基于数据库技术的隧道工程量管理软件开发关键技术

任兆丹，陈智慧，陈雪峰，郑国平

（1．中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2．浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州310014）

0 引言

我国公路交通建设蓬勃发展，隧道的数量和长度均随之迅速增长。截至2017年底，我国大陆地区共有公路隧道16 229处、1 528．51万m，比2016年增加1 048处、124．54万 m，其中特长隧道902处、401．32万 m，长隧道3 841处、659．93万 m［1］。

隧道工程量统计是隧道专业设计工作的重要环节之一，也是编制概预算文件的主要依据，但是有关隧道设计阶段工程量管理的相关研究及软件开发工作少之又少。张竹等探索了市政工程隧道主要分项工程量的计算规则，并归纳了工程量的计算过程中的注意事项［2］，其研究对象主要为地铁隧道；袁建飞运用数据建模以实现长大隧道海量数据的快速计算与分析，但其后台数据处理软件采用的是Excel，而并非数据库软件。［3］

根据调研，目前传统的隧道工程量管理工作仍采用Excel表格的方式，并按照一座隧道对应一个Excel文件的方式进行，分项工程量的输入、单个隧道工程量的汇总工作均在Excel表格中完成，就功能而言存在如下问题：

（1）标准化程度低，表格的内容、形式因人而异，继承性差；

（2）人工输入工作量大，容易出现差、错、漏、碰、重；

（3）数据分散，难以进行归并和统计分析。

另一方面，微软公司对Excel软件的定位是处理数据的工具，因此，Excel软件对于数据格式没有强制性的要求，安全级别低，运算灵活，非脚本操作。随着大数据时代的到来，同时为了更好地积累工程历史数据，有必要研究和开发基于数据库技术的隧道工程量管理软件。

1 隧道工程量数据的特点

1．1 隧道工程量的层次性特点

建设工程的工程量是有一定层次结构的，公路隧道也不例外。根据公路隧道项目的特点，按照单项工程、单位工程、分部工程、分项工程、子分项工程的层次，并兼顾概预算中的计量子目划分、建立分部分项工程条目数据表。其中，单位工程是单项工程的组成部分，具有单独设计并独立施工的条件，但不能独立发挥生产能力或效益；将单位工程按照工程的种类或主要部位可进一步划分为分部工程；按不同的施工方法、构造及规格将分部工程划分成分项工程。分项工程为施工图预算中最基本的计算单位，又是概预算定额的基本计量单位，故又称为工程定额子目或工程细目。分项工程可以根据工艺、材料等进一步划分成若干子分项工程。

对于隧道工程而言，单个隧道可以视为一个单位工程，对于特长隧道被划分为若干标段的情况，也可以将一个标段中的隧道视为一个单位工程。隧道单位工程由总体信息、洞口工程、明洞工程、洞门工程、洞身暗洞工程、预支护工程、辅助坑道、装饰工程、路面工程、防水排水工程、沟槽工程、临时工程、环境工程、监测预报工程、附属关联工程、通风及消防设施安装等分部工程组成。分部工程可进一步细分为若干分项工程。

1．2 隧道工程量的阶段性特点

隧道工程建设的不同阶段对工程量管理的要求有较大差别，比如工可与初步设计阶段需要考虑不同线位的隧道工程量；施工图设计阶段需要考虑不同标段的隧道工程量，有时会出现同一个隧道处于不同标段的情况；初步设计阶段、施工图设计阶段的工程量包括洞口工程、明洞工程、洞门工程、主洞衬砌数量（含超前支护、防水、工法临时支护、钢筋、钢架等）、防排水等分部工程量的输入。

2 软件功能需求及操作流程分析

2．1 软件的通用性功能

软件功能架构及操作流程是总体设计的主要内容，关系到软件交付后的功能是否全面、操作性是否友好。根据调研，软件的基本功能要求是以数据库作为工程数据存储容器，对上述隧道工程量数据进行日常管理，包括建立已完成设计的隧道工程后台数据库、信息库；录入、修改、查询、输出新建隧道的工程量；快捷地形成单体隧道、标段内所有隧道、全线所有标段内所有隧道的工程量汇总；通过各分项工程量与对应概算编号、对应预算编号的关联，可以快速编制隧道工程概算、预算，为工程方案决策提供支持；通过各分项工程量与对应清单编号的关联，可以为工程招投标形成工程量清单，以便在设计施工总承包项目中实现工程量的精细化管理。

2．2 工程量模板的理念

录入新建隧道的工程量是软件主要的日常功能，是传统人工管理工程量中耗时最久并容易出错的步骤。为了实现快速和准确的目标，提出了“工程量模板”的理念。模板的理念已经被众多软件采纳，其中以Microsoft Office软件最为典型，基于不同模板可以新建不同类型的文档。同样的，分部分项工程量输入模板在整个软件数据输入过程中起着承前启后的作用，按照传统操作习惯分门别类，将洞口工程量、主洞衬砌每延米工程量、防排水、预留洞室、路面等类别，选择相应的（子）分项工程条目，设定相应工程数量项目默认值便形成了模板库，单体隧道工程量输入时，仅需要输入单位数、延米数即可以方便地得到各分部工程量。

2．3 软件操作流程

根据以上功能需求，对日常的业务流程进行深入的调研后，规划出如图1所示的功能流程。

图1 软件功能流程图

同时，为了满足多个工程师对同一个后台数据的操作，并确保数据的一致性和集成性，以及便于集中管理、按需授权，软件按照C／S（客户／服务器）结构模式进行设计。

3 后台数据库模型及功能

3．1 业务数据表格

位于软件后台的数据库是实现上述软件功能需求的核心。根据隧道工程量数据的特点和软件功能需求，后台数据库包括了分部分项工程名称元数据表、分部分项工程量模板数据表、隧道各阶段的工程数量数据表、项目信息表、隧道信息表、用户信息表等，其中前三类表格是最重要的业务数据表。

3．2 关系模型（Relational Model）的数据库技术

数据库技术是研究数据库的结构、存储、设计、管理以及应用的基本理论和实现方法，具体内容包括：通过对数据的统一组织和管理，按照指定的结构建立相应的数据库和数据仓库；利用数据库管理系统和数据挖掘系统设计出能够实现对数据库中的数据进行添加、修改、删除、处理、分析、理解、报表和打印等多种功能的数据管理和数据挖掘应用系统；利用应用管理系统最终实现对数据的处理、分析和理解［4］。

目前最常见的数据模型主要有关系模型、网状模型和层次模型三种。其中关系模型是一种理论最成熟、应用最广泛的数据模型，采用这种模型时，数据存放在一种称为二维表的逻辑单元中，整个数据库由若干个相互关联的二维表组成。相对于Excel电子表格软件，专业的数据库对数据格式有非常严格的要求，安全级别高（C级以上）。目前常用的有SQL Server、Oracle、Access等数据库软件。考虑到本软件所需处理的数据量及开发难度，采用了Access数据库软件。

3．3 软件对后台数据库的操作功能

数据输入及查询子系统是软件用户界面与后台隧道工程量数据库进行数据交互的唯一接口，包括了四个功能模块：

（1）输入和编辑模块：以文件、表格等多种数据源方式实现数据的录入，并可以对数据进行修改、删除、增加，利用数据库软件自身的校验功能对输入数据的正确性进行检验。

（2）查询及统计模块：提供各隧道、各设计阶段、各线位、各方案工程量数据的查询功能。

（3）数据转换模块：实现与现有以Excel表格为主的工程量数据的格式转换，实现数据自动录入。

（4）维护模块：提供数据库表格结构的维护，维护数据的一致性、完整性。

软件前台（如图2所示）以窗口（对话框）形式，按照隧道洞口工程、明洞工程、暗洞工程、路面工程、附属工程等结构，建立不同的窗口模式，延米或单项数量采用导入或输入模式。

图2 软件主界面示例图

4 软件开发关键技术

4．1 面向对象编程（Object Oriented Programming，OOP）技术

软件各组件以面向对象的编程思想构建，核心算法以面向过程的编程思想辅助实现。面向对象编程是一种计算机编程架构，其中的一条基本原则是计算机程序是由单个能够起到子程序作用的单元或对象组合而成，并通过抽象、封装、多态性和继承性达到软件的三个主要目标：重用性、灵活性和扩展性。为了实现整体运算，每个对象都能够接收信息、处理数据和向其它对象发送信息。

4．2 与 Autodesk AutoCAD、Microsoft Excel软件的交互技术

公路隧道设计时，往往要求附图与工程数量匹配，并在同一张图中表达出来，如何将软件中录入的分项工程量数值以表格的形式输出到AutoCAD文件中，涉及到软件与AutoCAD软件的交互技术。Auto－CAD提供了ActiveX接口，便于在AutoCAD软件内的AutoLISP以及VBA等工具进行二次开发。同时，ActiveX接口还使得AutoCAD对象对外部世界开放，多种不同的编程语言环境（如 Microsoft Visual Studio）和其它应用程序（如Microsoft Word VBA）都能访问。

同样，软件的输出结果将大量地以Excel表格的形式提供给用户，软件所采用的向Excel工作簿传输数据的技术是“自动化”的。利用该技术可以调用特定于Excel任务的方法和属性，提供了指定数据在工作簿中所处位置的最大的灵活性，以及将工作簿格式化和在运行时进行各种设置的能力。

5 结语

（1）根据隧道工程量数据的层次性和阶段性特点，隧道工程量数据表格分为分部分项工程名称元数据表、分部分项工程量模板数据表、隧道各阶段的工程数量数据表、项目信息表、隧道信息表、用户信息表等。采用关系模型的数据库系统软件，实现了对海量工程数据的统一组织和管理，包括输入及编辑、查询及统计、数据转换及维护等数据操作功能。

（2）开发过程中采用OOP方法以及通过抽象、封装、多态性和继承性可以实现软件的重用性、灵活性和扩展性；通过ActiveX接口可以实现与Autodesk AutoCAD软件的通信，利用“自动化”可以将相关数据输出到Excel表格中。以上关键技术确保了隧道工程量管理软件的功能目标。

（3）基于数据库技术的隧道工程量管理软件，简化和规范了工程量录入、查询、修改等管理工作，避免了大量重复繁琐的计算和校核工作。随着工程量信息的不断积累，将来可以进一步开展深层次的统计分析和数据挖掘工作，比如进行工程数量对比分析、围岩级别统计分析、结构参数对比分析等。