基于建筑信息模型技術(shù)的鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李逸群，祝曉紅，陳云龍

（1.中鐵電氣化（武漢）設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430074；2.中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430074；3.青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266071）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人民群眾交通出行需求的日益增長(zhǎng)，鐵路作為重要的現(xiàn)代交通運(yùn)輸工具，建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。與此同時(shí)，鐵路建設(shè)過程中存在的施工管理混亂、智能化程度不足、各部門專業(yè)難以協(xié)同等問題，嚴(yán)重制約著整個(gè)鐵路建設(shè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)步。如何推進(jìn)鐵路建設(shè)管理的信息化、智能化，以實(shí)現(xiàn)鐵路建設(shè)工程產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效，成為目前亟待解決的問題。

建筑信息模型（Building?Information?Modeling，BIM）技術(shù)作為新興的建筑工程信息化技術(shù)，可將信息融入實(shí)體模型之中，通過信息在模型中的集成流轉(zhuǎn)，將建筑設(shè)計(jì)、施工及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)等相關(guān)環(huán)節(jié)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)階段的精細(xì)化管理，還能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目實(shí)施各階段的相關(guān)方在一個(gè)平臺(tái)上協(xié)同作業(yè)。其具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等優(yōu)點(diǎn)，可在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。

基于此，本研究以集成化管理與協(xié)作理念作為主要理論依據(jù)，在深入分析系統(tǒng)搭建需求及可行性的基礎(chǔ)上，將BIM技術(shù)引入鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理中，構(gòu)建基于BIM技術(shù)的鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)各模塊功能，以期使各參建單位清楚了解鐵路建設(shè)項(xiàng)目全過程、進(jìn)行有效的決策支持、開展多目標(biāo)綜合管理，從而達(dá)到提高管理效率、保證施工進(jìn)度和質(zhì)量的目的。

2 系統(tǒng)需求及可行性分析

2.1 需求分析

為保證所設(shè)計(jì)鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)的可用性、有效性，研究人員在設(shè)計(jì)之前對(duì)鐵路建設(shè)管理的實(shí)際需求進(jìn)行了分析，總結(jié)出如下具體需求。

（1）完整的系統(tǒng)管理體系。鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)首先應(yīng)該是一個(gè)完整的體系，除包含用戶登錄、修改密碼等基礎(chǔ)功能之外，還應(yīng)該具有全面的系統(tǒng)維護(hù)、人員調(diào)整等設(shè)置功能，良好的頁(yè)面跳轉(zhuǎn)反應(yīng)，以及對(duì)用戶命令的及時(shí)回應(yīng)能力。

（2）優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理能力。在鐵路建設(shè)管理工作中需要處理海量數(shù)據(jù)，并對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，因此要求鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)具有強(qiáng)大的信息存儲(chǔ)能力，能夠及時(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并隨時(shí)對(duì)相關(guān)項(xiàng)目信息進(jìn)行檢索。

（3）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)展示能力。為提供清晰的項(xiàng)目報(bào)表以確保項(xiàng)目管理工作的順利進(jìn)行，鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)㈨?xiàng)目名稱、總設(shè)計(jì)量、剩余量、日期、產(chǎn)值等內(nèi)容生成清晰的業(yè)務(wù)報(bào)表或者柱狀圖，方便管理人員了解項(xiàng)目?jī)?nèi)容并做出調(diào)整；此外，還應(yīng)具有模型展示功能，以便為非專業(yè)人士直觀地展示項(xiàng)目?jī)?nèi)容。

2.2 可行性分析

可行性分析是以全面、系統(tǒng)的分析為主要方法，以經(jīng)濟(jì)效益為核心，圍繞影響鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)構(gòu)建的各種因素，論證其是否可行。本文將從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、操作3方面進(jìn)行可行性分析。

（1）經(jīng)濟(jì)可行性。經(jīng)濟(jì)可行性是所有其他可行性的基礎(chǔ)。在本設(shè)計(jì)中所使用的一些開發(fā)工具，包括編程語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)等，全都是免費(fèi)開源使用的；設(shè)計(jì)與開發(fā)所需參考的大量資料可從互聯(lián)網(wǎng)上免費(fèi)查閱。因此，開發(fā)鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性上是可行的。

（2）技術(shù)可行性。對(duì)于系統(tǒng)的開發(fā)，開發(fā)語(yǔ)言為Java語(yǔ)言，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)模式為模型-視圖-控制器（MVC）模式，組建模式使用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模式；對(duì)于3D模型的構(gòu)建與展示，采用BIM技術(shù)建模，并通過three.js平臺(tái)實(shí)現(xiàn)BIM模型在瀏覽器上的查看。上述涉及的關(guān)鍵技術(shù)均為應(yīng)用較成熟的技術(shù)，因此具有技術(shù)上的可行性。

（3）操作可行性。鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是用戶無(wú)需安裝其他軟件，只需要打開瀏覽器就能使用該系統(tǒng)，查看、修改系統(tǒng)內(nèi)容。該系統(tǒng)的使用簡(jiǎn)單明了，具有可操作性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

基于BIM技術(shù)的鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 基于BIM技術(shù)的鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的整體工作流程依次為基礎(chǔ)信息維護(hù)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯總和模型呈現(xiàn)4部分。該系統(tǒng)通過項(xiàng)目管理、計(jì)劃管理、組織機(jī)構(gòu)管理、模型管理、圍巖等級(jí)管理、工序模板管理、權(quán)限管理、報(bào)表管理等，對(duì)鐵路建設(shè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的采集、整理、分析，并將不同的數(shù)據(jù)分配給綜合模板、隧道展板、橋梁展板、路基展板、軌道展板等進(jìn)行展示，最終實(shí)現(xiàn)綜合管理。

3.2 模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)上一章的系統(tǒng)需求分析，鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)分為六大模塊，即系統(tǒng)用戶管理模塊、基礎(chǔ)信息模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、計(jì)劃進(jìn)度模塊、業(yè)務(wù)處理模塊、業(yè)務(wù)報(bào)表模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)示意圖

3.3 功能設(shè)計(jì)

基于BIM技術(shù)的鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)各模塊功能如下。

（1）?系統(tǒng)用戶管理模塊。該模塊包含2個(gè)子模塊：管理員用戶子模塊，用于添加管理員信息，包括添加新的用戶名和密碼，只有超級(jí)管理員有權(quán)限使用此功能；修改密碼子模塊，所有管理員均有權(quán)限使用此子模塊。用戶信息已提前存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，管理員通過輸入用戶名、密碼、驗(yàn)證碼登錄，如果信息匹配則正確登錄，并跳轉(zhuǎn)到首頁(yè)。

（2）?基礎(chǔ)信息模塊?；A(chǔ)信息模塊包括項(xiàng)目維護(hù)、組織架構(gòu)及人員管理3個(gè)子模塊。其中，項(xiàng)目維護(hù)子模塊包含項(xiàng)目唯一識(shí)別碼、項(xiàng)目簡(jiǎn)稱、項(xiàng)目簡(jiǎn)介、開始及結(jié)束時(shí)間等項(xiàng)目相關(guān)基本信息，支持多項(xiàng)目集中維護(hù)，多項(xiàng)目信息既相對(duì)獨(dú)立又可共享；組織架構(gòu)子模塊可存儲(chǔ)并維護(hù)公司內(nèi)部所有部門信息，支持從其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入以及其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過應(yīng)用程序界面（API）接口共享訪問，為企業(yè)后期業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理模型；人員管理子模塊包括工作人員的個(gè)人基礎(chǔ)信息，如序號(hào)、姓名、身份證號(hào)、所屬單位、職稱等，支持個(gè)人修改自己的相關(guān)信息。

（3）?系統(tǒng)設(shè)置模塊。系統(tǒng)設(shè)置模塊包括菜單設(shè)置與用戶維護(hù)2個(gè)子模塊，菜單設(shè)置子模塊可以有針對(duì)性地對(duì)項(xiàng)目信息進(jìn)行修改、刪除或查詢，項(xiàng)目信息包括項(xiàng)目名稱、所屬系統(tǒng)、頁(yè)面跳轉(zhuǎn)路徑等；用戶維護(hù)子模塊可以對(duì)用戶信息進(jìn)行修改、刪除或查詢，用戶信息包括登錄名、名稱、權(quán)限類型等。

（4）?計(jì)劃進(jìn)度模塊。計(jì)劃進(jìn)度模塊包含4個(gè)子模塊，分別是計(jì)劃進(jìn)度、施工計(jì)劃、年度計(jì)劃和年度上報(bào)。計(jì)劃進(jìn)度子模塊可以實(shí)時(shí)查詢不同施工項(xiàng)目的工作進(jìn)度；施工計(jì)劃子模塊用于記錄施工計(jì)劃的具體細(xì)節(jié)，包括計(jì)劃名稱、計(jì)劃天數(shù)、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、實(shí)際天數(shù)、實(shí)際結(jié)束時(shí)間等，通過采用主流的編制方式，可以快速地定義任務(wù)中的主要參數(shù)；年度計(jì)劃子模塊能夠以年為單位對(duì)各項(xiàng)目的總體計(jì)劃進(jìn)行記錄和查看，其記錄內(nèi)容與施工計(jì)劃子模塊類似；年度上報(bào)子模塊是對(duì)本年度工作內(nèi)容的匯總，可直觀地記錄本年度的工作情況。

（5）?業(yè)務(wù)處理模塊。業(yè)務(wù)處理模塊包括價(jià)格處理、系統(tǒng)設(shè)置與模型展示3個(gè)子模塊。價(jià)格處理子模塊可對(duì)施工相關(guān)價(jià)格進(jìn)行修改、刪除及查看；系統(tǒng)設(shè)置子模塊中，用戶可以自定義工序步驟，并對(duì)工序步驟設(shè)置權(quán)重比例，方便根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度和權(quán)重比例進(jìn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)；模型展示子模塊用于展示和查看BIM模型，該子模塊利用three.js平臺(tái)搭建BIM模型瀏覽器，由于three.js平臺(tái)是在瀏覽器上運(yùn)行的，因此無(wú)需安裝其他軟件，簡(jiǎn)單便于操作。BIM模型展示界面如圖3所示。

圖3 BIM模型展示界面

（6）?業(yè)務(wù)報(bào)表模塊。業(yè)務(wù)報(bào)表模塊包含形象進(jìn)度、產(chǎn)值分析、產(chǎn)值匯總3個(gè)子模塊，可進(jìn)行多維度統(tǒng)計(jì)分析、產(chǎn)值數(shù)據(jù)柱狀圖分析，用圖表實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果的可視化。其中，柱狀圖展示依賴jfreechart包實(shí)現(xiàn)，生成的柱狀圖如圖4所示。

圖4 業(yè)務(wù)報(bào)表模塊生成的柱狀圖

此外，查詢功能是每個(gè)模塊具有的基本功能。管理員僅需輸入待查找項(xiàng)目相關(guān)的一條信息，點(diǎn)擊查詢按鈕，當(dāng)前頁(yè)面就會(huì)顯示查詢結(jié)果；管理員可對(duì)查詢到的內(nèi)容進(jìn)行刪除、修改、查看等，并可選取信息導(dǎo)出excel表格，以便對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和發(fā)送。

3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。好的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)應(yīng)該具備以下要素：充分利用內(nèi)存空間，保護(hù)被存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)步驟為：先根據(jù)需求分析階段做出的用例圖、用例描述、順序圖，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)；然后做出數(shù)據(jù)庫(kù)表的詳細(xì)信息和數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系圖，分析表與表之間的關(guān)系；最后根據(jù)不同數(shù)據(jù)庫(kù)表的不同參數(shù)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。

基于BIM技術(shù)的鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表包括管理員登錄表、項(xiàng)目維護(hù)表、組織架構(gòu)表、人員管理表、菜單設(shè)置表、用戶維護(hù)表、計(jì)劃進(jìn)度表、施工計(jì)劃表、年度計(jì)劃表、年度上報(bào)表、系統(tǒng)設(shè)置表、模型上傳表、形象進(jìn)度表、產(chǎn)值分析表等。

表1展示了管理員登錄表相關(guān)的參數(shù)定義。

表1 管理員登錄表

4 系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試是系統(tǒng)開發(fā)的最后一步，也是關(guān)鍵性一步，為系統(tǒng)交付提供重要保障。

4.1 測(cè)試設(shè)計(jì)

基于BIM技術(shù)的鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)測(cè)試設(shè)計(jì)流程如下。

（1）?制定系統(tǒng)的測(cè)試計(jì)劃，包括緊急情況下的應(yīng)急策略，以保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在控制之中。

（2）?圍繞鐵路建設(shè)管理這一中心，制定每個(gè)功能模塊的測(cè)試方案，以輔助后期用例的設(shè)計(jì)和項(xiàng)目進(jìn)度的推進(jìn)。

（3）?為每個(gè)功能模塊編寫各自的測(cè)試用例，包括登陸測(cè)試、修改密碼測(cè)試、管理員權(quán)限測(cè)試、添加照片測(cè)試等。

（4）?搭建測(cè)試環(huán)境，執(zhí)行測(cè)試。

4.2 測(cè)試總結(jié)

本測(cè)試主要針對(duì)系統(tǒng)的使用者——管理員展開，分別對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行測(cè)試，內(nèi)容包括登陸、修改密碼、管理員權(quán)限、添加照片、導(dǎo)出列表、照片上傳等功能測(cè)試，涉及的文件格式包括.pdf和.docx。經(jīng)過測(cè)試，以上模塊功能均能實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究構(gòu)建的鐵路建設(shè)管理系統(tǒng)以BIM技術(shù)作為主要支撐，不僅使用three.js平臺(tái)搭建BIM模型瀏覽器，而且覆蓋鐵路建設(shè)工程管理的各方面。目前，此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能均已基本實(shí)現(xiàn)，下一步還將從以下方面對(duì)其進(jìn)行完善：第一，完善模型展示子模塊的功能，在上傳功能的基礎(chǔ)上增加操作功能，并實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中對(duì)BIM模型的查看（目前只能在網(wǎng)頁(yè)上查看）；第二，提高系統(tǒng)的安全性，如制定代碼編寫安全規(guī)范，防止編譯數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)意外丟失等。