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(jīng)濟設(shè)計研究院，成都 610031）

鐵路施工組織設(shè)計包括外業(yè)調(diào)查、內(nèi)業(yè)整理及后期的數(shù)據(jù)分析計算和成果輸出。目前，國內(nèi)的工作方式還比較傳統(tǒng)，大部分采用人工方式進行，盡管部分環(huán)節(jié)實現(xiàn)了信息化，但整體上仍存在設(shè)計周期長、耗費人力多、數(shù)據(jù)處理量大、易出錯等問題，難以滿足鐵路建設(shè)快速發(fā)展的需要。因此，急需轉(zhuǎn)變工作方式，充分利用信息化技術(shù)實現(xiàn)由人工或半自動化向全自動化的轉(zhuǎn)變，以提高工作效率和質(zhì)量。另外，鐵路施工組織設(shè)計是一項由多個過程組成的設(shè)計工作，各過程環(huán)環(huán)相扣，緊密相連，任何一個過程沒有實現(xiàn)自動化都會影響整個設(shè)計工作的自動化率，因此，為實現(xiàn)設(shè)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(shè)計進行研究。

國內(nèi)外學(xué)者對于鐵路施工組織自動化設(shè)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(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者提出將BIM技術(shù)應(yīng)用在鐵路設(shè)計中[5-10]，還有學(xué)者提出在鐵路施工組織設(shè)計中應(yīng)用BIM技術(shù)的方案[11]，以提高工作效率和質(zhì)量。這些研究雖然部分實現(xiàn)了自動化設(shè)計，但由于BIM軟件的局限性，尚未實現(xiàn)全過程自動化設(shè)計。針對上述問題，本文基于大數(shù)據(jù)和信息化技術(shù)，研究實現(xiàn)了鐵路施工組織的全過程自動化設(shè)計。

1 鐵路施工組織全過程自動化設(shè)計的基本條件

要實現(xiàn)鐵路施工組織全過程自動化設(shè)計，需要具備以下基本條件。

1.1 地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及鐵路設(shè)計數(shù)據(jù)

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

1.2 具有大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和能力

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

1.3 具有可進行信息交流的協(xié)同平臺

鐵路施工組織設(shè)計需要多專業(yè)協(xié)同配合，既須獲取站前、站后各專業(yè)設(shè)計信息，也須將施組設(shè)計信息反饋給站前、站后各專業(yè)。用傳統(tǒng)手工方式進行設(shè)計信息交流，工作量大、效率低、數(shù)據(jù)更新慢、經(jīng)常不一致，無法用于自動化設(shè)計。因此，若要實現(xiàn)鐵路施工組織自動化設(shè)計須構(gòu)建協(xié)同平臺，共享設(shè)計數(shù)據(jù)，打破各專業(yè)數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)狀。協(xié)同平臺需要設(shè)置大容量數(shù)據(jù)庫，存儲各專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)，統(tǒng)一管理，及時更新，基于標準的接口規(guī)則進行數(shù)據(jù)提取及交互。

1.4 移動設(shè)備、服務(wù)器等支持設(shè)備

移動端具有顯示地圖、導(dǎo)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(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的自動采集。服務(wù)器具有容量大、運算速度快等特點，可存儲大量設(shè)計數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析計算，也可作為不同終端間數(shù)據(jù)通信的中轉(zhuǎn)站。

2 鐵路施工組織全過程自動化設(shè)計方法

鐵路施工組織全過程自動化設(shè)計遵循鐵路施工組織設(shè)計指南及規(guī)范[12-13]，其方法是在施工組織調(diào)查、施工組織設(shè)計等各個環(huán)節(jié)利用硬件設(shè)備和軟件技術(shù)實現(xiàn)自動化，并與現(xiàn)行造價軟件相連接共享數(shù)據(jù)。鐵路施工組織全過程自動化設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 鐵路施工組織全過程自動化設(shè)計流程

2.1 構(gòu)建鐵路項目數(shù)據(jù)環(huán)境

鐵路項目施工組織自動化設(shè)計需要有大量的項目數(shù)據(jù)做支撐，包括鐵路項目周邊的GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和鐵路設(shè)計數(shù)據(jù)?？瑟毩⒃O(shè)置存儲有GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的服務(wù)器，從該服務(wù)器上自動獲取或直接通過相關(guān)網(wǎng)站獲?。粚τ阼F路設(shè)計數(shù)據(jù)，可從預(yù)先構(gòu)建的協(xié)同平臺上自動獲取，并存儲到項目服務(wù)器上，為后續(xù)的施工組織自動化設(shè)計提供數(shù)據(jù)環(huán)境，并為不同終端間的數(shù)據(jù)共享創(chuàng)造條件。

2.2 外業(yè)調(diào)查采集數(shù)據(jù)

外業(yè)調(diào)查前，移動端設(shè)備與項目服務(wù)器相連，下載項目數(shù)據(jù)并構(gòu)建移動端項目數(shù)據(jù)環(huán)境。外業(yè)調(diào)查時，設(shè)計人員通過移動端設(shè)備查看設(shè)計線位及鐵路沿線的地形地貌情況，利用其導(dǎo)航功能自動導(dǎo)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(guī)劃草圖；利用其拍照錄音功能實時拍攝現(xiàn)場照片、錄制調(diào)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(yè)調(diào)查完成后，將移動端設(shè)備與項目服務(wù)器相連，上傳數(shù)據(jù)至項目服務(wù)器，完成外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)的自動采集。

2.3 內(nèi)業(yè)整理匯總數(shù)據(jù)

移動端采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，達到后續(xù)進行施工組織自動化設(shè)計所需的數(shù)據(jù)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(guān)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(shù)據(jù)庫對路網(wǎng)（公路、鐵路、水運等網(wǎng)絡(luò)）數(shù)據(jù)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(xiàn)道路的自動連通，從而構(gòu)建鐵路沿線完整路網(wǎng)。對于大臨便道，需要進一步確定設(shè)計方案，在PC端基于等高線數(shù)據(jù)，在滿足坡度、轉(zhuǎn)彎半徑等相關(guān)規(guī)范的要求下，利用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫規(guī)劃出最短折線路徑，采用Chaikins算法將折線路徑曲線化，實現(xiàn)大臨便道的自動規(guī)劃。

2.4 自主進行施工組織設(shè)計

基于外業(yè)調(diào)查和內(nèi)業(yè)整理的數(shù)據(jù)，在PC端可進行統(tǒng)計、分析、計算并生成施工組織成果。

2.4.1 統(tǒng)計大臨工程數(shù)量

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

2.4.2 分析重點大臨工程供應(yīng)范圍

對于鋪軌基地、梁場、軌枕板場等重點大臨工程，根據(jù)線路的設(shè)計數(shù)據(jù)，將大臨工程在GIS平臺上的地理分布關(guān)系轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)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(yīng)范圍，并根據(jù)已確定的供應(yīng)范圍，自動統(tǒng)計鋪軌、架梁、鋪設(shè)軌枕板的數(shù)量和運距。

2.4.3 規(guī)劃材料運輸方案

根據(jù)已有的料源點坐標、工點坐標及已構(gòu)建的鐵路沿線路網(wǎng)數(shù)據(jù)，基于Dijkstra算法規(guī)劃料源點至工點的最短、最優(yōu)運輸路線并計算其距離，獲取最優(yōu)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(quán)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(xiàn)材料運輸方案的自動規(guī)劃。

2.4.4 生成施工組織平面圖

根據(jù)項目GIS平臺上已有的工點、大臨工程、交通、料源點數(shù)據(jù)，基于CAD、PostGIS技術(shù)按照設(shè)計線路走向裁剪地圖區(qū)域成像，通過設(shè)計線路彎曲角度進行旋轉(zhuǎn)，并將旋轉(zhuǎn)后的地圖成像數(shù)據(jù)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(jù)已有的工點、大臨工程數(shù)據(jù)及工期指標數(shù)據(jù)[14]，通過工程數(shù)量和對應(yīng)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(shù)，根據(jù)橫軸里程、縱軸時間的位置關(guān)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(yù)先制定模板，根據(jù)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(jié)構(gòu)、標準施工工藝等；變化部分為項目設(shè)計數(shù)據(jù)和分析、計算后的數(shù)據(jù)，如工程概況、地區(qū)特征、施工組織方案、資源配置方案等，將變化部分設(shè)置成變量，當數(shù)據(jù)源發(fā)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(jù)施工組織設(shè)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(shù)量、里程信息、施工區(qū)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(guān)聯(lián)共享成果數(shù)據(jù)

通過把施工組織項目與現(xiàn)行造價軟件的服務(wù)器相連接，將鐵路施工組織項目服務(wù)器中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到現(xiàn)行造價軟件服務(wù)器的對應(yīng)數(shù)據(jù)庫表中，實現(xiàn)成果數(shù)據(jù)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(shù)等數(shù)據(jù)導(dǎo)入現(xiàn)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(nèi)置概算模板，在概算模板中建立工程數(shù)量與概算的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)工程數(shù)量自動編制大臨工程概算的原始數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到現(xiàn)行造價軟件中計算大臨工程的單項概算。

3 方法應(yīng)用

本文基于上述鐵路施工組織全過程自動化設(shè)計的方法，開發(fā)了鐵路工程施工組織及造價一體化編制系統(tǒng)（簡稱：一體化編制系統(tǒng)），該系統(tǒng)采用C/S設(shè)計模式，使用Android、WinForm、Windows Communication Foundation（ WCF ）技術(shù)和SQL Server數(shù)據(jù)庫。

一體化編制系統(tǒng)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(yè)調(diào)查，支持在線、離線模式采集數(shù)據(jù)；PC端用于內(nèi)業(yè)整理和施工組織自動化設(shè)計；平臺運維端用于完成不同終端間的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)及數(shù)據(jù)存儲。一體化編制系統(tǒng)移動端主要由工程模塊、導(dǎo)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(tǒng)設(shè)計架構(gòu)如圖2所示。程的供應(yīng)范圍和供應(yīng)數(shù)量，自動構(gòu)建材料運輸所需的交通系統(tǒng)和自動規(guī)劃材料運輸路線并生成材料運輸方案，根據(jù)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(jù)工程工期和重點大臨供應(yīng)情況，自動進行施工組織安排并繪制施工組織進度圖，根據(jù)施工組織安排按年度分配工程數(shù)量、靜態(tài)投資和勞動材料，自動生成施工組織設(shè)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(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

圖3 一體化編制系統(tǒng)成果附圖界面

圖4 一體化編制系統(tǒng)成果附表界面

一體化編制系統(tǒng)利用移動端自動采集施工組織外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，并上傳至PC端，在PC端可自動設(shè)置、規(guī)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(tǒng)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(jié)）線等鐵路項目上進行了應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，一體化編制系統(tǒng)顯著提高了施工組織設(shè)計中外業(yè)調(diào)查和內(nèi)業(yè)整理的生產(chǎn)效率。同時，施工組織設(shè)計文件在審查過程中未發(fā)現(xiàn)問題，說明該系統(tǒng)可有效保證文件質(zhì)量。

4 結(jié)束語

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