高鐵鋪架施工智能化系統的研究與開發

張海哲

（中鐵三局集團線橋工程有限公司，三河 065201）

高鐵鋪架施工由于涉及到的線路廣、工序繁多且施工質量要求高、工期緊張、施工機械化程度較高等特點，施工過程中影響因素眾多，具有很強的系統性和連續性，必須采用系統而智能的方法分析[1]，是目前公認的鐵路施工建設過程的難點之一，其施工質量對于確保鐵路運輸安全具有重要保障意義。傳統的高鐵鋪架施工進度跟蹤和過程質量監控往往采用人工監理的方式，效率和精確度都較差，遠遠不能滿足高鐵鋪架施工的時效性和精確性要求。基于上述背景，開發一款具有智能化數據分析的高鐵鋪架施工系統顯得尤為重要[2]，在充分調研一線施工工人的施工需求的基礎上，從組織施工調查模塊、設計文件審核模塊、竣工驗收模塊、完善移交模塊等4個模塊對高鐵鋪架施工生命全周期進行智能化管理[3]，以進一步滿足高鐵鋪架施工對施工嚴謹性、科學性、實踐性、智能化的要求，也在一定程度上提高了施工企業的智能化管理水平[4]，有利于實現對技術管理整體質量的有效的提升，不斷推動施工企業又好又快地發展。

1 系統需求分析

平臺的需求分析是平臺正常運行的基礎和保證，因為需求分析指導研發方向，而研發方向對系統的設計邏輯、工作量、組成和設計方式有著極大的影響，對于高鐵鋪架施工智能化系統需要滿足這幾個方面：

（1）錄入初始信息，提升信息打理的便捷度。

（2）通過各種方式密切相關角色的聯系，實現其交換信息的目的。

2 系統設計

2.1 系統組成

基于系統需求分析，系統組成，如圖1所示。各個模塊的具體功能如下：（1）組織施工調查模塊是整個系統的基礎，負責制定調查提綱，進行人員分工等；（2）設計文件審核模塊是平臺的核心模塊，負責工程數量審核、總軌料計劃提報等；（3）竣工驗收模塊主要用于施工單位與驗收單位之間的信息交互，主要負責施工質量驗收、施工規范性檢查、問題整改等；（4）完善移交模塊主要在驗收通過的基礎上向鐵路部門移交使用，主要負責施工單位與鐵路部門交接工作和人員培訓等。

圖 1 系統功能模塊組成示意圖

2.2 總體業務流程

由于高鐵鋪架施工總體業務流程受諸多因素的影響，不同地段施工任務，業務流程有較大差別，本文以“北京至張家口鐵路站前工程” 鋪架分部施工為例說明系統的總體業務流程，如圖2所示。

圖 2 系統總體業務流程示意圖

2.3 系統框架結構設計

基于實際應用需求的考慮，系統采用B/S架構，模型-視圖-控制器（MVC）開發模式，多層體系結構，如圖3所示。

圖3 系統層次結構

（1）表示層所顯示的系統界面，是由瀏覽器完成的。同時表示層與使用者之間的聯系也最為頻繁。

（3）要保證系統的穩定性，它決定了信息的安全性。

（4）要保證數據真實可靠有效。

（5）要便于后期的更新與維護。表示層有登錄、數據集管理、用戶管理和動態鏈接庫調用界面等。

（2）業務邏輯層，把現實世界的對象轉化成為實體類。這一層面中，囊括了該系統劃分的基本類別，其分別是各類用戶、軟件測試規則、數據集優化和動態庫擴展類等方面[5]。業務邏輯層包括接口層，接口層的作用在于對邏輯層和數據訪問層實施連接工作。這一系統內的邏輯層有：SQL命令構造類Salting和獲得安全數據類GetSafeData。

（3）數據訪問層的位置處于這一系統的最底層，且其只擁有一個基礎的單元數據庫，也就是Database，然而數據訪問層的作用卻十分重要，原因在于數據庫內容有該系統全部的數據信息，故而數據訪問層的安全和整體系統的安全都是密切聯系、息息相關的。

2.4 訪問控制系統模型設計

在充分調研用戶需求和閱讀大量相關文獻的基礎上，確定了系統的總體功能模塊，系統總體上分為組織施工調查模塊、設計文件審核模塊、竣工驗收模塊、完善移交模塊等，各個模塊對自身要發揮的功能進行數據處置，不同的模塊也能夠進行合作交流，使系統運行的效率更高。根據本系統在實際操作實現階段，當注冊用戶登錄系統時，系統會對登錄的相關角色進行特定的判斷，同時根據角色的不同為用戶展現出具有差異性的視圖，借助此類方法能夠使系統降低對于授權表的訪問，而基于角色的權限訪問控制（RBAC）主要是作用于管理員以及用戶之間，以此來減少對數據庫的訪問次數。因此，基于RBAC的訪問控制系統模型圖，如圖4所示。

圖4 基于RBAC的訪問控制系統模型圖

3 系統實現

3.1 系統核心技術

3.1.1 數據倉庫技術

目前，對數據倉庫公認的定義是由科學家W.H.Inmon在其著作中提出的，他把數據倉庫描述為多個異構數據源的有序集合，根據主題對其重新組合，而且數據一旦被放進數據倉庫，就不能輕易修正。數據倉庫與傳統應用的分散數據庫的最大區別是，它能夠把各個收集到的數據存儲到中央存儲庫[6]，并按照不同的類型收集整理重新排序以后，更有利于進行全面的數據分析和比較，這也使得它在實現上比傳統的數據庫更困難。控制程序無論是否處于忙碌狀態都能將數據批量地存入數據庫，但通常數據的批量存儲在控制程序不忙碌的時候進行。存儲和管理，是數據倉庫的關鍵技術，數據最后在用戶面前的表現形式由數據存儲和管理方式決定，這也是與傳統數據庫的區別。基于上述介紹，結合本文所設計的高鐵鋪架施工智能化系統實際，數據倉庫的體系結構，如圖5所示，與圖5相對應，高鐵鋪架施工智能化系統數據倉庫的實現核心代碼，如下所示：

SELECT Place of Origin. 正、站線鋪軌, Logistics. 無碴道床鋪設, Products. 鋪岔, SUM(上碴整道)FROM Sales, logistics, Products, Place of Origin WHERE Sales. logistics_key = logistics.logistics_key

AND Sales. Place of Origin _key = Place of Origin.Locate_key

AND Logistics.Product_key = Products.Product_key

GROUP BY Dates. 組織施工調查，設計文件審核, Settlement. 竣工驗收, Products. 完善移交。

圖 5 數據倉庫架構示意圖

3.1.2 Apriori算法

Apriori算法是由Agrawal等人設計和研發出來的，這一算法起初是基于在數據庫中挖掘出對應的項目集格空間理論而產生的，從設計出來到現在，這一算法依舊是大多數新型頻繁項集發現算法的研究基石[7]，由于本文設計的高鐵鋪架施工智能化系統需要對施工進度、施工質量等數據進行挖掘預測，因此需要在平臺中集成Apriori算法，針對高鐵鋪架施工智能化系統，該算法實現代碼如下：

Li = {large 1-itemsets} : //表示的為全部的1-項S 頻集

F0R(k=2； k++) DO BEGIN

C^=apriori-gen{h^.) //表示的是由(k_l)-頻集而得到的K-侯選集

FOR all transactions teD DO BEGIN

Ct-5wZ)5e/(Ck，t)； //其中Ct表示為t中含有的全部候選集元素

FOR all candidates cg Q DO

cxount++；

END

3.2 系統實現環境

根據上文給出的系統架構和總體功能模塊設計方案，在VS2012環境下編程實現，本文主要利用的是WindowsServer2008操作系統平臺，采用的硬件設備 CPU為英特爾酷睿i5，主頻3.0 GHz。系統運行內存為16 GB，存儲空間8 TB ，網絡帶寬20 M獨享。系統數據存儲軟件是MSSQLServer2015。對系統進行設計與開發，要滿足用戶利用瀏覽器來訪問系統的要求。為了使用戶能夠利用域名和IP來進入系統，就要先對系統做服務器的布置與分配。

3.3 系統應用效果

本文開發的高鐵鋪架施工智能化系統作為“北京至張家口鐵路站前工程”智能化、信息化施工的重要組成部分，在鋪架施工過程中發揮了重要作用，為項目節約人員投入約30人，為項目節約投入資金約100萬元，該智能化系統的應用，在確保架梁通道順暢、物料供應及時、規避停窩工等方面發揮了重要作用，為企業樹立了良好的品牌形象。開發的高鐵鋪架施工智能化系統實際應用到“北京至張家口鐵路站前工程”智能化、信息化施工時的實景圖，如圖6所示。

圖 6 高鐵鋪架施工智能化系統應用實景圖

4 系統性能測試

性能測試，是在大量訪問的情況下，平臺能否正常運行、是否能滿足用戶需求的一種測試，一般通過并發用戶來完成系統性能測試工作[8]。本系統采用的是LoadRunner軟件檢測工具來完成系統一些性能的檢測，同時設置200個用戶在線登錄的情況下，所有參與體驗的用戶在同一時間段內反復進行系統頁面的訪問，如圖7所示。從圖7可以看出，200個用戶訪問的情況都比較正常，可以進行正常的運行和流程的訪問，系統的響應時間也比較符合用戶的要求，響應速度＜1 s。

圖 7 系統測試資源監控示意圖

對測試的數據進行詳細分析的結果表明：并發數量即使一直在提升，對于程序而言并沒有太大的改變，雖然系統的用戶數量能夠超過規定的數值，對于系統響應造成的時間卻非常短，可以忽略不計。同時，對于該系統而言，在其它功能上也趨于穩定運行狀態。

5 結束語

高鐵鋪架施工學科跨度大、涉及的工序繁多，施工嚴謹性、科學性、實踐性、智能化要求進一步提升，基于此，設計并實現了一款高鐵鋪架施工智能化系統，系統從組織施工調查、設計文件審核、竣工驗收、完善移交等4個模塊對高鐵鋪架施工生命全周期進行智能化管理，可以較好地滿足高鐵鋪架施工對施工嚴謹性等方面的要求，對提升我國高鐵鋪架施工智能化水平具有積極意義。經過實際應用和性能測試表明，該系統運行穩定，功能性、抗壓性等方面達到預期設計目的。