解亞龍 劉紅良 李禎怡 聶現(xiàn)會 耿重陽 陳志

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081

鐵路建設屬于大型基建項目，具有建設周期長、施工難度大、建設標準高、協(xié)調(diào)關(guān)系復雜等特征，施工組織管理的水平也直接影響到工程進度、質(zhì)量、安全等建設目標。目前我國鐵路工程施工組織編制及管理仍處在較低水平，施工組織管理中存在計劃編制難、審查難、跟蹤難、調(diào)整難等問題。

我國一些學者對施工組織進行了研究。胡民等［1］提出施工組織設計編制、審查和動態(tài)管理的要點。曹政國等［2］論述了BIM 技術(shù)在施工組織設計中的應用，從利用BIM 模型模擬工程進度、快速計算工程費用、規(guī)劃運輸路線等方面進行了探討。馬棟［3］對實施性施工組織設計編制與實施中存在的問題以及對策進行了研究。史永躍等［4］提出由于施工過程的復雜性和具體項目的特殊性，需引入數(shù)字化和信息化手段提升施工組織設計的編制水平。王鵬［5］提出高原山區(qū)鐵路隧道工程工期指標測算理論值以及其他專業(yè)工程工期指標降效原則，并在此基礎(chǔ)上測算給出了各專業(yè)工程工期指標推薦值。朱立成等［6］提出了長大隧道施工組織多層次綜合評價方法，指出隧道施工組織的重中之重是施工安全，影響施工組織設計效果的主要風險因素為施工進度、資源配置優(yōu)化與控制。魏強等［7］提出鐵路施工組織信息化管理架構(gòu)、施工組織動態(tài)管理方法和措施。既有研究多是施工組織的影響因素分析、綜合評價，對鐵路建設施工組織的研究僅停留在對施工組織的設計，針對施工組織信息化和智能化的研究較少。鑒于此，本文提出鐵路工程施工組織管理智能化的目標，并建立施工組織計劃智能管理系統(tǒng)，為實現(xiàn)鐵路工程建設資源科學配置、工期合理優(yōu)化、工程質(zhì)量優(yōu)質(zhì)、安全風險可控和管理協(xié)同高效提供技術(shù)支持。

1 施工組織管理系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)建設目標

通過典型專業(yè)的業(yè)務建模，將鐵路工程各專業(yè)工序、工項的施工順序進行形式化表達和編碼，構(gòu)建多層級大規(guī)模的任務節(jié)點網(wǎng)絡，使施工組織計劃的調(diào)整由原來孤立的單項調(diào)整轉(zhuǎn)變?yōu)殒準交蚓W(wǎng)絡狀的聯(lián)動調(diào)整。利用圖形化顯示技術(shù)，將鐵路工程施工組織計劃進行圖形化表達，形成一套界面友好、高效快速的施工組織設計軟件，將施工組織計劃編制與實際施工進行關(guān)聯(lián)，進行實際進度跟蹤和預警。在實際進度的基礎(chǔ)上計算推演完工日期，提醒管理者及時調(diào)整資源配置，給出施工組織調(diào)整建議，突破當前鐵路工程施工組織經(jīng)驗管理的局限性。

1.2 系統(tǒng)框架設計

1.2.1 施工組織計劃管理系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路工程施工組織計劃管理系統(tǒng)架構(gòu)（圖1）主要由施工組織計劃編制軟件和施工組織計劃管理功能構(gòu)成。該系統(tǒng)突破了業(yè)務建模、進度跟蹤預警與聯(lián)動調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)，在標準規(guī)范和安全保障的雙重支撐下實現(xiàn)施工組織輔助編制、審查、進度跟蹤與預警、動態(tài)調(diào)整等功能。

圖1 鐵路工程施工組織計劃管理系統(tǒng)架構(gòu)

1.2.2 施工組織計劃智能化管理及實施路徑

通過統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)分解模版、工效指標庫、工作任務模板庫、工作任務時序規(guī)則庫，研制交互式的施工組織計劃編制軟件，快速編制科學的施工組織計劃。研制施工組織計劃審查軟件，提供基于斜率圖、橫道圖、時標網(wǎng)絡圖三圖聯(lián)動的施工組織計劃圖形化工具，有效揭示施工組織計劃的重點和難點，實現(xiàn)協(xié)同審查和可視化審查，解決施工組織計劃審查難的問題。通過多源數(shù)據(jù)的采集和相互印證，施工進度的動態(tài)計算和實時預警，形成施工組織計劃管理綜合看板，解決施工組織計劃跟蹤難的問題。通過實際進度與計劃進度的匹配和分析，給出施工組織調(diào)整的建議，解決施工組織計劃調(diào)整難的問題。鐵路工程施工組織計劃智能化管理及實施路徑如圖2所示。

圖2 鐵路工程施工組織計劃智能化管理及實施路徑示意

1.2.3 統(tǒng)一的語義定義與編碼體系

鐵路建設是一項復雜開放的系統(tǒng)工程，覆蓋多專業(yè)多階段，在信息系統(tǒng)構(gòu)建上必須考慮建立統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。參考文獻［8-11］及Q/CR 9004—2018《鐵路工程施工組織設計規(guī)范》，按工程結(jié)構(gòu)分解（Engineer Breakdown Structure，EBS）和工作任務結(jié)構(gòu)分解（Work Breakdown Structure，WBS），統(tǒng)一各個業(yè)務系統(tǒng)的語義定義。參照建筑領(lǐng)域的編碼，充分結(jié)合鐵路工程建設的業(yè)務特點，根據(jù)T/CRBIM 003—2015《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》、T/CRBIM 002—2014《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》、T/CRBIM 007—2017《鐵路工程信息模型交付精度標準》、T/CRBIM 005—2017《鐵路工程信息模型表達標準》，形成工程結(jié)構(gòu)分解模板。制定鐵路工程建設工作任務結(jié)構(gòu)分解的編碼體系標準，制定結(jié)構(gòu)分解編碼規(guī)則，以工程部位為基礎(chǔ)關(guān)聯(lián)工程部位相關(guān)屬性，實現(xiàn)以施工組織為核心的業(yè)務數(shù)據(jù)全面共享。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 鐵路工程施工組織工序業(yè)務模型建立關(guān)鍵技術(shù)

施工組織計劃編制軟件與中國國家鐵路集團有限公司構(gòu)建的鐵路工程管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，將鐵路工程管理平臺的項目、工點、EBS、WBS 等信息自動同步至施工組織計劃編制軟件中，同時應用內(nèi)置施工工效指標庫、任務模板庫和交互式的圖形界面，按照項目的聯(lián)調(diào)聯(lián)試和鋪架線日期自動倒排工期，快速編制符合要求的施工組織計劃。

2.1.1 構(gòu)建基于工序工項的指標庫

工效指標指施工效率定額，用來表征施工隊伍在生產(chǎn)工具、資源配置和工況一定的條件下，在單位時間內(nèi)完成的實物工程量，本質(zhì)上是評價勞動生產(chǎn)率高低的指標。施工效率指標庫為不同施工企業(yè)、不同專業(yè)、不同工序、不同工況下的施工效率定額庫。建立每項施工任務的工作效率庫，為精確估算工程進度提供基礎(chǔ)和依據(jù)。

2.1.2 構(gòu)建基于工作任務排布的模板庫

鐵路工程的施工任務存在一定的規(guī)律性，而且鐵路工程標準構(gòu)件多，各個工序之間存在明確的先后順序，將這些工序的緊前工作和緊后工作形成的計劃網(wǎng)絡固化成模板，按照“專業(yè)、工點、工序”的分級方式，將施工工序存在標準化、重復性特征的施工作業(yè)任務編排成一個集合，將集合進行形式化表達后存儲在數(shù)據(jù)庫中，建立多層級的網(wǎng)絡計劃模板庫。在整體項目進行施工組織方案編制時可使用網(wǎng)絡計劃模板庫，快速編排網(wǎng)絡計劃，并可降低項目級任務編排的復雜度。通過分專業(yè)建立工作任務模板庫，形成切合實際的多層級模板庫。

以混凝土連續(xù)梁施工為例，構(gòu)造多層級網(wǎng)絡計劃模板庫，見圖3—圖5。其中P為節(jié)段數(shù)。由圖3—圖5可知，構(gòu)造多層級網(wǎng)絡計劃模板庫，逐級分解可準確表達任務之間的時序關(guān)系，精確測算整個任務持續(xù)時長，通過建立任務之間協(xié)作關(guān)系，為整體網(wǎng)絡的聯(lián)動調(diào)整奠定基礎(chǔ)。

圖3 混凝土連續(xù)梁施工網(wǎng)絡計劃（一級網(wǎng)絡計劃）

圖4 T構(gòu)施工網(wǎng)絡計劃（二級網(wǎng)絡計劃）

圖5 0#節(jié)段施工網(wǎng)絡計劃（三級網(wǎng)絡計劃）

2.1.3 基于網(wǎng)絡計劃的工作任務自動排布算法

本文提出基于多級網(wǎng)絡計劃的施工組織計劃與跟蹤管理方法，是一種確定性的計算方法。

具體實施步驟：①利用網(wǎng)絡圖形式表達鐵路工程施工組織計劃中工作任務之間的相互關(guān)系和先后順序；②依據(jù)網(wǎng)絡圖計算總時差和自由時差，得到影響工期的關(guān)鍵線路和關(guān)鍵工作；③在多級網(wǎng)絡圖的基礎(chǔ)上，通過不斷調(diào)整網(wǎng)絡計劃，尋求最優(yōu)方案并付諸實施；④在計劃實施過程中采取措施對其控制，以合理使用資源，高效、優(yōu)質(zhì)、低耗地完成預定任務。

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡計劃的基礎(chǔ)上，提出多層級的時標網(wǎng)絡計劃用于施工組織計劃的編制和跟蹤管理。將時標網(wǎng)絡計劃分為全線總集網(wǎng)絡計劃、構(gòu)筑物網(wǎng)絡計劃、工點網(wǎng)絡計劃和工序網(wǎng)絡計劃多個層級。下一級網(wǎng)絡計劃是上一級的基礎(chǔ)，上下級網(wǎng)絡計劃之間可以聯(lián)動和互饋，底層網(wǎng)絡計劃的調(diào)整會影響和牽動整體網(wǎng)絡計劃，分部或分項網(wǎng)絡計劃影響總集網(wǎng)絡計劃。在進度預警上采用分級預警的方式。

2.2 鐵路工程施工組織工序、工項聯(lián)動調(diào)整關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 施工進度的多樣化度量

鐵路工程進度常采用形象進度、實物工程進度和投資完成進度三種指標衡量。形象進度指通過二維或三維圖形象展示鐵路工程在一定時間點（通常是期末）達到的進度指標，通常通過顏色、百分比展示各部位的完成進度。橋梁形象進度如圖6 所示。其中：紅色代表已完工，綠色代表正在施工。實物工程進度是采用完成的工程量衡量進度的指標。投資完成進度是采用完成的工程所用投資衡量進度的指標，通常以驗工計價的數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)。

圖6 橋梁形象進度展示

2.2.2 多源進度采集校核技術(shù)

對實際工程的動態(tài)管理其實是靜態(tài)、滯后、被動的，及時有效地采集進度數(shù)據(jù)并進行校核，可輔助施工管理者掌握現(xiàn)場進度動態(tài)。多源進度信息的采集需利用多種傳感設備結(jié)合人員填報等方式獲得，進度數(shù)據(jù)準確性的判斷則依賴于工序間的邏輯關(guān)系。

設待校核的工程中工序完成時間集合為

式中：tN為工序完成時間，d；N為工序數(shù)。

若tN-1≤tN，則校核函數(shù)值為1，表示該工程進度數(shù)據(jù)正常；若tN-1＞tN，則校核函數(shù)值為0，表示該工程進度數(shù)據(jù)有誤，需進行追溯。

以站前工程為例，校核過程為：①將每個工程結(jié)構(gòu)部位打上唯一標簽；②每個工程結(jié)構(gòu)部位的所有工序完成時間構(gòu)成集合；③根據(jù)內(nèi)置的工序邏輯關(guān)系，對各工序的完成時間進行比較；④若符合工序邏輯約束（先完成的工序時間?。瑒t該工程結(jié)構(gòu)部位的進度數(shù)據(jù)無誤；⑤若存在工序時間倒置，則需對該工程結(jié)構(gòu)部位進度數(shù)據(jù)進行追溯。

通過電子施工日志、工程調(diào)度、現(xiàn)場監(jiān)測等多維信息采集方式，構(gòu)建多源的覆蓋站前、站后進度的采集方式，建立鐵路工程建設全專業(yè)進度管控體系，為施工組織計劃的協(xié)同編制和動態(tài)調(diào)整，智能糾偏、資源優(yōu)化及輔助決策奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2.3 進度跟蹤預警圖形化顯示技術(shù)

進度跟蹤預警主要有斜率圖、橫道圖、網(wǎng)絡計劃圖三種展示方式。斜率圖是線狀工程常用的進度表示方法，其橫軸是里程，縱軸是時間，展示每個施工任務的起止里程和持續(xù)時長。這樣每項任務在圖上表現(xiàn)為一條斜線，其中斜率顯示施工效率，可直觀展示各專業(yè)工程完成進度百分比及進度滯后情況。橫道圖可直觀展示工作任務與時間的關(guān)系，但在展示工作任務之間的邏輯關(guān)系和關(guān)鍵線路上存在不足，不便發(fā)現(xiàn)主要矛盾。網(wǎng)絡計劃圖將各項工作任務的安排和時序關(guān)系用網(wǎng)絡來表達，能夠精確展示任務之間的緊前、緊后關(guān)系，每個工作任務的持續(xù)時長，自由時差和關(guān)鍵路徑，是用于施工進度控制的有效工具。

本文施工組織管理系統(tǒng)支持三種圖形之間的自由切換，結(jié)合實際進度采集，能夠?qū)崟r進行進度推演和進度提醒，并支持在線打印。

2.2.4 施工進度推演算法

以隧道專業(yè)為例，隧道正洞及附屬構(gòu)筑物在修建過程中均會形成開挖工作面。當隧道中存在多個開挖工作面時，根據(jù)施工順序差異，各開挖工作面之間會形成多條并行的工作面鏈，則隧道工期為工作面開挖時間的最大值。根據(jù)資源配置情況，某段隧道正洞的開挖方式主要有單工作面開挖和雙工作面對向開挖。單工作面開挖的施工時間為對應圍巖段落的開挖時間總和。對于雙工作面對向開挖，有“不見不散”和“定點貫通”兩種施工方式。“不見不散”是指在施工過程中，兩組施工隊伍相向施工，直至最終相遇貫通；“定點貫通”是指兩組施工隊伍約定在隧道中的某點相遇。圖7 中，隧道兩相鄰斜井間的距離為S，任意隧道段落長度為sj，j為按隧道圍巖等級切分的段落序列數(shù)。

圖7 鐵路隧道工程不見不散推演示意

設某段隧道圍巖分為I個等級，i為圍巖等級序列數(shù)。圍巖分布序列W={wi}，i= 1，2，…，I，開挖速度隨圍巖等級分布序列V={vi}，i= 1，2，…，I。設按照圍巖等級切分該段隧道可分為J段，其里程分布序列S={sj，i}，j= 1，2，3，…，J。設該段隧道開挖方式用集合E={e1，e2，e3}表示，e1為單工作面開挖，e2為“不見不散”開挖，e3為“定點貫通”開挖。

對于單工作面開挖情況，其開挖時間為

式中：vi為開挖速度。

對于雙工作面開挖情況，采用“不見不散”開挖方式時開挖時間為

采用“定點貫通”開挖方式，設貫通點里程為Dm，貫通點所在段落的開挖速度為vm。Dm在分布序列中包含于sj，i，則Dm將sj，i分為兩個區(qū)段。設第一個區(qū)段sm屬于第一個開挖工作面，第二個區(qū)段sj，i-sm屬于第二個開挖工作面。該段隧道開挖時間為

式中：j′為第一個區(qū)段的隧道圍巖段落序列；j″為第二個區(qū)段的隧道圍巖段落序列。

3 系統(tǒng)功能設計

3.1 施工組織計劃編制智能化

鐵路工程涉及專業(yè)多，主要的構(gòu)筑物多，編制合理的施工組織計劃往往依賴編制人員的經(jīng)驗。鐵路工程領(lǐng)域長期缺少施工組織計劃編制的工具軟件，現(xiàn)提出一種鐵路施工組織計劃編制軟件，內(nèi)置主要工序銜接關(guān)系、各專業(yè)工效指標，從而實現(xiàn)施工組織計劃的智能化編制。

3.2 施工組織計劃審查智能化

鐵路施工組織計劃審查通常由中國國家鐵路集團有限公司和建設單位組織，主要依靠人工經(jīng)驗對施工部署、施工方案、工期計劃、施工準備條件、安全質(zhì)量保證措施等內(nèi)容重點審查。

施工組織計劃審查系統(tǒng)將整體指導性施工組織計劃和實施性施工組織計劃，通過斜率圖、橫道圖和網(wǎng)絡計劃圖形象化表達，清晰展示各個構(gòu)筑物和各工序的前后關(guān)系和持續(xù)時長，同時標識出相關(guān)的施工進度指標、施工效率、施工資源的匹配關(guān)系，方便審查者發(fā)現(xiàn)問題。

3.3 施工組織計劃動態(tài)跟蹤智能化

由于施工過程中的復雜性、動態(tài)性、不確定性等原因，使得工程實施中進度的預測與管理難度較大?；诠ばе笜藥熘贫ǘ鄬蛹墪r標網(wǎng)絡計劃，根據(jù)現(xiàn)場反饋的各個構(gòu)筑物、分部、分項的實際進度，從底層網(wǎng)絡計劃計算出全線總集網(wǎng)絡計劃，計算出精確的關(guān)鍵線路、關(guān)鍵工作任務和完工日期。

3.4 施工組織計劃調(diào)整智能化

施工組織管理系統(tǒng)內(nèi)置了各專業(yè)施工工序邏輯關(guān)系，可以實現(xiàn)局部工期調(diào)整時整體工期的快速計算與調(diào)整，能夠給出合理的施工組織計劃調(diào)整方案，節(jié)省編制和調(diào)整人員的精力，提高編制與調(diào)整的效率。施工組織管理系統(tǒng)對工期偏離進行提醒并給出調(diào)整建議。以橋梁專業(yè)為例，將架梁段落與橋墩關(guān)聯(lián)。若某一橋墩施工組織計劃調(diào)整時，架梁計劃將同步進行調(diào)整。調(diào)整建議以圖形形象化展示，見圖8。

圖8 施工組織計劃智能化調(diào)整建議

4 應用效果驗證

西昆（西安—昆明）高速鐵路是全國鐵路“八縱八橫”高速鐵路主通道京昆通道的重要組成部分，具有隧線比高、地勢切割強烈、地形起伏大、不良地質(zhì)多、區(qū)域環(huán)境敏感、工程量大等特點，對施工組織計劃的編制和動態(tài)管理的要求高。應用施工組織管理系統(tǒng)，將本項目中的隧道、橋梁、路基等進度數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)指標看板，將各模塊的數(shù)據(jù)統(tǒng)一呈現(xiàn)，實現(xiàn)動態(tài)顯示各工點進度情況。針對滯后工點進行分級預警，并推演形成施工組織的調(diào)整建議，實時計算和比選關(guān)鍵路徑。西昆高速鐵路動態(tài)施工組織管理系統(tǒng)界面見圖9。

圖9 西昆高速鐵路動態(tài)施工組織管理系統(tǒng)界面

通過在西昆高速鐵路的試點應用，施工組織管理系統(tǒng)達到的效果主要為：①在工期管理和預警上實現(xiàn)了分級提醒滯后預警，針對隧道專業(yè)滯后情況，支持人為調(diào)整隧洞圍巖的進度指標，重新推演完工日期，對工期進行輔助研判；②在施工組織管理上實現(xiàn)了多種圖形化展示方式，通過統(tǒng)一看板直觀浮現(xiàn)問題，將隱形問題顯性提醒，將未來隱患超前預警；③通過進度數(shù)據(jù)的自動采集，實時計算和推演工程動態(tài)，直觀顯示和實時比選關(guān)鍵路徑；④實現(xiàn)了施工組織計劃的直接打印輸出，方便后期加工使用。

5 結(jié)語

本文提出鐵路工程施工組織智能化方案，并構(gòu)建了施工組織管理系統(tǒng)。通過構(gòu)建施工效率指標庫、多級網(wǎng)絡計劃模板庫，基于網(wǎng)絡計劃技術(shù)的工作任務自動排布算法，實現(xiàn)施工組織計劃編制智能化。通過多樣化度量、多源采集校核技術(shù)、跟蹤預警圖形化顯示技術(shù)以及進度推演算法，圖形化展示指導性施工組織計劃和實施性施工組織計劃中關(guān)鍵任務序列和持續(xù)時長，標注施工進度指標和資源配置情況。利用斜率圖、橫道圖和網(wǎng)絡計劃圖三圖聯(lián)動、互為補充的方式展示進度情況，實現(xiàn)施工組織計劃在執(zhí)行過程中審查智能化、動態(tài)跟蹤智能化和調(diào)整智能化，為施工組織管理提供有效工具和手段。

在實際應用中通過積累大量現(xiàn)場客觀數(shù)據(jù)，優(yōu)化施工進度指標庫，積累施工組織計劃編制、審查、跟蹤和調(diào)整案例，形成更加科學合理的指標庫、模板庫、進度預警算法，為鐵路工程施工組織計劃的智能化管理開辟了新思路。