基于電子紙的工程電子文件閱讀設(shè)備研究與設(shè)計(jì)

摘 要：在工程建設(shè)過程中，電子文件已逐步取代了傳統(tǒng)的紙質(zhì)文檔，發(fā)揮了重大作用。但使用環(huán)境惡劣、異地多地施工等因素，都對電子文件提出了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。本文基于具體項(xiàng)目，對紙質(zhì)工程文件與電子工程文件進(jìn)行了比較分析，針對影響因素，設(shè)計(jì)了一款支持電子紙顯示的工程電子文件閱讀設(shè)備，并研究了該工程電子文件閱讀設(shè)備的功能與性能，旨在有效解決工程電子文件的使用問題。

關(guān)鍵詞：工程；電子文件；閱讀；環(huán)境；電子紙

在工程施工的環(huán)境下，如野外勘探、鐵路公路構(gòu)建、災(zāi)害救援等，現(xiàn)有的電子文件傳輸、存儲和使用方法和工具不能有效地滿足實(shí)際需要。比如最常見的是將電子文件拷貝到筆記本電腦上，但使用上存在著充電難、有閱讀死角、不容易攜帶等問題，而且工程現(xiàn)場閱讀環(huán)境比較差：溫度高或低、電磁兼容、潮濕、交通差；操作人員水平參差不齊。而且，隨著時(shí)間和任務(wù)量的積累，電子文件的存儲量迅速增長。因此，如何輕松地實(shí)現(xiàn)工程電子文件的移動(dòng)閱讀實(shí)時(shí)、高質(zhì)量閱讀成為迫切需要解決的問題。

1 紙質(zhì)工程文件與電子工程文件比較分析

采用順序圖、用例圖等工具，對2011年1月到2014年4月期間，中建二局第二建筑工程有限公司負(fù)責(zé)的鄭州京廣快速路解放路立交橋、北環(huán)快速通道文化路立交橋等工程標(biāo)段的工程文件進(jìn)行分析，探究其使用特性、載體特性和用戶特性。

1.1 工程文件施工現(xiàn)場使用特性。使用特性包括4個(gè)方面：（1）工程文件使用實(shí)時(shí)性：施工現(xiàn)場一般都在野外，而且可能多處異地施工，在施工過程中，一直需要工程資料的支持，也很有可能因某項(xiàng)新需求，對工程資料如施工圖紙等，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研、臨時(shí)變更，工程文件實(shí)時(shí)產(chǎn)生，難以預(yù)測。不少人員需要直接在工程資料上進(jìn)行修改，導(dǎo)致工程資料的原始性難以保持，造成損壞。（2）工程文件使用綜合性：施工過程中，并不一定僅僅需要某一個(gè)時(shí)刻的檔案資料，有些時(shí)候，需要將整個(gè)工程施工前后相關(guān)的所有資料綜合在一起，進(jìn)行比對，工程文件需求量比較大，造成運(yùn)輸、保管困難，甚至有些工程資料只有一份，導(dǎo)致多處需要。（3）工程文件使用環(huán)境差：工程施工現(xiàn)場，有可能盛夏酷暑、烈日炎炎，也可能寒風(fēng)凜冽、冰天雪地，也可能風(fēng)雨交加，也可能塵土飛揚(yáng)，這不管對電子文件還是紙質(zhì)文件，都存在著很大的挑戰(zhàn)；有的工程現(xiàn)場可能存在著電磁干擾等，對筆記本電腦或其他電子設(shè)備中的電子文件閱讀產(chǎn)生影響。（4）工程文件用戶多方性：不少工程文件在使用過程中，需要雙方甚至三方、四方在一起，幾十個(gè)人看同一個(gè)文件資料的情況，這就需要用戶輪流觀看，可能導(dǎo)致理解不一致，從而影響工程。

1.2 工程文件載體特性。工程文件的載體主要是紙質(zhì)載體和電子文件。紙質(zhì)載體在使用過程中，因?yàn)楣こ淌┕さ沫h(huán)境比較惡劣，經(jīng)常容易損壞、破裂，甚至發(fā)霉長毛等；因?yàn)楣こ套兏?，多方需求表達(dá)在紙質(zhì)載體上，導(dǎo)致原始工程資料被涂改。如果不直接涂改，那就沒有辦法更好地將實(shí)時(shí)需求表達(dá)記錄下來。

電子文件在工程現(xiàn)場，最主要的方式還是采用電腦或者平板電腦存儲、使用的方式。但在使用這些電子設(shè)備的時(shí)候，還存在著充電比較難、不容易攜帶等問題，因?yàn)楣こ态F(xiàn)場的電源基本上都高壓的。而且，現(xiàn)在的電子閱讀設(shè)備都采用液晶屏幕，有閱讀死角，只適合正面觀看。而且顯示屏幕較小，不適合多人閱讀；更重要的是，這些電子設(shè)備的顯示器，在陽光底下，可見度極差，幾乎看不清楚，但在工程施工現(xiàn)場，這是最基本的閱讀環(huán)境。另外，工程現(xiàn)場的環(huán)境對這些電子設(shè)備的損害也比較大。

電子文件在多方使用時(shí)，也可以采用投影的方式，但具有很強(qiáng)的使用地點(diǎn)限制，比如只能在工程的辦公室中觀看，而且某些工程文件如圖紙等，比較細(xì)致，因?yàn)榄h(huán)境影響，可能投影效果不好。

1.3 工程文件用戶特性。工程文件的用戶包括5方：工程設(shè)計(jì)單位、工程勘察單位、工程建設(shè)單位、工程監(jiān)理單位和工程施工單位。這5方用戶對工程文件的使用要求不同，管理知識與水平也參差不齊，而且，在工程文件的使用過程中，尤其是在施工現(xiàn)場，多方圍繞變更產(chǎn)生討論時(shí)，筆跡、汗水等經(jīng)常伴隨原始工程文件，甚至不小心撕裂等。

2 研究現(xiàn)狀與設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1 研究現(xiàn)狀。據(jù)調(diào)研，國內(nèi)外研究已經(jīng)考慮了在工程中運(yùn)用電子文件的益處，研究了紙質(zhì)工程文件和電子文件同時(shí)使用、電子文件單獨(dú)使用的模式，如早在2002年，洪艷華在《工程紙質(zhì)檔案與電子檔案的配套管理和利用》一文中，就提到了“采用雙軌運(yùn)行的辦法，對工程紙質(zhì)檔案和電子檔案進(jìn)行配套管理和利用”，但研究重點(diǎn)是為了確保檔案的完整性和安全性。[1]

高利華在《水電工程設(shè)計(jì)檔案中電子文件管理的討論》中，討論了“水電工程設(shè)計(jì)電子檔案的標(biāo)準(zhǔn)化管理”等方面的內(nèi)容。[2]路淑文也在《公路工程電子檔案管理中存在的問題及對策》中，研究了“公路工程電子文件管理的規(guī)范化、完整化”，[3]此類文章較多，研究重點(diǎn)更多的關(guān)注工程中電子文件的使用方法或者歸檔方法。

也有的考慮了技術(shù)層面的內(nèi)容，如吳永平、尤勇、林輝的《GIS在退耕還林檔案管理中的應(yīng)用——以建立文縣2004年退耕還林工程電子文件為例》，也主要圍繞著“退耕還林工程數(shù)據(jù)管理操作一體化和多源信息管理一體化”而展開的。[4]這些研究僅僅豐富電子檔案的使用，拓寬了使用范圍，并沒有增加電子文件的可用性。

2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)。經(jīng)上述研究分析認(rèn)為，工程文件在使用過程中最大的困難是閱讀的困難，現(xiàn)有的紙質(zhì)文件和電子文件都無法有效滿足實(shí)際需要。而且傳統(tǒng)的紙質(zhì)閱讀和電子閱讀的安全也得不到保障。

因此，根據(jù)需求和實(shí)際調(diào)研，構(gòu)建如下設(shè)計(jì)目標(biāo)：面向工程環(huán)境，分析工程檔案的產(chǎn)生與使用的業(yè)務(wù)流程，從檔案使用（主要是閱讀）環(huán)境、檔案本身特點(diǎn)、用戶的特點(diǎn)三個(gè)方面分析了工程檔案使用的需求因素，設(shè)計(jì)一個(gè)針對工程電子文件使用的支持移動(dòng)、懸掛與手持的閱讀設(shè)備，并對該閱讀設(shè)備的功能、性能和關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)做了剖析。

整體上講，該工程電子文件閱讀設(shè)備計(jì)劃采用電子紙（EPD，Electronic Paper Display）作為閱讀的主要顯示模塊，閱讀性能良好，輕薄、易攜帶；采用電池和電源充電兩種方式，功耗低；支持多種工程檔案格式與多來源內(nèi)容獲??；支持遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸，支持短距離無線數(shù)據(jù)傳輸與共享；操作界面圖形化，操控靈活方便，易用性強(qiáng)；支持硬件模塊自由組合功能。

3 基于電子紙的工程電子文件顯示

本文設(shè)計(jì)的工程電子文件閱讀設(shè)備，主要先進(jìn)性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：電子紙作為設(shè)備的顯示材質(zhì)；來源多渠道，內(nèi)容多格式。普適性有四個(gè)方面：支持無線遠(yuǎn)程傳輸、近程共享；分模塊自由組裝；獲取驗(yàn)證與內(nèi)容保護(hù)；操作圖形化，靈活方便。這里主要考慮和閱讀相關(guān)的電子紙顯示。

3.1 現(xiàn)有電子閱讀顯示材質(zhì)。電子閱讀器以及閱讀范圍都越來越多，對此，見仁見智的討論很多，但的確數(shù)量很多，手持閱讀的現(xiàn)象普遍。電子內(nèi)容移動(dòng)閱讀、良好閱讀這兩個(gè)方面，已經(jīng)成為國內(nèi)、外研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，開發(fā)了不少相關(guān)產(chǎn)品，而且社會效益、經(jīng)濟(jì)效益明顯。如漢王科技、南開津科、福昕軟件等公司陸續(xù)推出了自主品牌的電子閱讀器。國外的蘋果公司開發(fā)的iPad可支持彩色版的電子信息，而亞馬遜的電子閱讀的利潤也早已超過了紙質(zhì)圖書。但這些閱讀器主要采用了液晶屏，適合在良好的工作環(huán)境下閱讀，而且有各自的數(shù)字版權(quán)管理技術(shù)，封閉性太強(qiáng)，格式和獲取方法單一，無法應(yīng)用于其他系統(tǒng)。

3.2 基于電子紙的工程電子文件顯示。本文設(shè)計(jì)的工程電子文件閱讀設(shè)備采用電子紙作為顯示屏。

（1）顯示原理：電子紙的材質(zhì)也有多種，最常見的是用電子墨水作為專用材料。電子墨水由數(shù)百萬個(gè)尺寸極小的微膠囊構(gòu)成，直徑與頭發(fā)絲相當(dāng)。每一個(gè)微膠囊中含有白色和黑色顆粒，分別帶有正電荷和負(fù)電荷，它們懸浮在清潔的液體中。電子墨水膠囊夾在上下兩層電極之間，有黑色和白色兩種顆粒。當(dāng)受到正負(fù)不同電荷作用的時(shí)候，兩種顏色的膠囊顆粒分別上浮下沉而顯示不同的顏色。只要改變電場作用方向就能在顯示黑色和白色間切換，白色部位對應(yīng)于紙張的未著墨部分，而黑色則對應(yīng)著紙張上的印刷圖文部分，[5]如圖-1所示。而彩色電子紙則通過光子晶體顯示，它控制光子晶體的間距，從而影響這些晶體所反射出的光的波長，從而達(dá)到不同的效果。

圖-1 電子紙顯示原理

（2）工程電子文件顯示問題解決。用電子紙作為工程電子文件閱讀設(shè)備的顯示屏，可有效解決前文總結(jié)的問題：①內(nèi)容可修改、標(biāo)記：因?yàn)榍懊嫣岬降脑?，所以工程電子文件閱讀設(shè)備的很多內(nèi)容，尤其是工程圖紙，經(jīng)常變更。電子紙顯示屏可直接對相對應(yīng)的內(nèi)容直接進(jìn)行標(biāo)記、更新。這是除了閱讀效果之外，最重要的性能，避免了原始紙質(zhì)圖紙的損壞。②閱讀效果好：因?yàn)椴捎秒娮幽蚬庾宇w粒顯示，因此內(nèi)容非常清晰，特別適合工程文件尤其是圖紙。不管是文字還是圖形都非常細(xì)致，因?yàn)轱@示顆粒本身就非常小，哪怕再細(xì)微的工程文件參數(shù)都可以顯示。更重要的是，利用電子紙顯示，在任何角度觀看都很清楚，而且陽光底下也清晰可見，對閱讀環(huán)境不挑剔，這是目前其他電子文件閱讀設(shè)備所做不到的。③便攜易帶，自由使用：電子紙的顯示器，重量輕，非常薄，2007年大約12毫米，[6]而2009年已經(jīng)達(dá)到了0.3毫米，[7]可以折疊，可以懸掛，也可以嵌套到某個(gè)設(shè)備中，因此可在任何地方使用。④節(jié)省電源：工程施工現(xiàn)場，電力設(shè)備一般電壓比較高，很難找到適合電子設(shè)備的電源。異地施工，電源攜帶也不方便。電子紙非常節(jié)能，只有在顯示圖像改變的時(shí)候才會消耗能量。而且即使脫離主機(jī)和電源，也可以保持較長時(shí)間的顯示結(jié)果，這一點(diǎn)對于工程文件的使用是非常具有針對性的。這也符合工程文件使用的實(shí)際情況：在討論和觀看的時(shí)候，也不要發(fā)生變化。

4 工程電子文件閱讀設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)工程電子文件使用的關(guān)鍵需求，結(jié)合電子紙的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)工程電子文件閱讀設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖-2所示。

圖-2 工程電子文件閱讀設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工程電子文件閱讀設(shè)備分基礎(chǔ)部分和外延部分。

4.1 基礎(chǔ)部分?；A(chǔ)部分包括基礎(chǔ)硬件和基礎(chǔ)系統(tǒng)，即圖中深色部分。

①基礎(chǔ)硬件?；A(chǔ)硬件是工程電子文件閱讀設(shè)備的核心硬件，標(biāo)準(zhǔn)配件。它包括了處理器、內(nèi)置存儲、操控設(shè)備、供電的鋰電池和電子紙顯示器。這些標(biāo)準(zhǔn)配件確保了閱讀設(shè)備最低的使用標(biāo)準(zhǔn)，特點(diǎn)是小、輕，便于攜帶。當(dāng)前的計(jì)算機(jī)技術(shù)確保基礎(chǔ)硬件和一個(gè)MP3差不多大小，但足以發(fā)揮需要的作用。電子紙顯示器是可以拆卸的，也可以外接到一臺電腦或其他的電子設(shè)備上。

②基礎(chǔ)系統(tǒng)?；A(chǔ)系統(tǒng)首先包括了一個(gè)基于Linux的操作系統(tǒng)，Linux是一種自由和開放源碼的類Unix操作系統(tǒng)[8]，完全免費(fèi)，任意更改。而且它可安裝在各種計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備中，比如手機(jī)、平板電腦、路由器、視頻游戲控制臺、臺式計(jì)算機(jī)、大型機(jī)和超級計(jì)算機(jī)，兼容性非常好。另外基礎(chǔ)系統(tǒng)還包括了驗(yàn)證使用權(quán)限的軟件和內(nèi)容保護(hù)的軟件，這些軟件是內(nèi)置的，可以升級，這主要考慮的是工程文件本身的安全保密性。

4.2 外延部分。外延部分包括外接設(shè)備和應(yīng)用軟件。

①外接設(shè)備。外接設(shè)備包括了無線網(wǎng)絡(luò)、錄音設(shè)備、手寫筆、繪圖板、外置鍵盤、外置音箱、外置電源、移動(dòng)存儲、打印機(jī)、攝像頭。這些外接通過外接面板與工程電子文件閱讀設(shè)備相連，根據(jù)需要和現(xiàn)場條件選擇使用。

無線網(wǎng)絡(luò)確保異地施工，能夠接收和發(fā)送即時(shí)需要的工程電子文件，確保設(shè)備上有且只有需要的工程電子文件。

在文件圖紙變更現(xiàn)場，可能條件非常艱苦，不適合用筆在紙上書寫，可以用錄音設(shè)備直接錄下討論的結(jié)果。手寫筆和繪圖板則支持在電子紙上直接書寫，或者將繪圖結(jié)果直接更改到圖紙上。

在條件允許的情況下，外置鍵盤、外置音箱和外置電源為設(shè)備更好使用提供了支持。打印機(jī)、攝像頭則提供了更豐富的輸入、輸出幫助。

移動(dòng)存儲將要閱讀的圖紙文件、文檔存儲在SD卡上，或者通過WiFi連接到Internet上，使用瀏覽器進(jìn)行在線閱讀。

②應(yīng)用軟件。根據(jù)工程電子文件的需要，在具備使用環(huán)境的情況下，可通過移動(dòng)存儲器或網(wǎng)絡(luò)選擇需要的軟件安裝。這些軟件也可以安裝到移動(dòng)存儲器上，在使用的時(shí)候連接即可。

經(jīng)鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院信息技術(shù)研究所與中建二局第二建筑工程有限公司以實(shí)際工程為研究樣本，研究、設(shè)計(jì)并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程電子文件閱讀設(shè)備的原型機(jī)，經(jīng)正確性驗(yàn)證與靜態(tài)驗(yàn)證，符合工程電子文件的需求，能有效解決施工過程中的電子文件使用難題，據(jù)預(yù)測，社會效益、經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)效益明顯，值得進(jìn)一步研究、推廣。

*本文為2014年國家檔案局科技項(xiàng)目計(jì)劃：面向惡劣環(huán)境的電子工程檔案EPD移動(dòng)閱讀設(shè)備研究（2014-X-61）。

參考文獻(xiàn)：

[1]洪艷華.工程紙質(zhì)檔案與電子檔案的配套管理和利用[J].湖南檔案，2002（06）：18～19.

[2]高利華.水電工程設(shè)計(jì)檔案中電子文件管理的討論[J].浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2013（03）：16～18.

[3]路淑文.公路工程電子檔案管理中存在的問題及對策[J].陜西檔案，2013（04）：32.

[4]吳永平，尤勇，林輝.GIS在退耕還林檔案管理中的應(yīng)用——以建立文縣2004年退耕還林工程電子文件為例[J].襄樊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（03）：43～46.

[5]付永華，江源，胡星波.一種面向數(shù)字版權(quán)保護(hù)的EPD電子教材的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].江西科學(xué)，2013（1）：117～122.

[6]彩色電子紙.[EB/OL].[2013-5-21].http：//tech.sina.com.cn/roll/2007-06-28/0851348861.shtml

[7]彩色電子紙.[EB/OL].[2013-5-21].http：

//baike.baidu.com/view/2268511.htm

[8]Linux系統(tǒng)簡介.[EB/OL]：[2013-4-16]ht

tp：//www.cyberhome.cn/app/linuxbase.htm.

（作者單位：鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 來稿日期：2014-06-19）