基于GIS的鐵路建設(shè)可視化管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用

韓 宇

(濟(jì)南鐵路局 邯濟(jì)鐵路擴(kuò)能改造工程建設(shè)指揮部，濟(jì)南 252000)

隨著近年來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及其在各個(gè)行業(yè)與各個(gè)領(lǐng)域工程應(yīng)用的深入，在鐵路建設(shè)項(xiàng)目的過(guò)程管理中，引入現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)，促進(jìn)工程建設(shè)項(xiàng)目管理的現(xiàn)代化與科學(xué)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工質(zhì)量、安全、成本、工期的有效控制，提供管理與決策平臺(tái)，已成為鐵路建設(shè)單位的共識(shí)。

2006年，鐵道部建設(shè)司對(duì)各路局下發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加快鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用的意見》(鐵建設(shè)函［2006］810號(hào))，指出加快鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)建設(shè)，是提高鐵路建設(shè)管理水平的迫切需要，是有效控制投資的重要手段，是實(shí)現(xiàn)建設(shè)管理與運(yùn)營(yíng)管理有機(jī)結(jié)合的基礎(chǔ)保證。同年4月，鐵道部建設(shè)司在武漢召開了推進(jìn)鐵路建設(shè)信息化的會(huì)議，指出加快鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)的推進(jìn)，是努力提升建設(shè)項(xiàng)目管理水平的重要舉措。另外，鐵道部黨組還提出了要“大力提升建設(shè)管理水平，依靠科學(xué)、規(guī)范的管理制度和機(jī)制，深入推進(jìn)鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化管理”的要求。落實(shí)好鐵道部黨組的要求，就必須認(rèn)真研究鐵路建設(shè)項(xiàng)目的特點(diǎn)和規(guī)律，選準(zhǔn)突破口，借助現(xiàn)代科學(xué)手段優(yōu)化鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理模式，加快推進(jìn)現(xiàn)代化管理進(jìn)程。

在鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理過(guò)程中，由于項(xiàng)目規(guī)模越來(lái)越大，采用技術(shù)日趨復(fù)雜，在實(shí)際的施工建設(shè)過(guò)程中，通常采用的是“建設(shè)指揮部→施工指揮部→施工項(xiàng)目部”的分級(jí)樹型管理形式。在這種體制下，工程安全、質(zhì)量、工期、投資的控制依賴于“逐級(jí)上報(bào)，分層管理”，導(dǎo)致施工作業(yè)的分散性與建設(shè)指揮管理的集中性相互掣肘。以工程進(jìn)度的控制為例，在現(xiàn)有體制中，首先需要基層施工單位對(duì)工程項(xiàng)目中各階段的內(nèi)容與程序編制施工計(jì)劃，然后將進(jìn)度信息反饋并經(jīng)逐級(jí)上報(bào)后，再交由管理層進(jìn)行匯總整理，方能采取一些圖形化的表示方法，將其表達(dá)為工程形象進(jìn)度，從而為決策層掌握整體進(jìn)度提供進(jìn)度控制的決策依據(jù)。但在實(shí)際進(jìn)度控制過(guò)程中，由于涉及的工程類別龐雜、進(jìn)度數(shù)據(jù)量大、逐級(jí)上報(bào)帶來(lái)的周期長(zhǎng)，使得這種形式的工程進(jìn)度控制，沒(méi)有體現(xiàn)出各類工程的具體特點(diǎn)，表現(xiàn)為施工進(jìn)度信息的滯后。從這個(gè)意義講，采用現(xiàn)代化的信息技術(shù)為鐵路建設(shè)過(guò)程中的綜合信息的錄入、查詢與形象展示構(gòu)建可視化平臺(tái)，為管理決策層提供方便快捷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢手段，已勢(shì)在必行。

自2010年邯濟(jì)鐵路擴(kuò)能改造工程建設(shè)籌建以來(lái)，由指揮部主持并聯(lián)合山東申普交通科技有限公司與山東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，共同投入對(duì)“鐵路建設(shè)可視化管理系統(tǒng)”開展自主研發(fā)。系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，應(yīng)用GIS技術(shù)建立以施工平面地圖為基礎(chǔ)的信息導(dǎo)航平臺(tái)，構(gòu)建了基于 Web的施工進(jìn)度形象的VML建模方法，為鐵路建設(shè)過(guò)程中的綜合信息的錄入、查詢與形象展示構(gòu)建了可視化平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)了工程指揮者無(wú)論何時(shí)何地均能對(duì)鐵路工程建設(shè)綜合信息實(shí)時(shí)查詢，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工過(guò)程的遠(yuǎn)程規(guī)范化管理，為管理決策層對(duì)施工過(guò)程的質(zhì)量、安全、成本、工期的控制提供了決策支持。

1 鐵路建設(shè)工程項(xiàng)目管理過(guò)程分析

廣義上的鐵路建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，如果遵循標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目管理程序，應(yīng)包括立項(xiàng)決策、設(shè)計(jì)、工程實(shí)施及竣工驗(yàn)收四個(gè)階段，其基本程序如圖1所示。所涉及的單位涵蓋設(shè)計(jì)、建設(shè)、咨詢、監(jiān)理、施工、供應(yīng)商等單位。狹義上的建設(shè)項(xiàng)目管理主要表現(xiàn)為其中的工程實(shí)施階段。在這一階段，施工單位要確保施工成本費(fèi)用控制在施工圖預(yù)算或工程承包合同價(jià)內(nèi)，控制范圍包括財(cái)務(wù)控制、進(jìn)度控制、質(zhì)量控制及與投資成本相關(guān)的合同管理。同時(shí)，項(xiàng)目監(jiān)理單位對(duì)工程施工和驗(yàn)工計(jì)價(jià)實(shí)施監(jiān)理。據(jù)此，鐵路建設(shè)工程項(xiàng)目管理包括以下主要特點(diǎn)。

圖1 鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理基本程序

1)優(yōu)化管理的多目標(biāo)性

在鐵路建設(shè)工程項(xiàng)目管理中，由于工期、安全質(zhì)量、投資三者之間存在著相互依賴、相互制約的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系，使得鐵路建設(shè)管理必須以工期、安全質(zhì)量和投資三者之間的合理匹配為目標(biāo)。這就要求在信息化管理中對(duì)進(jìn)度控制、質(zhì)量控制和投資控制進(jìn)行綜合考慮。

2)計(jì)劃實(shí)施的多變性

在鐵路工程建設(shè)過(guò)程中，由于人員、材料、資金、機(jī)具、設(shè)備及自然和社會(huì)環(huán)境的影響，即使是經(jīng)過(guò)多方面綜合平衡而優(yōu)化的施工計(jì)劃，其變化也是不可避免的。為了對(duì)施工計(jì)劃的變化進(jìn)行有效控制，應(yīng)采用動(dòng)態(tài)控制原理，即在施工計(jì)劃的執(zhí)行過(guò)程中，跟蹤檢查、搭建信息反饋、動(dòng)態(tài)調(diào)整、優(yōu)化控制，使建設(shè)過(guò)程中每一階段的進(jìn)度、質(zhì)量和投資都得到有效控制。因此，在信息化過(guò)程中，所開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)具備良好的自適應(yīng)性，特別要求注重對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)或信息的處理能力。

3)進(jìn)度控制的多階段性

由于信息反饋的滯后性和指揮決策的被動(dòng)性，很容易引起對(duì)建設(shè)過(guò)程的失控。建設(shè)過(guò)程管理必須分為若干個(gè)控制階段或控制周期?？刂浦芷诘拈L(zhǎng)短應(yīng)視建設(shè)工期的長(zhǎng)短及三大目標(biāo)的緊迫程度而定，可分為年、季、月、旬、周。一般而言，控制周期愈短，信息反饋的敏感度就愈強(qiáng)，指揮決策的有效性也就愈高。而目前的控制周期，由于施工單位的沿線分布、交通不便、進(jìn)度等信息的反饋本身就有一定的滯后期，加之對(duì)于施工單位的反饋信息進(jìn)行匯總，如果依靠人工處理，也不能及時(shí)呈交至指揮決策層，控制周期的縮短受到了現(xiàn)實(shí)條件的限制。因此，在信息化管理系統(tǒng)的構(gòu)建中，應(yīng)以網(wǎng)絡(luò)在線形式為導(dǎo)向，從而提高進(jìn)度控制的時(shí)效性。

4)項(xiàng)目管理的多層次性

我國(guó)的鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理是由項(xiàng)目法人公司(或鐵路建設(shè)指揮部)、建設(shè)監(jiān)理單位、工程局指揮部及施工現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目經(jīng)理組織的多層次、全方位的管理。信息管理系統(tǒng)應(yīng)體現(xiàn)各個(gè)單位的職能，多層次、全方位地強(qiáng)化管理。

根據(jù)上述分析可知，鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)龐大復(fù)雜的多級(jí)管理系統(tǒng)，鐵路工程建設(shè)管理過(guò)程是一個(gè)多目標(biāo)、多階段、動(dòng)態(tài)優(yōu)化的控制過(guò)程。因此，系統(tǒng)以鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理過(guò)程中的進(jìn)度控制為主線，建立在有效的WBS(Work Breakdown Structure)分析方法基礎(chǔ)上，研究數(shù)據(jù)庫(kù)的來(lái)源與采集標(biāo)準(zhǔn)，集成Web-GIS與VML，基于 B/S架構(gòu)，為鐵路建設(shè)過(guò)程中的綜合信息的錄入、查詢與形象展示構(gòu)建可視化平臺(tái)。

2 系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)

在鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建中，為保證信息反饋的時(shí)效性，應(yīng)以網(wǎng)絡(luò)在線形式為導(dǎo)向。為此在鐵路項(xiàng)目開工前，組建指揮部(項(xiàng)目部)時(shí)，信息化管理系統(tǒng)就應(yīng)同時(shí)進(jìn)行規(guī)劃和組建。根據(jù)項(xiàng)目和建設(shè)管理單位要求的不同，統(tǒng)一規(guī)劃組建計(jì)算機(jī)辦公局域網(wǎng)，按建設(shè)單位統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)。要求下級(jí)單位使用統(tǒng)一規(guī)劃的工程管理系統(tǒng)，使用統(tǒng)一的信息平臺(tái)及應(yīng)用軟件，以保證工程的施工數(shù)據(jù)采集和信息管理工作。以向建設(shè)單位提供項(xiàng)目有關(guān)信息的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為核心所建立的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是一種基于計(jì)算機(jī)的工具。它可以把地圖這種獨(dú)特的視覺(jué)化效果和地理分析功能與一般的數(shù)據(jù)庫(kù)操作(例如查詢和統(tǒng)計(jì)分析等)集成在一起。利用地圖界面進(jìn)行信息管理，其良好的直觀性及地理分析功能使得它被廣泛用于支持決策、解決問(wèn)題中。如分析礦產(chǎn)資源的分布情況、水土的流失狀況、通信基站的位置設(shè)置等。

GIS常用于綜合分析評(píng)價(jià)。其獨(dú)特的視覺(jué)化效果、地理分析功能使得分析更加直觀準(zhǔn)確。而鐵路建設(shè)地域跨度大，多個(gè)標(biāo)段管理復(fù)雜，將GIS地理信息系統(tǒng)引入鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)，對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)、科學(xué)組織施工具有實(shí)際的意義。因此，采用將各標(biāo)段施工單位作為一個(gè)個(gè)控制單位集成在GIS操作平臺(tái)上，并與鐵路建設(shè)指揮部相連接，如圖3所示。GIS是整個(gè)信息管理系統(tǒng)的操作平臺(tái)和查詢顯示平臺(tái)。在此平臺(tái)上，圖形可無(wú)級(jí)縮放;生成的線路平面圖準(zhǔn)確直觀;各標(biāo)段建設(shè)進(jìn)度情況、駐地、物資倉(cāng)儲(chǔ)、重點(diǎn)工程等可一覽無(wú)遺;所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均采用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，以圖形熱點(diǎn)為信息切入點(diǎn)，點(diǎn)擊目標(biāo)即可查詢各種信息;引入多媒體動(dòng)態(tài)鏈接，在查詢時(shí)回放聲音、圖片和視頻資料，制作出豐富的演示界面。

圖3 基于Web-GIS的系統(tǒng)可視化GUI設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及其關(guān)鍵技術(shù)

考慮到系統(tǒng)開發(fā)的周期與邯濟(jì)鐵路擴(kuò)能改造工程的工期，邯濟(jì)鐵路擴(kuò)能改造工程建設(shè)指揮部提出了“整體設(shè)計(jì)，逐步實(shí)施”，以構(gòu)建鐵路建設(shè)過(guò)程中的綜合信息的錄入、查詢與形象展示的可視化平臺(tái)為突破點(diǎn)，最終達(dá)到從點(diǎn)到面的建設(shè)過(guò)程控制目的。在這一思路指導(dǎo)下，邯濟(jì)鐵路擴(kuò)能改造工程建設(shè)指揮部主持聯(lián)合山東申普交通控制技術(shù)有限公司與山東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，共同投入進(jìn)行了“鐵路建設(shè)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)”和“鐵路建設(shè)可視化管理系統(tǒng)”的自主研發(fā)。在一期工程中，完成了“鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并已投入了實(shí)際應(yīng)用，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，所涉及到的主要技術(shù)及其解決方案如下。

1)鐵路建設(shè)信息的標(biāo)準(zhǔn)化方法

按照鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化管理的要求，“以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)”，將數(shù)據(jù)劃分為空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)三大類。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化管理的要求，通過(guò)對(duì)鐵路建設(shè)工程項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)規(guī)范的研究和探索，建立起各類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模型與規(guī)范。其數(shù)據(jù)交換格式采用XML(可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言)技術(shù)。

2)施工進(jìn)度的標(biāo)準(zhǔn)化控制方法

針對(duì)鐵路建設(shè)管理中的特別需求，以 WBS為導(dǎo)向，劃分施工專業(yè)，分為拆遷、路基、橋涵、隧道、通信與信號(hào)、電力與電力牽引、給排水以及房建等十大工程，并根據(jù)各模塊的特點(diǎn)和具體需求，對(duì)其進(jìn)行細(xì)化。從施工圖數(shù)據(jù)入手，對(duì)相關(guān)的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，生成對(duì)應(yīng)施工圖各項(xiàng)目的進(jìn)度數(shù)據(jù)，再建立施工圖各項(xiàng)目與工程量清單的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型。進(jìn)度控制流程見圖5。

圖5 鐵路建設(shè)進(jìn)度控制流程

對(duì)鐵路專業(yè)WBS項(xiàng)目數(shù)據(jù)、單位工程施工組織設(shè)計(jì)等資料數(shù)據(jù)、各級(jí)單位施工計(jì)劃下達(dá)數(shù)據(jù)、施工圖數(shù)據(jù)、進(jìn)度數(shù)據(jù)等進(jìn)行分類，如屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)，為進(jìn)度控制各級(jí)管理提供數(shù)據(jù)源，并提出數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則。

3)鐵路建設(shè)工程的可視化管理技術(shù)

將Web-GIS(地理信息系統(tǒng))與Flash、VML(Vector Markup Language，矢量可標(biāo)記語(yǔ)言)技術(shù)集成，并在此基礎(chǔ)上建立起基于施工圖數(shù)據(jù)的形象進(jìn)度模型，將形象進(jìn)度專題圖表直接鏈接至質(zhì)量控制、物資管理、安全控制等系統(tǒng)。

鐵路建設(shè)中的相關(guān)工程信息都具有鮮明的地理屬性相關(guān)特征，GIS以其強(qiáng)大的制圖、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理功能，加之現(xiàn)有的開放GIS系統(tǒng)都提供有API，支持用戶的二次開發(fā)，能滿足鐵路建設(shè)工程的可視化管理需求。但對(duì)于建筑施工圖以及形象進(jìn)度等的展示支持程度有限，為此，在詳細(xì)了解和分析工程管理內(nèi)容和需求基礎(chǔ)上，結(jié)合鐵路施工建設(shè)管理的特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)地理資料及工程設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)，利用Flash，實(shí)現(xiàn)了如圖6所示的基于施工平面圖的信息導(dǎo)航平臺(tái)，利用百度地圖提供的API，結(jié)合ASP.NET，實(shí)現(xiàn)了如圖7所示的基于二維Web-GIS的信息導(dǎo)航平臺(tái)，并以VML建立起工程形象進(jìn)度圖庫(kù)，用于生成各種各樣的形象進(jìn)度，如圖6中所示的重點(diǎn)橋梁施工進(jìn)度圖。

圖6 基于施工平面圖的信息導(dǎo)航平臺(tái)

圖7 基于二維Web-GIS的信息導(dǎo)航平臺(tái)

4 結(jié)語(yǔ)

邯濟(jì)鐵路西起京廣線邯鄲南站，東至津浦線上的晏城北站，并連接濟(jì)南站，全長(zhǎng)232 km，橫穿華北平原中部的晉冀魯?shù)貐^(qū)，橫向連接京廣、京九、京滬三大鐵路干線，并西接邯長(zhǎng)線，與太焦線、陽(yáng)涉線相通，東連膠濟(jì)線，可直達(dá)青島港。構(gòu)成山西省至膠東半島及青島港的東西干線，形成晉煤外運(yùn)的中路通道。邯濟(jì)鐵路設(shè)計(jì)為國(guó)家Ⅰ級(jí)鐵路干線，年運(yùn)力20 Mt，總投資約12億元，于1996年11月開工，是國(guó)家“九五”重點(diǎn)工程，由鐵道部、山東省、河北省三方共同投資修建。2000年4月，該線開通運(yùn)營(yíng)臨管，2002年12月正式通過(guò)國(guó)家竣工驗(yàn)收。

2009年起，邯濟(jì)鐵路進(jìn)行復(fù)線電氣化改造工程。建成后，實(shí)現(xiàn)電力牽引，牽引質(zhì)量5000 t，客車速度目標(biāo)值140 km/h，日開行客車13對(duì)，貨運(yùn)量可達(dá)18 Mt/年。項(xiàng)目總投資75.5億元，建設(shè)工期為2.5年。在邯濟(jì)鐵路擴(kuò)能改造工程中，“鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)”投入運(yùn)行，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步形成可供全局推廣應(yīng)用的通用軟件系統(tǒng)。期間，鐵道部與濟(jì)南鐵路局的多位領(lǐng)導(dǎo)、專家到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研指導(dǎo)，給予了高度評(píng)價(jià)并積極建議在鐵路建設(shè)工程中推廣應(yīng)用。

二維地理信息系統(tǒng)在空間關(guān)系上的欠缺，使得鐵路建設(shè)中的路軌、橋梁、涵洞、管網(wǎng)表現(xiàn)形式不直觀。比如，通過(guò)二維地理信息系統(tǒng)可知某設(shè)備在橋梁的某平面位置，但具體的是在承臺(tái)上還是在哪不得而知，這種局限已成為用戶管理在超越單一化走向多樣化、集成化、細(xì)節(jié)化、動(dòng)態(tài)化的進(jìn)程中最大的障礙。為此，在未來(lái)的后續(xù)工作中，將以三維地理信息平臺(tái)作為解決方案，開發(fā)數(shù)字地質(zhì)、數(shù)字鐵路相兼容的集成化軟件。同時(shí)將“鐵路建設(shè)綜合信息管理系統(tǒng)”與現(xiàn)有的“鐵路施工遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)”、“鐵路工務(wù)安全預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”集成，主要應(yīng)用于鐵路建設(shè)過(guò)程的管理和建成后的工務(wù)系統(tǒng)綜合管理，形成全時(shí)、三維、可視化、信息化軟件管理平臺(tái)，以適應(yīng)鐵路建設(shè)和維護(hù)過(guò)程中對(duì)質(zhì)量、安全、成本、工期等進(jìn)行有效管理的要求。

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