基于GIS的铁路建设可视化管理系统研究与应用

韩 宇

(济南铁路局 邯济铁路扩能改造工程建设指挥部，济南 252000)

随着近年来信息网络技术的发展及其在各个行业与各个领域工程应用的深入，在铁路建设项目的过程管理中，引入现代化的计算机与通信技术，促进工程建设项目管理的现代化与科学化，从而实现对施工质量、安全、成本、工期的有效控制，提供管理与决策平台，已成为铁路建设单位的共识。

2006年，铁道部建设司对各路局下发了《关于进一步加快铁路建设项目管理信息系统建设和应用的意见》(铁建设函［2006］810号)，指出加快铁路建设项目管理信息系统建设，是提高铁路建设管理水平的迫切需要，是有效控制投资的重要手段，是实现建设管理与运营管理有机结合的基础保证。同年4月，铁道部建设司在武汉召开了推进铁路建设信息化的会议，指出加快铁路建设项目管理信息系统的推进，是努力提升建设项目管理水平的重要举措。另外，铁道部党组还提出了要“大力提升建设管理水平，依靠科学、规范的管理制度和机制，深入推进铁路建设标准化管理”的要求。落实好铁道部党组的要求，就必须认真研究铁路建设项目的特点和规律，选准突破口，借助现代科学手段优化铁路建设项目管理模式，加快推进现代化管理进程。

在铁路建设项目管理过程中，由于项目规模越来越大，采用技术日趋复杂，在实际的施工建设过程中，通常采用的是“建设指挥部→施工指挥部→施工项目部”的分级树型管理形式。在这种体制下，工程安全、质量、工期、投资的控制依赖于“逐级上报，分层管理”，导致施工作业的分散性与建设指挥管理的集中性相互掣肘。以工程进度的控制为例，在现有体制中，首先需要基层施工单位对工程项目中各阶段的内容与程序编制施工计划，然后将进度信息反馈并经逐级上报后，再交由管理层进行汇总整理，方能采取一些图形化的表示方法，将其表达为工程形象进度，从而为决策层掌握整体进度提供进度控制的决策依据。但在实际进度控制过程中，由于涉及的工程类别庞杂、进度数据量大、逐级上报带来的周期长，使得这种形式的工程进度控制，没有体现出各类工程的具体特点，表现为施工进度信息的滞后。从这个意义讲，采用现代化的信息技术为铁路建设过程中的综合信息的录入、查询与形象展示构建可视化平台，为管理决策层提供方便快捷的实时数据查询手段，已势在必行。

自2010年邯济铁路扩能改造工程建设筹建以来，由指挥部主持并联合山东申普交通科技有限公司与山东理工大学计算机科学与技术学院，共同投入对“铁路建设可视化管理系统”开展自主研发。系统基于B/S架构，应用GIS技术建立以施工平面地图为基础的信息导航平台，构建了基于 Web的施工进度形象的VML建模方法，为铁路建设过程中的综合信息的录入、查询与形象展示构建了可视化平台，从而实现了工程指挥者无论何时何地均能对铁路工程建设综合信息实时查询，同时也实现了对施工过程的远程规范化管理，为管理决策层对施工过程的质量、安全、成本、工期的控制提供了决策支持。

1 铁路建设工程项目管理过程分析

广义上的铁路建设是一个复杂的过程，如果遵循标准的项目管理程序，应包括立项决策、设计、工程实施及竣工验收四个阶段，其基本程序如图1所示。所涉及的单位涵盖设计、建设、咨询、监理、施工、供应商等单位。狭义上的建设项目管理主要表现为其中的工程实施阶段。在这一阶段，施工单位要确保施工成本费用控制在施工图预算或工程承包合同价内，控制范围包括财务控制、进度控制、质量控制及与投资成本相关的合同管理。同时，项目监理单位对工程施工和验工计价实施监理。据此，铁路建设工程项目管理包括以下主要特点。

图1 铁路建设项目管理基本程序

1)优化管理的多目标性

在铁路建设工程项目管理中，由于工期、安全质量、投资三者之间存在着相互依赖、相互制约的对立统一关系，使得铁路建设管理必须以工期、安全质量和投资三者之间的合理匹配为目标。这就要求在信息化管理中对进度控制、质量控制和投资控制进行综合考虑。

2)计划实施的多变性

在铁路工程建设过程中，由于人员、材料、资金、机具、设备及自然和社会环境的影响，即使是经过多方面综合平衡而优化的施工计划，其变化也是不可避免的。为了对施工计划的变化进行有效控制，应采用动态控制原理，即在施工计划的执行过程中，跟踪检查、搭建信息反馈、动态调整、优化控制，使建设过程中每一阶段的进度、质量和投资都得到有效控制。因此，在信息化过程中，所开发的系统应具备良好的自适应性，特别要求注重对动态数据或信息的处理能力。

3)进度控制的多阶段性

由于信息反馈的滞后性和指挥决策的被动性，很容易引起对建设过程的失控。建设过程管理必须分为若干个控制阶段或控制周期。控制周期的长短应视建设工期的长短及三大目标的紧迫程度而定，可分为年、季、月、旬、周。一般而言，控制周期愈短，信息反馈的敏感度就愈强，指挥决策的有效性也就愈高。而目前的控制周期，由于施工单位的沿线分布、交通不便、进度等信息的反馈本身就有一定的滞后期，加之对于施工单位的反馈信息进行汇总，如果依靠人工处理，也不能及时呈交至指挥决策层，控制周期的缩短受到了现实条件的限制。因此，在信息化管理系统的构建中，应以网络在线形式为导向，从而提高进度控制的时效性。

4)项目管理的多层次性

我国的铁路建设项目管理是由项目法人公司(或铁路建设指挥部)、建设监理单位、工程局指挥部及施工现场项目经理组织的多层次、全方位的管理。信息管理系统应体现各个单位的职能，多层次、全方位地强化管理。

根据上述分析可知，铁路建设综合信息管理系统应是一个庞大复杂的多级管理系统，铁路工程建设管理过程是一个多目标、多阶段、动态优化的控制过程。因此，系统以铁路建设项目管理过程中的进度控制为主线，建立在有效的WBS(Work Breakdown Structure)分析方法基础上，研究数据库的来源与采集标准，集成Web-GIS与VML，基于 B/S架构，为铁路建设过程中的综合信息的录入、查询与形象展示构建可视化平台。

2 系统解决方案设计

在铁路建设综合信息管理系统的构建中，为保证信息反馈的时效性，应以网络在线形式为导向。为此在铁路项目开工前，组建指挥部(项目部)时，信息化管理系统就应同时进行规划和组建。根据项目和建设管理单位要求的不同，统一规划组建计算机办公局域网，按建设单位统一标准进行网络配置，设置视频监控系统。要求下级单位使用统一规划的工程管理系统，使用统一的信息平台及应用软件，以保证工程的施工数据采集和信息管理工作。以向建设单位提供项目有关信息的数据采集系统为核心所建立的计算机网络拓扑结构如图2所示。

图2 系统网络拓扑图

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是一种基于计算机的工具。它可以把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作(例如查询和统计分析等)集成在一起。利用地图界面进行信息管理，其良好的直观性及地理分析功能使得它被广泛用于支持决策、解决问题中。如分析矿产资源的分布情况、水土的流失状况、通信基站的位置设置等。

GIS常用于综合分析评价。其独特的视觉化效果、地理分析功能使得分析更加直观准确。而铁路建设地域跨度大，多个标段管理复杂，将GIS地理信息系统引入铁路建设管理系统，对于优化设计、科学组织施工具有实际的意义。因此，采用将各标段施工单位作为一个个控制单位集成在GIS操作平台上，并与铁路建设指挥部相连接，如图3所示。GIS是整个信息管理系统的操作平台和查询显示平台。在此平台上，图形可无级缩放;生成的线路平面图准确直观;各标段建设进度情况、驻地、物资仓储、重点工程等可一览无遗;所有基础数据均采用数据库进行动态管理，以图形热点为信息切入点，点击目标即可查询各种信息;引入多媒体动态链接，在查询时回放声音、图片和视频资料，制作出丰富的演示界面。

图3 基于Web-GIS的系统可视化GUI设计

3 系统实现及其关键技术

考虑到系统开发的周期与邯济铁路扩能改造工程的工期，邯济铁路扩能改造工程建设指挥部提出了“整体设计，逐步实施”，以构建铁路建设过程中的综合信息的录入、查询与形象展示的可视化平台为突破点，最终达到从点到面的建设过程控制目的。在这一思路指导下，邯济铁路扩能改造工程建设指挥部主持联合山东申普交通控制技术有限公司与山东理工大学计算机科学与技术学院，共同投入进行了“铁路建设远程视频监控系统”和“铁路建设可视化管理系统”的自主研发。在一期工程中，完成了“铁路建设综合信息管理系统”的设计与实现，并已投入了实际应用，取得了良好的社会和经济效益。系统层次结构见图4。

图4 系统层次结构

在系统实现中，所涉及到的主要技术及其解决方案如下。

1)铁路建设信息的标准化方法

按照铁路建设标准化管理的要求，“以数据为驱动”，将数据划分为空间数据、属性数据和专题数据三大类。结合标准化管理的要求，通过对铁路建设工程项目管理数据规范的研究和探索，建立起各类数据的数据交换模型与规范。其数据交换格式采用XML(可扩展标记语言)技术。

2)施工进度的标准化控制方法

针对铁路建设管理中的特别需求，以 WBS为导向，划分施工专业，分为拆迁、路基、桥涵、隧道、通信与信号、电力与电力牵引、给排水以及房建等十大工程，并根据各模块的特点和具体需求，对其进行细化。从施工图数据入手，对相关的检验数据进行解析，生成对应施工图各项目的进度数据，再建立施工图各项目与工程量清单的对应关系模型。进度控制流程见图5。

图5 铁路建设进度控制流程

对铁路专业WBS项目数据、单位工程施工组织设计等资料数据、各级单位施工计划下达数据、施工图数据、进度数据等进行分类，如属性数据、空间数据、元数据、文档数据，为进度控制各级管理提供数据源，并提出数据库结构的设计原则。

3)铁路建设工程的可视化管理技术

将Web-GIS(地理信息系统)与Flash、VML(Vector Markup Language，矢量可标记语言)技术集成，并在此基础上建立起基于施工图数据的形象进度模型，将形象进度专题图表直接链接至质量控制、物资管理、安全控制等系统。

铁路建设中的相关工程信息都具有鲜明的地理属性相关特征，GIS以其强大的制图、数据存储与管理功能，加之现有的开放GIS系统都提供有API，支持用户的二次开发，能满足铁路建设工程的可视化管理需求。但对于建筑施工图以及形象进度等的展示支持程度有限，为此，在详细了解和分析工程管理内容和需求基础上，结合铁路施工建设管理的特点，根据现有的相关地理资料及工程设计原始数据，利用Flash，实现了如图6所示的基于施工平面图的信息导航平台，利用百度地图提供的API，结合ASP.NET，实现了如图7所示的基于二维Web-GIS的信息导航平台，并以VML建立起工程形象进度图库，用于生成各种各样的形象进度，如图6中所示的重点桥梁施工进度图。

图6 基于施工平面图的信息导航平台

图7 基于二维Web-GIS的信息导航平台

4 结语

邯济铁路西起京广线邯郸南站，东至津浦线上的晏城北站，并连接济南站，全长232 km，横穿华北平原中部的晋冀鲁地区，横向连接京广、京九、京沪三大铁路干线，并西接邯长线，与太焦线、阳涉线相通，东连胶济线，可直达青岛港。构成山西省至胶东半岛及青岛港的东西干线，形成晋煤外运的中路通道。邯济铁路设计为国家Ⅰ级铁路干线，年运力20 Mt，总投资约12亿元，于1996年11月开工，是国家“九五”重点工程，由铁道部、山东省、河北省三方共同投资修建。2000年4月，该线开通运营临管，2002年12月正式通过国家竣工验收。

2009年起，邯济铁路进行复线电气化改造工程。建成后，实现电力牵引，牵引质量5000 t，客车速度目标值140 km/h，日开行客车13对，货运量可达18 Mt/年。项目总投资75.5亿元，建设工期为2.5年。在邯济铁路扩能改造工程中，“铁路建设综合信息管理系统”投入运行，并在此基础上进一步形成可供全局推广应用的通用软件系统。期间，铁道部与济南铁路局的多位领导、专家到现场进行调研指导，给予了高度评价并积极建议在铁路建设工程中推广应用。

二维地理信息系统在空间关系上的欠缺，使得铁路建设中的路轨、桥梁、涵洞、管网表现形式不直观。比如，通过二维地理信息系统可知某设备在桥梁的某平面位置，但具体的是在承台上还是在哪不得而知，这种局限已成为用户管理在超越单一化走向多样化、集成化、细节化、动态化的进程中最大的障碍。为此，在未来的后续工作中，将以三维地理信息平台作为解决方案，开发数字地质、数字铁路相兼容的集成化软件。同时将“铁路建设综合信息管理系统”与现有的“铁路施工远程视频监控系统”、“铁路工务安全预警监测系统”集成，主要应用于铁路建设过程的管理和建成后的工务系统综合管理，形成全时、三维、可视化、信息化软件管理平台，以适应铁路建设和维护过程中对质量、安全、成本、工期等进行有效管理的要求。

［1］付国成，佟晓生.铁路建设项目管理信息化发展趋势与对策［J］.铁路计算机应用，2010，19(4):20-22.

［2］杨尚辉.铁路建设项目信息化管理系统的建立［J］.中国西部科技，2010，9(11):66-67.

［3］江萍，成虎.施工项目结构分解(WBS)方法及准则研究［J］.东南大学学报(自然科学版)，2000，30(4):105-108.

［4］王军峰.铁路建设项目管理信息系统的开发与应用［J］.铁路运输与经济，2009，31(4):58-60.

［5］贾利民，王英杰，秦勇.铁路地理信息系统(RGIS)框架体系［J］.中国铁道科学，2003，24(1):1-6.

［6］蒲浩，宋占峰，郑顺义，等.道路三维场景的实时动态显示技术［J］.交通运输工程学报，2003，3(1):52-56.

［7］王茂文.基于GIS可视化平台的高速公路建设形象进度系统开发［J］.公路工程，2009，34(3):170-174.

［8］张晓东，黄守刚.铁路工程施工可视化管理技术的研究与开发［J］.计算机应用，2007，16(1):1-3.

［9］刘广志，刘军.铁路仿真通用三维可视化系统建模研究［J］.微计算机应用，2007，28(11):1225-1228.