鐵路工程施工組織進(jìn)度智能化管理系統(tǒng)研究

喬方博，解亞龍，鮑 榴，陳 志，晁棉鏢

（1.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；2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)公司，北京 100081）

鐵路工程施工組織（簡(jiǎn)稱(chēng)：施組）是對(duì)施工活動(dòng)實(shí)行科學(xué)管理的重要計(jì)劃手段，是對(duì)工程建設(shè)順序、建設(shè)工期、資源配置、施工技術(shù)方案及安全質(zhì)量管理等要素的統(tǒng)籌安排[1]。施組管理內(nèi)容是主導(dǎo)工程優(yōu)質(zhì)、安全、有序、高效建設(shè)的決定因素，其涵蓋專(zhuān)業(yè)廣、建設(shè)周期長(zhǎng)、調(diào)整關(guān)系繁雜，其管理水平會(huì)直接影響到鐵路工程建設(shè)質(zhì)量和效率[2]。中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司高度重視鐵路施組管理工作，要求利用信息化手段制定建設(shè)工程實(shí)施計(jì)劃、組織實(shí)施、強(qiáng)化施工組織，運(yùn)用鐵路工程管理平臺(tái)加強(qiáng)施組動(dòng)態(tài)管理[3-5]。但就目前施工現(xiàn)場(chǎng)的施組管理系統(tǒng)使用情況來(lái)看，還不能完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求，尚未達(dá)到鐵路工程信息化、智能化的建設(shè)目標(biāo)，需要進(jìn)一步采用先進(jìn)的技術(shù)手段輔助現(xiàn)場(chǎng)施組管理決策[6]。

基于此，本文圍繞施組計(jì)劃編制、計(jì)劃調(diào)整及智能輔助決策展開(kāi)研究，研發(fā)了鐵路工程施工組織進(jìn)度智能化管理系統(tǒng)。

1 信息化應(yīng)用現(xiàn)狀及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國(guó)鐵路工程施組管理主要借鑒于國(guó)內(nèi)外的項(xiàng)目管理工具或其他行業(yè)的管理軟件。不同于其他（如建筑、水利等）施組管理系統(tǒng)興起較早的行業(yè)，一些鐵路項(xiàng)目的施組計(jì)劃編制及調(diào)整仍需借助公路行業(yè)的施組管理軟件，但由于制度和行業(yè)的差異，這些軟件并不能完全適用于鐵路行業(yè)[7]?，F(xiàn)場(chǎng)的鐵路施組計(jì)劃主要依賴(lài)CAD等軟件人工編制，在計(jì)劃編制、調(diào)整、預(yù)警方面存在以下問(wèn)題。

（1）在計(jì)劃編制方面，傳統(tǒng)的施組計(jì)劃編制系統(tǒng)無(wú)法針對(duì)鐵路工程各專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行科學(xué)描述，主要依靠以人工經(jīng)驗(yàn)為導(dǎo)向的編制方式，易帶來(lái)較大的誤差。

（2）在計(jì)劃調(diào)整方面，由編制人員逐個(gè)調(diào)整施組計(jì)劃項(xiàng)不僅繁瑣冗余，且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整后的施組進(jìn)度缺乏智能化的審核管理過(guò)程。

（3）在跟蹤預(yù)警方面，鐵路施組管理缺少及時(shí)的數(shù)據(jù)跟蹤與智能推演方法，無(wú)法對(duì)進(jìn)度合理把控，嚴(yán)重影響跟蹤效率[8]，且在對(duì)進(jìn)度表達(dá)方式上不夠直觀、形式單一。

1.2 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

針對(duì)目前鐵路施組在計(jì)劃編制、調(diào)整和進(jìn)度把控等方面存在的上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)鐵路工程施組進(jìn)度智能化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)。

（1）依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立統(tǒng)一的施工項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱(chēng)：工項(xiàng)）內(nèi)容模板并內(nèi)置于系統(tǒng)之中，以滿(mǎn)足各層級(jí)用戶(hù)對(duì)施組計(jì)劃編制節(jié)點(diǎn)的需要；按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程需要鋪排內(nèi)置的工項(xiàng)。

（2）基于系統(tǒng)內(nèi)置工項(xiàng)間的連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)前后置工項(xiàng)的聯(lián)動(dòng)調(diào)整，并依托圖形化方法，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)施組計(jì)劃的快速調(diào)整。

（3）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的指導(dǎo)性、實(shí)施性施組管理辦法流程，綜合各專(zhuān)業(yè)的智能推演算法，實(shí)現(xiàn)施組智能輔助決策方案；通過(guò)進(jìn)度實(shí)時(shí)跟蹤、推演預(yù)警、形象化表達(dá)等相關(guān)技術(shù)，輔助現(xiàn)場(chǎng)施組管理人員決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)度的全面把控與科學(xué)管理。

2 總體架構(gòu)

鐵路工程施組進(jìn)度智能化管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)層

系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)進(jìn)度數(shù)據(jù)。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括項(xiàng)目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、部門(mén)組織人員機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)及項(xiàng)目基礎(chǔ)的工序指標(biāo)，統(tǒng)一在鐵路工程管理基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行維護(hù)；實(shí)時(shí)進(jìn)度數(shù)據(jù)包括日進(jìn)度數(shù)據(jù)及主體工程計(jì)劃數(shù)據(jù)等，主要從施工日志系統(tǒng)獲取[9-10]。

2.2 校驗(yàn)層

校驗(yàn)層采用校驗(yàn)和轉(zhuǎn)換的方法確保以上來(lái)源數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)于項(xiàng)目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)斷鏈數(shù)據(jù)同步將其校驗(yàn)并轉(zhuǎn)換為實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)里程進(jìn)度；對(duì)于來(lái)源于施工日志等第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，采用多源數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法，比對(duì)校驗(yàn)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3 系統(tǒng)層

系統(tǒng)內(nèi)置了統(tǒng)一的施工工項(xiàng)內(nèi)容模板、各專(zhuān)業(yè)工項(xiàng)鋪排方法、智能輔助決策方案、現(xiàn)場(chǎng)施組管理流程、現(xiàn)場(chǎng)工期預(yù)警指標(biāo)維護(hù)方法、圖形化表達(dá)方法等，是施工組織智能化功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

2.4 功能層

基于統(tǒng)一的施組編制基礎(chǔ)模板，實(shí)現(xiàn)施組計(jì)劃的快速編制、調(diào)整及后置計(jì)劃的聯(lián)動(dòng)調(diào)整功能；通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)跟蹤獲取，利用智能輔助決策方案對(duì)進(jìn)度推演預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度的實(shí)時(shí)把控，輔助現(xiàn)場(chǎng)施組管理人員調(diào)整決策。

3 系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)方法

鐵路工程施組進(jìn)度智能化管理系統(tǒng)的主要功能為施組計(jì)劃編制、施組計(jì)劃調(diào)整、智能輔助決策。 本系統(tǒng)基于鐵路工程平臺(tái)，采用B/S架構(gòu)、“SpringBoot+Vue”框架開(kāi)發(fā)，其功能實(shí)現(xiàn)方法如下。

3.1 施組計(jì)劃編制

3.1.1 模板建立

將鐵路工程施組計(jì)劃編制的施工工項(xiàng)內(nèi)容模板化，制定鐵路工程建設(shè)工作任務(wù)分解結(jié)構(gòu)的編碼體系標(biāo)準(zhǔn)。具體過(guò)程如下：

（1）依照《鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)匯編》[11]《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》[12]《鐵路工程設(shè)計(jì)信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)》[13]等標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)與工程系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)（EBS，Engineering Breakdown Structure）樹(shù)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一，分解到適合工程建模的編碼節(jié)點(diǎn)，作為模型建立的基礎(chǔ)；

（2）理清各專(zhuān)業(yè)工項(xiàng)的前后置關(guān)系，通過(guò)選取典型專(zhuān)業(yè)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)分解模版、工效指標(biāo)庫(kù)、工作任務(wù)模板庫(kù)、工作任務(wù)時(shí)序規(guī)則庫(kù)，構(gòu)建其專(zhuān)業(yè)內(nèi)部的工序工項(xiàng)模型；

（3）制定線路、標(biāo)段、專(zhuān)業(yè)、單位工程及工程部位的結(jié)構(gòu)分解，形成施組工程結(jié)構(gòu)分解模板。

3.1.2 工項(xiàng)鋪排

在施組模板的基礎(chǔ)上對(duì)鐵路工程工項(xiàng)進(jìn)行鋪排，如圖2所示。其中，鋪架工程作為線路、橋梁及隧道主體工程的后置工項(xiàng)，是關(guān)鍵路徑上的必要節(jié)點(diǎn)，可用于統(tǒng)籌安排各類(lèi)前置工項(xiàng)的截止時(shí)間[14]。在確定好鋪架工程時(shí)間節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)站前主體工程中的復(fù)雜特大橋、長(zhǎng)大隧道等重點(diǎn)工程采用順排工期；其余非重點(diǎn)主體工程以鋪軌工程為時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行倒排。

圖2 鐵路工程專(zhuān)業(yè)間工項(xiàng)鋪排關(guān)系

3.2 施組計(jì)劃調(diào)整

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工點(diǎn)工項(xiàng)的難度存在差異，各工項(xiàng)持續(xù)時(shí)間對(duì)總工期的影響程度也不相同。系統(tǒng)通過(guò)提取影響總工期的關(guān)鍵線路，利用其他非關(guān)鍵路徑工項(xiàng)的自由時(shí)差平衡資源投入量，以達(dá)到壓縮工期和資源利用最優(yōu)化的效果，避免部分工項(xiàng)過(guò)早或過(guò)遲完工造成工程閑置或延誤而帶來(lái)時(shí)間和資金的損失。

以橋梁專(zhuān)業(yè)為例，施組工期調(diào)整方案可分為2類(lèi)，如圖3和圖4所示。通過(guò)提高工項(xiàng)的施工速度（簡(jiǎn)稱(chēng)：工速）及合理分配資源增加工作面，可對(duì)偏差的各種因素及影響工期的程度進(jìn)行分析、評(píng)估和智能優(yōu)化，便于施工管理者識(shí)別施工資源需求，采取有效措施調(diào)整優(yōu)化項(xiàng)目進(jìn)度。

圖3 通過(guò)調(diào)整墩臺(tái)工速調(diào)整工期

圖4 通過(guò)增加墩臺(tái)工作面調(diào)整工期

3.3 智能輔助決策

在施組計(jì)劃編制、調(diào)整方案的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度情況推演預(yù)警。通過(guò)從施工日志系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤，并結(jié)合多源數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法，獲取到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度數(shù)據(jù)；在此基礎(chǔ)上通過(guò)推演算法及系統(tǒng)內(nèi)置的工項(xiàng)間前后置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)局部工期調(diào)整下整體工期的快速推演；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的進(jìn)度節(jié)點(diǎn)要求對(duì)當(dāng)前進(jìn)度預(yù)警，并通過(guò)斜率圖方法形象化展示，支持在圖形上直接調(diào)整；在現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)性、實(shí)施性施組的管理流程中運(yùn)用以上技術(shù)，形成施組進(jìn)度智能輔助決策方案，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)施組進(jìn)度智能輔助決策方案

3.3.1 指導(dǎo)性施組

智能輔助決策方案通過(guò)確定指導(dǎo)性施組進(jìn)度時(shí)間節(jié)點(diǎn)，確保各級(jí)施組方案能在上級(jí)施組框架下調(diào)整和修改，避免作業(yè)節(jié)點(diǎn)上的時(shí)間沖突。建設(shè)單位可根據(jù)在鐵路工程管理平臺(tái)中已編制完成的計(jì)劃，初始化編制指導(dǎo)性施組計(jì)劃并導(dǎo)入施組進(jìn)度智能化管理系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，填寫(xiě)必要的施組時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息后，自動(dòng)生成初始施組計(jì)劃。

3.3.2 實(shí)施性施組

施工單位在指導(dǎo)性施組基礎(chǔ)上編寫(xiě)和調(diào)整其所管區(qū)域內(nèi)的實(shí)施性施組計(jì)劃，系統(tǒng)智能校驗(yàn)其合理性后經(jīng)過(guò)監(jiān)理單位和建設(shè)單位的審核，輔助審批管理流程，增強(qiáng)調(diào)整質(zhì)量與效率。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

西昆（西安—昆明）高速鐵路具有橋梁隧道比高、不良地質(zhì)多、區(qū)域環(huán)境敏感、工程量大等特點(diǎn)，對(duì)施工組織管理要求較高。本文研發(fā)的鐵路工程施組智能化編制系統(tǒng)已在西昆高速鐵路試用，減輕了現(xiàn)場(chǎng)施組人員編制調(diào)整工作量，可對(duì)當(dāng)前進(jìn)度推演展示，輔助施組編制人員快速調(diào)整決策。系統(tǒng)生成施組整體進(jìn)度的斜率圖如圖6所示，圖中黃色圖例表示按照當(dāng)前進(jìn)度與工期指標(biāo)庫(kù)推演出的工期完成時(shí)間。

圖6 施組整體進(jìn)度斜率圖

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度的實(shí)時(shí)追蹤與智能預(yù)警方面，系統(tǒng)可從施工日志系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)的日進(jìn)度數(shù)據(jù)，并通過(guò)智能輔助推演算法對(duì)進(jìn)度推算，將推演結(jié)果與施組計(jì)劃數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比對(duì)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度推演預(yù)警，并以圖形化的方式展示當(dāng)前已完成工期進(jìn)度、計(jì)劃完成工期以及推演完成工期；在提高現(xiàn)場(chǎng)施組的編制調(diào)整效率方面，施組管理人員通過(guò)以上施組推演信息，可直觀把握施組進(jìn)度情況，對(duì)施組計(jì)劃以圖形方式進(jìn)行形象化調(diào)整，后置工項(xiàng)統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)調(diào)整，避免了逐一調(diào)整工項(xiàng)的繁瑣步驟。此外，系統(tǒng)對(duì)不同的編制調(diào)整結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一的版本管理與保留，符合現(xiàn)場(chǎng)的施組管理審核流程，在高效調(diào)整的同時(shí)進(jìn)一步確?，F(xiàn)場(chǎng)施組管理質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究并實(shí)現(xiàn)了鐵路工程施工組織進(jìn)度智能化管理系統(tǒng)。在西昆高速鐵路的試用表明，該系統(tǒng)能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)在計(jì)劃編制、調(diào)整、預(yù)警方面的需求，并輔助現(xiàn)場(chǎng)管理決策，有效解決了傳統(tǒng)施組編制過(guò)程中過(guò)分依賴(lài)人為經(jīng)驗(yàn)、調(diào)整不合理、預(yù)警不及時(shí)等諸多問(wèn)題，提升了鐵路工程施組管理過(guò)程的科學(xué)性與智能性。后續(xù)將重點(diǎn)檢驗(yàn)該系統(tǒng)在大規(guī)模工程實(shí)際應(yīng)用中的使用效果，為進(jìn)一步適應(yīng)多種復(fù)雜艱險(xiǎn)環(huán)境下的鐵路工程施組管理提供支撐。