生产信息三维管理系统研发应用初步探讨

李志军，赵康林

(中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

目前国内施工企业大多数已跨行业、跨区域经营生产，涵盖了铁路、公路、市政轨道交通、水利水电、房建等行业领域，工程项目地点的分布也越来越广，很多企业甚至已进入国际市场。同时，近年来网络覆盖也越来越广，无网络区域越来越少，网络技术和相应的软硬件技术已达到了较高的程度。但许多企业工程项目生产过程的信息管理仍局限在传统的人工填写表格、文件上报机制中，处于人工单机办公阶段，即各下属工程项目每天将普通办公软件(比如 WORD、EXCEL、CAD、图片等)形成的单个项目生产信息多个文件上报，公司业务部门当天将这些文件进行逐个人工单机筛选，对数据采取逐个摘选、逐个汇总的方法，生成公司各类型数据报表，再将这些报表上报上级公司、报送公司管理层、上传内部网公布和打印留存等。

人工单机办公存在数据量庞大，重复汇总工作频繁，相关业务数据规范性较差、随意性高、准确性差、不易查看且及时性不足，无法快速查询和统计分析生产信息数据的缺点，不仅耗费大量人力、财力，而且工程生产信息不能及时得到共享，也无法让公司管理层直观、实时、动态地掌握公司各个在建项目的生产进展情况，更无法为公司生产决策提供强有力的信息支持，制约了企业管理的现代化发展(见图1)。因此，生产信息三维管理系统是现代工程施工企业与时俱进的需要。

图1 人工单机办公现状Fig.1 Situation of manual stand-alone information management mode

目前国内现有相关的工程项目生产管理系统大多只实现了纯数据的汇总、统计查询功能［1］，而少数工程进度3D模型多是以低空遥感平台获取的高空间分辨率遥感正射影像图为基础数据生成的［2－3］，该种3D图形生成方式易受现场环境因素制约，基础设备花费较多，维护成本较高，并牵一发而动全身，图片影像数据源庞大，转化运行十分不畅。而生产信息三维管理系统是基于日常工程生产进度数据自动生成直观、动态的3D工程模型来展示工程项目生产相关信息的，系统设备简单，维护成本低廉，且无需真实影像录入，仅输入真实准确的生产进度数据便可即时生成生动的3D工程模型。

1 生产信息三维管理系统概述

生产信息三维管理系统(以下简称“系统”)是一套涉及施工企业生产信息三维管理的系统软件，其关键特点是基于“Web3D虚拟现实”、“3D自动建模”及“数据库”等各类市场成熟的软件编程技术，充分结合各类型工程施工的专业特点，根据实际施工生产信息数据，自动处理并即时生成三维模拟工程图形，以在线网页浏览的模式生动展示工程进展，是能实现施工企业生产信息三维可视化管理的系统软件。数据分析主要完成风险监控、项目基本信息、计划和调度、工程量、协作分包、人力资源共7大类，三维展示主要有隧道工程、地下工程、路基工程、桥涵工程共4大类，可根据不同企业性质进行定制开发。

系统是以施工企业施工生产过程信息管理统计、分析和三维展示为核心，通过对工程从三维建模到日常数据上报，从数据汇总到统计分析，最后实现三维图形人机交互的网络共享，使得工程企业可以在第一时间掌握各项目最新施工状况，并针对施工生产信息数据的类型，提供强大的查询和统计分析工具，采取图文并茂的方式，为工程企业的生产决策提供强有力的信息支持。

1.1 系统具体功能［4］

1)实现施工企业及项目机构与人员的集中化管理。能对企业、企业中间管理分级机构、项目部、施工场地、分项工程及工作面等机构的基本信息、人员进行统一管理。

2)实现对施工企业生产数据信息的实时动态三维模拟显示，即施工生产信息的三维可视化管理。项目人员事先做好相应的工程构件设计工作，系统根据实时录入的实际生产信息数据自动处理、转换生成直观、动态的三维模拟图形，能对图形进行放大、缩小、平移、切换等操作，采用点击弹出框形式查看具体部位的生产信息等;目前可实现隧道、桥梁、路基、涵洞4类工程的三维图形自动生成。

3)实现工程量的精细化管理。建立较为完备的铁路、公路、市政的工程量清单，根据每月录入工程量计划及完成数据，自动汇总统计出产值完成情况。

4)实现风险预警功能。根据工程实际的实物量、工程量进度基础数据和预定的预警指标，系统自动统计分析并发出预警，如隧道台阶、步距和变形点超标预警，工期、合同及其他预警等。

5)实现一键生成报表功能。提供更加便捷的自动查询统计功能，提高报表生成的效率和准确性，为调度和计划人员节约宝贵的时间，为施工企业决策及时提供依据。

1.2 研发的目的

生产信息管理系统的建设，可以工程企业自身的业务为出发点，服务于各个应用部门的实际工作，提升系统应用部门的生产效率。系统的建设能够使工程企业从全局掌握生产及安全的动态，同时，又实现工程企业对内部事务的精细化管理［5］。

对整个系统的分类进行数据的管理、分析及展示，实现“管控一体、虚实一体”的管理目标(详见图2)，构建生产及安全的管控体系，服务于整个企业的决策支持，提升工程企业在整个行业的艺术管理水平。

系统基于互联网技术的网络软件，实现工程企业生产信息管理的三维形象化、自动及时化、网络交互化的目标和成果，实现工程企业内部各项目单位工程施工进度数据的采集、提交、汇总、统计、分析、管理、三维展示、预警及报表输出。

系统基本可以实现计划与调度人员的整合，也可真正实现无纸化办公，节省人力和办公成本，并突破工程企业生产信息管理纯数据化的瓶颈［5］。

图2 系统应用目标介绍示意图Fig.2 Functions of 3D production information management system

1.3 研发内容、方式及难点

系统以如何第一时间、形象地掌握工程生产情况，如何满足强大的数据查询和统计分析功能为研究对象，采用参数化技术、三维模型构建技术、数据库技术、网络化技术等技术，建立满足不少于100个施工项目单位且每个项目单位不少于5年施工周期的统一的、基础性的、可量化及可汇总分析的网络信息管理平台，根据采集的工程日常数据信息，自动处理生成对应类型的三维工程图形，以实现施工企业工程数据的汇总统计、管理分析、预警和报表导出功能。该系统需要项目人员事先做相应的工程构件设计工作，并按时录入施工计划及调度数据，系统才会根据填写的数据自动生成三维图形和报表数据、报警信息等。

整个系统研发的难点在于不同工程类型庞大生产数据的归类、命名及各个参数确定工作，数据信息转换成三维形象图形，图形的质量、表达内容的丰富和对庞大工程信息数据的处理速度和质量、系统操作便捷等方面(详见图3)。

1.4 系统架构设计

1.4.1 工程企业信息化总平台架构

工程企业整体的信息化总平台包括数据源、数据层、应用层和展现层［6］。

1)数据源包括与工程企业管理相关的各业务系统数据库及各种格式的数据;

2)数据层包括数据的加工、处理、清洗、转换，数据仓库、数据共享区和图形数据库;

3)应用层主括支撑业务实现的查询、多维分析、报表、模型构建和空间分析等技术组件;

4)展现层是展现给企业各个层级的领导所对应的各类业务应用，包括三维展示、业务追踪、安全预警和报表等。

图3 系统各个模块设计碰到的主要问题Fig.3 Problems encountered in the design of the modules of the 3D production information management system

1.4.2 系统平台

该系统是工程企业整个信息化总平台数据源头之一，是工程企业分析生产与经营的根本，是企业领导决策支持的重要依据。系统作为总平台的先行启动项目，需要完成对应的数据源的上报机制、分析机制及展示机制，才能及时反映工程生产信息，并将这些信息有效地组织、分析及展示，实现工程企业管理的信息化［7］。

1.4.3 系统具体部署设计

系统结构划分为公司端和项目部端。公司端采用B/S架构，即打开IE网页使用系统，面向公司和项目部用户;项目部端采用C/S架构，即需要安装单机版软件程序，面向项目部用户。各用户端需要安装Flash插件和3D图形显示插件，方可查看3D模型。系统平台应用部署详见图 4［4－5］。

图4 工程项目全生命周期管理信息平台部署图Fig.4 Structure of project full-life cycle management information platform

1.4.4 系统安装设计1)安装方案A。软件自动安装，采取点击“下一步”的方式实现简易安装，步骤如下:安装oracle数据库—安装Net Framework 3.5框架—建立oracle访问数据库客户(用户名和ID都为zt)—导入数据库并创建视图—设置IIS—安装结束—系统调试，详见图5。

图5 系统安装步骤示意图Fig.5 Installation procedure of the system

2)安装方案B。Ghost版软件系统，无需用户再安装各类软件及系统，只需按照正常安装Ghost操作系统方法安装指定Ghost操作系统到目标服务器即可，此版Ghost系统集成了系统所需环境及系统本身。

1.4.5 系统界面设计

输入网址 http://服务器 IP/login.aspx，登录系统，输入用户名密码点击“登录”按钮，进入主界面，见图6。

图6 系统主界面Fig.6 Main interface of the system

1.5 系统功能实现思路及原理

利用数据库、网络等通用技术，建立了工程生产信息数据从创建、流转、管理、共享及应用全过程的分块自动处理机制，达到了数据管控一体化的要求，并为自动建模提供完备的数据基础。系统运行及管理流程图详见图7。

图7 系统运行流程图Fig.7 Operation flowchart of the system

操作流程说明:

1)工程企业管理员首先登陆系统，在机构管理模块中建立下列机构及人员:①公司管理;②公司级中间分级机构管理;③项目管理;④项目部管理;⑤分项工程、工作面信息管理(工作面可以由项目部人员增加)。

2)项目部管理员数据下载(由项目部人员操作)。在数据下载模块中下载项目、项目部、分项工程、工作面信息到本地服务器，此步骤需要公司端管理员分配的密码。

3)项目部机构管理，由项目部人员完善如下信息:①修改项目部信息;②建立人员信息;③建立分包台账信息;④通过数据上传模块上传公司(可以一部分一部分的传)。

4)计划与调度(由项目部人员操作):①三维建模(暗挖需要分项工程);②工作面的设计;③查看设计模型是否正确;④填写施工计划数据;⑤填写三维形象进度数据，查看整体模型是否正确。填写施工情况，上传公司。

5)工程量录入(由项目部人员操作):①建立工程量工作面的设计;②填写工程量计划数据;③工程量调度数据;④上传公司。

6)变形点管理及其他预警信息(由项目部人员操作):①填写变形点;②填写其他预警信息;③上传公司。

7)计算报警信息，并上传。

8)统计分析:EXCEL报表，可以导出日报、周报、月报等数据报表，供分析使用。

9)项目部需要下载的数据(只需下载一次):①项目;②项目部;③分项工程;④工作面。

10)项目部需要上传的数据:①项目部信息(上传一次);②联系人(上传一次);③人员明细(上传一次);④分包台账(上传一次);⑤三维建模(上传一次);⑥施工计划(每次计划完成后，上传);⑦三维形象进度(每天填写完成后，上传);⑧工程量设计(上传一次);⑨工程量计划(每次计划完成后，上传);⑩工程量调度(每月填写完成后，上传);[11]变形点(每天填写完成后，上传);[12]预警(周末计算一次，上传)。

11)上传日期说明:①调度上传日期，以实际发生日期为准;②计划上传日期，以计划起始日期为准。

1.6 系统具体实施方式

项目部端用户可以逐块进行离线录入和联网上传数据，通过从数据库中上传、下载信息数据，公司服务器端和项目部端系统实现数据对接，并通过通用的计算机编程，实现数据查询和统计分析等数据处理功能;项目安装项目部端系统后，联网并下载公司服务端基础数据后，开始录入并上传生产信息数据。

公司端系统需事先建立项目部端的基本机构。公司端系统管理员需事先建立某一项目的机构框架，如项目名称、项目部机构、项目部从公司端服务器下载基本信息的密码、项目施工场地、分项工程、工作面信息;项目部端系统安装并调试完毕后，首先需要登录公司服务器下载本项目部的基本信息，下载密码需和公司端管理员设置的密码匹配，然后进一步完善本项目部机构与人员信息，详见图8。

图8 系统机构与人员管理界面Fig.8 Organization and staff management interface of the system

根据项目部上报的工程进度数据进行3D模型的构建，反映不同工程项目实际完成情况及问题所在，并能够以3D分析与数据分析相结合的方式，宏观展现工程项目的总体情况，同时可追溯到施工方法、进尺、安全和计划等明细数据，辅助发现现象背后的问题成因。三维图形模拟展示工程进展，是根据各类型(如隧道、路基、桥梁、涵洞、基坑等)工程较为普遍的图形特点，利用“数据库”、“网络”、“Web3D 虚拟现实技术”及“3D自动建模技术”等比较成熟的软件编程手段，基于各类现实工程设计数据或测量数据，经由计算机程序的一系列模型构建算法及数据处理，形成3D模型的过程。优点是速度快，操作方便，可实现自动化和序列化过程，适合专业项目快速建模。图9为实现工程项目生产信息三维可视化管理流程图。

图9 工程项目生产信息三维可视化管理流程图Fig.9 3D visualized management procedure of the system

1)工程3D模型设计。用户设计操作简单，无需额外的测量工作，便可实现各类型工程3D模拟图形的即时自动生成。系统基于通用的3D自动建模、Web3D虚拟现实、数据库、网络及计算机编程等成熟的电脑技术，充分结合了隧道、桥梁、路基、涵洞等各类型工程的专业特点及施工工艺等参数，预先生成了各类型工程构件的基本三维模型，如隧道正洞、斜井、竖井、横通道、开挖工艺(台阶、多部等)、二次衬砌，桥梁桩基、承台、墩柱、盖梁、梁片，路基路面、挖填方，涵洞土方开挖、板墙结构等，项目部端用户根据工程设计图纸，确定工程含有的构件种类、个数、大小及相对位置关系，并录入相关数据及位置参数，系统即可自动拼装组合并即时生成工程模拟图形;用户对工程各工作面的设计施工实物量进行录入，并对应、关联3D模型的某个构件和施工起始点，3D模型设计工作至此结束。3D模型设计操作简单，且即时构建即时查看，方便快捷，可断网单机操作，录入完毕，便可联网上传公司服务器，公司服务器即可查看图形等信息。图10为隧道工作面实物量设计图，图11为隧道3D模型设计示意图。

图10 隧道工作面实物量设计图Fig.10 Design of working volumn at tunnel face

图11 隧道3D模型设计示意图Fig.11 Design of 3D model of tunnel

2)3D模型实时自动表达生产信息。3D模型可适应工程进度数据的实时变化，解决工程进度数据和三维模型数据的冗余性，实现自动实时表达工程项目生产信息。系统采取填充不同颜色、控制颜色体的长度来区分各施工工序及工程构件施工状态、施工进度，通过用户实时录入的生产进度数据，系统可自动处理，自动完成3D模拟图形填充颜色及长度的变化，并实时关联数据库信息，完成在三维场景下的生产信息搜索和管理，点击各相关工程构件即可调出该部位(工序)详细的施工生产进度情况，实现通过3D模拟图形对各类型工程生产信息的精确实时表达，用户可随时形象生动地在线同步查阅各项目工程的施工进展。如隧道3D模型中，隧道围岩为黄色填充物、隧道开挖完毕为土色填充、拱墙二次衬砌分别为暗红和蓝色填充物、底板为绿色填充物，系统事先根据用户录入的各工序的设计施工实物量数据，生成对应长度的各工序不同颜色填充物，然后再根据用户日常录入的隧道各工序施工进度数据，自动计算相应的变化填充物长度来显示进度，要查看具体进度信息，可点击相关工序或构件，即可查看详细生产信息，详见图12和图13。桥梁3D模型中的桩基、盖梁等构件的生产状态分开挖、钢筋绑扎、关模、浇筑混凝土等，采用不同颜色来区分各自状态，点击相关构件即可查看详细生产信息。路基、涵洞工程与隧道工程相同，预先设定各工序设计施工实物量或总长度，生成不同颜色的填充物，根据日常实际工作中的各工序进度数据，自动计算填充物变化长度来显示进度，点击相关构件即可查看详细生产信息。图14为桥梁施工3D模型图，图15为路基施工3D模型图，图16为涵洞施工3D模型图。

图12 CRD分部开挖法隧道施工3D模型图Fig.12 3D model of tunnel constructoin by CRD method

图13 台阶开挖法隧道施工3D模型图Fig.13 3D model of tunnel construction by bench cut method

3)监测预警。建立工程项目监测指标体系，反映进度计划、施工项目、安全控制等方面的实时数据，把握工程项目的计划、生产、安全及产值等的动态及进展情况。通过业务规则、预警规则的定制，及时对异常、违规、投机等现象进行预警，进而为规范项目工程提供依据，保质保量地完成每个项目工程。同时，将风险管控融入到3D模型中，实现风险的实时监控。例如隧道的监控量测变形异常，达到报警级别，3D模拟图形中相应的工作面位置会不停的闪烁，提示用户此处存在风险报警信息，用户点击可进一步点击查看详细的风险管控信息以及变形趋势分析图等，便于用户及时发现问题，并作出决策。图17为变形点趋势图。

4)在线网页浏览3D模型操作。实现了放大、缩小、旋转、平移等操作和构件名称的自动显示和隐藏，最大亮点是实现了工程施工作业面的一键自动切换查看功能，用户能第一时间查看某工程模型中某个构件或施工面的施工进展情况，给用户更加直观、便捷的体验。

5)工程量管理与统计。工程量是以价值计量单位对项目各分项或构件的实际产值的量度和表示。通常以元为计量单位，以施工材料(如钢筋、水泥、挖土石方、填土石方等)在施工过程中消耗、发生的实际数量为依据，与材料单价相乘后，分类汇总计算产生，数据填写后，自动根据工作面、分项工程、项目部、项目逐级汇总产值，实现工程数据的精细化管理和自动化汇总分析。系统重点综合了12类工程的施工专业特点，包括明/暗挖隧道、TBM/盾构隧道、桥梁、涵洞、路基、排桩/放坡/盖挖/房建基坑、出入口和站场等，建立了较为统一的数据管理机制，实现了工程数据的精细化管理和自动化汇总数据报表，替代了日常工程项目生产信息报表上报式的业务模式，同时系统一律采用表单式数据录入模式，操作简单，降低了工作压力，提高了工作效率。其中，工程项目实物量、工程量数据的管理均采用设计、计划、实际的管理模式，以工程量数据管理为例，用户只需将本工程的工程量设计清单录入1次，在录入工程量计划和实际完成数据时，就可以直接将设计清单细目复制，再以表单的方式整体修改、编辑，不必再重新录入清单细目，系统将自动汇总统计出结果，极大地提高了工作效率，详见图18—21。

6)数据标准。系统汇集并整合了企业工程项目管理部门数据类型，建立了数据标准化格式，实现了数据的上传及统计分析的口径一体化，并扩大了业务数据应用的广度及深度;同时，为工程企业整体信息化平台打下了良好的数据标准基础。

7)数据传输。系统结合项目部端的工作环境及应用特点，提供了项目端在下载项目数据及上报项目工程进度数据时，“一键式”数据传输功能，即系统自动把项目部数据直接上传，汇总到服务器端，不需要公司端任何操作，并且能快速查询出哪些项目部没有上报数据，满足公司端管理的需要，如图22所示。

8)统计报表导出。系统提供一致化的报表功能，报表类别多种，数据统计完全满足现有工作需要。报表的出具是一键式，能大大提高整体工作效率，以前往往需要几天时间统计生成报表，现在可以直接导出所需要的6大类报表，见图23和图24。

图14 桥梁施工3D模型图Fig.14 3D model of bridge construction

图15 路基施工3D模型图Fig.15 3D model of subgrade construction

图16 涵洞施工3D模型图Fig.16 3D model of culvert construction

图17 变形点趋势图Fig.17 Deformation point chart

9)权限管理。系统除了提供菜单级别权限控制，还提供按钮级别权限控制，即哪些人可以增加，哪些人可以修改，哪些人可以删除，可以根据不同需要作不同设置［7］。

系统在实现对施工企业各工程生产信息精细化管理和自动汇总统计分析的同时，可基于日常工程进度数据，自动即时生成所承建工程的3D模型图，直观、实时、自动的展示所承建工程的生产进度情况及相关生产信息，使施工企业对工程生产信息的管理达到三维可视化。

2 系统的特点

1)融合了3D技术与数据分析技术，实现了“以工程进度为核心，以3D平台为载体”的整合。

2)打通了施工企业进度管理的各环节的业务数据，构建出了工程施工进度的全生命周期全景。

3)以需求为导向，服务于施工企业工程管理部门的全局用户。

4)自动的、可判断的数据处理，保证数据的真实性、准确性和及时性。

5)形象、生动的展示形式，更直观的诠释数据信息。

6)报警和预警提醒功能，有效识别工程施工过程中存在的风险情况。

7)简单、便捷、友好的操作界面，易于学习掌握。

图18 各项目某月实物量完成情况Fig.18 Working volume of each project fullfilled in a month

图19 各项目某月产值完成情况Fig.19 Production value of each project fullfilled in a month

图20 某项目工作面产值完成情况Fig.20 Production value at a working face fullfilled in a month

图21 各项目产值情况Fig.21 Production value of each project

图22 数据传输Fig.22 Data transmission

图23 各项目施工计划Fig.23 Construction plan of each project

图24 各项目施工进度日报Fig.24 Daily report of construction progress of each project

3 系统的应用效果

系统经在北京地铁六号线一期项目、仁赤高速公路项目及山西中南部铁路通道项目的试运行、实践应用，效果较好，有效地降低了人力、物力资源，并有如下应用效果:

1)打通施工企业工程施工进度管理业务的各个环节，消除信息孤岛，规范了业务口径;

2)极大地扩大了施工企业工程施工数据应用的广度和深度，全面提升了决策能力和决策效率;

3)建立了高效的数据交换通道，加强了业务数据互通共享、上下级间业务协同;

4)动态、三维的数据发布，提升了施工企业对业务的分析及处理能力;

5)建立了工程信息资源标准，全面提升和优化了施工信息化整体环境。

4 结论与体会

生产信息三维管理系统实现了基于日常工程生产进度数据自动生成直观、动态的3D工程模型来展示工程项目生产相关信息的目标。运用该系统模拟再现的三维环境，能方便、实时、快速地按照空间位置，形象、直观、准确、可视化地展现、查询、统计、分析管理工程生产信息;借助该系统，施工管理者能够直观、便捷、可视化掌握工程实施过程中存在的问题，大大提高对工程建设状况的感知能力。

未来的生产信息管理技术发展方向是更加信息化、更加高效化和更加直观化。生产信息三维管理系统在施工企业信息化管理方面具有较好的应用推广价值，然而着眼未来，该系统要改变传统软件带给人的固有工作惯性，还需不断摸索前进，通过局部应用带来效益和效率提高后，再实施全面推广。

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