鐵路工程智慧工地管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

容建華，王萬齊，劉 闖

（1.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司， 北京 100027；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京 100081）

“智慧工地”是指構(gòu)建具有PC端和移動(dòng)端的“智慧工地云平臺(tái)”，對(duì)施工工地涉及到的“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等方面實(shí)現(xiàn)信息化的有效監(jiān)管[1-6]。國(guó)內(nèi)對(duì)施工項(xiàng)目管理軟件的研究始于上世紀(jì)70年代，經(jīng)過不斷的探索和應(yīng)用，近年來人工智能的智慧已發(fā)展到專家級(jí)的水平。隨著“智慧工地”方面的應(yīng)用研究逐步深入，相應(yīng)的信息化管理系統(tǒng)軟件日漸成熟。軌道交通工程項(xiàng)目多為線性工程，尤其是鐵路干線工程，具有線路跨度長(zhǎng)，施工控制點(diǎn)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參建單位多、管理內(nèi)容跨度大等特點(diǎn)[7-8]。這些特點(diǎn)給施工項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)管理帶來了極大挑戰(zhàn)。從實(shí)際業(yè)務(wù)出發(fā)，通過集成物聯(lián)網(wǎng)、二維碼、電子書、人臉識(shí)別等技術(shù)手段，構(gòu)建鐵路工程智慧工地管理信息化平臺(tái)，可以提高施工現(xiàn)場(chǎng)的信息化管理水平和管理效率，強(qiáng)化安全風(fēng)險(xiǎn)控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)傳輸、自動(dòng)分析和自動(dòng)記錄[9-10]；進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)過程不同階段、不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)、不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)交換與信息共享[11]。

1 系統(tǒng)基本要求

智慧工地管理信息系統(tǒng)以中英雙語管理平臺(tái)和APP為基礎(chǔ)，充分利用現(xiàn)場(chǎng)管理“二維碼”、重點(diǎn)工點(diǎn)“觸屏一體機(jī)”、隧道監(jiān)管“人臉識(shí)別”等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、機(jī)械設(shè)備、施工工法及交班、安全、質(zhì)量和環(huán)境保護(hù)等內(nèi)容管控的信息化、可視化和遠(yuǎn)程化管理，并須達(dá)到以下基本要求：

（1）系統(tǒng)應(yīng)具有一定的先進(jìn)性，能結(jié)合成熟的最新應(yīng)用技術(shù)，解決施工現(xiàn)場(chǎng)的管理需求。即要綜合利用二維碼、RFID電子標(biāo)簽、電子書、人臉識(shí)別、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，以及即時(shí)消息推送等技術(shù)，基于云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能化研判和過程監(jiān)督管理[10，12]。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)應(yīng)緊密結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)，最大限度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，盡量減少人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、自動(dòng)傳輸、自動(dòng)分析、自動(dòng)校驗(yàn)、自動(dòng)記錄、自動(dòng)流轉(zhuǎn)和推送，并提供靈活的檢索方式[8]。

（3）系統(tǒng)應(yīng)預(yù)留與主數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)過程不同階段、不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)、不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)交換與信息共享，預(yù)留進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析的條件[11]。

（4）系統(tǒng)應(yīng)支持用戶自定義流程配置，自定義統(tǒng)計(jì)報(bào)表生成，預(yù)留進(jìn)一步拓展的條件。

（5）支持中英雙語系統(tǒng)應(yīng)用界面，具備雙語頁(yè)面切換功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和用戶訪問層，如圖1所示。

2.1.1 感知層

通過溫濕度傳感器、壓力傳感器、光電傳感器、磁性傳感器、機(jī)電傳感器等終端設(shè)備，采用人工加自動(dòng)的方式，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)智能化地識(shí)別、感知、定位、跟蹤、采集、監(jiān)控、管理鐵路的現(xiàn)場(chǎng)信息，為平臺(tái)提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

采用無線傳輸、移動(dòng)通信、虛擬專用網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，為平臺(tái)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳下達(dá)提供通道。實(shí)現(xiàn)各級(jí)管理者隨時(shí)隨地獲取到數(shù)據(jù)和消息。

2.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層

系統(tǒng)對(duì)施工過程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理的主要場(chǎng)所?，F(xiàn)場(chǎng)采集的相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳送到云存儲(chǔ)中心，通過光纖通道存儲(chǔ)設(shè)備、IP存儲(chǔ)設(shè)備、直接附加存儲(chǔ)（DAS）設(shè)備等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并通過集群、網(wǎng)格和分布式文件系統(tǒng)等技術(shù)，提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

2.1.4 應(yīng)用服務(wù)層

實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)功能按需進(jìn)行組件式安裝，供用戶訪問層進(jìn)行應(yīng)用調(diào)用。根據(jù)業(yè)務(wù)種類，要封裝的業(yè)務(wù)組件有Web服務(wù)、GIS服務(wù)、數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)處理、綜合分析和報(bào)表統(tǒng)計(jì)等。

2.1.5 用戶訪問層

用戶可通過虛擬專用網(wǎng)（VPN）、Web、移動(dòng)互聯(lián)、二維碼和觸屏等技術(shù)，以瀏覽器、移動(dòng)客戶端、第三方即時(shí)通軟件等多種方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心支持通過多運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，為保證網(wǎng)絡(luò)安全，設(shè)置防火墻實(shí)現(xiàn)1～4層的安全防護(hù)；設(shè)置Web應(yīng)用防火墻（WAF）和入侵防御檢測(cè)（IPS）等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，實(shí)現(xiàn)5～7層的安全防護(hù)；內(nèi)部核心網(wǎng)絡(luò)由TB級(jí)交換設(shè)備承載，支持?jǐn)?shù)據(jù)中心的海量數(shù)據(jù)交換、大規(guī)模數(shù)據(jù)并發(fā)和縱向虛擬化等；VPN設(shè)備提供用戶訪問資源的專用安全通道；計(jì)算節(jié)點(diǎn)采用高性能服務(wù)器搭載虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理資源的整合；存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)采用冗余雙主控高性能存儲(chǔ)設(shè)備；備份節(jié)點(diǎn)對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行定期備份存儲(chǔ)，防止數(shù)據(jù)意外丟失。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。終端采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至云平臺(tái)，供各級(jí)用戶使用。

圖2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)采用SSM框架組合開發(fā)，分別使用Spirng-MVC、Spring、Mybatis各框架中優(yōu)秀模塊進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)MVC架構(gòu)模式，保證系統(tǒng)良好的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性和模塊的復(fù)用性。技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 技術(shù)架構(gòu)

2.4 接口服務(wù)架構(gòu)

系統(tǒng)基于SOA標(biāo)準(zhǔn)，并采用Web Service技術(shù)對(duì)各種系統(tǒng)資源提供的服務(wù)接口進(jìn)行統(tǒng)一管理。接口服務(wù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 接口服務(wù)架構(gòu)

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)滿足公司、項(xiàng)目經(jīng)理部、項(xiàng)目分部和施工工點(diǎn)四級(jí)用戶的管理需求，實(shí)現(xiàn)的主要功能如圖5所示。

3.1 首頁(yè)管理

按管理層級(jí)建立首頁(yè)，在線查閱安全、質(zhì)量、重大風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境排查/整改問題統(tǒng)計(jì)。在線查閱人員、設(shè)備統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。按照安全事件發(fā)生原因統(tǒng)計(jì)圖表，大數(shù)據(jù)分析輔助決策分析。在線查閱管理組織架構(gòu)，安全、質(zhì)量、環(huán)保、應(yīng)急體系架構(gòu)。根據(jù)權(quán)限可以鏈接查閱各管理層級(jí)安全、質(zhì)量、風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境管理情況。非法進(jìn)入人臉識(shí)別區(qū)域預(yù)警信息。

圖5 軟件功能架構(gòu)

3.2 安全生產(chǎn)管理

安全會(huì)議功能，可以在線發(fā)布會(huì)議信息，上傳會(huì)議材料，發(fā)布會(huì)議紀(jì)要，參會(huì)人員在線手寫簽到或掃描二維碼簽到。安全檢查功能，依據(jù)現(xiàn)行鐵路安全規(guī)程，在線記錄、管理、查閱檢查問題，發(fā)起指定整改人、提出整改要求、限時(shí)整改，過程手寫簽認(rèn)，實(shí)現(xiàn)問題整改閉環(huán)管理，領(lǐng)導(dǎo)在線督辦。重大風(fēng)險(xiǎn)排查功能，可以在線查閱、記錄風(fēng)險(xiǎn)排查情況，重大風(fēng)險(xiǎn)登記，指定責(zé)任人整改，過程簽認(rèn)，領(lǐng)導(dǎo)在線督辦。通過數(shù)據(jù)庫(kù)在線建檔，形成風(fēng)險(xiǎn)清單，在線管理。

3.3 工程質(zhì)量管理

質(zhì)量檢查功能，依據(jù)現(xiàn)行質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格，在線記錄、管理、查閱檢查問題，發(fā)起指定整改人、提出整改要求、限時(shí)整改，過程手寫簽認(rèn)，實(shí)現(xiàn)問題整改閉環(huán)管理，領(lǐng)導(dǎo)在線督辦。質(zhì)量驗(yàn)收功能，在線進(jìn)行工序“三檢制”驗(yàn)收，實(shí)時(shí)記錄驗(yàn)收人員、時(shí)間及結(jié)論，可追溯驗(yàn)收情況。

3.4 環(huán)境保護(hù)管理

環(huán)保檢查功能，按照環(huán)境管理內(nèi)容分類，在線記錄、管理、查閱檢查問題，發(fā)起指定整改人、提出整改要求、限時(shí)整改，過程手寫簽認(rèn)，實(shí)現(xiàn)問題整改閉環(huán)管理，領(lǐng)導(dǎo)在線督辦。環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)管理功能，可以在線查閱、記錄風(fēng)險(xiǎn)排查情況，重大風(fēng)險(xiǎn)登記，指定責(zé)任人整改，過程簽認(rèn)，領(lǐng)導(dǎo)在線督辦。

3.5 應(yīng)急管理

應(yīng)急預(yù)案在線建檔，在線查閱預(yù)案內(nèi)容、應(yīng)急組織機(jī)構(gòu)，推送預(yù)案給指定人員閱讀并記錄人員接收信息。按照應(yīng)急物資配備要求，在線檢查應(yīng)急物資，推送檢查結(jié)果給負(fù)責(zé)人整改，記錄檢查整改信息。應(yīng)急演練功能，支持在線記錄和查閱演練評(píng)價(jià)、總結(jié)、參與人員簽到和過程影像。突發(fā)事件能應(yīng)急一鍵啟動(dòng)，在線推送至相關(guān)人員，啟動(dòng)應(yīng)急救援預(yù)案。

3.6 機(jī)械設(shè)備管理

特種設(shè)備管理，可以在線建檔和查閱設(shè)備信息、操作人員持證和培訓(xùn)、操作規(guī)程發(fā)布、設(shè)備日常維護(hù)、運(yùn)行檢查等情況，在線推送操作規(guī)程、安全告知，指定人員閱讀，并記錄閱讀情況。機(jī)械設(shè)備檢查，支持在線進(jìn)行設(shè)備檢查，記錄檢查情況，發(fā)起指定整改人、提出整改要求、限時(shí)整改，過程手寫簽認(rèn)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。

3.7 交底教育

技術(shù)交底，在線進(jìn)行施工交底推送，指定人員閱讀，記錄交底和接受交底的信息。安全技術(shù)交底，在線查閱安全作業(yè)要點(diǎn)、預(yù)防措施、安全標(biāo)準(zhǔn)等，推送指定人員閱讀，記錄交底信息。作業(yè)指導(dǎo)書，在線查閱施工工藝流程圖、控制重點(diǎn)等，推送指定人員閱讀，記錄接收信息。安全專項(xiàng)方案，在線建檔、查閱方案內(nèi)容、審批情況，推送指定人員閱讀。教育培訓(xùn)，在線建檔和查閱安全、質(zhì)量、環(huán)保培訓(xùn)課件和視頻，推送指定人員閱讀，并記錄接收閱讀信息。與教育培訓(xùn)配套進(jìn)行在線考試，考試結(jié)果展示。

3.8 績(jī)效管理

在線建檔和查閱安全、質(zhì)量、環(huán)保檢查計(jì)劃，將計(jì)劃與實(shí)施情況比對(duì)分析；教育培訓(xùn)考試結(jié)果評(píng)比，將這些形成績(jī)效記錄。管理員設(shè)定績(jī)效排名規(guī)則，其他人員可在線查閱績(jī)效積分，績(jī)效排名。

3.9 人員管理

人員信息，在線建檔、管理人員的姓名、照片、身份證、編號(hào)、工種、作業(yè)部位、聯(lián)系方式、持證上崗、進(jìn)場(chǎng)記錄、工資發(fā)放、安全交底、安全教育、勞保領(lǐng)用、應(yīng)急演練、實(shí)名身份認(rèn)證等信息，作為工資發(fā)放、工作考核、繼續(xù)聘用等管理的依據(jù)。人員考勤，進(jìn)行在線工點(diǎn)作業(yè)人員考勤，結(jié)合人臉識(shí)別進(jìn)行重要工點(diǎn)人員進(jìn)出記錄。在隧道、炸藥庫(kù)及重點(diǎn)場(chǎng)站，進(jìn)行人臉識(shí)別記錄，杜絕非法進(jìn)入。

3.10 二維碼管理

根據(jù)管理需求，在線形成動(dòng)態(tài)、靜態(tài)二維碼，設(shè)置權(quán)限，實(shí)現(xiàn)管理人員、作業(yè)人員、參觀人員和外來檢查人員獲取不同的工程動(dòng)態(tài)、靜態(tài)信息，進(jìn)行在線閱讀和在線管理。通過觸屏一體機(jī)以“電子書”的方式進(jìn)行工程信息、管理信息、二維碼信息的集中展示。

3.11 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

建立安全問題庫(kù)、質(zhì)量問題庫(kù)、環(huán)保問題庫(kù)、重大風(fēng)險(xiǎn)庫(kù)，在線建檔、查閱安全隱患，統(tǒng)計(jì)分析易發(fā)、多發(fā)、高發(fā)問題。在線建檔、查閱質(zhì)量問題，統(tǒng)計(jì)分析質(zhì)量通病。在線建檔、查閱環(huán)保問題，形成管理清單。在線建檔、查閱危險(xiǎn)源，形成風(fēng)險(xiǎn)清單。

建立法律法規(guī)庫(kù)、人員信息庫(kù)、動(dòng)態(tài)信息庫(kù)，在線建檔、查閱中國(guó)法規(guī)、所在國(guó)法規(guī)、集團(tuán)制度、公司制度和項(xiàng)目制度。在線建檔、查閱人員詳細(xì)信息，導(dǎo)入和導(dǎo)出統(tǒng)計(jì)表格。在線建檔、查閱施工信息、通告等。

填報(bào)信息報(bào)表、季度報(bào)表，在線建檔、查閱和上報(bào)，按時(shí)完成安全、質(zhì)量、環(huán)保管理信息報(bào)表和季度報(bào)表。

4 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

4.1 基于人臉識(shí)別技術(shù)的隧道安全管理

通過在鐵路隧道作業(yè)進(jìn)出口設(shè)置攝像頭，實(shí)時(shí)采集人臉圖像，采用后端人臉識(shí)別技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中已存儲(chǔ)人員信息對(duì)比，識(shí)別人員的身份[12]。本功能與閘機(jī)設(shè)備對(duì)接，識(shí)別不通過，將觸發(fā)報(bào)警信號(hào)；識(shí)別通過方可進(jìn)入隧道作業(yè)，同步在服務(wù)端提取進(jìn)出隧道人員相關(guān)安全交底、培訓(xùn)教育情況，實(shí)現(xiàn)人與交底教育情況的關(guān)聯(lián)比對(duì)，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問題，提高隧道作業(yè)人員安全監(jiān)管效果。本項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用是對(duì)傳統(tǒng)隧道口進(jìn)出監(jiān)管的重大突破。

4.2 基于電子書的項(xiàng)目信息發(fā)布和管理

將項(xiàng)目信息、作業(yè)部位信息、設(shè)備信息、人員信息分類形成二維碼；對(duì)每個(gè)部位、每臺(tái)設(shè)備、每位人員生成唯一二維碼。同時(shí)將施工相關(guān)的項(xiàng)目信息（文字、圖片、影像、進(jìn)度）等與二維碼進(jìn)行集成，集中按目錄樹分類展示，形成電子書。通過觸摸屏等方式，對(duì)電子書的項(xiàng)目、部位、設(shè)備、人員信息進(jìn)行發(fā)布和展示，實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)重要工點(diǎn)信息數(shù)字化、信息化。傳統(tǒng)工點(diǎn)張貼圖牌、宣傳圖板，變革為以二維碼信息形式進(jìn)行關(guān)聯(lián)檢索和展示，提高監(jiān)管的效率，提升項(xiàng)目形象。

4.3 檢查項(xiàng)目自動(dòng)化匯總及閉環(huán)管理

系統(tǒng)將鐵路施工過程安全、質(zhì)量、重大風(fēng)險(xiǎn)以及環(huán)保的檢查標(biāo)準(zhǔn)錄入，不斷更新鐵路管理及項(xiàng)目所在地、所在國(guó)的最新適用法律法規(guī)，形成項(xiàng)目檢查字典庫(kù)，采用問題聚類方法，選擇并設(shè)置施工工程等具體參數(shù)要求后，系統(tǒng)自動(dòng)生成檢查項(xiàng)，方便現(xiàn)場(chǎng)檢查指導(dǎo)。同時(shí)，利用平臺(tái)及時(shí)將發(fā)現(xiàn)的安全、質(zhì)量、隱患風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)保等問題，通過信息推送，定人、定時(shí)、定標(biāo)準(zhǔn)完成整改，實(shí)現(xiàn)閉合管理，以此達(dá)到全過程監(jiān)督管理。

4.4 基于統(tǒng)計(jì)分析實(shí)現(xiàn)輔助決策管理

通過對(duì)安全、質(zhì)量隱患類的問題進(jìn)行分類，對(duì)施工過程中多發(fā)、易發(fā)、高危的問題設(shè)定權(quán)重因子，以數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析的方式，發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并匯總成報(bào)表，輔助管理層決策。實(shí)現(xiàn)帶著問題去檢查，掌握線索促整改，有針對(duì)性地進(jìn)行專項(xiàng)整治，提高問題整治的成效以及預(yù)防的先知性。

5 結(jié)束語

鐵路工程智慧工地管理信息系統(tǒng)以強(qiáng)化過程控制為核心；綜合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算等技術(shù)，以“人臉識(shí)別”、“二維碼”、“觸屏電子書”、“輔助決策”等關(guān)鍵技術(shù)和典型應(yīng)用為突破；覆蓋健康、安全、環(huán)保和質(zhì)量管理的重點(diǎn)難點(diǎn)；縮減了管理信息傳遞的層級(jí)和時(shí)間，提高了管理效率，降低了項(xiàng)目管理成本；提升了工程實(shí)體質(zhì)量，降低了安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，將有效保障作業(yè)人員的安全。目前該系統(tǒng)在中交馬來西亞東海岸鐵路項(xiàng)目中得到推廣應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和功能適用性進(jìn)行了驗(yàn)證。系統(tǒng)下一步將在物料管理、BIM可視化交底、大數(shù)據(jù)分析等方面拓展應(yīng)用。