基于电子纸的工程电子文件阅读设备研究与设计

2014-09-03付永华

档案管理 2014年5期

摘要：在工程建设过程中，电子文件已逐步取代了传统的纸质文档，发挥了重大作用。但使用环境恶劣、异地多地施工等因素，都对电子文件提出了严重挑战。本文基于具体项目，对纸质工程文件与电子工程文件进行了比较分析，针对影响因素，设计了一款支持电子纸显示的工程电子文件阅读设备，并研究了该工程电子文件阅读设备的功能与性能，旨在有效解决工程电子文件的使用问题。

关键词：工程；电子文件；阅读；环境；电子纸

在工程施工的环境下，如野外勘探、铁路公路构建、灾害救援等，现有的电子文件传输、存储和使用方法和工具不能有效地满足实际需要。比如最常见的是将电子文件拷贝到笔记本电脑上，但使用上存在着充电难、有阅读死角、不容易携带等问题，而且工程现场阅读环境比较差：温度高或低、电磁兼容、潮湿、交通差；操作人员水平参差不齐。而且，随着时间和任务量的积累，电子文件的存储量迅速增长。因此，如何轻松地实现工程电子文件的移动阅读实时、高质量阅读成为迫切需要解决的问题。

1 纸质工程文件与电子工程文件比较分析

采用顺序图、用例图等工具，对2011年1月到2014年4月期间，中建二局第二建筑工程有限公司负责的郑州京广快速路解放路立交桥、北环快速通道文化路立交桥等工程标段的工程文件进行分析，探究其使用特性、载体特性和用户特性。

1.1 工程文件施工现场使用特性。使用特性包括4个方面：（1）工程文件使用实时性：施工现场一般都在野外，而且可能多处异地施工，在施工过程中，一直需要工程资料的支持，也很有可能因某项新需求，对工程资料如施工图纸等，进行现场调研、临时变更，工程文件实时产生，难以预测。不少人员需要直接在工程资料上进行修改，导致工程资料的原始性难以保持，造成损坏。（2）工程文件使用综合性：施工过程中，并不一定仅仅需要某一个时刻的档案资料，有些时候，需要将整个工程施工前后相关的所有资料综合在一起，进行比对，工程文件需求量比较大，造成运输、保管困难，甚至有些工程资料只有一份，导致多处需要。（3）工程文件使用环境差：工程施工现场，有可能盛夏酷暑、烈日炎炎，也可能寒风凛冽、冰天雪地，也可能风雨交加，也可能尘土飞扬，这不管对电子文件还是纸质文件，都存在着很大的挑战；有的工程现场可能存在着电磁干扰等，对笔记本电脑或其他电子设备中的电子文件阅读产生影响。（4）工程文件用户多方性：不少工程文件在使用过程中，需要双方甚至三方、四方在一起，几十个人看同一个文件资料的情况，这就需要用户轮流观看，可能导致理解不一致，从而影响工程。

1.2 工程文件载体特性。工程文件的载体主要是纸质载体和电子文件。纸质载体在使用过程中，因为工程施工的环境比较恶劣，经常容易损坏、破裂，甚至发霉长毛等；因为工程变更，多方需求表达在纸质载体上，导致原始工程资料被涂改。如果不直接涂改，那就没有办法更好地将实时需求表达记录下来。

电子文件在工程现场，最主要的方式还是采用电脑或者平板电脑存储、使用的方式。但在使用这些电子设备的时候，还存在着充电比较难、不容易携带等问题，因为工程现场的电源基本上都高压的。而且，现在的电子阅读设备都采用液晶屏幕，有阅读死角，只适合正面观看。而且显示屏幕较小，不适合多人阅读；更重要的是，这些电子设备的显示器，在阳光底下，可见度极差，几乎看不清楚，但在工程施工现场，这是最基本的阅读环境。另外，工程现场的环境对这些电子设备的损害也比较大。

电子文件在多方使用时，也可以采用投影的方式，但具有很强的使用地点限制，比如只能在工程的办公室中观看，而且某些工程文件如图纸等，比较细致，因为环境影响，可能投影效果不好。

1.3 工程文件用户特性。工程文件的用户包括5方：工程设计单位、工程勘察单位、工程建设单位、工程监理单位和工程施工单位。这5方用户对工程文件的使用要求不同，管理知识与水平也参差不齐，而且，在工程文件的使用过程中，尤其是在施工现场，多方围绕变更产生讨论时，笔迹、汗水等经常伴随原始工程文件，甚至不小心撕裂等。

2 研究现状与设计目标

2.1 研究现状。据调研，国内外研究已经考虑了在工程中运用电子文件的益处，研究了纸质工程文件和电子文件同时使用、电子文件单独使用的模式，如早在2002年，洪艳华在《工程纸质档案与电子档案的配套管理和利用》一文中，就提到了“采用双轨运行的办法，对工程纸质档案和电子档案进行配套管理和利用”，但研究重点是为了确保档案的完整性和安全性。[1]

高利华在《水电工程设计档案中电子文件管理的讨论》中，讨论了“水电工程设计电子档案的标准化管理”等方面的内容。[2]路淑文也在《公路工程电子档案管理中存在的问题及对策》中，研究了“公路工程电子文件管理的规范化、完整化”，[3]此类文章较多，研究重点更多的关注工程中电子文件的使用方法或者归档方法。

也有的考虑了技术层面的内容，如吴永平、尤勇、林辉的《GIS在退耕还林档案管理中的应用——以建立文县2004年退耕还林工程电子文件为例》，也主要围绕着“退耕还林工程数据管理操作一体化和多源信息管理一体化”而展开的。[4]这些研究仅仅丰富电子档案的使用，拓宽了使用范围，并没有增加电子文件的可用性。

2.2 设计目标。经上述研究分析认为，工程文件在使用过程中最大的困难是阅读的困难，现有的纸质文件和电子文件都无法有效满足实际需要。而且传统的纸质阅读和电子阅读的安全也得不到保障。

因此，根据需求和实际调研，构建如下设计目标：面向工程环境，分析工程档案的产生与使用的业务流程，从档案使用（主要是阅读）环境、档案本身特点、用户的特点三个方面分析了工程档案使用的需求因素，设计一个针对工程电子文件使用的支持移动、悬挂与手持的阅读设备，并对该阅读设备的功能、性能和关键实现技术做了剖析。

整体上讲，该工程电子文件阅读设备计划采用电子纸（EPD，Electronic Paper Display）作为阅读的主要显示模块，阅读性能良好，轻薄、易携带；采用电池和电源充电两种方式，功耗低；支持多种工程档案格式与多来源内容获取；支持远程无线数据传输，支持短距离无线数据传输与共享；操作界面图形化，操控灵活方便，易用性强；支持硬件模块自由组合功能。

3 基于电子纸的工程电子文件显示

本文设计的工程电子文件阅读设备，主要先进性体现在两个方面：电子纸作为设备的显示材质；来源多渠道，内容多格式。普适性有四个方面：支持无线远程传输、近程共享；分模块自由组装；获取验证与内容保护；操作图形化，灵活方便。这里主要考虑和阅读相关的电子纸显示。

3.1 现有电子阅读显示材质。电子阅读器以及阅读范围都越来越多，对此，见仁见智的讨论很多，但的确数量很多，手持阅读的现象普遍。电子内容移动阅读、良好阅读这两个方面，已经成为国内、外研究和应用的热点，开发了不少相关产品，而且社会效益、经济效益明显。如汉王科技、南开津科、福昕软件等公司陆续推出了自主品牌的电子阅读器。国外的苹果公司开发的iPad可支持彩色版的电子信息，而亚马逊的电子阅读的利润也早已超过了纸质图书。但这些阅读器主要采用了液晶屏，适合在良好的工作环境下阅读，而且有各自的数字版权管理技术，封闭性太强，格式和获取方法单一，无法应用于其他系统。

3.2 基于电子纸的工程电子文件显示。本文设计的工程电子文件阅读设备采用电子纸作为显示屏。

（1）显示原理：电子纸的材质也有多种，最常见的是用电子墨水作为专用材料。电子墨水由数百万个尺寸极小的微胶囊构成，直径与头发丝相当。每一个微胶囊中含有白色和黑色颗粒，分别带有正电荷和负电荷，它们悬浮在清洁的液体中。电子墨水胶囊夹在上下两层电极之间，有黑色和白色两种颗粒。当受到正负不同电荷作用的时候，两种颜色的胶囊颗粒分别上浮下沉而显示不同的颜色。只要改变电场作用方向就能在显示黑色和白色间切换，白色部位对应于纸张的未着墨部分，而黑色则对应着纸张上的印刷图文部分，[5]如图-1所示。而彩色电子纸则通过光子晶体显示，它控制光子晶体的间距，从而影响这些晶体所反射出的光的波长，从而达到不同的效果。

图-1 电子纸显示原理

（2）工程电子文件显示问题解决。用电子纸作为工程电子文件阅读设备的显示屏，可有效解决前文总结的问题：①内容可修改、标记：因为前面提到的原因，所以工程电子文件阅读设备的很多内容，尤其是工程图纸，经常变更。电子纸显示屏可直接对相对应的内容直接进行标记、更新。这是除了阅读效果之外，最重要的性能，避免了原始纸质图纸的损坏。②阅读效果好：因为采用电子墨水或光子颗粒显示，因此内容非常清晰，特别适合工程文件尤其是图纸。不管是文字还是图形都非常细致，因为显示颗粒本身就非常小，哪怕再细微的工程文件参数都可以显示。更重要的是，利用电子纸显示，在任何角度观看都很清楚，而且阳光底下也清晰可见，对阅读环境不挑剔，这是目前其他电子文件阅读设备所做不到的。③便携易带，自由使用：电子纸的显示器，重量轻，非常薄，2007年大约12毫米，[6]而2009年已经达到了0.3毫米，[7]可以折叠，可以悬挂，也可以嵌套到某个设备中，因此可在任何地方使用。④节省电源：工程施工现场，电力设备一般电压比较高，很难找到适合电子设备的电源。异地施工，电源携带也不方便。电子纸非常节能，只有在显示图像改变的时候才会消耗能量。而且即使脱离主机和电源，也可以保持较长时间的显示结果，这一点对于工程文件的使用是非常具有针对性的。这也符合工程文件使用的实际情况：在讨论和观看的时候，也不要发生变化。

4 工程电子文件阅读设备系统结构

根据工程电子文件使用的关键需求，结合电子纸的特点，设计工程电子文件阅读设备系统结构如图-2所示。

图-2 工程电子文件阅读设备系统结构

工程电子文件阅读设备分基础部分和外延部分。

4.1 基础部分。基础部分包括基础硬件和基础系统，即图中深色部分。

①基础硬件。基础硬件是工程电子文件阅读设备的核心硬件，标准配件。它包括了处理器、内置存储、操控设备、供电的锂电池和电子纸显示器。这些标准配件确保了阅读设备最低的使用标准，特点是小、轻，便于携带。当前的计算机技术确保基础硬件和一个MP3差不多大小，但足以发挥需要的作用。电子纸显示器是可以拆卸的，也可以外接到一台电脑或其他的电子设备上。

②基础系统。基础系统首先包括了一个基于Linux的操作系统，Linux是一种自由和开放源码的类Unix操作系统[8]，完全免费，任意更改。而且它可安装在各种计算机硬件设备中，比如手机、平板电脑、路由器、视频游戏控制台、台式计算机、大型机和超级计算机，兼容性非常好。另外基础系统还包括了验证使用权限的软件和内容保护的软件，这些软件是内置的，可以升级，这主要考虑的是工程文件本身的安全保密性。

4.2 外延部分。外延部分包括外接设备和应用软件。

①外接设备。外接设备包括了无线网络、录音设备、手写笔、绘图板、外置键盘、外置音箱、外置电源、移动存储、打印机、摄像头。这些外接通过外接面板与工程电子文件阅读设备相连，根据需要和现场条件选择使用。

无线网络确保异地施工，能够接收和发送即时需要的工程电子文件，确保设备上有且只有需要的工程电子文件。

在文件图纸变更现场，可能条件非常艰苦，不适合用笔在纸上书写，可以用录音设备直接录下讨论的结果。手写笔和绘图板则支持在电子纸上直接书写，或者将绘图结果直接更改到图纸上。

在条件允许的情况下，外置键盘、外置音箱和外置电源为设备更好使用提供了支持。打印机、摄像头则提供了更丰富的输入、输出帮助。

移动存储将要阅读的图纸文件、文档存储在SD卡上，或者通过WiFi连接到Internet上，使用浏览器进行在线阅读。

②应用软件。根据工程电子文件的需要，在具备使用环境的情况下，可通过移动存储器或网络选择需要的软件安装。这些软件也可以安装到移动存储器上，在使用的时候连接即可。

经郑州航空工业管理学院信息技术研究所与中建二局第二建筑工程有限公司以实际工程为研究样本，研究、设计并已经实现了工程电子文件阅读设备的原型机，经正确性验证与静态验证，符合工程电子文件的需求，能有效解决施工过程中的电子文件使用难题，据预测，社会效益、经济效益、技术效益明显，值得进一步研究、推广。

*本文为2014年国家档案局科技项目计划：面向恶劣环境的电子工程档案EPD移动阅读设备研究（2014-X-61）。

参考文献：

[1]洪艳华.工程纸质档案与电子档案的配套管理和利用[J].湖南档案，2002（06）：18～19.

[2]高利华.水电工程设计档案中电子文件管理的讨论[J].浙江水利水电专科学校学报，2013（03）：16～18.