国管理信息化,2009(2):52-54.

[4] 江 萍,成 虎.施工项目结构分解(WBS)方法及准则研究[J].东南大学学报:自然科学版,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,刘 影,刘仍牵.铁路地理信息系统(RGIS)元数据问题研究[J].中国铁道科学,2003(5):75-79.

[7] 张海藩,倪 宁.软件工程[M].3版.北京:人民邮电出版社,2010:66-69.

[8] 谭树人,张茂军,程 钢,等.增强现实电子沙盘及关键技术研究[J].系统仿真学报,2007(40):4727-4730.

[9] 张韬,应 时.基于统一建模语言的面向服务体系结构的描述[J].计算机工程,2005(16):89-91.