基于云平台的铁路施工信息管理系统的研究与应用

秦刚 薛小庆

摘  要： 研究目的：随着中国铁路建设企业新型管理模式的推行，作业单位分散性和流动性不断加强，使得企业对整体施工信息的管理难度加大，影响着企业决策的制定和资源调度的有效进行。针对上述问题我们开发了一套铁路施工信息管理系统并在云端服务器平台上部署。研究结论：（1）虚拟服务器的使用解决了施工单位在跨区域和不同通信运营商下，访问服务器的速率低和网络不稳定对工作效率造成的影响;（2）基于J2EE的信息管理系统支持异构环境以及多种数据类型的整合提高了适用性;（3）将优化的粒子群算法和维特比算法引入到铁路施工物资调度系统辅助人员进行调度决策;（4）与第三方手机APP的无缝对接实现了作业一线的移动办公，提高了工作效率。

关键词： 铁路施工;信息管理系统;云平台;调度算法;移动办公

【Abstract】： Research purposes： With the implementation of the new management mode in Chineserailway Construction industry， the decentralization and personnel mobility of operation units are constantly strengthened， which makes it more difficult for enterprises to manage the overall construction information， and affects the decision-making of enterprises and the effective implementation of resource scheduling. In view of the above problems， we have developed a railway construction information management system and deployed it on the cloud server platform. Research conclusions： （1） The use of CVM solves the impact of low access rate and network instability on work efficiency of construction units in cross-regional and different communication operators; （2） The J2EE-based information management system supports heterogeneous environments and integration of multiple data types to improve applicability; （3） The optimized particle swarm optimization and Viterbi algorithm are introduced into the railway construction material dispatching system to assist personnel in scheduling decision; （4） Seamless docking with third-party APP achieves mobile office on the front line of work ， improving work efficiency.

【Key words】： Railway construction; Information management system; Cloud computing; Scheduling algorithm; Mobile OA

0  引言

隨着铁路工程局大面积推行精细化管理以来，一线施工组织逐步向精简化与专业化发展。从企业整体管理层面来看，一线施工组织呈现出结构简单化、区域分散化、调度频繁化的新特点。在此背景下未来施工企业管理面临的难题也日益突出：

（1）空间的分散性造成资源调度困难。铁路施工企业根据中标内容组织项目部（或作业队）进行一线作业。在这种组织结构下物资的调配受实际地理情况，交通情况等因素约束很大，如果不能采取良好的调度策略会使得大量购买或租赁重复性资源。

（2）时间的滞后性导致管理机制的失效。由于资金、人员、物资等资源受实际施工情况变化很大，如果企业的决策层不能及时掌握这些资源的变化的信息，会导致下发的策略不能有效执行或者无法执行，使得企业整体管理机制失效，执行力下降。

（3）员工知识管理难度增大。Mariano Corso，Antonella Martini等（2006）[1]在其著作中明确指出，员工的知识和经验成为企业最基本的资产，必须对其加以适当的管理。Kiesler和Cummings（2002）[2]等学者经过研究表明，由于分散性团队成员之间缺乏知识共享环境，以及沟通和交流的困难，分散性员工的知识管理更加困难。Cramton（2003）[3]指出了分散性员工的知识管理存在以下问题：不能交流和保存来自不同成员的相关知识，信息的不平衡分配和团队合作之间的冲突，相关信息评估的差异，信息运用速度的不同，难以衡量缺乏交流带来的影响。这种现象使得员工与企业之间交流的隐性信息缺失，认同感相对一般企业来说普遍不高。在这种情况下企业的文化发展以及企业的创新能力都受到严重影响。

上述几个方面严重制约着铁路工程局精细化管理的进一步推进和企业自身未来发展。因此，为了满足新型管理模式与企业信息化发展的需要，我们从技术角度出发，提出了基于云平台的铁路施工信息管理系统用于解决上述问题。

1  系统设计

1.1  企业组织结构

我们以中铁某局下属某分公司为例进行实例分析。该公司是以铁路桥梁铺架和无缝轨道焊接为主营业务的专业化分公司，施工以作业队的形式进驻施工项目部为其提供铺架和焊接服务。该公司的主要机构层次为：

（1）公司领导是决策层，对公司的施工信息有宏观的把握，对各项审批具有相应权限。

（2）公司内部机构按职能划为“五部一室”，办公地点为固定地址。设有内网（局域网）和外网，办公以台式电脑为主。负责收集各作业队人员上报信息并做统计分析后提供给决策层领导，以及按部门职能范围下发领导审批后的文件传达到各作   业队。

（3）作业队根据施工需求设立，一个项目内有单个或多个作业队进行施工。流动性强，无固定施工地点。作业队基层管理人员每日汇报施工进度以及其他信息资料。办公设备主要以移动设备为主。

1.2  需求分析

基于上述分析，我们设计的铁路施工信息管理系统需要满足以下几方面需求：

（1）施工关键数据信息化的需求。随着BIM技术等数字化的逐步推广以及作业机构的人员精简化的进行，都需要将技术人员从传统的大量带有重复信息的手写表单的形式转化成一次性输入的形式，通过后台程序生成指定表单。

（2）信息的可靠性需求。信息的可靠性是开展各项业务的保障，信息的滞后与失真都会影响公司决策层的决策策略与资源调度的执行效果。因此需要建立一个跨区域的支持异构环境的网络链接以及持续稳定运行的服务器。

（3）数据整合与分析的需求。各职能部门对从现场上传的所有信息进行汇总和分析，从中找到所需要的内容。这就需要一个将各种数据格式的上传信息进行整合的平台，以及能够辅助相关人员从平台内大量数据中归类与分析的功能需求。

（4）良好的交互性需求。由于一线基层管理人员的文化程度差异很大，清晰简洁的交互界面可以使一线管理人员更易获得正确的信息以及在终端上熟练操作。

（5）数据共享性需求。同权限人员可以读取相同的内容，并可在内部交流，为企业提供内部交流与学习的平台。

（6）系统兼容性需求。在保障数据安全的基础上系统需有良好的数据互通性，便于整合公司现有的信息服务（企业微信、钉钉等）。以及具有良好的可移植性、支持异构环境，保障各种终端设备可以访问。

1.3  网络拓扑

传统上各个跨区域的作业队通过互联网和电脑终端与公司内部进行信息交流或传递资料。因铁路标段所在地域普遍比较偏远，不仅上传和下载速率受施工所在地网络环境制约，而且企业内部网络的稳定性也影响着工作效率。同时大量的数据存放于内部服务器中，不稳定的网络造成现场的终端与数据库之间经常断开，会导致数据丢失或操作重复使得信息准确性下降。为了解决上述难题，我们设计将开发的施工信息管理系统放入云端服务器运行。我们设计的总体网络拓扑图如图1所示。服务器集群从逻辑上划分为五个相对独立的功能服务器，其中各节点的分发和同步由管理服务器完成。

1.4  功能模块

平台内的子系统按功能进一步分解，它们之间的关系如图2所示（权限管理模块涉及所有登录人员未在图中标出）。从图中可以看出系统内关键性功能模块有：权限管理模块，表单与流转管理模块，数据库管理模块，调度算法模块。

1.5  非功能模块

主要是实现与第三方程序对接，系统兼容与扩展，地理信息（GIS模块）等辅助性模块。

2  系统平台搭建

2.1  CVM服务器实例

相对于传统服务器，采用云计算技术的虚拟云服务器（Cloud Virtual Machine，CVM）的优势有：（1）负载均衡可以将流量分发到多台CVM上，防止当文件、公告等资料下发时，所有人员同时访问造成服务器拥堵。（2）采用BGP网络可以最大兼容各种终端不同的通讯运营商接入实现公网入口故障

时跨域秒级调度，提高网络的可靠性。（3）减少因停电、死机、硬件故障等突发事件造成的服务器瘫痪，保证业务的可用性。

我们将施工信息管理系统部署在虚拟云服务器内，该服务器为分布式架构采用对等连接（Peering Connection），具有多区域、多账户、多种网络异构互通等特点。并且带有公网加速等功能，可以解决跨区域多个或单个节点高速访问的问题，为信息的及时性提供最大的保障[7-9]。我们选用的服务器实例为双核16 GB高性能云硬盘，操作系统为Windows Server 2012 R2-64位（数据中心版），其他配置参数如图3所示。

2.2  SQL类数据库

相对于传统的内部服务器，云数据库的优点有：（1）云数据库的使用可以减少施工企业这样非IT企业在使用数据库时的维护和升级，使企业专注于自身业务的发展。（2）在线的主从两份数据存储，并支持跨可用区部署，保障了数据的安全可靠。我们在云端使用MySQL类数据库，其结构如图4所示。

3  基于J2EE的施工信息管理系统的实现

J2EE是专注于企业级开发的一组技术规范。基于J2EE架构的软件在不同平台之间有良好的移植性、安全性，其中JDBC等接口可以将不同的数据类型和格式进行整合[10-11]。为实现云平台内的资源整合以及异构环境的需求，我们采用基于J2EE的开源软件进行二次开发。按标准J2EE的技術体系 结构对施工信息管理系统进行描述为图5所示层次关系。

3.1  关键性功能模块实现

3.1.1  调度算法

（1）消耗性物资的调度算法

合理的资源调度可以减少运输成本和资产成本。假设N个作业单位同一物资告急，现有多余物资可调配的临近作业单位M个（且M

我们将不同M点的运输能力转化成相同运输速度和运力下不同到达需求点时间，这样问题就转化成为带时限的多出救点物资调度的数学模型。因此，我们采用一种带有高斯优化的粒子群算法辅助人员进行调度策略，并根据文献结论[5]该算法有较高的寻优能力。算法描述如下[5]：

第一步，初始化参数：粒子群规模n和相关   参数。

第二步，适应度计算：计算每个粒子的适应度值，并检查是否满足约束条件。

第三步，对于每个粒子，如果粒子的当前适应度优于个体极值pbest，pbest设置成当前粒子的适应度。如果粒子的当前适应度优于全局极值gbest，则gbest设置成当前粒子的适应度。

第四步，判断粒子群是否陷入早熟收敛。

第五步，非线性优化，并转至第三步。

第六步，执行高斯优化计算高斯优化后pbest和gbest的值，并和先前记录中的pbest和gbest进行比较，如优于之前的记录，则更新记录中的pbest和gbest。

第七步，判断是否达到最大迭代次数Nmax。如是，输出最优解，否则转第四步。

（2）非消耗性物资周转算法。

铁路施工所用的物资体积和质量较大，一般使用后不会将其返还，而是交给下一个项目（或作业队）。周转目标是在最短的时间内最大化的满足作业单位需求数量。因此，我们将流转周期按时间分为运输时间，使用时间，以及将需求方的紧急程度按最低满足期限进行时间换算，将物资当前位置设为起点，物资需求的最远地点设为终点，这样就将对某个资源的整个物资流动行为转化一个多层多步骤的有向无环图下的动态规划并求其最优解问题。

在这个数学模型下我们选用维特比算法找到最优选择项，维特比算法的基础可以简单概括为下面几步[4]：

第一步，从点S出发，对于第一个状态的各个节点假定有n1个，计算出S到它们的距离，其中代表任意状态1的节点。因为只有一步，所以这些距离都是S到它们各自的最短距离。

3.1.2  组织与权限管理

管理系统内部主要分为三个权限类别：超级管理员，部门（或业务）管理员，普通员工。超级管理员负责对整体系统的维护与权限分配。部门管理员负责对职能范围的数据与业务进行审批或修改。普通员工可以读取权限的内容和在公共平台的信息交流。超级管理员在按系统按该公司的实际组织结构进行划分，如图6所示。然后在每个组织根级目录设置该组织的管理人，成员和职务，并给予相应的权限，如图7所示。

3.1.3  表单与流程

在设计制作各种表单和流程中使用可视化工具以方便人员操作。采用HTML5+CSS+JavaScript的组合满足跨平台以及J2EE框架的需要。

表单样式设计如图8所示，我们在原有的表单样式基础上根据各部门的业务需要和文件样式，设计成专用表格进行文件下发或数据上报。

流程管理模块是系统中最为关键的模块，使用工作流可以提高工作效率，使得办公更加透明。我们将流程主要设置为单向流程（逐级）与并行流程（协同）。在表建立后即可制作流程，通知相关人员查看或审批。工作流程的创建与使用主要分为如下几个步骤：首先使用可视化工具创建工作流，指定每个节点审批的人员，如图9所示。在审批节点中的每个人查看工作流信息，审批通过或选择退回。所有人全部审批通过或审批流程中有人退回则该次审批结束。将表单和流程合并起来并于其他功能一起封装，形成信息管理平台的应用，如图10  所示。工作人员点击相应图标即可启动应用，发起流程。

3.1.4  数据库管理

4  结论

（1）云平台的使用是铁路信息化管理的一种创新，适用于我国目前分散性铁路施工的实际需要，保障了信息交流，提高了工作效率。

（2）基于J2EE的信息管理系统稳定、拓展性强、维护简单，为类似铁路企业这类非IT企业的信息化升级提供了良好的解决方案。

（3）铁路施工物资调度系统中采用高斯优化的粒子群算法和維特比算法可以辅助物资管理人员进行调度决策，节约企业成本。

（4）移动办公可以使得一线作业人员及时获得企业消息以及上传施工信息，摆脱时间和场所局限，提高了工作效率。

（5）本系统的研究与应用是铁路施工管理上的一次大胆尝试，也为今后国内铁路施工行业中“云制造”理念的发展和实践提供有意义的借鉴。

参考文献

[1]Mariano Corsoa， Antonella Martini， Luisa Pellegrini， Silvia Massa， Stefania Testa.Managing dispersed workers： the new challenge in Knowledge Management[J]， 2006： 1-20.

[2]Kiseler R S， Cummings J N. What do we know about proximity and distance in work groups？[M]. Cambridge： MIT Press， 2002： 57-80.

[3]Cramton C D， Orvis K L. Overcoming barriers to information sharing in virtual teams[M]. Gibson， C B.， Cohen， S. G. Virtual teams that Work： Greating conditions for Virtual Team Effectiveness. San Francisco： Jossey-Bass， 2003： 214-230.

[4]吴军. 数学之美[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2012： 229-232.

[5]邬开俊， 王铁君. 带时限的多出救点应急物资调度模型及算法[J]. 计算机工程与应用， 2012， 48（30）： 19-23.

[6]田亚丽. 基于J2EE架构的企业信息化应用平台的研究与设计[J]. 软件， 2017， 38（8）： 197-199.

[7]刘萍， 陈东东. 校园啄木鸟平台的设计与实现[J]. 软件， 2018， 39（4）： 122-125.

[8]尹航， 杨欢， 崔海斌， 等. 基于大数据应用的虚拟化云平台建设方法研究[J]. 软件， 2018， 39（4）： 201-207.

[9]黄超， 唐子蛟. 基于云计算技术的智慧校园平台建设研究[J]. 软件， 2018， 39（5）： 27-30.

[10]王钢， 王书梦. 供给侧改革下农产品供应链“云物流”平台构建研究[J]. 软件， 2018， 39（5）： 75-78.

[11]王月， 阎慧， 梁家林， 等. 科研数字资源平台设计与实现分析[J]. 软件， 2018， 39（5）： 156-159.