基于云平臺的鐵路施工信息管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

秦剛 薛小慶

摘? 要： 研究目的：隨著中國鐵路建設(shè)企業(yè)新型管理模式的推行，作業(yè)單位分散性和流動性不斷加強(qiáng)，使得企業(yè)對整體施工信息的管理難度加大，影響著企業(yè)決策的制定和資源調(diào)度的有效進(jìn)行。針對上述問題我們開發(fā)了一套鐵路施工信息管理系統(tǒng)并在云端服務(wù)器平臺上部署。研究結(jié)論：（1）虛擬服務(wù)器的使用解決了施工單位在跨區(qū)域和不同通信運營商下，訪問服務(wù)器的速率低和網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定對工作效率造成的影響;（2）基于J2EE的信息管理系統(tǒng)支持異構(gòu)環(huán)境以及多種數(shù)據(jù)類型的整合提高了適用性;（3）將優(yōu)化的粒子群算法和維特比算法引入到鐵路施工物資調(diào)度系統(tǒng)輔助人員進(jìn)行調(diào)度決策;（4）與第三方手機(jī)APP的無縫對接實現(xiàn)了作業(yè)一線的移動辦公，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞： 鐵路施工;信息管理系統(tǒng);云平臺;調(diào)度算法;移動辦公

【Abstract】： Research purposes： With the implementation of the new management mode in Chineserailway Construction industry， the decentralization and personnel mobility of operation units are constantly strengthened， which makes it more difficult for enterprises to manage the overall construction information， and affects the decision-making of enterprises and the effective implementation of resource scheduling. In view of the above problems， we have developed a railway construction information management system and deployed it on the cloud server platform. Research conclusions： （1） The use of CVM solves the impact of low access rate and network instability on work efficiency of construction units in cross-regional and different communication operators; （2） The J2EE-based information management system supports heterogeneous environments and integration of multiple data types to improve applicability; （3） The optimized particle swarm optimization and Viterbi algorithm are introduced into the railway construction material dispatching system to assist personnel in scheduling decision; （4） Seamless docking with third-party APP achieves mobile office on the front line of work ， improving work efficiency.

【Key words】： Railway construction; Information management system; Cloud computing; Scheduling algorithm; Mobile OA

0? 引言

隨著鐵路工程局大面積推行精細(xì)化管理以來，一線施工組織逐步向精簡化與專業(yè)化發(fā)展。從企業(yè)整體管理層面來看，一線施工組織呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡單化、區(qū)域分散化、調(diào)度頻繁化的新特點。在此背景下未來施工企業(yè)管理面臨的難題也日益突出：

（1）空間的分散性造成資源調(diào)度困難。鐵路施工企業(yè)根據(jù)中標(biāo)內(nèi)容組織項目部（或作業(yè)隊）進(jìn)行一線作業(yè)。在這種組織結(jié)構(gòu)下物資的調(diào)配受實際地理情況，交通情況等因素約束很大，如果不能采取良好的調(diào)度策略會使得大量購買或租賃重復(fù)性資源。

（2）時間的滯后性導(dǎo)致管理機(jī)制的失效。由于資金、人員、物資等資源受實際施工情況變化很大，如果企業(yè)的決策層不能及時掌握這些資源的變化的信息，會導(dǎo)致下發(fā)的策略不能有效執(zhí)行或者無法執(zhí)行，使得企業(yè)整體管理機(jī)制失效，執(zhí)行力下降。

（3）員工知識管理難度增大。Mariano Corso，Antonella Martini等（2006）[1]在其著作中明確指出，員工的知識和經(jīng)驗成為企業(yè)最基本的資產(chǎn)，必須對其加以適當(dāng)?shù)墓芾怼iesler和Cummings（2002）[2]等學(xué)者經(jīng)過研究表明，由于分散性團(tuán)隊成員之間缺乏知識共享環(huán)境，以及溝通和交流的困難，分散性員工的知識管理更加困難。Cramton（2003）[3]指出了分散性員工的知識管理存在以下問題：不能交流和保存來自不同成員的相關(guān)知識，信息的不平衡分配和團(tuán)隊合作之間的沖突，相關(guān)信息評估的差異，信息運用速度的不同，難以衡量缺乏交流帶來的影響。這種現(xiàn)象使得員工與企業(yè)之間交流的隱性信息缺失，認(rèn)同感相對一般企業(yè)來說普遍不高。在這種情況下企業(yè)的文化發(fā)展以及企業(yè)的創(chuàng)新能力都受到嚴(yán)重影響。

上述幾個方面嚴(yán)重制約著鐵路工程局精細(xì)化管理的進(jìn)一步推進(jìn)和企業(yè)自身未來發(fā)展。因此，為了滿足新型管理模式與企業(yè)信息化發(fā)展的需要，我們從技術(shù)角度出發(fā)，提出了基于云平臺的鐵路施工信息管理系統(tǒng)用于解決上述問題。

1? 系統(tǒng)設(shè)計

1.1? 企業(yè)組織結(jié)構(gòu)

我們以中鐵某局下屬某分公司為例進(jìn)行實例分析。該公司是以鐵路橋梁鋪架和無縫軌道焊接為主營業(yè)務(wù)的專業(yè)化分公司，施工以作業(yè)隊的形式進(jìn)駐施工項目部為其提供鋪架和焊接服務(wù)。該公司的主要機(jī)構(gòu)層次為：

（1）公司領(lǐng)導(dǎo)是決策層，對公司的施工信息有宏觀的把握，對各項審批具有相應(yīng)權(quán)限。

（2）公司內(nèi)部機(jī)構(gòu)按職能劃為“五部一室”，辦公地點為固定地址。設(shè)有內(nèi)網(wǎng)（局域網(wǎng)）和外網(wǎng)，辦公以臺式電腦為主。負(fù)責(zé)收集各作業(yè)隊人員上報信息并做統(tǒng)計分析后提供給決策層領(lǐng)導(dǎo)，以及按部門職能范圍下發(fā)領(lǐng)導(dǎo)審批后的文件傳達(dá)到各作? ?業(yè)隊。

（3）作業(yè)隊根據(jù)施工需求設(shè)立，一個項目內(nèi)有單個或多個作業(yè)隊進(jìn)行施工。流動性強(qiáng)，無固定施工地點。作業(yè)隊基層管理人員每日匯報施工進(jìn)度以及其他信息資料。辦公設(shè)備主要以移動設(shè)備為主。

1.2? 需求分析

基于上述分析，我們設(shè)計的鐵路施工信息管理系統(tǒng)需要滿足以下幾方面需求：

（1）施工關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息化的需求。隨著BIM技術(shù)等數(shù)字化的逐步推廣以及作業(yè)機(jī)構(gòu)的人員精簡化的進(jìn)行，都需要將技術(shù)人員從傳統(tǒng)的大量帶有重復(fù)信息的手寫表單的形式轉(zhuǎn)化成一次性輸入的形式，通過后臺程序生成指定表單。

（2）信息的可靠性需求。信息的可靠性是開展各項業(yè)務(wù)的保障，信息的滯后與失真都會影響公司決策層的決策策略與資源調(diào)度的執(zhí)行效果。因此需要建立一個跨區(qū)域的支持異構(gòu)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)鏈接以及持續(xù)穩(wěn)定運行的服務(wù)器。

（3）數(shù)據(jù)整合與分析的需求。各職能部門對從現(xiàn)場上傳的所有信息進(jìn)行匯總和分析，從中找到所需要的內(nèi)容。這就需要一個將各種數(shù)據(jù)格式的上傳信息進(jìn)行整合的平臺，以及能夠輔助相關(guān)人員從平臺內(nèi)大量數(shù)據(jù)中歸類與分析的功能需求。

（4）良好的交互性需求。由于一線基層管理人員的文化程度差異很大，清晰簡潔的交互界面可以使一線管理人員更易獲得正確的信息以及在終端上熟練操作。

（5）數(shù)據(jù)共享性需求。同權(quán)限人員可以讀取相同的內(nèi)容，并可在內(nèi)部交流，為企業(yè)提供內(nèi)部交流與學(xué)習(xí)的平臺。

（6）系統(tǒng)兼容性需求。在保障數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)上系統(tǒng)需有良好的數(shù)據(jù)互通性，便于整合公司現(xiàn)有的信息服務(wù)（企業(yè)微信、釘釘?shù)龋Ｒ约熬哂辛己玫目梢浦残浴⒅С之悩?gòu)環(huán)境，保障各種終端設(shè)備可以訪問。

1.3? 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

傳統(tǒng)上各個跨區(qū)域的作業(yè)隊通過互聯(lián)網(wǎng)和電腦終端與公司內(nèi)部進(jìn)行信息交流或傳遞資料。因鐵路標(biāo)段所在地域普遍比較偏遠(yuǎn)，不僅上傳和下載速率受施工所在地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境制約，而且企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性也影響著工作效率。同時大量的數(shù)據(jù)存放于內(nèi)部服務(wù)器中，不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)造成現(xiàn)場的終端與數(shù)據(jù)庫之間經(jīng)常斷開，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或操作重復(fù)使得信息準(zhǔn)確性下降。為了解決上述難題，我們設(shè)計將開發(fā)的施工信息管理系統(tǒng)放入云端服務(wù)器運行。我們設(shè)計的總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。服務(wù)器集群從邏輯上劃分為五個相對獨立的功能服務(wù)器，其中各節(jié)點的分發(fā)和同步由管理服務(wù)器完成。

1.4? 功能模塊

平臺內(nèi)的子系統(tǒng)按功能進(jìn)一步分解，它們之間的關(guān)系如圖2所示（權(quán)限管理模塊涉及所有登錄人員未在圖中標(biāo)出）。從圖中可以看出系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵性功能模塊有：權(quán)限管理模塊，表單與流轉(zhuǎn)管理模塊，數(shù)據(jù)庫管理模塊，調(diào)度算法模塊。

1.5? 非功能模塊

主要是實現(xiàn)與第三方程序?qū)樱到y(tǒng)兼容與擴(kuò)展，地理信息（GIS模塊）等輔助性模塊。

2? 系統(tǒng)平臺搭建

2.1? CVM服務(wù)器實例

相對于傳統(tǒng)服務(wù)器，采用云計算技術(shù)的虛擬云服務(wù)器（Cloud Virtual Machine，CVM）的優(yōu)勢有：（1）負(fù)載均衡可以將流量分發(fā)到多臺CVM上，防止當(dāng)文件、公告等資料下發(fā)時，所有人員同時訪問造成服務(wù)器擁堵。（2）采用BGP網(wǎng)絡(luò)可以最大兼容各種終端不同的通訊運營商接入實現(xiàn)公網(wǎng)入口故障

時跨域秒級調(diào)度，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。（3）減少因停電、死機(jī)、硬件故障等突發(fā)事件造成的服務(wù)器癱瘓，保證業(yè)務(wù)的可用性。

我們將施工信息管理系統(tǒng)部署在虛擬云服務(wù)器內(nèi)，該服務(wù)器為分布式架構(gòu)采用對等連接（Peering Connection），具有多區(qū)域、多賬戶、多種網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)互通等特點。并且?guī)в泄W(wǎng)加速等功能，可以解決跨區(qū)域多個或單個節(jié)點高速訪問的問題，為信息的及時性提供最大的保障[7-9]。我們選用的服務(wù)器實例為雙核16 GB高性能云硬盤，操作系統(tǒng)為Windows Server 2012 R2-64位（數(shù)據(jù)中心版），其他配置參數(shù)如圖3所示。

2.2? SQL類數(shù)據(jù)庫

相對于傳統(tǒng)的內(nèi)部服務(wù)器，云數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點有：（1）云數(shù)據(jù)庫的使用可以減少施工企業(yè)這樣非IT企業(yè)在使用數(shù)據(jù)庫時的維護(hù)和升級，使企業(yè)專注于自身業(yè)務(wù)的發(fā)展。（2）在線的主從兩份數(shù)據(jù)存儲，并支持跨可用區(qū)部署，保障了數(shù)據(jù)的安全可靠。我們在云端使用MySQL類數(shù)據(jù)庫，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3? 基于J2EE的施工信息管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

J2EE是專注于企業(yè)級開發(fā)的一組技術(shù)規(guī)范。基于J2EE架構(gòu)的軟件在不同平臺之間有良好的移植性、安全性，其中JDBC等接口可以將不同的數(shù)據(jù)類型和格式進(jìn)行整合[10-11]。為實現(xiàn)云平臺內(nèi)的資源整合以及異構(gòu)環(huán)境的需求，我們采用基于J2EE的開源軟件進(jìn)行二次開發(fā)。按標(biāo)準(zhǔn)J2EE的技術(shù)體系 結(jié)構(gòu)對施工信息管理系統(tǒng)進(jìn)行描述為圖5所示層次關(guān)系。

3.1? 關(guān)鍵性功能模塊實現(xiàn)

3.1.1? 調(diào)度算法

（1）消耗性物資的調(diào)度算法

合理的資源調(diào)度可以減少運輸成本和資產(chǎn)成本。假設(shè)N個作業(yè)單位同一物資告急，現(xiàn)有多余物資可調(diào)配的臨近作業(yè)單位M個（且M

我們將不同M點的運輸能力轉(zhuǎn)化成相同運輸速度和運力下不同到達(dá)需求點時間，這樣問題就轉(zhuǎn)化成為帶時限的多出救點物資調(diào)度的數(shù)學(xué)模型。因此，我們采用一種帶有高斯優(yōu)化的粒子群算法輔助人員進(jìn)行調(diào)度策略，并根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)論[5]該算法有較高的尋優(yōu)能力。算法描述如下[5]：

第一步，初始化參數(shù)：粒子群規(guī)模n和相關(guān)? ?參數(shù)。

第二步，適應(yīng)度計算：計算每個粒子的適應(yīng)度值，并檢查是否滿足約束條件。

第三步，對于每個粒子，如果粒子的當(dāng)前適應(yīng)度優(yōu)于個體極值pbest，pbest設(shè)置成當(dāng)前粒子的適應(yīng)度。如果粒子的當(dāng)前適應(yīng)度優(yōu)于全局極值gbest，則gbest設(shè)置成當(dāng)前粒子的適應(yīng)度。

第四步，判斷粒子群是否陷入早熟收斂。

第五步，非線性優(yōu)化，并轉(zhuǎn)至第三步。

第六步，執(zhí)行高斯優(yōu)化計算高斯優(yōu)化后pbest和gbest的值，并和先前記錄中的pbest和gbest進(jìn)行比較，如優(yōu)于之前的記錄，則更新記錄中的pbest和gbest。

第七步，判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù)Nmax。如是，輸出最優(yōu)解，否則轉(zhuǎn)第四步。

（2）非消耗性物資周轉(zhuǎn)算法。

鐵路施工所用的物資體積和質(zhì)量較大，一般使用后不會將其返還，而是交給下一個項目（或作業(yè)隊）。周轉(zhuǎn)目標(biāo)是在最短的時間內(nèi)最大化的滿足作業(yè)單位需求數(shù)量。因此，我們將流轉(zhuǎn)周期按時間分為運輸時間，使用時間，以及將需求方的緊急程度按最低滿足期限進(jìn)行時間換算，將物資當(dāng)前位置設(shè)為起點，物資需求的最遠(yuǎn)地點設(shè)為終點，這樣就將對某個資源的整個物資流動行為轉(zhuǎn)化一個多層多步驟的有向無環(huán)圖下的動態(tài)規(guī)劃并求其最優(yōu)解問題。

在這個數(shù)學(xué)模型下我們選用維特比算法找到最優(yōu)選擇項，維特比算法的基礎(chǔ)可以簡單概括為下面幾步[4]：

第一步，從點S出發(fā)，對于第一個狀態(tài)的各個節(jié)點假定有n1個，計算出S到它們的距離，其中代表任意狀態(tài)1的節(jié)點。因為只有一步，所以這些距離都是S到它們各自的最短距離。

3.1.2? 組織與權(quán)限管理

管理系統(tǒng)內(nèi)部主要分為三個權(quán)限類別：超級管理員，部門（或業(yè)務(wù)）管理員，普通員工。超級管理員負(fù)責(zé)對整體系統(tǒng)的維護(hù)與權(quán)限分配。部門管理員負(fù)責(zé)對職能范圍的數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)進(jìn)行審批或修改。普通員工可以讀取權(quán)限的內(nèi)容和在公共平臺的信息交流。超級管理員在按系統(tǒng)按該公司的實際組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，如圖6所示。然后在每個組織根級目錄設(shè)置該組織的管理人，成員和職務(wù)，并給予相應(yīng)的權(quán)限，如圖7所示。

3.1.3? 表單與流程

在設(shè)計制作各種表單和流程中使用可視化工具以方便人員操作。采用HTML5+CSS+JavaScript的組合滿足跨平臺以及J2EE框架的需要。

表單樣式設(shè)計如圖8所示，我們在原有的表單樣式基礎(chǔ)上根據(jù)各部門的業(yè)務(wù)需要和文件樣式，設(shè)計成專用表格進(jìn)行文件下發(fā)或數(shù)據(jù)上報。

流程管理模塊是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的模塊，使用工作流可以提高工作效率，使得辦公更加透明。我們將流程主要設(shè)置為單向流程（逐級）與并行流程（協(xié)同）。在表建立后即可制作流程，通知相關(guān)人員查看或?qū)徟９ぷ髁鞒痰膭?chuàng)建與使用主要分為如下幾個步驟：首先使用可視化工具創(chuàng)建工作流，指定每個節(jié)點審批的人員，如圖9所示。在審批節(jié)點中的每個人查看工作流信息，審批通過或選擇退回。所有人全部審批通過或?qū)徟鞒讨杏腥送嘶貏t該次審批結(jié)束。將表單和流程合并起來并于其他功能一起封裝，形成信息管理平臺的應(yīng)用，如圖10? 所示。工作人員點擊相應(yīng)圖標(biāo)即可啟動應(yīng)用，發(fā)起流程。

3.1.4? 數(shù)據(jù)庫管理

4? 結(jié)論

（1）云平臺的使用是鐵路信息化管理的一種創(chuàng)新，適用于我國目前分散性鐵路施工的實際需要，保障了信息交流，提高了工作效率。

（2）基于J2EE的信息管理系統(tǒng)穩(wěn)定、拓展性強(qiáng)、維護(hù)簡單，為類似鐵路企業(yè)這類非IT企業(yè)的信息化升級提供了良好的解決方案。

（3）鐵路施工物資調(diào)度系統(tǒng)中采用高斯優(yōu)化的粒子群算法和維特比算法可以輔助物資管理人員進(jìn)行調(diào)度決策，節(jié)約企業(yè)成本。

（4）移動辦公可以使得一線作業(yè)人員及時獲得企業(yè)消息以及上傳施工信息，擺脫時間和場所局限，提高了工作效率。

（5）本系統(tǒng)的研究與應(yīng)用是鐵路施工管理上的一次大膽嘗試，也為今后國內(nèi)鐵路施工行業(yè)中“云制造”理念的發(fā)展和實踐提供有意義的借鑒。

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