铁路工程施工组织智能化提升关键技术研究与应用

解亚龙 刘红良 李祯怡 聂现会 耿重阳 陈志

1.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；2.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081

铁路建设属于大型基建项目，具有建设周期长、施工难度大、建设标准高、协调关系复杂等特征，施工组织管理的水平也直接影响到工程进度、质量、安全等建设目标。目前我国铁路工程施工组织编制及管理仍处在较低水平，施工组织管理中存在计划编制难、审查难、跟踪难、调整难等问题。

我国一些学者对施工组织进行了研究。胡民等［1］提出施工组织设计编制、审查和动态管理的要点。曹政国等［2］论述了BIM 技术在施工组织设计中的应用，从利用BIM 模型模拟工程进度、快速计算工程费用、规划运输路线等方面进行了探讨。马栋［3］对实施性施工组织设计编制与实施中存在的问题以及对策进行了研究。史永跃等［4］提出由于施工过程的复杂性和具体项目的特殊性，需引入数字化和信息化手段提升施工组织设计的编制水平。王鹏［5］提出高原山区铁路隧道工程工期指标测算理论值以及其他专业工程工期指标降效原则，并在此基础上测算给出了各专业工程工期指标推荐值。朱立成等［6］提出了长大隧道施工组织多层次综合评价方法，指出隧道施工组织的重中之重是施工安全，影响施工组织设计效果的主要风险因素为施工进度、资源配置优化与控制。魏强等［7］提出铁路施工组织信息化管理架构、施工组织动态管理方法和措施。既有研究多是施工组织的影响因素分析、综合评价，对铁路建设施工组织的研究仅停留在对施工组织的设计，针对施工组织信息化和智能化的研究较少。鉴于此，本文提出铁路工程施工组织管理智能化的目标，并建立施工组织计划智能管理系统，为实现铁路工程建设资源科学配置、工期合理优化、工程质量优质、安全风险可控和管理协同高效提供技术支持。

1 施工组织管理系统设计

1.1 系统建设目标

通过典型专业的业务建模，将铁路工程各专业工序、工项的施工顺序进行形式化表达和编码，构建多层级大规模的任务节点网络，使施工组织计划的调整由原来孤立的单项调整转变为链式或网络状的联动调整。利用图形化显示技术，将铁路工程施工组织计划进行图形化表达，形成一套界面友好、高效快速的施工组织设计软件，将施工组织计划编制与实际施工进行关联，进行实际进度跟踪和预警。在实际进度的基础上计算推演完工日期，提醒管理者及时调整资源配置，给出施工组织调整建议，突破当前铁路工程施工组织经验管理的局限性。

1.2 系统框架设计

1.2.1 施工组织计划管理系统架构

铁路工程施工组织计划管理系统架构（图1）主要由施工组织计划编制软件和施工组织计划管理功能构成。该系统突破了业务建模、进度跟踪预警与联动调整等关键技术，在标准规范和安全保障的双重支撑下实现施工组织辅助编制、审查、进度跟踪与预警、动态调整等功能。

图1 铁路工程施工组织计划管理系统架构

1.2.2 施工组织计划智能化管理及实施路径

通过统一的结构分解模版、工效指标库、工作任务模板库、工作任务时序规则库，研制交互式的施工组织计划编制软件，快速编制科学的施工组织计划。研制施工组织计划审查软件，提供基于斜率图、横道图、时标网络图三图联动的施工组织计划图形化工具，有效揭示施工组织计划的重点和难点，实现协同审查和可视化审查，解决施工组织计划审查难的问题。通过多源数据的采集和相互印证，施工进度的动态计算和实时预警，形成施工组织计划管理综合看板，解决施工组织计划跟踪难的问题。通过实际进度与计划进度的匹配和分析，给出施工组织调整的建议，解决施工组织计划调整难的问题。铁路工程施工组织计划智能化管理及实施路径如图2所示。

图2 铁路工程施工组织计划智能化管理及实施路径示意

1.2.3 统一的语义定义与编码体系

铁路建设是一项复杂开放的系统工程，覆盖多专业多阶段，在信息系统构建上必须考虑建立统一的基础数据。参考文献［8-11］及Q/CR 9004—2018《铁路工程施工组织设计规范》，按工程结构分解（Engineer Breakdown Structure，EBS）和工作任务结构分解（Work Breakdown Structure，WBS），统一各个业务系统的语义定义。参照建筑领域的编码，充分结合铁路工程建设的业务特点，根据T/CRBIM 003—2015《铁路工程信息模型数据存储标准》、T/CRBIM 002—2014《铁路工程信息模型分类和编码标准》、T/CRBIM 007—2017《铁路工程信息模型交付精度标准》、T/CRBIM 005—2017《铁路工程信息模型表达标准》，形成工程结构分解模板。制定铁路工程建设工作任务结构分解的编码体系标准，制定结构分解编码规则，以工程部位为基础关联工程部位相关属性，实现以施工组织为核心的业务数据全面共享。

2 关键技术研究

2.1 铁路工程施工组织工序业务模型建立关键技术

施工组织计划编制软件与中国国家铁路集团有限公司构建的铁路工程管理平台实现数据互通，将铁路工程管理平台的项目、工点、EBS、WBS 等信息自动同步至施工组织计划编制软件中，同时应用内置施工工效指标库、任务模板库和交互式的图形界面，按照项目的联调联试和铺架线日期自动倒排工期，快速编制符合要求的施工组织计划。

2.1.1 构建基于工序工项的指标库

工效指标指施工效率定额，用来表征施工队伍在生产工具、资源配置和工况一定的条件下，在单位时间内完成的实物工程量，本质上是评价劳动生产率高低的指标。施工效率指标库为不同施工企业、不同专业、不同工序、不同工况下的施工效率定额库。建立每项施工任务的工作效率库，为精确估算工程进度提供基础和依据。

2.1.2 构建基于工作任务排布的模板库

铁路工程的施工任务存在一定的规律性，而且铁路工程标准构件多，各个工序之间存在明确的先后顺序，将这些工序的紧前工作和紧后工作形成的计划网络固化成模板，按照“专业、工点、工序”的分级方式，将施工工序存在标准化、重复性特征的施工作业任务编排成一个集合，将集合进行形式化表达后存储在数据库中，建立多层级的网络计划模板库。在整体项目进行施工组织方案编制时可使用网络计划模板库，快速编排网络计划，并可降低项目级任务编排的复杂度。通过分专业建立工作任务模板库，形成切合实际的多层级模板库。

以混凝土连续梁施工为例，构造多层级网络计划模板库，见图3—图5。其中P为节段数。由图3—图5可知，构造多层级网络计划模板库，逐级分解可准确表达任务之间的时序关系，精确测算整个任务持续时长，通过建立任务之间协作关系，为整体网络的联动调整奠定基础。

图3 混凝土连续梁施工网络计划（一级网络计划）

图4 T构施工网络计划（二级网络计划）

图5 0#节段施工网络计划（三级网络计划）

2.1.3 基于网络计划的工作任务自动排布算法

本文提出基于多级网络计划的施工组织计划与跟踪管理方法，是一种确定性的计算方法。

具体实施步骤：①利用网络图形式表达铁路工程施工组织计划中工作任务之间的相互关系和先后顺序；②依据网络图计算总时差和自由时差，得到影响工期的关键线路和关键工作；③在多级网络图的基础上，通过不断调整网络计划，寻求最优方案并付诸实施；④在计划实施过程中采取措施对其控制，以合理使用资源，高效、优质、低耗地完成预定任务。

在传统网络计划的基础上，提出多层级的时标网络计划用于施工组织计划的编制和跟踪管理。将时标网络计划分为全线总集网络计划、构筑物网络计划、工点网络计划和工序网络计划多个层级。下一级网络计划是上一级的基础，上下级网络计划之间可以联动和互馈，底层网络计划的调整会影响和牵动整体网络计划，分部或分项网络计划影响总集网络计划。在进度预警上采用分级预警的方式。

2.2 铁路工程施工组织工序、工项联动调整关键技术

2.2.1 施工进度的多样化度量

铁路工程进度常采用形象进度、实物工程进度和投资完成进度三种指标衡量。形象进度指通过二维或三维图形象展示铁路工程在一定时间点（通常是期末）达到的进度指标，通常通过颜色、百分比展示各部位的完成进度。桥梁形象进度如图6 所示。其中：红色代表已完工，绿色代表正在施工。实物工程进度是采用完成的工程量衡量进度的指标。投资完成进度是采用完成的工程所用投资衡量进度的指标，通常以验工计价的数据作为计算依据。

图6 桥梁形象进度展示

2.2.2 多源进度采集校核技术

对实际工程的动态管理其实是静态、滞后、被动的，及时有效地采集进度数据并进行校核，可辅助施工管理者掌握现场进度动态。多源进度信息的采集需利用多种传感设备结合人员填报等方式获得，进度数据准确性的判断则依赖于工序间的逻辑关系。

设待校核的工程中工序完成时间集合为

式中：tN为工序完成时间，d；N为工序数。

若tN-1≤tN，则校核函数值为1，表示该工程进度数据正常；若tN-1＞tN，则校核函数值为0，表示该工程进度数据有误，需进行追溯。

以站前工程为例，校核过程为：①将每个工程结构部位打上唯一标签；②每个工程结构部位的所有工序完成时间构成集合；③根据内置的工序逻辑关系，对各工序的完成时间进行比较；④若符合工序逻辑约束（先完成的工序时间小），则该工程结构部位的进度数据无误；⑤若存在工序时间倒置，则需对该工程结构部位进度数据进行追溯。

通过电子施工日志、工程调度、现场监测等多维信息采集方式，构建多源的覆盖站前、站后进度的采集方式，建立铁路工程建设全专业进度管控体系，为施工组织计划的协同编制和动态调整，智能纠偏、资源优化及辅助决策奠定数据基础。

2.2.3 进度跟踪预警图形化显示技术

进度跟踪预警主要有斜率图、横道图、网络计划图三种展示方式。斜率图是线状工程常用的进度表示方法，其横轴是里程，纵轴是时间，展示每个施工任务的起止里程和持续时长。这样每项任务在图上表现为一条斜线，其中斜率显示施工效率，可直观展示各专业工程完成进度百分比及进度滞后情况。横道图可直观展示工作任务与时间的关系，但在展示工作任务之间的逻辑关系和关键线路上存在不足，不便发现主要矛盾。网络计划图将各项工作任务的安排和时序关系用网络来表达，能够精确展示任务之间的紧前、紧后关系，每个工作任务的持续时长，自由时差和关键路径，是用于施工进度控制的有效工具。

本文施工组织管理系统支持三种图形之间的自由切换，结合实际进度采集，能够实时进行进度推演和进度提醒，并支持在线打印。

2.2.4 施工进度推演算法

以隧道专业为例，隧道正洞及附属构筑物在修建过程中均会形成开挖工作面。当隧道中存在多个开挖工作面时，根据施工顺序差异，各开挖工作面之间会形成多条并行的工作面链，则隧道工期为工作面开挖时间的最大值。根据资源配置情况，某段隧道正洞的开挖方式主要有单工作面开挖和双工作面对向开挖。单工作面开挖的施工时间为对应围岩段落的开挖时间总和。对于双工作面对向开挖，有“不见不散”和“定点贯通”两种施工方式。“不见不散”是指在施工过程中，两组施工队伍相向施工，直至最终相遇贯通；“定点贯通”是指两组施工队伍约定在隧道中的某点相遇。图7 中，隧道两相邻斜井间的距离为S，任意隧道段落长度为sj，j为按隧道围岩等级切分的段落序列数。

图7 铁路隧道工程不见不散推演示意

设某段隧道围岩分为I个等级，i为围岩等级序列数。围岩分布序列W={wi}，i= 1，2，…，I，开挖速度随围岩等级分布序列V={vi}，i= 1，2，…，I。设按照围岩等级切分该段隧道可分为J段，其里程分布序列S={sj，i}，j= 1，2，3，…，J。设该段隧道开挖方式用集合E={e1，e2，e3}表示，e1为单工作面开挖，e2为“不见不散”开挖，e3为“定点贯通”开挖。

对于单工作面开挖情况，其开挖时间为

式中：vi为开挖速度。

对于双工作面开挖情况，采用“不见不散”开挖方式时开挖时间为

采用“定点贯通”开挖方式，设贯通点里程为Dm，贯通点所在段落的开挖速度为vm。Dm在分布序列中包含于sj，i，则Dm将sj，i分为两个区段。设第一个区段sm属于第一个开挖工作面，第二个区段sj，i-sm属于第二个开挖工作面。该段隧道开挖时间为

式中：j′为第一个区段的隧道围岩段落序列；j″为第二个区段的隧道围岩段落序列。

3 系统功能设计

3.1 施工组织计划编制智能化

铁路工程涉及专业多，主要的构筑物多，编制合理的施工组织计划往往依赖编制人员的经验。铁路工程领域长期缺少施工组织计划编制的工具软件，现提出一种铁路施工组织计划编制软件，内置主要工序衔接关系、各专业工效指标，从而实现施工组织计划的智能化编制。

3.2 施工组织计划审查智能化

铁路施工组织计划审查通常由中国国家铁路集团有限公司和建设单位组织，主要依靠人工经验对施工部署、施工方案、工期计划、施工准备条件、安全质量保证措施等内容重点审查。

施工组织计划审查系统将整体指导性施工组织计划和实施性施工组织计划，通过斜率图、横道图和网络计划图形象化表达，清晰展示各个构筑物和各工序的前后关系和持续时长，同时标识出相关的施工进度指标、施工效率、施工资源的匹配关系，方便审查者发现问题。

3.3 施工组织计划动态跟踪智能化

由于施工过程中的复杂性、动态性、不确定性等原因，使得工程实施中进度的预测与管理难度较大。基于工效指标库制定多层级时标网络计划，根据现场反馈的各个构筑物、分部、分项的实际进度，从底层网络计划计算出全线总集网络计划，计算出精确的关键线路、关键工作任务和完工日期。

3.4 施工组织计划调整智能化

施工组织管理系统内置了各专业施工工序逻辑关系，可以实现局部工期调整时整体工期的快速计算与调整，能够给出合理的施工组织计划调整方案，节省编制和调整人员的精力，提高编制与调整的效率。施工组织管理系统对工期偏离进行提醒并给出调整建议。以桥梁专业为例，将架梁段落与桥墩关联。若某一桥墩施工组织计划调整时，架梁计划将同步进行调整。调整建议以图形形象化展示，见图8。

图8 施工组织计划智能化调整建议

4 应用效果验证

西昆（西安—昆明）高速铁路是全国铁路“八纵八横”高速铁路主通道京昆通道的重要组成部分，具有隧线比高、地势切割强烈、地形起伏大、不良地质多、区域环境敏感、工程量大等特点，对施工组织计划的编制和动态管理的要求高。应用施工组织管理系统，将本项目中的隧道、桥梁、路基等进度数据集成到统一的数据指标看板，将各模块的数据统一呈现，实现动态显示各工点进度情况。针对滞后工点进行分级预警，并推演形成施工组织的调整建议，实时计算和比选关键路径。西昆高速铁路动态施工组织管理系统界面见图9。

图9 西昆高速铁路动态施工组织管理系统界面

通过在西昆高速铁路的试点应用，施工组织管理系统达到的效果主要为：①在工期管理和预警上实现了分级提醒滞后预警，针对隧道专业滞后情况，支持人为调整隧洞围岩的进度指标，重新推演完工日期，对工期进行辅助研判；②在施工组织管理上实现了多种图形化展示方式，通过统一看板直观浮现问题，将隐形问题显性提醒，将未来隐患超前预警；③通过进度数据的自动采集，实时计算和推演工程动态，直观显示和实时比选关键路径；④实现了施工组织计划的直接打印输出，方便后期加工使用。

5 结语

本文提出铁路工程施工组织智能化方案，并构建了施工组织管理系统。通过构建施工效率指标库、多级网络计划模板库，基于网络计划技术的工作任务自动排布算法，实现施工组织计划编制智能化。通过多样化度量、多源采集校核技术、跟踪预警图形化显示技术以及进度推演算法，图形化展示指导性施工组织计划和实施性施工组织计划中关键任务序列和持续时长，标注施工进度指标和资源配置情况。利用斜率图、横道图和网络计划图三图联动、互为补充的方式展示进度情况，实现施工组织计划在执行过程中审查智能化、动态跟踪智能化和调整智能化，为施工组织管理提供有效工具和手段。

在实际应用中通过积累大量现场客观数据，优化施工进度指标库，积累施工组织计划编制、审查、跟踪和调整案例，形成更加科学合理的指标库、模板库、进度预警算法，为铁路工程施工组织计划的智能化管理开辟了新思路。