铁路施工组织全过程自动化设计研究

曹政国，艾桂友，李 致

（中铁二院工程集团有限责任公司 工程经济设计研究院，成都 610031）

铁路施工组织设计包括外业调查、内业整理及后期的数据分析计算和成果输出。目前，国内的工作方式还比较传统，大部分采用人工方式进行，尽管部分环节实现了信息化，但整体上仍存在设计周期长、耗费人力多、数据处理量大、易出错等问题，难以满足铁路建设快速发展的需要。因此，急需转变工作方式，充分利用信息化技术实现由人工或半自动化向全自动化的转变，以提高工作效率和质量。另外，铁路施工组织设计是一项由多个过程组成的设计工作，各过程环环相扣，紧密相连，任何一个过程没有实现自动化都会影响整个设计工作的自动化率，因此，为实现设计工作的全自动化，有必要对铁路施工组织全过程自动化设计进行研究。

国内外学者对于铁路施工组织自动化设计的研究尚少，所做的研究仅限于自动绘制施工组织进度图方面[1-4]。近年来，随着建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技术的发展，许多学者提出将BIM技术应用在铁路设计中[5-10]，还有学者提出在铁路施工组织设计中应用BIM技术的方案[11]，以提高工作效率和质量。这些研究虽然部分实现了自动化设计，但由于BIM软件的局限性，尚未实现全过程自动化设计。针对上述问题，本文基于大数据和信息化技术，研究实现了铁路施工组织的全过程自动化设计。

1 铁路施工组织全过程自动化设计的基本条件

要实现铁路施工组织全过程自动化设计，需要具备以下基本条件。

1.1 地理信息系统基础数据及铁路设计数据

地理信息系统（GIS，Geographic Information System）基础数据包括铁路沿线的地图数据、交通数据、经纬度坐标、等高线等；铁路设计数据包括铁路线路、站场、路基、桥梁、隧道、轨道等专业的设计数据。根据GIS基础数据和铁路设计数据可自动感知建设工程周围地理空间信息，用于大型临时设施（简称：大临）工程自动规划和材料运输路线自动规划等。地图数据和交通数据可在相应官网获取。等高线数据则可通过航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM，Shuttle Radar Topography Mission）数据获得矢量数据，再由栅格地图渲染器（Mapnik）把矢量数据渲染成栅格图片以供使用。

1.2 具有大数据处理技术和能力

铁路施工组织自动化设计需要处理大量数据，如展示设计线位须加载标记语言（KML，Keyhole Markup Language）数据文件，读取线路坐标信息，并在大量数据中提取断链信息和里程信息用于工点经纬度坐标的计算和转换。在自动规划大临便道时需提取铁路沿线所有等高线数据，通过计算分析判断等高线走向及分布密集程度，根据公路选线规范，确定大临便道设计方案。在自动规划梁部砂、道砟一类需长距离运输的材料运输路线时，由于运输方式有铁路、公路，须遍历全国铁路路网数据和公路路网数据，并结合运价因素，通过分析计算，确定最优运输路线。上述自动化设计需要提取的基础数据量至少百万级别，须分析计算的过程数据量更是多至上亿级别，只有具备了大数据处理技术和能力，才能实现真正意义上的自动化设计。

1.3 具有可进行信息交流的协同平台

铁路施工组织设计需要多专业协同配合，既须获取站前、站后各专业设计信息，也须将施组设计信息反馈给站前、站后各专业。用传统手工方式进行设计信息交流，工作量大、效率低、数据更新慢、经常不一致，无法用于自动化设计。因此，若要实现铁路施工组织自动化设计须构建协同平台，共享设计数据，打破各专业数据孤岛现状。协同平台需要设置大容量数据库，存储各专业设计数据，统一管理，及时更新，基于标准的接口规则进行数据提取及交互。

1.4 移动设备、服务器等支持设备

移动端具有显示地图、导航、定位记录轨迹线、拍照录音等功能，可用于铁路施工组织外业调查数据的自动采集。服务器具有容量大、运算速度快等特点，可存储大量设计数据，并对数据进行分析计算，也可作为不同终端间数据通信的中转站。

2 铁路施工组织全过程自动化设计方法

铁路施工组织全过程自动化设计遵循铁路施工组织设计指南及规范[12-13]，其方法是在施工组织调查、施工组织设计等各个环节利用硬件设备和软件技术实现自动化，并与现行造价软件相连接共享数据。铁路施工组织全过程自动化设计流程如图1所示。

图1 铁路施工组织全过程自动化设计流程

2.1 构建铁路项目数据环境

铁路项目施工组织自动化设计需要有大量的项目数据做支撑，包括铁路项目周边的GIS基础数据和铁路设计数据。可独立设置存储有GIS基础数据的服务器，从该服务器上自动获取或直接通过相关网站获取；对于铁路设计数据，可从预先构建的协同平台上自动获取，并存储到项目服务器上，为后续的施工组织自动化设计提供数据环境，并为不同终端间的数据共享创造条件。

2.2 外业调查采集数据

外业调查前，移动端设备与项目服务器相连，下载项目数据并构建移动端项目数据环境。外业调查时，设计人员通过移动端设备查看设计线位及铁路沿线的地形地貌情况，利用其导航功能自动导航到工点；利用其定位记录轨迹线功能自动记录铁路、公路路线及料源点位置，大临工程的规划草图；利用其拍照录音功能实时拍摄现场照片、录制调查对话音频，并自动将照片和音频按照工程类别和名称进行整理归档。外业调查完成后，将移动端设备与项目服务器相连，上传数据至项目服务器，完成外业调查数据的自动采集。

2.3 内业整理汇总数据

移动端采集的数据有过于简略或冗余的问题，需要在PC端进行整理，进一步补充完善数据，达到后续进行施工组织自动化设计所需的数据条件。

对于工点，尤其是控制工程和重点工程需进一步补充相关信息，如：自然特征、施工条件、施工方案等。对于交通运输，需要将断路的道路进行连通，基于拓扑分析原理，利用PostGIS数据库对路网（公路、铁路、水运等网络）数据进行分析，找到不连通的道路，通过添加点、延长线等方式实现道路的自动连通，从而构建铁路沿线完整路网。对于大临便道，需要进一步确定设计方案，在PC端基于等高线数据，在满足坡度、转弯半径等相关规范的要求下，利用PostgreSQL数据库规划出最短折线路径，采用Chaikins算法将折线路径曲线化，实现大临便道的自动规划。

2.4 自主进行施工组织设计

基于外业调查和内业整理的数据，在PC端可进行统计、分析、计算并生成施工组织成果。

2.4.1 统计大临工程数量

根据大临工程的位置坐标，利用PC端GIS平台功能可自动统计一定里程范围内的大临工程对象数，并按照单元划分自动统计出各单元大临工程数量。

2.4.2 分析重点大临工程供应范围

对于铺轨基地、梁场、轨枕板场等重点大临工程，根据线路的设计数据，将大临工程在GIS平台上的地理分布关系转化为数学模型，计算重点大临工程到工点的运输距离，基于平衡合理原则，自动分析供应范围，并根据已确定的供应范围，自动统计铺轨、架梁、铺设轨枕板的数量和运距。

2.4.3 规划材料运输方案

根据已有的料源点坐标、工点坐标及已构建的铁路沿线路网数据，基于Dijkstra算法规划料源点至工点的最短、最优运输路线并计算其距离，获取最优运距。在计算出所有工点各类材料的运输距离后，按照单元划分，采用加权平均法计算线路、桥梁、隧道等工程各类材料的运输距离，实现材料运输方案的自动规划。

2.4.4 生成施工组织平面图

根据项目GIS平台上已有的工点、大临工程、交通、料源点数据，基于CAD、PostGIS技术按照设计线路走向裁剪地图区域成像，通过设计线路弯曲角度进行旋转，并将旋转后的地图成像数据进行平移、组装、合成，自动生成施工组织平面图。

2.4.5 生成施工组织进度图

根据已有的工点、大临工程数据及工期指标数据[14]，通过工程数量和对应工期指标计算出各项工程所需工期，再按里程顺序自下而上计算各项工程的开工和完工时间。采用CAD技术，根据横轴里程、纵轴时间的位置关系进行绘制，自动生成施工组织进度图。

2.4.6 生成施工组织说明

预先制定模板，根据模板自动生成施工组织说明。模板分成固定和变化两部分，固定部分为通用文本，如大纲结构、标准施工工艺等；变化部分为项目设计数据和分析、计算后的数据，如工程概况、地区特征、施工组织方案、资源配置方案等，将变化部分设置成变量，当数据源发生变化时，可快速更新施工组织说明。

2.4.7 生成施工进度计划

根据施工组织设计进度图中箱梁场、T梁场、轨枕场、轨道板场、铺轨（架）基地的工程数量、里程信息、施工区段、时间安排、施工方向，可以自动生成铁路项目的架梁进度计划、铺无砟道床进度计划、铺轨（架）进度计划。

2.5 与造价软件关联共享成果数据

通过把施工组织项目与现行造价软件的服务器相连接，将铁路施工组织项目服务器中的数据导入到现行造价软件服务器的对应数据库表中，实现成果数据共享。需要按照方案名称，将材料运输方案的各种材料运输方式、运距、装卸次数等数据导入现行造价软件中，使之在程序界面中显示出来，并计算材料运输单价；大临工程需要内置概算模板，在概算模板中建立工程数量与概算的对应关系，根据工程数量自动编制大临工程概算的原始数据，导入到现行造价软件中计算大临工程的单项概算。

3 方法应用

本文基于上述铁路施工组织全过程自动化设计的方法，开发了铁路工程施工组织及造价一体化编制系统（简称：一体化编制系统），该系统采用C/S设计模式，使用Android、WinForm、Windows Communication Foundation（ WCF ）技术和SQL Server数据库。

一体化编制系统由移动端、PC端、平台运行维护（简称：运维）端组成。移动端用于外业调查，支持在线、离线模式采集数据；PC端用于内业整理和施工组织自动化设计；平台运维端用于完成不同终端间的数据中转及数据存储。一体化编制系统移动端主要由工程模块、导航模块、大临模块、料源模块、交通模块、上传下载模块组成； PC端主要由工程模块、大临模块、料源模块、交通模块、分析计算模块、成果模块组成，一体化编制系统设计架构如图2所示。程的供应范围和供应数量，自动构建材料运输所需的交通系统和自动规划材料运输路线并生成材料运输方案，根据工程、大临、料源和交通的分布情况自动绘制施工组织平面图，根据工程工期和重点大临供应情况，自动进行施工组织安排并绘制施工组织进度图，根据施工组织安排按年度分配工程数量、静态投资和劳动材料，自动生成施工组织设计各类成果附图如图3所示，各类成果附表如图4所示。

图2 一体化编制系统设计架构

图3 一体化编制系统成果附图界面

图4 一体化编制系统成果附表界面

一体化编制系统利用移动端自动采集施工组织外业调查数据，并上传至PC端，在PC端可自动设置、规划施工便道等大临工程，自动计算重点大临工

一体化编制系统已在渝西（重庆—西安）线、广湛（广州—湛江）线、成渝（成都—重庆）中线、叙毕（叙永—毕节）线等铁路项目上进行了应用。应用结果表明，一体化编制系统显著提高了施工组织设计中外业调查和内业整理的生产效率。同时，施工组织设计文件在审查过程中未发现问题，说明该系统可有效保证文件质量。

4 结束语

本文针对国内铁路建设项目采用人工方式进行施工组织设计、工作效率低、设计文件质量不易保证等问题，提出了基于大数据和信息化技术进行铁路施工组织全过程自动化设计的方法，并开发了铁路工程施工组织及造价一体化编制系统。该系统通过数据分析自动确定工点、大临工程、交通、料源点之间的位置关系，用于分配材料供应范围并规划材料运输方案，进行施工便道设计，计算重点大临工程供应数量并安排施工组织方案，同时，解决铁路施工组织设计专业接口多、数据获取不易等问题，有效促进各专业间的信息交流和数据共享。系统的应用显著提高了铁路施工组织设计的工作效率，保障了成果质量，对铁路、公路等线性工程的施工组织自动化设计具有一定的参考意义。