基于數(shù)字中臺(tái)的高速鐵路工程質(zhì)量管理系統(tǒng)架構(gòu)思考與設(shè)計(jì)

范文娜，王焜，郝蕊，張素華

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

高速鐵路（簡(jiǎn)稱(chēng)：高鐵）工程具有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高、技術(shù)復(fù)雜、施工難度大等特點(diǎn)，工程質(zhì)量偏差對(duì)高鐵建成后的安全運(yùn)營(yíng)影響重大，因此，提高高鐵工程質(zhì)量管理水平尤為重要。新一代信息技術(shù)引領(lǐng)的產(chǎn)業(yè)變革中，鐵路工程質(zhì)量管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行，即以數(shù)字化賦能全過(guò)程、全方位質(zhì)量管理，提升產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈協(xié)同水平，實(shí)現(xiàn)鐵路行業(yè)質(zhì)量、效率、動(dòng)力變革和高質(zhì)量發(fā)展[1]。

近年來(lái)，鐵路領(lǐng)域的眾多學(xué)者不斷探索工程建設(shè)質(zhì)量管理的內(nèi)涵和手段。盧春房根據(jù)高鐵工程特點(diǎn)，提出了高鐵工程質(zhì)量系統(tǒng)管理“時(shí)間維—邏輯維—知識(shí)維”三維概念模型，并將高鐵工程質(zhì)量管理劃分為質(zhì)量文化、質(zhì)量體系、質(zhì)量技術(shù)、質(zhì)量方法和質(zhì)量紅線5 個(gè)子系統(tǒng)[2]。隨著高鐵工程建設(shè)規(guī)模和管理需求的擴(kuò)大，業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)也隨之增多，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分散，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的內(nèi)在價(jià)值難以充分發(fā)揮，亟需新的技術(shù)手段提升管理能力。數(shù)字中臺(tái)技術(shù)為高鐵質(zhì)量管理的業(yè)務(wù)整合和數(shù)據(jù)資源匯聚提供了新的思路。本文介紹了數(shù)字中臺(tái)技術(shù)，提出基于數(shù)字中臺(tái)的高鐵工程質(zhì)量管理系統(tǒng)架構(gòu)，分析了數(shù)字中臺(tái)在高鐵工程質(zhì)量管理系統(tǒng)中的作用和挑戰(zhàn)，為高鐵工程質(zhì)量管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供參考。

1 數(shù)字中臺(tái)概述

1.1 數(shù)字中臺(tái)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，中國(guó)數(shù)字中臺(tái)市場(chǎng)處于高速發(fā)展時(shí)期，隨著我國(guó)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的不斷深化，數(shù)字中臺(tái)的市場(chǎng)需求不斷增加，行業(yè)規(guī)模也快速擴(kuò)張，截至2021 年，整體市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)百億級(jí)[3]。數(shù)字中臺(tái)是一種整合業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)資源的技術(shù)，將企業(yè)的共性需求進(jìn)行抽象表達(dá)，打造成平臺(tái)化、組件化的系統(tǒng)能力，以接口、組件等形式共享給各業(yè)務(wù)單元使用。包括數(shù)據(jù)中臺(tái)、業(yè)務(wù)中臺(tái)、知識(shí)中臺(tái)、人工智能（AI，Artificial Intelligence）中臺(tái)等，其中，發(fā)展較為成熟的是數(shù)據(jù)中臺(tái)與業(yè)務(wù)中臺(tái)。隨著中臺(tái)技術(shù)的不斷發(fā)展，中臺(tái)的內(nèi)涵也不斷豐富，它是一種數(shù)據(jù)技術(shù)，同時(shí)，蘊(yùn)含著管理理念，可集戰(zhàn)略思維和組織架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)于一體，從企業(yè)戰(zhàn)略角度構(gòu)筑協(xié)同統(tǒng)一的中臺(tái)化組織，用來(lái)支持、協(xié)調(diào)各相關(guān)部門(mén)，為新部門(mén)、新業(yè)務(wù)提供成長(zhǎng)壯大的空間[4]。

1.2 數(shù)字中臺(tái)在高鐵工程中的作用

高鐵建造是一個(gè)復(fù)雜的工程，數(shù)據(jù)中臺(tái)的運(yùn)用可從以下2 個(gè)方面實(shí)現(xiàn)資源的整合，進(jìn)而提升對(duì)高鐵工程質(zhì)量的管理能力。

（1）通過(guò)數(shù)據(jù)中臺(tái)的數(shù)據(jù)組件或模塊的集合功能，整合高鐵工程質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字資產(chǎn)化，使高鐵工程質(zhì)量管理由業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變。

（2）對(duì)于業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)，基于數(shù)據(jù)中臺(tái)，可將具有相同功能的服務(wù)進(jìn)行聚合，實(shí)現(xiàn)高鐵工程質(zhì)量的資源與能力共享，快速滿足各參建單位數(shù)字化管理需求，支撐新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用的快速開(kāi)發(fā)與迭代。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 總體架構(gòu)

在高鐵質(zhì)量管理理論與數(shù)字中臺(tái)思想的指導(dǎo)下，本文提出基于數(shù)字中臺(tái)的高鐵工程質(zhì)量管理系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示，主要包含資源平臺(tái)、基礎(chǔ)平臺(tái)、業(yè)務(wù)中臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用、技術(shù)體系和管理體系，共同支撐高鐵工程各場(chǎng)景中的質(zhì)量管理。

圖1 基于數(shù)字中臺(tái)的高鐵工程質(zhì)量管理系統(tǒng)架構(gòu)

（1）資源平臺(tái)：包含感知、傳輸、安全、存儲(chǔ)資源，實(shí)現(xiàn)工程全要素?cái)?shù)據(jù)匯聚與存儲(chǔ)。

（2）基礎(chǔ)平臺(tái)：包含服務(wù)總線、認(rèn)證中心、消息中心、日志中心、流程引擎、搜索引擎、圖形引擎、地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）引擎等，為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)服務(wù)。

（3）業(yè)務(wù)中臺(tái)：對(duì)高鐵工程質(zhì)量管理的各項(xiàng)業(yè)務(wù)中的共性需求進(jìn)行提煉，沉淀為相對(duì)穩(wěn)定的可共享的業(yè)務(wù)服務(wù)能力，主要包含5 個(gè)業(yè)務(wù)中心，分別為質(zhì)量文化中心、質(zhì)量體系中心、質(zhì)量技術(shù)中心、質(zhì)量方法中心和質(zhì)量紅線中心。

（4）數(shù)據(jù)中臺(tái)：是數(shù)據(jù)服務(wù)能力的匯集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)智能計(jì)算等功能。

（5）業(yè)務(wù)應(yīng)用：包含了人員管理、機(jī)械管理、物料管理、方法管理、環(huán)境管理及驗(yàn)收管理等方面的應(yīng)用模塊，以數(shù)據(jù)分析結(jié)果輔助管理者決策。

（6）技術(shù)體系：包含數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、展示等數(shù)字化技術(shù)，例如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）、數(shù)字仿真等。

（7）管理體系：是對(duì)傳統(tǒng)質(zhì)量管理方法在數(shù)字化環(huán)境下的優(yōu)化提升。例如：全面質(zhì)量管理理論中的“計(jì)劃（Plan）—實(shí)施（Do）—檢查（Check）—處理（Act）”（PDCA）循環(huán)方法與數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合，使工程質(zhì)量管理的信息流動(dòng)更加快速、直觀，加快了工程質(zhì)量PDCA 循環(huán)的迭代速率。

2.2 業(yè)務(wù)中臺(tái)設(shè)計(jì)

業(yè)務(wù)中臺(tái)的建設(shè)是對(duì)高鐵工程質(zhì)量管理各項(xiàng)業(yè)務(wù)中共性需求的提煉，并沉淀為相對(duì)穩(wěn)定的、可共享的業(yè)務(wù)服務(wù)能力[5]。在高鐵工程質(zhì)量管理過(guò)程中可規(guī)劃設(shè)計(jì)5 個(gè)共享服務(wù)中心：質(zhì)量文化中心、質(zhì)量體系中心、質(zhì)量技術(shù)中心、質(zhì)量方法中心和質(zhì)量紅線中心。共享服務(wù)中心采用分布式微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)，通過(guò)服務(wù)接口，為高鐵工程質(zhì)量管理業(yè)務(wù)應(yīng)用提供業(yè)務(wù)變化與創(chuàng)新的快速響應(yīng)能力。業(yè)務(wù)中臺(tái)的組成如圖2 所示。

圖2 業(yè)務(wù)中臺(tái)組成

（1）質(zhì)量文化中心：是輔助高鐵工程質(zhì)量文化構(gòu)建的服務(wù)，通過(guò)質(zhì)量培訓(xùn)、示范工程案例及突出質(zhì)量問(wèn)題案例等方式使質(zhì)量文化更深入人心。主要包含培訓(xùn)資料管理、考試服務(wù)、示范工程管理及突出問(wèn)題管理等。

（2）質(zhì)量體系中心：是具體質(zhì)量管理工作中的管理模式、組織機(jī)構(gòu)等的數(shù)字化表達(dá)，保障數(shù)字化質(zhì)量管理的落地應(yīng)用。通過(guò)組織機(jī)構(gòu)管理、鐵路工程實(shí)體結(jié)構(gòu)分解（EBS，Engineering Breakdown Structure）、鐵路工作分解結(jié)構(gòu)（WBS，Work Breakdown Structure），實(shí)現(xiàn)具體工作任務(wù)、質(zhì)量責(zé)任與組織機(jī)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，促進(jìn)質(zhì)量管理的有序、規(guī)范推進(jìn)。

（3）質(zhì)量技術(shù)中心：是指保障質(zhì)量管理水平過(guò)程中應(yīng)用到的數(shù)字技術(shù)和手段，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化管控，提高質(zhì)量管理的科學(xué)性、準(zhǔn)確性，并對(duì)產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警、跟蹤，進(jìn)一步提升高鐵工程質(zhì)量管理效率。主要包含協(xié)同設(shè)計(jì)、拌和站生產(chǎn)過(guò)程管理、鋼筋加工質(zhì)量管理、梁場(chǎng)生產(chǎn)管理等。

（4）質(zhì)量方法中心：是對(duì)貫穿于項(xiàng)目全過(guò)程的質(zhì)量管理方法及方法論的具體實(shí)現(xiàn)。通過(guò)信用評(píng)價(jià)、接口檢查、質(zhì)量問(wèn)題統(tǒng)一管理等手段，為高鐵全生命周期質(zhì)量管理的科學(xué)性和規(guī)范性奠定基礎(chǔ)。

（5）質(zhì)量紅線中心：是對(duì)參建各方必須遵守、不可逾越的底線的數(shù)字化管控。通過(guò)對(duì)工程實(shí)體質(zhì)量和系統(tǒng)功能關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土強(qiáng)度、樁基質(zhì)量、隧道襯砌質(zhì)量、沉降等質(zhì)量紅線具體問(wèn)題檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的質(zhì)量問(wèn)題并預(yù)警。

2.3 數(shù)據(jù)中臺(tái)設(shè)計(jì)

高鐵工程質(zhì)量管理數(shù)據(jù)中臺(tái)的主要作用是沉淀數(shù)據(jù)資產(chǎn)。以高效的資產(chǎn)管理為基礎(chǔ)，整合數(shù)據(jù)通用能力，開(kāi)放面向業(yè)務(wù)中臺(tái)與業(yè)務(wù)應(yīng)用的接口，供其調(diào)用[6]，數(shù)據(jù)中臺(tái)的組成如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)中臺(tái)組成

（1）數(shù)據(jù)匯集：將分散在不同系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、存儲(chǔ)設(shè)備中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，為后續(xù)數(shù)據(jù)加工處理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)匯集一般有數(shù)據(jù)庫(kù)同步、埋點(diǎn)、消息隊(duì)列等方式。按時(shí)效性可分為離線批量匯集和實(shí)時(shí)采集2 種類(lèi)型。

（2）數(shù)據(jù)治理：是提升數(shù)據(jù)可用性的過(guò)程。通過(guò)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范數(shù)據(jù)組織、提高數(shù)據(jù)管理效率、確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)安全數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)治理主要包含數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)共享管理、數(shù)據(jù)模型管理、元數(shù)據(jù)管理、主數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)安全治理等。

（3）數(shù)據(jù)計(jì)算：是面向開(kāi)發(fā)、分析人員的數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)，主要包含離線計(jì)算、實(shí)時(shí)處理、流式計(jì)算、智能調(diào)度、監(jiān)控預(yù)警等

（4）數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理：是對(duì)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)間的關(guān)系進(jìn)行管理，通過(guò)數(shù)據(jù)的標(biāo)注、組織等服務(wù)，在高鐵工程質(zhì)量管理過(guò)程中形成共同的“數(shù)據(jù)語(yǔ)言”，輔助業(yè)務(wù)人員更好地洞察數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而更好地應(yīng)用數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

（5）智能計(jì)算：通過(guò)集成人工智能相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)高鐵工程質(zhì)量管理智能化水平，包含文本分析識(shí)別、圖形圖像分析、知識(shí)圖譜引擎、數(shù)據(jù)分析挖掘等。

（6）模型服務(wù)：通過(guò)集成三維模型處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM、GIS 等三維模型的操作與處理，包含地圖模型、三維服務(wù)、數(shù)據(jù)科學(xué)服務(wù)、空間分析服務(wù)、協(xié)同建造、虛擬建造、施工模擬、數(shù)字建造等個(gè)性化服務(wù)。

3 數(shù)字中臺(tái)的作用與面臨的挑戰(zhàn)

3.1 數(shù)字中臺(tái)的作用

數(shù)字中臺(tái)在高鐵工程質(zhì)量管理系統(tǒng)中的作用主要包含以下幾方面。

3.1.1 資源整合與有效利用

數(shù)字中臺(tái)可將既有數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分類(lèi)、整理、加工等，進(jìn)一步提升既有數(shù)據(jù)資源的可用性，并將數(shù)據(jù)分享給業(yè)務(wù)應(yīng)用，開(kāi)展數(shù)據(jù)分析、挖掘等工作，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值，最終通過(guò)業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行可視化展示，形成分析—決策—執(zhí)行的應(yīng)用模式。

隨著高鐵工程建設(shè)技術(shù)的更新與數(shù)字化管理手段的升級(jí)，高鐵工程質(zhì)量管理涉及到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)不斷增多，如現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集到的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，隱蔽工程影像、視頻數(shù)據(jù)、監(jiān)理日志等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等。質(zhì)量管理者有必要借助數(shù)據(jù)中臺(tái)，規(guī)范和匯聚多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的資產(chǎn)化，同時(shí)將鐵路內(nèi)外部質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，提升數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、組織、應(yīng)用的效率。

3.1.2 降低研發(fā)成本

高鐵工程質(zhì)量管理涉及的業(yè)務(wù)流程復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理業(yè)務(wù)數(shù)字化的過(guò)程中，建設(shè)了眾多質(zhì)量管理業(yè)務(wù)模塊，但隨著數(shù)字化程度的不斷深化，各個(gè)業(yè)務(wù)模塊中重復(fù)的業(yè)務(wù)流程越來(lái)越多。業(yè)務(wù)中臺(tái)通過(guò)對(duì)高鐵工程質(zhì)量管理的通用業(yè)務(wù)能力進(jìn)行抽象和沉淀，提供一體化質(zhì)量管理業(yè)務(wù)能力支撐。在新的業(yè)務(wù)應(yīng)用研發(fā)過(guò)程中，可通過(guò)聯(lián)通和組裝各個(gè)不同業(yè)務(wù)板塊，實(shí)現(xiàn)部分業(yè)務(wù)能力的復(fù)用，減少新業(yè)務(wù)應(yīng)用研發(fā)成本，有效提升業(yè)務(wù)創(chuàng)新效能。

3.1.3 向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化

當(dāng)前，高鐵工程質(zhì)量管理系統(tǒng)更偏向針對(duì)具體業(yè)務(wù)應(yīng)用，研發(fā)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)模塊，導(dǎo)致數(shù)字化轉(zhuǎn)型中存在業(yè)務(wù)割裂的情況，其主要原因在于不同業(yè)務(wù)單元的隔離。數(shù)字中臺(tái)的建設(shè)不但能打通數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)間的壁壘，更能打通管理部門(mén)間的壁壘，提升管理的組織協(xié)調(diào)性。

高鐵工程質(zhì)量管理數(shù)據(jù)更多應(yīng)用于監(jiān)測(cè)進(jìn)展、檢測(cè)結(jié)果、洞察規(guī)律等方面，尚未實(shí)現(xiàn)施工向設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)向建設(shè)的反饋，數(shù)字中臺(tái)的應(yīng)用可促進(jìn)高鐵工程質(zhì)量管理流程的扁平化和敏捷化，將數(shù)據(jù)深入應(yīng)用，支撐管理者決策，實(shí)現(xiàn)高鐵工程質(zhì)量管理由經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變。

3.2 面臨的挑戰(zhàn)

基于數(shù)字中臺(tái)的高鐵工程質(zhì)量管理系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中面臨以下2 方面的挑戰(zhàn)：

（1）質(zhì)量管理過(guò)程眾多，當(dāng)前已有部分過(guò)程實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化管理，但仍有部分質(zhì)量管理過(guò)程尚未進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，因此，面臨數(shù)字中臺(tái)在質(zhì)量管理中全面落地應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

（2）高鐵工程質(zhì)量管理業(yè)務(wù)復(fù)雜，數(shù)字中臺(tái)的概念較新，從提出到實(shí)踐的時(shí)間較短，在構(gòu)建方法論和技術(shù)工具集方面尚不成熟。因此，面臨在海量數(shù)據(jù)中構(gòu)建模型并發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)價(jià)值的挑戰(zhàn)。

雖然基于數(shù)字中臺(tái)的高鐵工程質(zhì)量管理系統(tǒng)的落地應(yīng)用面臨一定的挑戰(zhàn)，但在工程實(shí)踐中，數(shù)字中臺(tái)建設(shè)的方法論和工具集正在不斷完善；在對(duì)高鐵工程質(zhì)量管理應(yīng)用場(chǎng)景的深入剖析與理解的基礎(chǔ)上，構(gòu)建高鐵工程質(zhì)量管理系統(tǒng)中業(yè)務(wù)中臺(tái)與數(shù)據(jù)中臺(tái)的融合機(jī)制，能夠進(jìn)一步發(fā)揮數(shù)字中臺(tái)的價(jià)值，為高鐵工程質(zhì)量管理賦能[7-8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字中臺(tái)思想的引入是高鐵工程質(zhì)量管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑的一種升華。通過(guò)數(shù)字中臺(tái)的建設(shè)，對(duì)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)等基礎(chǔ)服務(wù)進(jìn)行抽象與沉淀，利用業(yè)務(wù)中臺(tái)將高鐵工程質(zhì)量管理涉及的業(yè)務(wù)場(chǎng)景流程標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)化，進(jìn)而反饋到數(shù)據(jù)中臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、分析等促使數(shù)據(jù)資產(chǎn)化，驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)創(chuàng)新發(fā)展，兩者相輔相成，相互演進(jìn)融合，形成增強(qiáng)閉環(huán)，不斷推動(dòng)高鐵工程質(zhì)量管理快速轉(zhuǎn)型升級(jí)。