基于GIS的鐵路建設可視化管理系統(tǒng)研究與應用

韓 宇

(濟南鐵路局 邯濟鐵路擴能改造工程建設指揮部，濟南 252000)

隨著近年來信息網絡技術的發(fā)展及其在各個行業(yè)與各個領域工程應用的深入，在鐵路建設項目的過程管理中，引入現(xiàn)代化的計算機與通信技術，促進工程建設項目管理的現(xiàn)代化與科學化，從而實現(xiàn)對施工質量、安全、成本、工期的有效控制，提供管理與決策平臺，已成為鐵路建設單位的共識。

2006年，鐵道部建設司對各路局下發(fā)了《關于進一步加快鐵路建設項目管理信息系統(tǒng)建設和應用的意見》(鐵建設函［2006］810號)，指出加快鐵路建設項目管理信息系統(tǒng)建設，是提高鐵路建設管理水平的迫切需要，是有效控制投資的重要手段，是實現(xiàn)建設管理與運營管理有機結合的基礎保證。同年4月，鐵道部建設司在武漢召開了推進鐵路建設信息化的會議，指出加快鐵路建設項目管理信息系統(tǒng)的推進，是努力提升建設項目管理水平的重要舉措。另外，鐵道部黨組還提出了要“大力提升建設管理水平，依靠科學、規(guī)范的管理制度和機制，深入推進鐵路建設標準化管理”的要求。落實好鐵道部黨組的要求，就必須認真研究鐵路建設項目的特點和規(guī)律，選準突破口，借助現(xiàn)代科學手段優(yōu)化鐵路建設項目管理模式，加快推進現(xiàn)代化管理進程。

在鐵路建設項目管理過程中，由于項目規(guī)模越來越大，采用技術日趨復雜，在實際的施工建設過程中，通常采用的是“建設指揮部→施工指揮部→施工項目部”的分級樹型管理形式。在這種體制下，工程安全、質量、工期、投資的控制依賴于“逐級上報，分層管理”，導致施工作業(yè)的分散性與建設指揮管理的集中性相互掣肘。以工程進度的控制為例，在現(xiàn)有體制中，首先需要基層施工單位對工程項目中各階段的內容與程序編制施工計劃，然后將進度信息反饋并經逐級上報后，再交由管理層進行匯總整理，方能采取一些圖形化的表示方法，將其表達為工程形象進度，從而為決策層掌握整體進度提供進度控制的決策依據(jù)。但在實際進度控制過程中，由于涉及的工程類別龐雜、進度數(shù)據(jù)量大、逐級上報帶來的周期長，使得這種形式的工程進度控制，沒有體現(xiàn)出各類工程的具體特點，表現(xiàn)為施工進度信息的滯后。從這個意義講，采用現(xiàn)代化的信息技術為鐵路建設過程中的綜合信息的錄入、查詢與形象展示構建可視化平臺，為管理決策層提供方便快捷的實時數(shù)據(jù)查詢手段，已勢在必行。

自2010年邯濟鐵路擴能改造工程建設籌建以來，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計算機科學與技術學院，共同投入對“鐵路建設可視化管理系統(tǒng)”開展自主研發(fā)。系統(tǒng)基于B/S架構，應用GIS技術建立以施工平面地圖為基礎的信息導航平臺，構建了基于 Web的施工進度形象的VML建模方法，為鐵路建設過程中的綜合信息的錄入、查詢與形象展示構建了可視化平臺，從而實現(xiàn)了工程指揮者無論何時何地均能對鐵路工程建設綜合信息實時查詢，同時也實現(xiàn)了對施工過程的遠程規(guī)范化管理，為管理決策層對施工過程的質量、安全、成本、工期的控制提供了決策支持。

1 鐵路建設工程項目管理過程分析

廣義上的鐵路建設是一個復雜的過程，如果遵循標準的項目管理程序，應包括立項決策、設計、工程實施及竣工驗收四個階段，其基本程序如圖1所示。所涉及的單位涵蓋設計、建設、咨詢、監(jiān)理、施工、供應商等單位。狹義上的建設項目管理主要表現(xiàn)為其中的工程實施階段。在這一階段，施工單位要確保施工成本費用控制在施工圖預算或工程承包合同價內，控制范圍包括財務控制、進度控制、質量控制及與投資成本相關的合同管理。同時，項目監(jiān)理單位對工程施工和驗工計價實施監(jiān)理。據(jù)此，鐵路建設工程項目管理包括以下主要特點。

圖1 鐵路建設項目管理基本程序

1)優(yōu)化管理的多目標性

在鐵路建設工程項目管理中，由于工期、安全質量、投資三者之間存在著相互依賴、相互制約的對立統(tǒng)一關系，使得鐵路建設管理必須以工期、安全質量和投資三者之間的合理匹配為目標。這就要求在信息化管理中對進度控制、質量控制和投資控制進行綜合考慮。

2)計劃實施的多變性

在鐵路工程建設過程中，由于人員、材料、資金、機具、設備及自然和社會環(huán)境的影響，即使是經過多方面綜合平衡而優(yōu)化的施工計劃，其變化也是不可避免的。為了對施工計劃的變化進行有效控制，應采用動態(tài)控制原理，即在施工計劃的執(zhí)行過程中，跟蹤檢查、搭建信息反饋、動態(tài)調整、優(yōu)化控制，使建設過程中每一階段的進度、質量和投資都得到有效控制。因此，在信息化過程中，所開發(fā)的系統(tǒng)應具備良好的自適應性，特別要求注重對動態(tài)數(shù)據(jù)或信息的處理能力。

3)進度控制的多階段性

由于信息反饋的滯后性和指揮決策的被動性，很容易引起對建設過程的失控。建設過程管理必須分為若干個控制階段或控制周期。控制周期的長短應視建設工期的長短及三大目標的緊迫程度而定，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，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、進度等信息的反饋本身就有一定的滯后期，加之對于施工單位的反饋信息進行匯總，如果依靠人工處理，也不能及時呈交至指揮決策層，控制周期的縮短受到了現(xiàn)實條件的限制。因此，在信息化管理系統(tǒng)的構建中，應以網絡在線形式為導向，從而提高進度控制的時效性。

4)項目管理的多層次性

我國的鐵路建設項目管理是由項目法人公司(或鐵路建設指揮部)、建設監(jiān)理單位、工程局指揮部及施工現(xiàn)場項目經理組織的多層次、全方位的管理。信息管理系統(tǒng)應體現(xiàn)各個單位的職能，多層次、全方位地強化管理。

根據(jù)上述分析可知，鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)應是一個龐大復雜的多級管理系統(tǒng)，鐵路工程建設管理過程是一個多目標、多階段、動態(tài)優(yōu)化的控制過程。因此，系統(tǒng)以鐵路建設項目管理過程中的進度控制為主線，建立在有效的WBS(Work Breakdown Structure)分析方法基礎上，研究數(shù)據(jù)庫的來源與采集標準，集成Web-GIS與VML，基于 B/S架構，為鐵路建設過程中的綜合信息的錄入、查詢與形象展示構建可視化平臺。

2 系統(tǒng)解決方案設計

在鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)的構建中，為保證信息反饋的時效性，應以網絡在線形式為導向。為此在鐵路項目開工前，組建指揮部(項目部)時，信息化管理系統(tǒng)就應同時進行規(guī)劃和組建。根據(jù)項目和建設管理單位要求的不同，統(tǒng)一規(guī)劃組建計算機辦公局域網，按建設單位統(tǒng)一標準進行網絡配置，設置視頻監(jiān)控系統(tǒng)。要求下級單位使用統(tǒng)一規(guī)劃的工程管理系統(tǒng)，使用統(tǒng)一的信息平臺及應用軟件，以保證工程的施工數(shù)據(jù)采集和信息管理工作。以向建設單位提供項目有關信息的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為核心所建立的計算機網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網絡拓撲圖

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是一種基于計算機的工具。它可以把地圖這種獨特的視覺化效果和地理分析功能與一般的數(shù)據(jù)庫操作(例如查詢和統(tǒng)計分析等)集成在一起。利用地圖界面進行信息管理，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、解決問題中。如分析礦產資源的分布情況、水土的流失狀況、通信基站的位置設置等。

GIS常用于綜合分析評價。其獨特的視覺化效果、地理分析功能使得分析更加直觀準確。而鐵路建設地域跨度大，多個標段管理復雜，將GIS地理信息系統(tǒng)引入鐵路建設管理系統(tǒng)，對于優(yōu)化設計、科學組織施工具有實際的意義。因此，采用將各標段施工單位作為一個個控制單位集成在GIS操作平臺上，并與鐵路建設指揮部相連接，如圖3所示。GIS是整個信息管理系統(tǒng)的操作平臺和查詢顯示平臺。在此平臺上，圖形可無級縮放;生成的線路平面圖準確直觀;各標段建設進度情況、駐地、物資倉儲、重點工程等可一覽無遺;所有基礎數(shù)據(jù)均采用數(shù)據(jù)庫進行動態(tài)管理，以圖形熱點為信息切入點，點擊目標即可查詢各種信息;引入多媒體動態(tài)鏈接，在查詢時回放聲音、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設計

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及其關鍵技術

考慮到系統(tǒng)開發(fā)的周期與邯濟鐵路擴能改造工程的工期，邯濟鐵路擴能改造工程建設指揮部提出了“整體設計，逐步實施”，以構建鐵路建設過程中的綜合信息的錄入、查詢與形象展示的可視化平臺為突破點，最終達到從點到面的建設過程控制目的。在這一思路指導下，邯濟鐵路擴能改造工程建設指揮部主持聯(lián)合山東申普交通控制技術有限公司與山東理工大學計算機科學與技術學院，共同投入進行了“鐵路建設遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)”和“鐵路建設可視化管理系統(tǒng)”的自主研發(fā)。在一期工程中，完成了“鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)”的設計與實現(xiàn)，并已投入了實際應用，取得了良好的社會和經濟效益。系統(tǒng)層次結構見圖4。

圖4 系統(tǒng)層次結構

在系統(tǒng)實現(xiàn)中，所涉及到的主要技術及其解決方案如下。

1)鐵路建設信息的標準化方法

按照鐵路建設標準化管理的要求，“以數(shù)據(jù)為驅動”，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。結合標準化管理的要求，通過對鐵路建設工程項目管理數(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(可擴展標記語言)技術。

2)施工進度的標準化控制方法

針對鐵路建設管理中的特別需求，以 WBS為導向，劃分施工專業(yè)，分為拆遷、路基、橋涵、隧道、通信與信號、電力與電力牽引、給排水以及房建等十大工程，并根據(jù)各模塊的特點和具體需求，對其進行細化。從施工圖數(shù)據(jù)入手，對相關的檢驗數(shù)據(jù)進行解析，生成對應施工圖各項目的進度數(shù)據(jù)，再建立施工圖各項目與工程量清單的對應關系模型。進度控制流程見圖5。

圖5 鐵路建設進度控制流程

對鐵路專業(yè)WBS項目數(shù)據(jù)、單位工程施工組織設計等資料數(shù)據(jù)、各級單位施工計劃下達數(shù)據(jù)、施工圖數(shù)據(jù)、進度數(shù)據(jù)等進行分類，如屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)，為進度控制各級管理提供數(shù)據(jù)源，并提出數(shù)據(jù)庫結構的設計原則。

3)鐵路建設工程的可視化管理技術

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

鐵路建設中的相關工程信息都具有鮮明的地理屬性相關特征，GIS以其強大的制圖、數(shù)據(jù)存儲與管理功能，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)，能滿足鐵路建設工程的可視化管理需求。但對于建筑施工圖以及形象進度等的展示支持程度有限，為此，在詳細了解和分析工程管理內容和需求基礎上，結合鐵路施工建設管理的特點，根據(jù)現(xiàn)有的相關地理資料及工程設計原始數(shù)據(jù)，利用Flash，實現(xiàn)了如圖6所示的基于施工平面圖的信息導航平臺，利用百度地圖提供的API，結合ASP.NET，實現(xiàn)了如圖7所示的基于二維Web-GIS的信息導航平臺，并以VML建立起工程形象進度圖庫，用于生成各種各樣的形象進度，如圖6中所示的重點橋梁施工進度圖。

圖6 基于施工平面圖的信息導航平臺

圖7 基于二維Web-GIS的信息導航平臺

4 結語

邯濟鐵路西起京廣線邯鄲南站，東至津浦線上的晏城北站，并連接濟南站，全長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，并西接邯長線，與太焦線、陽涉線相通，東連膠濟線，可直達青島港。構成山西省至膠東半島及青島港的東西干線，形成晉煤外運的中路通道。邯濟鐵路設計為國家Ⅰ級鐵路干線，年運力20 Mt，總投資約12億元，于1996年11月開工，是國家“九五”重點工程，由鐵道部、山東省、河北省三方共同投資修建。2000年4月，該線開通運營臨管，2002年12月正式通過國家竣工驗收。

2009年起，邯濟鐵路進行復線電氣化改造工程。建成后，實現(xiàn)電力牽引，牽引質量5000 t，客車速度目標值140 km/h，日開行客車13對，貨運量可達18 Mt/年。項目總投資75.5億元，建設工期為2.5年。在邯濟鐵路擴能改造工程中，“鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)”投入運行，并在此基礎上進一步形成可供全局推廣應用的通用軟件系統(tǒng)。期間，鐵道部與濟南鐵路局的多位領導、專家到現(xiàn)場進行調研指導，給予了高度評價并積極建議在鐵路建設工程中推廣應用。

二維地理信息系統(tǒng)在空間關系上的欠缺，使得鐵路建設中的路軌、橋梁、涵洞、管網表現(xiàn)形式不直觀。比如，通過二維地理信息系統(tǒng)可知某設備在橋梁的某平面位置，但具體的是在承臺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、細節(jié)化、動態(tài)化的進程中最大的障礙。為此，在未來的后續(xù)工作中，將以三維地理信息平臺作為解決方案，開發(fā)數(shù)字地質、數(shù)字鐵路相兼容的集成化軟件。同時將“鐵路建設綜合信息管理系統(tǒng)”與現(xiàn)有的“鐵路施工遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)”、“鐵路工務安全預警監(jiān)測系統(tǒng)”集成，主要應用于鐵路建設過程的管理和建成后的工務系統(tǒng)綜合管理，形成全時、三維、可視化、信息化軟件管理平臺，以適應鐵路建設和維護過程中對質量、安全、成本、工期等進行有效管理的要求。

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