鐵路施工組織全過程自動化設計研究

曹政國，艾桂友，李 致

（中鐵二院工程集團有限責任公司 工程經濟設計研究院，成都 610031）

鐵路施工組織設計包括外業調查、內業整理及后期的數據分析計算和成果輸出。目前，國內的工作方式還比較傳統，大部分采用人工方式進行，盡管部分環節實現了信息化，但整體上仍存在設計周期長、耗費人力多、數據處理量大、易出錯等問題，難以滿足鐵路建設快速發展的需要。因此，急需轉變工作方式，充分利用信息化技術實現由人工或半自動化向全自動化的轉變，以提高工作效率和質量。另外，鐵路施工組織設計是一項由多個過程組成的設計工作，各過程環環相扣，緊密相連，任何一個過程沒有實現自動化都會影響整個設計工作的自動化率，因此，為實現設計工作的全自動化，有必要對鐵路施工組織全過程自動化設計進行研究。

國內外學者對于鐵路施工組織自動化設計的研究尚少，所做的研究僅限于自動繪制施工組織進度圖方面[1-4]。近年來，隨著建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術的發展，許多學者提出將BIM技術應用在鐵路設計中[5-10]，還有學者提出在鐵路施工組織設計中應用BIM技術的方案[11]，以提高工作效率和質量。這些研究雖然部分實現了自動化設計，但由于BIM軟件的局限性，尚未實現全過程自動化設計。針對上述問題，本文基于大數據和信息化技術，研究實現了鐵路施工組織的全過程自動化設計。

1 鐵路施工組織全過程自動化設計的基本條件

要實現鐵路施工組織全過程自動化設計，需要具備以下基本條件。

1.1 地理信息系統基礎數據及鐵路設計數據

地理信息系統（GIS，Geographic Information System）基礎數據包括鐵路沿線的地圖數據、交通數據、經緯度坐標、等高線等；鐵路設計數據包括鐵路線路、站場、路基、橋梁、隧道、軌道等專業的設計數據。根據GIS基礎數據和鐵路設計數據可自動感知建設工程周圍地理空間信息，用于大型臨時設施（簡稱：大臨）工程自動規劃和材料運輸路線自動規劃等。地圖數據和交通數據可在相應官網獲取。等高線數據則可通過航天飛機雷達地形測繪任務（SRTM，Shuttle Radar Topography Mission）數據獲得矢量數據，再由柵格地圖渲染器（Mapnik）把矢量數據渲染成柵格圖片以供使用。

1.2 具有大數據處理技術和能力

鐵路施工組織自動化設計需要處理大量數據，如展示設計線位須加載標記語言（KML，Keyhole Markup Language）數據文件，讀取線路坐標信息，并在大量數據中提取斷鏈信息和里程信息用于工點經緯度坐標的計算和轉換。在自動規劃大臨便道時需提取鐵路沿線所有等高線數據，通過計算分析判斷等高線走向及分布密集程度，根據公路選線規范，確定大臨便道設計方案。在自動規劃梁部砂、道砟一類需長距離運輸的材料運輸路線時，由于運輸方式有鐵路、公路，須遍歷全國鐵路路網數據和公路路網數據，并結合運價因素，通過分析計算，確定最優運輸路線。上述自動化設計需要提取的基礎數據量至少百萬級別，須分析計算的過程數據量更是多至上億級別，只有具備了大數據處理技術和能力，才能實現真正意義上的自動化設計。

1.3 具有可進行信息交流的協同平臺

鐵路施工組織設計需要多專業協同配合，既須獲取站前、站后各專業設計信息，也須將施組設計信息反饋給站前、站后各專業。用傳統手工方式進行設計信息交流，工作量大、效率低、數據更新慢、經常不一致，無法用于自動化設計。因此，若要實現鐵路施工組織自動化設計須構建協同平臺，共享設計數據，打破各專業數據孤島現狀。協同平臺需要設置大容量數據庫，存儲各專業設計數據，統一管理，及時更新，基于標準的接口規則進行數據提取及交互。

1.4 移動設備、服務器等支持設備

移動端具有顯示地圖、導航、定位記錄軌跡線、拍照錄音等功能，可用于鐵路施工組織外業調查數據的自動采集。服務器具有容量大、運算速度快等特點，可存儲大量設計數據，并對數據進行分析計算，也可作為不同終端間數據通信的中轉站。

2 鐵路施工組織全過程自動化設計方法

鐵路施工組織全過程自動化設計遵循鐵路施工組織設計指南及規范[12-13]，其方法是在施工組織調查、施工組織設計等各個環節利用硬件設備和軟件技術實現自動化，并與現行造價軟件相連接共享數據。鐵路施工組織全過程自動化設計流程如圖1所示。

圖1 鐵路施工組織全過程自動化設計流程

2.1 構建鐵路項目數據環境

鐵路項目施工組織自動化設計需要有大量的項目數據做支撐，包括鐵路項目周邊的GIS基礎數據和鐵路設計數據。可獨立設置存儲有GIS基礎數據的服務器，從該服務器上自動獲取或直接通過相關網站獲取；對于鐵路設計數據，可從預先構建的協同平臺上自動獲取，并存儲到項目服務器上，為后續的施工組織自動化設計提供數據環境，并為不同終端間的數據共享創造條件。

2.2 外業調查采集數據

外業調查前，移動端設備與項目服務器相連，下載項目數據并構建移動端項目數據環境。外業調查時，設計人員通過移動端設備查看設計線位及鐵路沿線的地形地貌情況，利用其導航功能自動導航到工點；利用其定位記錄軌跡線功能自動記錄鐵路、公路路線及料源點位置，大臨工程的規劃草圖；利用其拍照錄音功能實時拍攝現場照片、錄制調查對話音頻，并自動將照片和音頻按照工程類別和名稱進行整理歸檔。外業調查完成后，將移動端設備與項目服務器相連，上傳數據至項目服務器，完成外業調查數據的自動采集。

2.3 內業整理匯總數據

移動端采集的數據有過于簡略或冗余的問題，需要在PC端進行整理，進一步補充完善數據，達到后續進行施工組織自動化設計所需的數據條件。

對于工點，尤其是控制工程和重點工程需進一步補充相關信息，如：自然特征、施工條件、施工方案等。對于交通運輸，需要將斷路的道路進行連通，基于拓撲分析原理，利用PostGIS數據庫對路網（公路、鐵路、水運等網絡）數據進行分析，找到不連通的道路，通過添加點、延長線等方式實現道路的自動連通，從而構建鐵路沿線完整路網。對于大臨便道，需要進一步確定設計方案，在PC端基于等高線數據，在滿足坡度、轉彎半徑等相關規范的要求下，利用PostgreSQL數據庫規劃出最短折線路徑，采用Chaikins算法將折線路徑曲線化，實現大臨便道的自動規劃。

2.4 自主進行施工組織設計

基于外業調查和內業整理的數據，在PC端可進行統計、分析、計算并生成施工組織成果。

2.4.1 統計大臨工程數量

根據大臨工程的位置坐標，利用PC端GIS平臺功能可自動統計一定里程范圍內的大臨工程對象數，并按照單元劃分自動統計出各單元大臨工程數量。

2.4.2 分析重點大臨工程供應范圍

對于鋪軌基地、梁場、軌枕板場等重點大臨工程，根據線路的設計數據，將大臨工程在GIS平臺上的地理分布關系轉化為數學模型，計算重點大臨工程到工點的運輸距離，基于平衡合理原則，自動分析供應范圍，并根據已確定的供應范圍，自動統計鋪軌、架梁、鋪設軌枕板的數量和運距。

2.4.3 規劃材料運輸方案

根據已有的料源點坐標、工點坐標及已構建的鐵路沿線路網數據，基于Dijkstra算法規劃料源點至工點的最短、最優運輸路線并計算其距離，獲取最優運距。在計算出所有工點各類材料的運輸距離后，按照單元劃分，采用加權平均法計算線路、橋梁、隧道等工程各類材料的運輸距離，實現材料運輸方案的自動規劃。

2.4.4 生成施工組織平面圖

根據項目GIS平臺上已有的工點、大臨工程、交通、料源點數據，基于CAD、PostGIS技術按照設計線路走向裁剪地圖區域成像，通過設計線路彎曲角度進行旋轉，并將旋轉后的地圖成像數據進行平移、組裝、合成，自動生成施工組織平面圖。

2.4.5 生成施工組織進度圖

根據已有的工點、大臨工程數據及工期指標數據[14]，通過工程數量和對應工期指標計算出各項工程所需工期，再按里程順序自下而上計算各項工程的開工和完工時間。采用CAD技術，根據橫軸里程、縱軸時間的位置關系進行繪制，自動生成施工組織進度圖。

2.4.6 生成施工組織說明

預先制定模板，根據模板自動生成施工組織說明。模板分成固定和變化兩部分，固定部分為通用文本，如大綱結構、標準施工工藝等；變化部分為項目設計數據和分析、計算后的數據，如工程概況、地區特征、施工組織方案、資源配置方案等，將變化部分設置成變量，當數據源發生變化時，可快速更新施工組織說明。

2.4.7 生成施工進度計劃

根據施工組織設計進度圖中箱梁場、T梁場、軌枕場、軌道板場、鋪軌（架）基地的工程數量、里程信息、施工區段、時間安排、施工方向，可以自動生成鐵路項目的架梁進度計劃、鋪無砟道床進度計劃、鋪軌（架）進度計劃。

2.5 與造價軟件關聯共享成果數據

通過把施工組織項目與現行造價軟件的服務器相連接，將鐵路施工組織項目服務器中的數據導入到現行造價軟件服務器的對應數據庫表中，實現成果數據共享。需要按照方案名稱，將材料運輸方案的各種材料運輸方式、運距、裝卸次數等數據導入現行造價軟件中，使之在程序界面中顯示出來，并計算材料運輸單價；大臨工程需要內置概算模板，在概算模板中建立工程數量與概算的對應關系，根據工程數量自動編制大臨工程概算的原始數據，導入到現行造價軟件中計算大臨工程的單項概算。

3 方法應用

本文基于上述鐵路施工組織全過程自動化設計的方法，開發了鐵路工程施工組織及造價一體化編制系統（簡稱：一體化編制系統），該系統采用C/S設計模式，使用Android、WinForm、Windows Communication Foundation（ WCF ）技術和SQL Server數據庫。

一體化編制系統由移動端、PC端、平臺運行維護（簡稱：運維）端組成。移動端用于外業調查，支持在線、離線模式采集數據；PC端用于內業整理和施工組織自動化設計；平臺運維端用于完成不同終端間的數據中轉及數據存儲。一體化編制系統移動端主要由工程模塊、導航模塊、大臨模塊、料源模塊、交通模塊、上傳下載模塊組成； PC端主要由工程模塊、大臨模塊、料源模塊、交通模塊、分析計算模塊、成果模塊組成，一體化編制系統設計架構如圖2所示。程的供應范圍和供應數量，自動構建材料運輸所需的交通系統和自動規劃材料運輸路線并生成材料運輸方案，根據工程、大臨、料源和交通的分布情況自動繪制施工組織平面圖，根據工程工期和重點大臨供應情況，自動進行施工組織安排并繪制施工組織進度圖，根據施工組織安排按年度分配工程數量、靜態投資和勞動材料，自動生成施工組織設計各類成果附圖如圖3所示，各類成果附表如圖4所示。

圖2 一體化編制系統設計架構

圖3 一體化編制系統成果附圖界面

圖4 一體化編制系統成果附表界面

一體化編制系統利用移動端自動采集施工組織外業調查數據，并上傳至PC端，在PC端可自動設置、規劃施工便道等大臨工程，自動計算重點大臨工

一體化編制系統已在渝西（重慶—西安）線、廣湛（廣州—湛江）線、成渝（成都—重慶）中線、敘畢（敘永—畢節）線等鐵路項目上進行了應用。應用結果表明，一體化編制系統顯著提高了施工組織設計中外業調查和內業整理的生產效率。同時，施工組織設計文件在審查過程中未發現問題，說明該系統可有效保證文件質量。

4 結束語

本文針對國內鐵路建設項目采用人工方式進行施工組織設計、工作效率低、設計文件質量不易保證等問題，提出了基于大數據和信息化技術進行鐵路施工組織全過程自動化設計的方法，并開發了鐵路工程施工組織及造價一體化編制系統。該系統通過數據分析自動確定工點、大臨工程、交通、料源點之間的位置關系，用于分配材料供應范圍并規劃材料運輸方案，進行施工便道設計，計算重點大臨工程供應數量并安排施工組織方案，同時，解決鐵路施工組織設計專業接口多、數據獲取不易等問題，有效促進各專業間的信息交流和數據共享。系統的應用顯著提高了鐵路施工組織設計的工作效率，保障了成果質量，對鐵路、公路等線性工程的施工組織自動化設計具有一定的參考意義。