基于數(shù)字中臺的高速鐵路工程質量管理系統(tǒng)架構思考與設計

范文娜，王焜，郝蕊，張素華

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

高速鐵路（簡稱：高鐵）工程具有設計標準高、技術復雜、施工難度大等特點，工程質量偏差對高鐵建成后的安全運營影響重大，因此，提高高鐵工程質量管理水平尤為重要。新一代信息技術引領的產業(yè)變革中，鐵路工程質量管理數(shù)字化轉型勢在必行，即以數(shù)字化賦能全過程、全方位質量管理，提升產業(yè)鏈、供應鏈協(xié)同水平，實現(xiàn)鐵路行業(yè)質量、效率、動力變革和高質量發(fā)展[1]。

近年來，鐵路領域的眾多學者不斷探索工程建設質量管理的內涵和手段。盧春房根據(jù)高鐵工程特點，提出了高鐵工程質量系統(tǒng)管理“時間維—邏輯維—知識維”三維概念模型，并將高鐵工程質量管理劃分為質量文化、質量體系、質量技術、質量方法和質量紅線5 個子系統(tǒng)[2]。隨著高鐵工程建設規(guī)模和管理需求的擴大，業(yè)務應用系統(tǒng)也隨之增多，業(yè)務數(shù)據(jù)分散，導致數(shù)據(jù)的內在價值難以充分發(fā)揮，亟需新的技術手段提升管理能力。數(shù)字中臺技術為高鐵質量管理的業(yè)務整合和數(shù)據(jù)資源匯聚提供了新的思路。本文介紹了數(shù)字中臺技術，提出基于數(shù)字中臺的高鐵工程質量管理系統(tǒng)架構，分析了數(shù)字中臺在高鐵工程質量管理系統(tǒng)中的作用和挑戰(zhàn)，為高鐵工程質量管理數(shù)字化轉型提供參考。

1 數(shù)字中臺概述

1.1 數(shù)字中臺簡介

近年來，中國數(shù)字中臺市場處于高速發(fā)展時期，隨著我國數(shù)字化轉型的不斷深化，數(shù)字中臺的市場需求不斷增加，行業(yè)規(guī)模也快速擴張，截至2021 年，整體市場規(guī)模已達百億級[3]。數(shù)字中臺是一種整合業(yè)務與數(shù)據(jù)資源的技術，將企業(yè)的共性需求進行抽象表達，打造成平臺化、組件化的系統(tǒng)能力，以接口、組件等形式共享給各業(yè)務單元使用。包括數(shù)據(jù)中臺、業(yè)務中臺、知識中臺、人工智能（AI，Artificial Intelligence）中臺等，其中，發(fā)展較為成熟的是數(shù)據(jù)中臺與業(yè)務中臺。隨著中臺技術的不斷發(fā)展，中臺的內涵也不斷豐富，它是一種數(shù)據(jù)技術，同時，蘊含著管理理念，可集戰(zhàn)略思維和組織架構、技術架構于一體，從企業(yè)戰(zhàn)略角度構筑協(xié)同統(tǒng)一的中臺化組織，用來支持、協(xié)調各相關部門，為新部門、新業(yè)務提供成長壯大的空間[4]。

1.2 數(shù)字中臺在高鐵工程中的作用

高鐵建造是一個復雜的工程，數(shù)據(jù)中臺的運用可從以下2 個方面實現(xiàn)資源的整合，進而提升對高鐵工程質量的管理能力。

（1）通過數(shù)據(jù)中臺的數(shù)據(jù)組件或模塊的集合功能，整合高鐵工程質量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)字資產化，使高鐵工程質量管理由業(yè)務驅動向數(shù)據(jù)驅動轉變。

（2）對于業(yè)務應用服務，基于數(shù)據(jù)中臺，可將具有相同功能的服務進行聚合，實現(xiàn)高鐵工程質量的資源與能力共享，快速滿足各參建單位數(shù)字化管理需求，支撐新業(yè)務、新應用的快速開發(fā)與迭代。

2 系統(tǒng)架構

2.1 總體架構

在高鐵質量管理理論與數(shù)字中臺思想的指導下，本文提出基于數(shù)字中臺的高鐵工程質量管理系統(tǒng)架構，如圖1 所示，主要包含資源平臺、基礎平臺、業(yè)務中臺、數(shù)據(jù)中臺、業(yè)務應用、技術體系和管理體系，共同支撐高鐵工程各場景中的質量管理。

圖1 基于數(shù)字中臺的高鐵工程質量管理系統(tǒng)架構

（1）資源平臺：包含感知、傳輸、安全、存儲資源，實現(xiàn)工程全要素數(shù)據(jù)匯聚與存儲。

（2）基礎平臺：包含服務總線、認證中心、消息中心、日志中心、流程引擎、搜索引擎、圖形引擎、地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）引擎等，為系統(tǒng)提供基礎服務。

（3）業(yè)務中臺：對高鐵工程質量管理的各項業(yè)務中的共性需求進行提煉，沉淀為相對穩(wěn)定的可共享的業(yè)務服務能力，主要包含5 個業(yè)務中心，分別為質量文化中心、質量體系中心、質量技術中心、質量方法中心和質量紅線中心。

（4）數(shù)據(jù)中臺：是數(shù)據(jù)服務能力的匯集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)智能計算等功能。

（5）業(yè)務應用：包含了人員管理、機械管理、物料管理、方法管理、環(huán)境管理及驗收管理等方面的應用模塊，以數(shù)據(jù)分析結果輔助管理者決策。

（6）技術體系：包含數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、展示等數(shù)字化技術，例如物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)、建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）、數(shù)字仿真等。

（7）管理體系：是對傳統(tǒng)質量管理方法在數(shù)字化環(huán)境下的優(yōu)化提升。例如：全面質量管理理論中的“計劃（Plan）—實施（Do）—檢查（Check）—處理（Act）”（PDCA）循環(huán)方法與數(shù)字化技術的結合，使工程質量管理的信息流動更加快速、直觀，加快了工程質量PDCA 循環(huán)的迭代速率。

2.2 業(yè)務中臺設計

業(yè)務中臺的建設是對高鐵工程質量管理各項業(yè)務中共性需求的提煉，并沉淀為相對穩(wěn)定的、可共享的業(yè)務服務能力[5]。在高鐵工程質量管理過程中可規(guī)劃設計5 個共享服務中心：質量文化中心、質量體系中心、質量技術中心、質量方法中心和質量紅線中心。共享服務中心采用分布式微服務技術架構，通過服務接口，為高鐵工程質量管理業(yè)務應用提供業(yè)務變化與創(chuàng)新的快速響應能力。業(yè)務中臺的組成如圖2 所示。

圖2 業(yè)務中臺組成

（1）質量文化中心：是輔助高鐵工程質量文化構建的服務，通過質量培訓、示范工程案例及突出質量問題案例等方式使質量文化更深入人心。主要包含培訓資料管理、考試服務、示范工程管理及突出問題管理等。

（2）質量體系中心：是具體質量管理工作中的管理模式、組織機構等的數(shù)字化表達，保障數(shù)字化質量管理的落地應用。通過組織機構管理、鐵路工程實體結構分解（EBS，Engineering Breakdown Structure）、鐵路工作分解結構（WBS，Work Breakdown Structure），實現(xiàn)具體工作任務、質量責任與組織機構的對應關聯(lián)，促進質量管理的有序、規(guī)范推進。

（3）質量技術中心：是指保障質量管理水平過程中應用到的數(shù)字技術和手段，通過對生產過程的數(shù)字化管控，提高質量管理的科學性、準確性，并對產生的問題進行預警、跟蹤，進一步提升高鐵工程質量管理效率。主要包含協(xié)同設計、拌和站生產過程管理、鋼筋加工質量管理、梁場生產管理等。

（4）質量方法中心：是對貫穿于項目全過程的質量管理方法及方法論的具體實現(xiàn)。通過信用評價、接口檢查、質量問題統(tǒng)一管理等手段，為高鐵全生命周期質量管理的科學性和規(guī)范性奠定基礎。

（5）質量紅線中心：是對參建各方必須遵守、不可逾越的底線的數(shù)字化管控。通過對工程實體質量和系統(tǒng)功能關鍵參數(shù)進行數(shù)字化表達，實現(xiàn)對混凝土強度、樁基質量、隧道襯砌質量、沉降等質量紅線具體問題檢測與監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)存在的質量問題并預警。

2.3 數(shù)據(jù)中臺設計

高鐵工程質量管理數(shù)據(jù)中臺的主要作用是沉淀數(shù)據(jù)資產。以高效的資產管理為基礎，整合數(shù)據(jù)通用能力，開放面向業(yè)務中臺與業(yè)務應用的接口，供其調用[6]，數(shù)據(jù)中臺的組成如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)中臺組成

（1）數(shù)據(jù)匯集：將分散在不同系統(tǒng)、網絡環(huán)境、存儲設備中的數(shù)據(jù)進行整合，為后續(xù)數(shù)據(jù)加工處理提供數(shù)據(jù)基礎。數(shù)據(jù)匯集一般有數(shù)據(jù)庫同步、埋點、消息隊列等方式。按時效性可分為離線批量匯集和實時采集2 種類型。

（2）數(shù)據(jù)治理：是提升數(shù)據(jù)可用性的過程。通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準，規(guī)范數(shù)據(jù)組織、提高數(shù)據(jù)管理效率、確保數(shù)據(jù)質量，從而實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)治理主要包含數(shù)據(jù)標準管理、數(shù)據(jù)質量管理、數(shù)據(jù)共享管理、數(shù)據(jù)模型管理、元數(shù)據(jù)管理、主數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)安全治理等。

（3）數(shù)據(jù)計算：是面向開發(fā)、分析人員的數(shù)據(jù)計算服務，主要包含離線計算、實時處理、流式計算、智能調度、監(jiān)控預警等

（4）數(shù)據(jù)資產管理：是對數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)間的關系進行管理，通過數(shù)據(jù)的標注、組織等服務，在高鐵工程質量管理過程中形成共同的“數(shù)據(jù)語言”，輔助業(yè)務人員更好地洞察數(shù)據(jù)間的關聯(lián)關系，進而更好地應用數(shù)據(jù)資產。

（5）智能計算：通過集成人工智能相關技術，進一步增強高鐵工程質量管理智能化水平，包含文本分析識別、圖形圖像分析、知識圖譜引擎、數(shù)據(jù)分析挖掘等。

（6）模型服務：通過集成三維模型處理技術，實現(xiàn)對BIM、GIS 等三維模型的操作與處理，包含地圖模型、三維服務、數(shù)據(jù)科學服務、空間分析服務、協(xié)同建造、虛擬建造、施工模擬、數(shù)字建造等個性化服務。

3 數(shù)字中臺的作用與面臨的挑戰(zhàn)

3.1 數(shù)字中臺的作用

數(shù)字中臺在高鐵工程質量管理系統(tǒng)中的作用主要包含以下幾方面。

3.1.1 資源整合與有效利用

數(shù)字中臺可將既有數(shù)據(jù)進行實時分類、整理、加工等，進一步提升既有數(shù)據(jù)資源的可用性，并將數(shù)據(jù)分享給業(yè)務應用，開展數(shù)據(jù)分析、挖掘等工作，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價值，最終通過業(yè)務應用進行可視化展示，形成分析—決策—執(zhí)行的應用模式。

隨著高鐵工程建設技術的更新與數(shù)字化管理手段的升級，高鐵工程質量管理涉及到的多源異構數(shù)據(jù)不斷增多，如現(xiàn)場傳感器采集到的結構化數(shù)據(jù)，隱蔽工程影像、視頻數(shù)據(jù)、監(jiān)理日志等非結構化數(shù)據(jù)等。質量管理者有必要借助數(shù)據(jù)中臺，規(guī)范和匯聚多源異構數(shù)據(jù)，實現(xiàn)質量數(shù)據(jù)的資產化，同時將鐵路內外部質量相關數(shù)據(jù)進行整合，提升數(shù)據(jù)采集、轉換、組織、應用的效率。

3.1.2 降低研發(fā)成本

高鐵工程質量管理涉及的業(yè)務流程復雜，實現(xiàn)質量管理業(yè)務數(shù)字化的過程中，建設了眾多質量管理業(yè)務模塊，但隨著數(shù)字化程度的不斷深化，各個業(yè)務模塊中重復的業(yè)務流程越來越多。業(yè)務中臺通過對高鐵工程質量管理的通用業(yè)務能力進行抽象和沉淀，提供一體化質量管理業(yè)務能力支撐。在新的業(yè)務應用研發(fā)過程中，可通過聯(lián)通和組裝各個不同業(yè)務板塊，實現(xiàn)部分業(yè)務能力的復用，減少新業(yè)務應用研發(fā)成本，有效提升業(yè)務創(chuàng)新效能。

3.1.3 向數(shù)據(jù)驅動轉化

當前，高鐵工程質量管理系統(tǒng)更偏向針對具體業(yè)務應用，研發(fā)對應的系統(tǒng)模塊，導致數(shù)字化轉型中存在業(yè)務割裂的情況，其主要原因在于不同業(yè)務單元的隔離。數(shù)字中臺的建設不但能打通數(shù)據(jù)、業(yè)務間的壁壘，更能打通管理部門間的壁壘，提升管理的組織協(xié)調性。

高鐵工程質量管理數(shù)據(jù)更多應用于監(jiān)測進展、檢測結果、洞察規(guī)律等方面，尚未實現(xiàn)施工向設計、運營維護向建設的反饋，數(shù)字中臺的應用可促進高鐵工程質量管理流程的扁平化和敏捷化，將數(shù)據(jù)深入應用，支撐管理者決策，實現(xiàn)高鐵工程質量管理由經驗驅動向數(shù)據(jù)驅動轉變。

3.2 面臨的挑戰(zhàn)

基于數(shù)字中臺的高鐵工程質量管理系統(tǒng)在應用過程中面臨以下2 方面的挑戰(zhàn)：

（1）質量管理過程眾多，當前已有部分過程實現(xiàn)了數(shù)字化管理，但仍有部分質量管理過程尚未進行數(shù)字化轉型，因此，面臨數(shù)字中臺在質量管理中全面落地應用的挑戰(zhàn)。

（2）高鐵工程質量管理業(yè)務復雜，數(shù)字中臺的概念較新，從提出到實踐的時間較短，在構建方法論和技術工具集方面尚不成熟。因此，面臨在海量數(shù)據(jù)中構建模型并發(fā)現(xiàn)業(yè)務價值的挑戰(zhàn)。

雖然基于數(shù)字中臺的高鐵工程質量管理系統(tǒng)的落地應用面臨一定的挑戰(zhàn)，但在工程實踐中，數(shù)字中臺建設的方法論和工具集正在不斷完善；在對高鐵工程質量管理應用場景的深入剖析與理解的基礎上，構建高鐵工程質量管理系統(tǒng)中業(yè)務中臺與數(shù)據(jù)中臺的融合機制，能夠進一步發(fā)揮數(shù)字中臺的價值，為高鐵工程質量管理賦能[7-8]。

4 結束語

數(shù)字中臺思想的引入是高鐵工程質量管理數(shù)字化轉型路徑的一種升華。通過數(shù)字中臺的建設，對數(shù)據(jù)、業(yè)務等基礎服務進行抽象與沉淀，利用業(yè)務中臺將高鐵工程質量管理涉及的業(yè)務場景流程標準化、數(shù)據(jù)化，進而反饋到數(shù)據(jù)中臺，通過數(shù)據(jù)挖掘、分析等促使數(shù)據(jù)資產化，驅動業(yè)務創(chuàng)新發(fā)展，兩者相輔相成，相互演進融合，形成增強閉環(huán)，不斷推動高鐵工程質量管理快速轉型升級。