轨道交通建设工程数字化管理系统总体设计研究

轨道交通建设工程数字化管理系统总体设计研究 丁烈云 王 征 (华中科技大学土木工程学院) 摘要:介绍了轨道交通建设工程数字化技术的产生背景,给出了轨道交通建设工程数字化管理系统的基本结构, 重点讨论了项目论证决策支持系统、设计仿真支持系统、建设管理系统、运营控制系统和远程故障诊断系统的 功能设计,并提出了开发轨道交通建设工程数字化管理系统的关键技术。 关键词:轨道交通;工程管理;数字化技术;总体设计 中图分类号: TU72 文献标识码: A 文章编号: 10002131X (2004) 1120097204 THE OVERALL DESIGN FOR DIGITAL MANAGEMENT SYSTEM IN RAIL TRANSIT CONSTRUCTION PROJECT Ding Lieyun Wang Zheng (Huazhong University of Science and Technology) Abstract: The paper introduces the background of digital technique in rail2transit construction project , presents the basic structure of digital management system in rail2transit construction project , and puts emphasis on function designs for decision support system of project evaluation , simulation support system , construction management system , operation controlling sys2 tem and long2range malfunction diagnosis system. The key technique in this digital management system is also put forward in this paper. Keywords: rail2transport ; engineering management ; digital technique ; overall design 收稿日期: 2002 - 08 - 06 1 引 言 数字化管理(Digital Management)是指利用计算 机、通信、网络、人工智能等技术量化管理对象与管 理行为,实现计划、组织、协调、服务、创新等职能 的管理活动和管理方法的总称。包含两层涵义:一是 管理活动以网络为平台,企业的知识资源、信息资源 和财富可数字化;二是运用量化的技术解决企业的管 理问题,即管理的可计算性。根据数字技术应用深度 的不同,数字化管理划分为五个层次 1 :局部应用、 内部集成、业务再设计、外部沟通渠道再设计和行业 再设计。 数字技术在管理中的应用始于50年代的事务处 理系统(TPS) ,以后逐步发展和产生管理信息系统 (MIS)、决策支持系统(DSS)和高层管理信息系统 (EIS)。同时数字技术也扩展到设计、生产控制和营 销方面,如由60年代Wight和Ploshi设计的物资需求 计划管理系统(MRP) ,经过完善形成目前的企业资 源计划系统(ERP)。 在各行业和专业领域,由于数字技术的应用,使 其发生了根本的变化。其中最具代表性的是CIMS在 传统的工业制造领域的应用, 70年代Harrington提出 了计算机集成制造系统(CIMS) ,即企业的各个生产 环节是不可分割的,整个制造生产过程实际上是对信 息的采集、传递和加工的过程。我国的八六三高技术 发展计划将CIMS确定为自动化领域的主题研究项目 之一,现有200多个企业实施或正在实施CIMS应用 示范工程,并取得显著效益。 随着CIMS技术的日趋成熟,其应用范围也逐步 由单纯的工业制造领域扩展到了其他领域。基于 CIMS集成思想的启示,建筑业的研究者提出了计算 机集成建设(CIC)系统, CIC的基本思想是为建设 项目的参与各方提供一种有效的信息沟通手段。尽管 如此,与制造业相比,建筑业有关数字技术的研究和 应用比较滞后,目前建筑业仍有50 %以上的信息是 由手工生成和传递的。并由此产生数据传递滞后、业 务流程不连贯和沟通协调困难等问题。 轨道交通建设工程由于具有技术复杂、参与方众 多、建设周期长,并且容易受到各种不确定因素的影 响等特点,在建设过程中运用数字化技术就显得格外 第37卷第11期土 木 工 程 学 报Vol137No111 2 0 0 4年1 1月CHINA CIVIL ENGINEERINGJOURNALNov .2 0 0 4 重要。轨道交通建设工程数字化管理系统的核心体现 在三个方面:用数字化手段处理轨道交通工程项目全 过程问题;最大限度地利用信息资源;实现信息集 成、信息共享和信息协调。 2 轨道交通建设工程数字化管理系统的功能 目标 (1)全过程。管理系统面向的不仅是轨道交通工 程建设与运营的某一阶段,而是涵盖工程项目的立 项、设计、建设和运营等各个阶段。 (2)全方位。要实现轨道交通建设工程管理的数 字化,必须要求每个参与方管理的数字化。否则,整 个管理链就不连贯,项目管理的数字化也就难以实 现。 (3)网络化。通过INTERNET、INTRANET和EX2 TRANET等异地分布式网络将分散在不同地方的信息 系统连接起来,实现信息的远程共享与互动。 (4)智能化。利用先进的信息处理技术,最大限 度地扩展人的智能,减轻决策者的压力,实现信息搜 索与决策过程的智能化,从而提高决策质量。 (5)可视化。有两层含义:一是指人机交互界面 的友好与直观;二是工程建设及运营的虚拟仿真。数 字轨道交通工程的可视化不仅仅是传统的被动式或观 众式的虚拟现实演示,更应该是多感应器交互或互动 式的可视化;不仅仅是平面的可视化,而是多维的立 体可视化。 (6)集成化。根据轨道交通工程的生命周期集成 各系统,整合业务流程,提高应用系统业务流程的有 效性和连贯性,构建一个企业与企业间协同工作的环 境。 3 轨道交通建设工程数字化管理系统结构设计 系统的结构设计是系统功能模型、信息模型及对 外接口关系的具体实现形式。轨道交通建设工程数字 化管理系统基于CS体系结构,在局域网中设置Web 服务器,并通过局域网连接Internet ,按其功能不同 将系统划分为两大部分(业务系统部分和支持系统部 分)和9个子系统,如图1所示。 在总体设计时要充分考虑系统的开放性和可扩展 性。系统的可扩展性不仅要考虑软件系统本身的可扩 展性,同时还要保证软件系统对硬件设备的扩展升级 提供兼容支持。本文仅就其中几个比较重要的子系统 进行简要介绍。 图1 轨道交通建设工程数字化管理系统结构设计 Fig11 Structure design for digital management system in rail transit construction project 89 土 木 工 程 学 报2004年 311 项目论证、立项决策支持系统 其主要功能包括:提供论证立项工作流程、可视 化选址决策支持、项目综合开发方案论证、定量化问 题的计算模型、相关部门管理、专家管理和信息查 询。系统的体系结构包括人-机会话管理系统、模板 库、模板库管理系统、模型库、模型库管理系统、知 识库、推理机、图形库以及数据库和数据库管理系统 等。与传统的立项管理相比,该系统引入了两个新的 功能模块,一是可视化的项目选址决策,二是在选址 确定的基础上进行项目本身及其衍伸区域的综合开发 方案决策,并将所有文档信息实现数字化存储。 312 项目仿真支持系统 其功能有:轨道交通工具、线路及相关设备的三 维立体可视化;轨道交通工程线路方案优选,线路周 边环境布局的三维可视化;交通工具运行流程仿真。 313 项目建设实施管理系统 轨道交通建设工程数字化管理系统不仅要向业主 提供一套项目管理软件,更重要的是为业主提供一套 适应工程建设需要的管理方案。因此,基于Project Controlling的思想,通过组织结构重组和业务流程再 造,将该系统设计为五个子系统:合同管理子系统、 进度管理子系统、质量管理子系统、投资管理子系 统、风险管理子系统、竣工成果可视化子系统。系统 设计时要充分考虑项目控制与管理方案,使系统与管 理方案相辅相成、相互协调,共同构成一个完整的建 设管理系统。 314 项目运营控制系统 轨道交通工程的正常运行,需要车辆、供电系 统、信号系统、通信系统、火灾自动报警系统、自动 售检票系统等各个子系统的协调运作。列车运营控制 系统的作用就是集成各个子系统,使它们联动起来, 实现运营过程的智能化。系统的功能体现在:集成运 营相关的各个子系统;实现各个运营子系统之间的信 息沟通与共享;实现各个子系统自动控制;非正常情 况下各子系统联动。列车运营智能控制系统一般包括 中央工作站、通讯系统和现场控制器三个部分。 315 项目远程故障诊断系统 远程故障诊断系统的特点主要体现在两个方面。 一是基于网络;二是监测和诊断的对象不仅限于设备 部分,还包括支撑结构、高架桥、隧道等结构体。其 功能主要为:日常监测、故障诊断、远程通信、在线 会议。远程故障诊断系统包含两级机制,即指挥中心 故障诊断系统和专家诊断分析处理系统。指挥中心故 障诊断系统负责轨道交通工程日常的监测和故障处理, 对于其自身无法解决的问题可由专家处理,再将处理 结果返回专家诊断分析处理系统。轨道交通工程远程 故障诊断系统包括信息通讯网络、故障诊断中心、专 家诊断分析处理中心及局部监测网络环境组成。 4 轨道交通建设工程数字化管理系统的关键 技术 轨道交通建设工程数字化管理系统涉及到的技术主要 包括以下类别:数据存储及管理技术、数据传输技 术、空间决策支持技术、虚拟现实技术、故障诊断技 术、控制技术、集成技术,每大类技术又可以划分为 若干小类,如表1所示,本文仅就其中几项重要的关 键技术结合实际应用作简要介绍。 411 基于GIS和DSS的空间决策支持技术 空间决策支持技术 2 是DSS和GIS两种技术融合 的产物, GIS的融入不仅为DSS提供了一个数据分析 和表达的直观平台,而且为DSS中的多模型组合建模 提供了高效的空间分布式参数的输入、组织和后台处 理功能。GIS与DSS的集成关键需解决好两个问题, 一是GIS中的空间分析模型和DSS中决策支持模型的 集成、共享和相互调用问题。模型的集成可以通过模 型的组件化来实现;模型的共享主要通过面向对象的 模型设计来解决;模型之间的相互调用可以通过对象 提供接口的方法实现。二是模型与数据库的通信以及 模型之间的数据通信问题。模型与数据库的接口可以 作为一个插件嵌入模型开发程序中,然后采用Active 数据对象(ADO)、数据访问对象(DAO)和数据环 境(DE)等技术模型与数据库的通信。至于模型之 间可以通过调用动态数据库(DLL)的方式实现数据 传递和表现,并且构成统一的无缝界面。 412 集成技术 硬件集成方面,武汉数字轨道交通建设工程管理 系统采用的是C S ( 客户 服务器)体系结构,通过以 太网将不同型号的微机连接起来,使运行在不同微机 上的各个子系统在硬件上得以集成。网络拓扑结构为 总线型,网络服务器暂时为一台P933PC机。同时 局域网通过ADSL方式连接广域网。软件集成方面, 该系统客户机选用的操作系统软件为Windows98或 2000 ,网络操作系统为WindowsNT410 ,工具软件有 Project2000以及一些中文支持软件和办公软件,数据 库管理软件为Oracle810 ,开发工具为PowerBuilder。 数据集成方面,将项目分解为满足合同、进度、投资 和质量管理系统需要的最小单位,然后以该最小单位 为记录建立关系数据模型,在关系数据模型的属性中 分别设立能够被各管理系统标识的属性,通过这种数 据模型来实现各管理系统的数据集成。 99 第37卷 第11期丁烈云等 轨道交通建设工程数字化管理系统总体设计研究 表1 轨道交通建设工程数字化管理系统的关键技术 Table 1 Key technique of digital management system in rail transit construction project 技术大类技术小类功 能 数据存储及管理技术 数据仓库技术 模型库及模型库管理技术 数据挖掘技术 各种图形、属性数据的存储和管理 各种模型的存储和管理 挖掘数据间的潜在联系,帮助决策者找到最有价值的信息 数据传输技术 网络技术 World Wide Web技术 网络安全技术 信息访问技术 联机分析技术 远程数据传递与管理 项目信息发布 保障项目数据的安全 Web服务器与数据库的连接 实现客户和服务器间的多维数据分析 空间决策支持技术 GIS技术 决策支持技术 提供空间数据与属性数据的结合 为经营决策提供依据 虚拟现实技术 三维图形处理技术 音响处理技术 建模技术 位置与方向跟踪技术 构造三维视觉环境 模拟环境中的声音,并使其与画面一致 描述环境以及对象的状态和属性 对对象的变化进行跟踪 故障诊断技术 传感技术 故障推理技术 诊断建模技术 设备及结构体故障监测 由已知的故障数据找到与之相匹配的故障 建立故障和设备工作流程的对应关系 控制技术 大规模集成电路技术 无线传输技术 监视技术 通信技术 总线技术 控制模块 控制数据和指令传输 设备现场监视 控制数据和指令传输 建立现场设备的通讯网络 集成技术 数据集成技术 接口技术 建立各个子系统通用的数据模型 不同子系统间的数据交流和共享 413 虚拟现实技术 采用VR技术实现人机界面的交互,使人参与其 中并具有身临其境的沉浸感。由ICSL仿真语言或 VC + +语言开发。几何建模在Window95NT、VC + + 开发环境中利用OpenG L和3DStudioMAX技术开发 3 , 以增强对三维交互动画的支持。其内容包括:列车运 行模拟、支撑结构和车站模拟、虚拟视景的光照、虚 拟视景中的天空模型。 414 故