鐵路工程智慧工地管理信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

容建華，王萬齊，劉 闖

（1.中國港灣工程有限責任公司， 北京 100027；2.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）

“智慧工地”是指構建具有PC端和移動端的“智慧工地云平臺”，對施工工地涉及到的“人、機、料、法、環(huán)”等方面實現(xiàn)信息化的有效監(jiān)管[1-6]。國內(nèi)對施工項目管理軟件的研究始于上世紀70年代，經(jīng)過不斷的探索和應用，近年來人工智能的智慧已發(fā)展到專家級的水平。隨著“智慧工地”方面的應用研究逐步深入，相應的信息化管理系統(tǒng)軟件日漸成熟。軌道交通工程項目多為線性工程，尤其是鐵路干線工程，具有線路跨度長，施工控制點多、結構復雜、參建單位多、管理內(nèi)容跨度大等特點[7-8]。這些特點給施工項目現(xiàn)場管理帶來了極大挑戰(zhàn)。從實際業(yè)務出發(fā)，通過集成物聯(lián)網(wǎng)、二維碼、電子書、人臉識別等技術手段，構建鐵路工程智慧工地管理信息化平臺，可以提高施工現(xiàn)場的信息化管理水平和管理效率，強化安全風險控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、自動傳輸、自動分析和自動記錄[9-10]；進一步實現(xiàn)工程建設過程不同階段、不同業(yè)務系統(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和APP為基礎，充分利用現(xiàn)場管理“二維碼”、重點工點“觸屏一體機”、隧道監(jiān)管“人臉識別”等方式，實現(xiàn)對人員、機械設備、施工工法及交班、安全、質量和環(huán)境保護等內(nèi)容管控的信息化、可視化和遠程化管理，并須達到以下基本要求：

（1）系統(tǒng)應具有一定的先進性，能結合成熟的最新應用技術，解決施工現(xiàn)場的管理需求。即要綜合利用二維碼、RFID電子標簽、電子書、人臉識別、移動互聯(lián)網(wǎng)，以及即時消息推送等技術，基于云服務，實現(xiàn)智能化研判和過程監(jiān)督管理[10，12]。

（2）系統(tǒng)設計和研發(fā)應緊密結合實際業(yè)務，最大限度實現(xiàn)自動化，盡量減少人工干預，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、自動傳輸、自動分析、自動校驗、自動記錄、自動流轉和推送，并提供靈活的檢索方式[8]。

（3）系統(tǒng)應預留與主數(shù)據(jù)平臺進行數(shù)據(jù)交換的接口，實現(xiàn)工程建設過程不同階段、不同業(yè)務系統(tǒng)、不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)交換與信息共享，預留進一步實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析的條件[11]。

（4）系統(tǒng)應支持用戶自定義流程配置，自定義統(tǒng)計報表生成，預留進一步拓展的條件。

（5）支持中英雙語系統(tǒng)應用界面，具備雙語頁面切換功能。

2 系統(tǒng)架構設計

2.1 總體架構

系統(tǒng)總體架構分為感知層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層、業(yè)務應用層和用戶訪問層，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、機電傳感器等終端設備，采用人工加自動的方式，動態(tài)實時智能化地識別、感知、定位、跟蹤、采集、監(jiān)控、管理鐵路的現(xiàn)場信息，為平臺提供及時準確的數(shù)據(jù)。

2.1.2 網(wǎng)絡傳輸層

圖1 系統(tǒng)總體架構

采用無線傳輸、移動通信、虛擬專用網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee等數(shù)據(jù)傳輸技術，為平臺數(shù)據(jù)實時上傳下達提供通道。實現(xiàn)各級管理者隨時隨地獲取到數(shù)據(jù)和消息。

2.1.3 數(shù)據(jù)存儲層

系統(tǒng)對施工過程業(yè)務數(shù)據(jù)進行存儲和管理的主要場所。現(xiàn)場采集的相關業(yè)務數(shù)據(jù)傳送到云存儲中心，通過光纖通道存儲設備、IP存儲設備、直接附加存儲（DAS）設備等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，并通過集群、網(wǎng)格和分布式文件系統(tǒng)等技術，提供數(shù)據(jù)訪問服務。

2.1.4 應用服務層

實現(xiàn)各業(yè)務功能按需進行組件式安裝，供用戶訪問層進行應用調用。根據(jù)業(yè)務種類，要封裝的業(yè)務組件有Web服務、GIS服務、數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)處理、綜合分析和報表統(tǒng)計等。

2.1.5 用戶訪問層

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

2.2 網(wǎng)絡架構

數(shù)據(jù)中心支持通過多運營商網(wǎng)絡接入互聯(lián)網(wǎng)，為保證網(wǎng)絡安全，設置防火墻實現(xiàn)1～4層的安全防護；設置Web應用防火墻（WAF）和入侵防御檢測（IPS）等網(wǎng)絡安全設備，實現(xiàn)5～7層的安全防護；內(nèi)部核心網(wǎng)絡由TB級交換設備承載，支持數(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設備提供用戶訪問資源的專用安全通道；計算節(jié)點采用高性能服務器搭載虛擬化技術實現(xiàn)物理資源的整合；存儲節(jié)點采用冗余雙主控高性能存儲設備；備份節(jié)點對重要數(shù)據(jù)進行定期備份存儲，防止數(shù)據(jù)意外丟失。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡結構如圖2所示。終端采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至云平臺，供各級用戶使用。

圖2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡結構

2.3 技術架構

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)秀模塊進行組合，實現(xiàn)MVC架構模式，保證系統(tǒng)良好的可擴展性、可維護性和模塊的復用性。技術架構如圖3所示。

圖3 技術架構

2.4 接口服務架構

系統(tǒng)基于SOA標準，并采用Web Service技術對各種系統(tǒng)資源提供的服務接口進行統(tǒng)一管理。接口服務架構如圖4所示。

圖4 接口服務架構

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)滿足公司、項目經(jīng)理部、項目分部和施工工點四級用戶的管理需求，實現(xiàn)的主要功能如圖5所示。

3.1 首頁管理

按管理層級建立首頁，在線查閱安全、質量、重大風險、環(huán)境排查/整改問題統(tǒng)計。在線查閱人員、設備統(tǒng)計數(shù)據(jù)。按照安全事件發(fā)生原因統(tǒng)計圖表，大數(shù)據(jù)分析輔助決策分析。在線查閱管理組織架構，安全、質量、環(huán)保、應急體系架構。根據(jù)權限可以鏈接查閱各管理層級安全、質量、風險、環(huán)境管理情況。非法進入人臉識別區(qū)域預警信息。

圖5 軟件功能架構

3.2 安全生產(chǎn)管理

安全會議功能，可以在線發(fā)布會議信息，上傳會議材料，發(fā)布會議紀要，參會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、限時整改，過程手寫簽認，實現(xiàn)問題整改閉環(huán)管理，領導在線督辦。重大風險排查功能，可以在線查閱、記錄風險排查情況，重大風險登記，指定責任人整改，過程簽認，領導在線督辦。通過數(shù)據(jù)庫在線建檔，形成風險清單，在線管理。

3.3 工程質量管理

質量檢查功能，依據(jù)現(xiàn)行質量驗收標準和規(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、限時整改，過程手寫簽認，實現(xiàn)問題整改閉環(huán)管理，領導在線督辦。質量驗收功能，在線進行工序“三檢制”驗收，實時記錄驗收人員、時間及結論，可追溯驗收情況。

3.4 環(huán)境保護管理

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、限時整改，過程手寫簽認，實現(xiàn)問題整改閉環(huán)管理，領導在線督辦。環(huán)保風險管理功能，可以在線查閱、記錄風險排查情況，重大風險登記，指定責任人整改，過程簽認，領導在線督辦。

3.5 應急管理

應急預案在線建檔，在線查閱預案內(nèi)容、應急組織機構，推送預案給指定人員閱讀并記錄人員接收信息。按照應急物資配備要求，在線檢查應急物資，推送檢查結果給負責人整改，記錄檢查整改信息。應急演練功能，支持在線記錄和查閱演練評價、總結、參與人員簽到和過程影像。突發(fā)事件能應急一鍵啟動，在線推送至相關人員，啟動應急救援預案。

3.6 機械設備管理

特種設備管理，可以在線建檔和查閱設備信息、操作人員持證和培訓、操作規(guī)程發(fā)布、設備日常維護、運行檢查等情況，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。機械設備檢查，支持在線進行設備檢查，記錄檢查情況，發(fā)起指定整改人、提出整改要求、限時整改，過程手寫簽認，實現(xiàn)閉環(huán)管理。

3.7 交底教育

技術交底，在線進行施工交底推送，指定人員閱讀，記錄交底和接受交底的信息。安全技術交底，在線查閱安全作業(yè)要點、預防措施、安全標準等，推送指定人員閱讀，記錄交底信息。作業(yè)指導書，在線查閱施工工藝流程圖、控制重點等，推送指定人員閱讀，記錄接收信息。安全專項方案，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，在線建檔和查閱安全、質量、環(huán)保培訓課件和視頻，推送指定人員閱讀，并記錄接收閱讀信息。與教育培訓配套進行在線考試，考試結果展示。

3.8 績效管理

在線建檔和查閱安全、質量、環(huán)保檢查計劃，將計劃與實施情況比對分析；教育培訓考試結果評比，將這些形成績效記錄。管理員設定績效排名規(guī)則，其他人員可在線查閱績效積分，績效排名。

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、工種、作業(yè)部位、聯(lián)系方式、持證上崗、進場記錄、工資發(fā)放、安全交底、安全教育、勞保領用、應急演練、實名身份認證等信息，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，進行在線工點作業(yè)人員考勤，結合人臉識別進行重要工點人員進出記錄。在隧道、炸藥庫及重點場站，進行人臉識別記錄，杜絕非法進入。

3.10 二維碼管理

根據(jù)管理需求，在線形成動態(tài)、靜態(tài)二維碼，設置權限，實現(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態(tài)、靜態(tài)信息，進行在線閱讀和在線管理。通過觸屏一體機以“電子書”的方式進行工程信息、管理信息、二維碼信息的集中展示。

3.11 基礎數(shù)據(jù)管理

建立安全問題庫、質量問題庫、環(huán)保問題庫、重大風險庫，在線建檔、查閱安全隱患，統(tǒng)計分析易發(fā)、多發(fā)、高發(fā)問題。在線建檔、查閱質量問題，統(tǒng)計分析質量通病。在線建檔、查閱環(huán)保問題，形成管理清單。在線建檔、查閱危險源，形成風險清單。

建立法律法規(guī)庫、人員信息庫、動態(tài)信息庫，在線建檔、查閱中國法規(guī)、所在國法規(guī)、集團制度、公司制度和項目制度。在線建檔、查閱人員詳細信息，導入和導出統(tǒng)計表格。在線建檔、查閱施工信息、通告等。

填報信息報表、季度報表，在線建檔、查閱和上報，按時完成安全、質量、環(huán)保管理信息報表和季度報表。

4 關鍵技術及應用

4.1 基于人臉識別技術的隧道安全管理

通過在鐵路隧道作業(yè)進出口設置攝像頭，實時采集人臉圖像，采用后端人臉識別技術與數(shù)據(jù)庫中已存儲人員信息對比，識別人員的身份[12]。本功能與閘機設備對接，識別不通過，將觸發(fā)報警信號；識別通過方可進入隧道作業(yè)，同步在服務端提取進出隧道人員相關安全交底、培訓教育情況，實現(xiàn)人與交底教育情況的關聯(lián)比對，及時準確發(fā)現(xiàn)問題，提高隧道作業(yè)人員安全監(jiān)管效果。本項技術應用是對傳統(tǒng)隧道口進出監(jiān)管的重大突破。

4.2 基于電子書的項目信息發(fā)布和管理

將項目信息、作業(yè)部位信息、設備信息、人員信息分類形成二維碼；對每個部位、每臺設備、每位人員生成唯一二維碼。同時將施工相關的項目信息（文字、圖片、影像、進度）等與二維碼進行集成，集中按目錄樹分類展示，形成電子書。通過觸摸屏等方式，對電子書的項目、部位、設備、人員信息進行發(fā)布和展示，實時更新，實現(xiàn)重要工點信息數(shù)字化、信息化。傳統(tǒng)工點張貼圖牌、宣傳圖板，變革為以二維碼信息形式進行關聯(lián)檢索和展示，提高監(jiān)管的效率，提升項目形象。

4.3 檢查項目自動化匯總及閉環(huán)管理

系統(tǒng)將鐵路施工過程安全、質量、重大風險以及環(huán)保的檢查標準錄入，不斷更新鐵路管理及項目所在地、所在國的最新適用法律法規(guī)，形成項目檢查字典庫，采用問題聚類方法，選擇并設置施工工程等具體參數(shù)要求后，系統(tǒng)自動生成檢查項，方便現(xiàn)場檢查指導。同時，利用平臺及時將發(fā)現(xiàn)的安全、質量、隱患風險及環(huán)保等問題，通過信息推送，定人、定時、定標準完成整改，實現(xiàn)閉合管理，以此達到全過程監(jiān)督管理。

4.4 基于統(tǒng)計分析實現(xiàn)輔助決策管理

通過對安全、質量隱患類的問題進行分類，對施工過程中多發(fā)、易發(fā)、高危的問題設定權重因子，以數(shù)理統(tǒng)計分析的方式，發(fā)現(xiàn)潛在風險點，并匯總成報表，輔助管理層決策。實現(xiàn)帶著問題去檢查，掌握線索促整改，有針對性地進行專項整治，提高問題整治的成效以及預防的先知性。

5 結束語

鐵路工程智慧工地管理信息系統(tǒng)以強化過程控制為核心；綜合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、云計算等技術，以“人臉識別”、“二維碼”、“觸屏電子書”、“輔助決策”等關鍵技術和典型應用為突破；覆蓋健康、安全、環(huán)保和質量管理的重點難點；縮減了管理信息傳遞的層級和時間，提高了管理效率，降低了項目管理成本；提升了工程實體質量，降低了安全生產(chǎn)風險，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目中得到推廣應用，對系統(tǒng)的設計和功能適用性進行了驗證。系統(tǒng)下一步將在物料管理、BIM可視化交底、大數(shù)據(jù)分析等方面拓展應用。