铁路工程智慧工地管理信息系统设计与实现

容建华，王万齐，刘 闯

（1.中国港湾工程有限责任公司， 北京 100027；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所， 北京 100081）

“智慧工地”是指构建具有PC端和移动端的“智慧工地云平台”，对施工工地涉及到的“人、机、料、法、环”等方面实现信息化的有效监管[1-6]。国内对施工项目管理软件的研究始于上世纪70年代，经过不断的探索和应用，近年来人工智能的智慧已发展到专家级的水平。随着“智慧工地”方面的应用研究逐步深入，相应的信息化管理系统软件日渐成熟。轨道交通工程项目多为线性工程，尤其是铁路干线工程，具有线路跨度长，施工控制点多、结构复杂、参建单位多、管理内容跨度大等特点[7-8]。这些特点给施工项目现场管理带来了极大挑战。从实际业务出发，通过集成物联网、二维码、电子书、人脸识别等技术手段，构建铁路工程智慧工地管理信息化平台，可以提高施工现场的信息化管理水平和管理效率，强化安全风险控制，实现数据自动采集、自动传输、自动分析和自动记录[9-10]；进一步实现工程建设过程不同阶段、不同业务系统、不同专业之间的数据交换与信息共享[11]。

1 系统基本要求

智慧工地管理信息系统以中英双语管理平台和APP为基础，充分利用现场管理“二维码”、重点工点“触屏一体机”、隧道监管“人脸识别”等方式，实现对人员、机械设备、施工工法及交班、安全、质量和环境保护等内容管控的信息化、可视化和远程化管理，并须达到以下基本要求：

（1）系统应具有一定的先进性，能结合成熟的最新应用技术，解决施工现场的管理需求。即要综合利用二维码、RFID电子标签、电子书、人脸识别、移动互联网，以及即时消息推送等技术，基于云服务，实现智能化研判和过程监督管理[10，12]。

（2）系统设计和研发应紧密结合实际业务，最大限度实现自动化，尽量减少人工干预，实现数据的自动采集、自动传输、自动分析、自动校验、自动记录、自动流转和推送，并提供灵活的检索方式[8]。

（3）系统应预留与主数据平台进行数据交换的接口，实现工程建设过程不同阶段、不同业务系统、不同专业之间的数据交换与信息共享，预留进一步实现大数据分析的条件[11]。

（4）系统应支持用户自定义流程配置，自定义统计报表生成，预留进一步拓展的条件。

（5）支持中英双语系统应用界面，具备双语页面切换功能。

2 系统架构设计

2.1 总体架构

系统总体架构分为感知层、网络传输层、数据存储层、业务应用层和用户访问层，如图1所示。

2.1.1 感知层

通过温湿度传感器、压力传感器、光电传感器、磁性传感器、机电传感器等终端设备，采用人工加自动的方式，动态实时智能化地识别、感知、定位、跟踪、采集、监控、管理铁路的现场信息，为平台提供及时准确的数据。

2.1.2 网络传输层

图1 系统总体架构

采用无线传输、移动通信、虚拟专用网、物联网和ZigBee等数据传输技术，为平台数据实时上传下达提供通道。实现各级管理者随时随地获取到数据和消息。

2.1.3 数据存储层

系统对施工过程业务数据进行存储和管理的主要场所。现场采集的相关业务数据传送到云存储中心，通过光纤通道存储设备、IP存储设备、直接附加存储（DAS）设备等实现数据的存储，并通过集群、网格和分布式文件系统等技术，提供数据访问服务。

2.1.4 应用服务层

实现各业务功能按需进行组件式安装，供用户访问层进行应用调用。根据业务种类，要封装的业务组件有Web服务、GIS服务、数据访问、数据处理、综合分析和报表统计等。

2.1.5 用户访问层

用户可通过虚拟专用网（VPN）、Web、移动互联、二维码和触屏等技术，以浏览器、移动客户端、第三方即时通软件等多种方式对系统进行访问。

2.2 网络架构

数据中心支持通过多运营商网络接入互联网，为保证网络安全，设置防火墙实现1～4层的安全防护；设置Web应用防火墙（WAF）和入侵防御检测（IPS）等网络安全设备，实现5～7层的安全防护；内部核心网络由TB级交换设备承载，支持数据中心的海量数据交换、大规模数据并发和纵向虚拟化等；VPN设备提供用户访问资源的专用安全通道；计算节点采用高性能服务器搭载虚拟化技术实现物理资源的整合；存储节点采用冗余双主控高性能存储设备；备份节点对重要数据进行定期备份存储，防止数据意外丢失。数据中心网络结构如图2所示。终端采集的数据统一上传至云平台，供各级用户使用。

图2 数据中心网络结构

2.3 技术架构

系统采用SSM框架组合开发，分别使用Spirng-MVC、Spring、Mybatis各框架中优秀模块进行组合，实现MVC架构模式，保证系统良好的可扩展性、可维护性和模块的复用性。技术架构如图3所示。

图3 技术架构

2.4 接口服务架构

系统基于SOA标准，并采用Web Service技术对各种系统资源提供的服务接口进行统一管理。接口服务架构如图4所示。

图4 接口服务架构

3 系统功能

系统满足公司、项目经理部、项目分部和施工工点四级用户的管理需求，实现的主要功能如图5所示。

3.1 首页管理

按管理层级建立首页，在线查阅安全、质量、重大风险、环境排查/整改问题统计。在线查阅人员、设备统计数据。按照安全事件发生原因统计图表，大数据分析辅助决策分析。在线查阅管理组织架构，安全、质量、环保、应急体系架构。根据权限可以链接查阅各管理层级安全、质量、风险、环境管理情况。非法进入人脸识别区域预警信息。

图5 软件功能架构

3.2 安全生产管理

安全会议功能，可以在线发布会议信息，上传会议材料，发布会议纪要，参会人员在线手写签到或扫描二维码签到。安全检查功能，依据现行铁路安全规程，在线记录、管理、查阅检查问题，发起指定整改人、提出整改要求、限时整改，过程手写签认，实现问题整改闭环管理，领导在线督办。重大风险排查功能，可以在线查阅、记录风险排查情况，重大风险登记，指定责任人整改，过程签认，领导在线督办。通过数据库在线建档，形成风险清单，在线管理。

3.3 工程质量管理

质量检查功能，依据现行质量验收标准和规格，在线记录、管理、查阅检查问题，发起指定整改人、提出整改要求、限时整改，过程手写签认，实现问题整改闭环管理，领导在线督办。质量验收功能，在线进行工序“三检制”验收，实时记录验收人员、时间及结论，可追溯验收情况。

3.4 环境保护管理

环保检查功能，按照环境管理内容分类，在线记录、管理、查阅检查问题，发起指定整改人、提出整改要求、限时整改，过程手写签认，实现问题整改闭环管理，领导在线督办。环保风险管理功能，可以在线查阅、记录风险排查情况，重大风险登记，指定责任人整改，过程签认，领导在线督办。

3.5 应急管理

应急预案在线建档，在线查阅预案内容、应急组织机构，推送预案给指定人员阅读并记录人员接收信息。按照应急物资配备要求，在线检查应急物资，推送检查结果给负责人整改，记录检查整改信息。应急演练功能，支持在线记录和查阅演练评价、总结、参与人员签到和过程影像。突发事件能应急一键启动，在线推送至相关人员，启动应急救援预案。

3.6 机械设备管理

特种设备管理，可以在线建档和查阅设备信息、操作人员持证和培训、操作规程发布、设备日常维护、运行检查等情况，在线推送操作规程、安全告知，指定人员阅读，并记录阅读情况。机械设备检查，支持在线进行设备检查，记录检查情况，发起指定整改人、提出整改要求、限时整改，过程手写签认，实现闭环管理。

3.7 交底教育

技术交底，在线进行施工交底推送，指定人员阅读，记录交底和接受交底的信息。安全技术交底，在线查阅安全作业要点、预防措施、安全标准等，推送指定人员阅读，记录交底信息。作业指导书，在线查阅施工工艺流程图、控制重点等，推送指定人员阅读，记录接收信息。安全专项方案，在线建档、查阅方案内容、审批情况，推送指定人员阅读。教育培训，在线建档和查阅安全、质量、环保培训课件和视频，推送指定人员阅读，并记录接收阅读信息。与教育培训配套进行在线考试，考试结果展示。

3.8 绩效管理

在线建档和查阅安全、质量、环保检查计划，将计划与实施情况比对分析；教育培训考试结果评比，将这些形成绩效记录。管理员设定绩效排名规则，其他人员可在线查阅绩效积分，绩效排名。

3.9 人员管理

人员信息，在线建档、管理人员的姓名、照片、身份证、编号、工种、作业部位、联系方式、持证上岗、进场记录、工资发放、安全交底、安全教育、劳保领用、应急演练、实名身份认证等信息，作为工资发放、工作考核、继续聘用等管理的依据。人员考勤，进行在线工点作业人员考勤，结合人脸识别进行重要工点人员进出记录。在隧道、炸药库及重点场站，进行人脸识别记录，杜绝非法进入。

3.10 二维码管理

根据管理需求，在线形成动态、静态二维码，设置权限，实现管理人员、作业人员、参观人员和外来检查人员获取不同的工程动态、静态信息，进行在线阅读和在线管理。通过触屏一体机以“电子书”的方式进行工程信息、管理信息、二维码信息的集中展示。

3.11 基础数据管理

建立安全问题库、质量问题库、环保问题库、重大风险库，在线建档、查阅安全隐患，统计分析易发、多发、高发问题。在线建档、查阅质量问题，统计分析质量通病。在线建档、查阅环保问题，形成管理清单。在线建档、查阅危险源，形成风险清单。

建立法律法规库、人员信息库、动态信息库，在线建档、查阅中国法规、所在国法规、集团制度、公司制度和项目制度。在线建档、查阅人员详细信息，导入和导出统计表格。在线建档、查阅施工信息、通告等。

填报信息报表、季度报表，在线建档、查阅和上报，按时完成安全、质量、环保管理信息报表和季度报表。

4 关键技术及应用

4.1 基于人脸识别技术的隧道安全管理

通过在铁路隧道作业进出口设置摄像头，实时采集人脸图像，采用后端人脸识别技术与数据库中已存储人员信息对比，识别人员的身份[12]。本功能与闸机设备对接，识别不通过，将触发报警信号；识别通过方可进入隧道作业，同步在服务端提取进出隧道人员相关安全交底、培训教育情况，实现人与交底教育情况的关联比对，及时准确发现问题，提高隧道作业人员安全监管效果。本项技术应用是对传统隧道口进出监管的重大突破。

4.2 基于电子书的项目信息发布和管理

将项目信息、作业部位信息、设备信息、人员信息分类形成二维码；对每个部位、每台设备、每位人员生成唯一二维码。同时将施工相关的项目信息（文字、图片、影像、进度）等与二维码进行集成，集中按目录树分类展示，形成电子书。通过触摸屏等方式，对电子书的项目、部位、设备、人员信息进行发布和展示，实时更新，实现重要工点信息数字化、信息化。传统工点张贴图牌、宣传图板，变革为以二维码信息形式进行关联检索和展示，提高监管的效率，提升项目形象。

4.3 检查项目自动化汇总及闭环管理

系统将铁路施工过程安全、质量、重大风险以及环保的检查标准录入，不断更新铁路管理及项目所在地、所在国的最新适用法律法规，形成项目检查字典库，采用问题聚类方法，选择并设置施工工程等具体参数要求后，系统自动生成检查项，方便现场检查指导。同时，利用平台及时将发现的安全、质量、隐患风险及环保等问题，通过信息推送，定人、定时、定标准完成整改，实现闭合管理，以此达到全过程监督管理。

4.4 基于统计分析实现辅助决策管理

通过对安全、质量隐患类的问题进行分类，对施工过程中多发、易发、高危的问题设定权重因子，以数理统计分析的方式，发现潜在风险点，并汇总成报表，辅助管理层决策。实现带着问题去检查，掌握线索促整改，有针对性地进行专项整治，提高问题整治的成效以及预防的先知性。

5 结束语

铁路工程智慧工地管理信息系统以强化过程控制为核心；综合互联网、物联网、移动互联、云计算等技术，以“人脸识别”、“二维码”、“触屏电子书”、“辅助决策”等关键技术和典型应用为突破；覆盖健康、安全、环保和质量管理的重点难点；缩减了管理信息传递的层级和时间，提高了管理效率，降低了项目管理成本；提升了工程实体质量，降低了安全生产风险，将有效保障作业人员的安全。目前该系统在中交马来西亚东海岸铁路项目中得到推广应用，对系统的设计和功能适用性进行了验证。系统下一步将在物料管理、BIM可视化交底、大数据分析等方面拓展应用。