李 準(zhǔn)

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

引言

某高原鐵路建設(shè)周期長，面對施工沿線復(fù)雜多變的地形地質(zhì)條件[1]，如何加強(qiáng)工程項目物流管理，保障前方物資供應(yīng)，確保工程項目順利實施，是擺在施工建設(shè)面前必須解決的難題。物流管理系統(tǒng)包括了物資采購、運(yùn)輸、倉儲、搬運(yùn)等全過程管理[2]，綜合該高原鐵路工程規(guī)模、施工周期、運(yùn)輸條件、施工環(huán)境、資源分布等風(fēng)險因素[3]，建立強(qiáng)有力的協(xié)同機(jī)制，以智能物流為平臺，圍繞精準(zhǔn)配送，構(gòu)建供應(yīng)鏈集成環(huán)境下[4]的物流管理體系，是保障現(xiàn)場物資供應(yīng)的有效手段。因此，研究分析高原鐵路物流管理系統(tǒng)迫在眉睫。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對施工物流組織模式做了大量研究，包括有基于供應(yīng)商管理庫存(VMI)思想的庫存管理[5-7]、供應(yīng)商自營物流和第三方物流公司(VMI&TPL)物流系統(tǒng)集成[8-11]等。該鐵路全線施工物流組織建議采取“分段集中、統(tǒng)籌安排、分級配送”的原則[12]，本文借鑒多層級協(xié)同集成技術(shù)，運(yùn)用智能化系統(tǒng)思維，將BIM和GIS技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建智能化物流關(guān)系系統(tǒng)架構(gòu)，形成一套智能化物流管理系統(tǒng)，推動整個高原鐵路的建設(shè)發(fā)展。

1 BIM-GIS的提出和特點(diǎn)分析

建筑信息模型(BIM)是通過三維的方式將信息嵌入到對象模型中，增強(qiáng)可操作性，提高工程管理、共享與協(xié)作的高效性，減少建筑過程中不必要的浪費(fèi)[13]。地理信息系統(tǒng)(GIS)是基于計算機(jī)科學(xué)，綜合地理地質(zhì)學(xué)、勘察測量學(xué)、繪圖定測學(xué)等相關(guān)技術(shù)，并且對各項信息進(jìn)行讀取、保存、查閱、對比和計算的系統(tǒng)[14]。GIS將枯燥的文字、數(shù)字、表格信息地理化、圖形化、形象化，使眾多信息一目了然，強(qiáng)化了分析與表達(dá)能力；地圖的多層處理方式也賦予數(shù)據(jù)更豐富的內(nèi)涵，信息查找與咨詢迅速，輸出形式圖文并茂、精美；體現(xiàn)了系統(tǒng)所要求的透明性、開放性和網(wǎng)絡(luò)性[15]。

從特點(diǎn)分析來看，BIM技術(shù)可以將工程形狀、大小、所占空間等多層級信息進(jìn)行不同階段間的相互比較[16]，而GIS技術(shù)是將工程規(guī)模、施工周期、運(yùn)輸條件、施工環(huán)境、資源分布等多層級外部因素進(jìn)行客觀分析。集成BIM和GIS技術(shù)，將內(nèi)部和外部的多層級因素統(tǒng)籌考慮，即通過對多層級信息流的控制，從材料采保到現(xiàn)場調(diào)用，再到竣工形成實體直至維修保養(yǎng)[17]，將物資廠家、運(yùn)輸企業(yè)、承包人、發(fā)包人形成一個有機(jī)的智能物流網(wǎng)鏈。

2 BIM-GIS多層級協(xié)同物流系統(tǒng)流程設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計階段，利用BIM建立工程信息數(shù)據(jù)庫，利用GIS對物流供應(yīng)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、管理，結(jié)合該鐵路施工物流特征，三者協(xié)同，將繁雜無章的信息變成有序科學(xué)的數(shù)據(jù)，確定準(zhǔn)確的工程屬性信息，從而建立智能物流管理系統(tǒng)模型[18]。智能物流管理系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 智能物流管理系統(tǒng)設(shè)計流程

2.1 物流階段可視化

某高原鐵路涉及面廣，施工單位駐地分散，具有點(diǎn)多、線長的特征，需要借助先進(jìn)的現(xiàn)代物流管理理念，因地制宜，在確定物資供應(yīng)商后，評價料源位置對于項目的進(jìn)度和成本的影響。在料源位置到現(xiàn)場之間，對材料的信息、采購、運(yùn)輸、倉存以及調(diào)配進(jìn)行過程管理，隨時更新信息，建立基于GIS技術(shù)的可調(diào)整最佳運(yùn)輸路線，并對物流實現(xiàn)可視化跟蹤。

2.2 信息流動

某高原鐵路受氣候因素和地理環(huán)境影響較大，鐵路施工過程中不可預(yù)見和多變性隨時發(fā)生，每個環(huán)節(jié)發(fā)生變化都可能影響物流保障，工程項目物流組織更為復(fù)雜。利用BIM建立本項目框架，包含地理、數(shù)量、構(gòu)件等信息，在分析類似歷史數(shù)據(jù)訂購、庫存、運(yùn)輸成本后完成本項目信息。利用GIS網(wǎng)絡(luò)分析，確定運(yùn)輸能力、倉庫能力和產(chǎn)品特質(zhì)的數(shù)據(jù)庫，通過已經(jīng)分析確定的初步最優(yōu)運(yùn)輸路線，修正物資信息，最終得出總成本分析GIS模型，這種可視化跟蹤信息流動的處理方式，能充分掌握實施過程中物資采購成本、運(yùn)輸保存和調(diào)撥庫存等信息，真正實現(xiàn)GIS與BIM的協(xié)同一體化。

2.3 物流監(jiān)控

某高原鐵路工地多較偏僻，山高路險，運(yùn)量和運(yùn)速都受到極大制約，BIM-GIS一體化的應(yīng)用能保證項目管理者所獲得的信息可靠性，實現(xiàn)物資實時可視化跟蹤。將各類物資冠以相應(yīng)的ID，通過ID與計劃工作建立聯(lián)系，管理者可視化核實上一步工序的物資信息，調(diào)控物資下一步工序狀態(tài)，現(xiàn)場管理者可以查看每一個構(gòu)造物組成，并隨時更新信息。

2.4 成本監(jiān)控

該高原鐵路建設(shè)項目工期長，隨著建設(shè)物資供應(yīng)時間加長，局部地區(qū)供求關(guān)系變化，供應(yīng)價格必然受市場經(jīng)濟(jì)波動的影響，客觀上給供應(yīng)組織造成困難。如前所示，BIM技術(shù)提取類似歷史項目中產(chǎn)生的訂購成本、庫存成本、運(yùn)輸成本等數(shù)據(jù)，運(yùn)用到本項目的地理、數(shù)量、構(gòu)件屬性信息，運(yùn)輸車輛依據(jù)通過GIS技術(shù)確立的初步最優(yōu)運(yùn)輸路線和計劃數(shù)據(jù)，從相應(yīng)的廠家出發(fā)，到達(dá)對應(yīng)的施工段落，在運(yùn)輸組織過程中收集實時交通信息與相關(guān)數(shù)據(jù)，GIS模型將其與最初的最優(yōu)運(yùn)輸路線做比較，借助網(wǎng)絡(luò)分析模塊評價和修正物流全過程，從而調(diào)整最優(yōu)交通運(yùn)輸路線，實現(xiàn)最終的最優(yōu)方案。

3 智能物流管理系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)設(shè)計

運(yùn)用BIM-GIS多層級協(xié)同技術(shù)，物流采購階段首先利用GIS選擇最優(yōu)廠家和最優(yōu)運(yùn)輸組織線路，將采購、運(yùn)保和調(diào)撥聯(lián)系起來，綜合考慮優(yōu)化費(fèi)用。其次利用BIM-GIS一體化，可視化監(jiān)控不同物流過程中物資實際狀態(tài)，并實時與計劃方案對比分析修正，積極融合物聯(lián)網(wǎng)、智能移動應(yīng)用等最新信息化技術(shù)。

為解決上述問題，該高原鐵路智能物流管理系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)設(shè)計包括物流執(zhí)行系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)、物流綜合信息系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)值守中心。

3.1 功能模塊

物流執(zhí)行系統(tǒng)包含場地路線規(guī)劃及預(yù)警、智能配貨、車輛定位、環(huán)境影響分析4個模塊。

倉儲管理系統(tǒng)主要包含貨源廠家管理、貨物定位管理兩個模塊。

物流綜合信息系統(tǒng)主要完成貨物狀態(tài)跟蹤功能。

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)值守中心主要包含風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測、溫度濕度監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測。主要完成物流及施工環(huán)境下物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)的接收及存儲。

某高原鐵路智能物流管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 某高原鐵路智能物流管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.2 物流執(zhí)行系統(tǒng)

物流執(zhí)行系統(tǒng)主要包含場地路線規(guī)劃及預(yù)警、智能配送、車輛定位、環(huán)境影響分析4個模塊。主要解決高原鐵路物流安全、物流效率方面存在的問題。從物流安全角度考慮建設(shè)車輛定位、環(huán)境影響分析、預(yù)警功能；從物流效率角度考慮建設(shè)場地及路線規(guī)劃、智能配貨功能。

(1)場地路線規(guī)劃及預(yù)警

在高原鐵路項目施工的過程中，場地是管理系統(tǒng)第一層級因素。場地主要需考慮地形條件、地表附著物、水文地質(zhì)、地方規(guī)劃等風(fēng)險。運(yùn)輸路線是管理系統(tǒng)第二層級因素，運(yùn)輸路線設(shè)計不合理將導(dǎo)致物資的重復(fù)運(yùn)輸，從而影響項目施工進(jìn)度。對于高原鐵路所具有復(fù)雜地形的風(fēng)險因素來說，企業(yè)僅僅開展常規(guī)的三通一平并不足夠。建立實景模型，采集原有地理信息，規(guī)劃臨時施工便道，利用GIS+BIM一體化信息集成技術(shù)，將周圍環(huán)境信息導(dǎo)入到3D地形模型中，通過更為直觀的可視化表現(xiàn)，可以充分了解周邊環(huán)境情況，這樣更有利于規(guī)劃產(chǎn)地布置和運(yùn)輸線路，避免重復(fù)搬運(yùn)，確保物流組織的順利開展。比如針對鋼構(gòu)廠的選址、拌和站的選址等。

針對無法避開的危險運(yùn)輸線路，在GIS可視化場景下進(jìn)行危險路段的高亮或者特殊顏色的標(biāo)注，提醒工作人員以及司機(jī)降速安全行駛。同時可以考慮成本、運(yùn)輸效率等因素來決定是否對危險路段進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)。

充分發(fā)揮BIM與GIS的技術(shù)特點(diǎn)，BIM確定項目所需建筑構(gòu)件的屬性，生成詳細(xì)的物料清單，GIS確定物料的最佳運(yùn)輸路線并根據(jù)可能有的變化進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。同時進(jìn)行實時跟蹤物料狀態(tài)，更新庫存信息，將計劃狀態(tài)與實際狀態(tài)進(jìn)行對比，根據(jù)已建立的評價指標(biāo)對每一個工序進(jìn)行績效評價。

(2)車輛定位

運(yùn)輸環(huán)境艱險、運(yùn)輸場地和路線規(guī)劃難、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定、物流易受天氣、地質(zhì)災(zāi)害等多層級風(fēng)險因素影響，智能物流利用BIM+GIS管理平臺對車輛進(jìn)行定位，若運(yùn)輸車輛出現(xiàn)緊急情況，則平臺做出報警提示，以便及時掌握車況，迅速做出應(yīng)急處理。

為滿足安全及監(jiān)管的需求，系統(tǒng)對施工車輛進(jìn)行定位，車輛的實時位置信息可通過4G、衛(wèi)星、建設(shè)基站等通訊方式上傳至物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)值守中心，數(shù)據(jù)值守中心將車輛的位置信息、時間信息同時接收存儲，可在電腦端、移動端通過GIS平臺實時查看車輛位置信息。

(3)環(huán)境影響分析

為了保障施工安全、合理控制施工進(jìn)度，建立GIS地形建設(shè)環(huán)境監(jiān)測站，遠(yuǎn)程遙測終端和傳感器對風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出設(shè)置閾值的時候提醒施工人員停止施工或者采取保護(hù)措施施工。

3.3 倉儲管理系統(tǒng)

(1)貨源廠家管理

貨源廠家管理主要維護(hù)廠家名稱、廠家地址、貨物種類、貨物規(guī)格型號、廠家地址到倉儲中心的距離、廠家地址到施工現(xiàn)場的距離等多層級因素[19]?；谝陨弦蛩貐f(xié)同匹配最近的貨源地址、最經(jīng)濟(jì)實惠的車輛類型及噸位，降低物流成本，實現(xiàn)智能配送。

(2)貨物定位管理

結(jié)合該鐵路倉儲中心自身的特點(diǎn)，建設(shè)基于BIM技術(shù)的貨物定位管理功能，通過布設(shè)立體貨架或平面?zhèn)}儲區(qū)對貨物進(jìn)行管理。建設(shè)BIM可視化和實際立體貨架、平面?zhèn)}儲區(qū)的對應(yīng)關(guān)系，在BIM可視化中快速定位貨物并在實際位置查找及運(yùn)輸貨物。

3.4 物流綜合信息系統(tǒng)

物流綜合信息系統(tǒng)主要應(yīng)用于物資運(yùn)輸、倉保、調(diào)撥等過程中。在此模塊實現(xiàn)：貨物識別、貨物狀態(tài)、地點(diǎn)跟蹤等各類貨物溯源信息的維護(hù)和檢索。

3.5 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)值守中心

首先建設(shè)環(huán)境監(jiān)測站，遠(yuǎn)程遙測終端和傳感器對溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行實時監(jiān)測[20]。

某高原鐵路數(shù)據(jù)值守中心，主要用來實時接收遠(yuǎn)程遙測站實時上報的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出閾值范圍時系統(tǒng)出現(xiàn)預(yù)警信息，提醒施工條件惡劣，杜絕產(chǎn)生安全隱患，其根本目的是對現(xiàn)場施工環(huán)境進(jìn)行精確監(jiān)控保障施工安全。

(1)風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)測

對圈定地理范圍內(nèi)的施工區(qū)域進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)向的監(jiān)測。首先布設(shè)風(fēng)速傳感器，可設(shè)置監(jiān)測上報的頻率，數(shù)據(jù)值守中心實時接收遙測終端上報的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，當(dāng)風(fēng)速超過設(shè)定速度時，當(dāng)風(fēng)向變化時，系統(tǒng)提供風(fēng)速超閾值預(yù)警功能及風(fēng)向變化提醒車輛運(yùn)行采取安全、環(huán)保措施，保障物流安全及綠色施工。

(2)溫度、濕度監(jiān)測

對圈定地理范圍內(nèi)的施工區(qū)域進(jìn)行溫度、濕度的監(jiān)測。首先布設(shè)溫度傳感器，可設(shè)置監(jiān)測上報的頻率，數(shù)據(jù)值守中心實時接收遙測終端上報的溫度、濕度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度、濕度超出系統(tǒng)設(shè)定的閾值范圍則進(jìn)行自動預(yù)警，管理人員據(jù)此數(shù)據(jù)分析決策物流及施工是否受到影響。

(3)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測

地質(zhì)災(zāi)害對物流及施工會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果，尤其是物流階段，物流可能在艱險山區(qū)、高山峽谷，當(dāng)出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害時安全撤離時間得不到保障[21]。

考慮地質(zhì)災(zāi)害的局部性、時間敏感性等特點(diǎn)可建設(shè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測傳感器，采用高頻率的上報方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)值守中心，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)的相對位移量數(shù)據(jù)超出閾值范圍時，該系統(tǒng)第一時間給出預(yù)警，物流及施工相關(guān)人員第一時間從移動端獲知安全隱患則停止施工。

4 智能物流管理系統(tǒng)架構(gòu)確定

某高原鐵路智能物流管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計依據(jù)鐵路施工行業(yè)物流運(yùn)輸特點(diǎn)結(jié)合高原鐵路沿線地形環(huán)境特點(diǎn)，本著穩(wěn)定、實時、高效的設(shè)計原則，采用多層級協(xié)同技術(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證物資配送過程中的每個環(huán)節(jié)都能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)、全面的監(jiān)控調(diào)度，為鐵路工程進(jìn)度保駕護(hù)航。

4.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

某高原鐵路智能物流管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行需要穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時精準(zhǔn)傳輸，通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 某高原鐵路智能物流管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由圖3可知，平臺網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器架構(gòu)主要涉及三大方面，其一是精準(zhǔn)的終端定位網(wǎng)絡(luò)，其二是可靠的終端數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，第三部分是平臺數(shù)據(jù)中心服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計[22]。

通過北斗結(jié)合GPS雙重定位網(wǎng)絡(luò)，盡可能保證車輛位置信息能夠精準(zhǔn)采集；采用4/5G結(jié)合衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以保證車輛位置、狀態(tài)信息及相關(guān)突發(fā)情況信息能夠?qū)崟r穩(wěn)定的上報數(shù)據(jù)中心；設(shè)置身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密防護(hù)墻進(jìn)行數(shù)據(jù)安全防護(hù)，數(shù)據(jù)解析服務(wù)、BIM+GIS服務(wù)以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與外部網(wǎng)絡(luò)隔離，保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的安全性。

4.2 軟件架構(gòu)

整個系統(tǒng)根據(jù)使用場景通過物流執(zhí)行系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)、物流綜合信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)值守中心4個子系統(tǒng)的協(xié)同工作，實現(xiàn)工程物流管理的全方位覆蓋。

平臺按技術(shù)職責(zé)劃分為業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信服務(wù)、數(shù)據(jù)解析服務(wù)、GIS+BIM服務(wù)系統(tǒng)四大部分。

業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)平臺相關(guān)業(yè)務(wù)功能的實現(xiàn)，采用SOA架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)，客戶端系統(tǒng)包括網(wǎng)頁端系統(tǒng)和手機(jī)APP端系統(tǒng)，提供具體的業(yè)務(wù)操作功能；Service層負(fù)責(zé)實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換，同時為網(wǎng)頁端和手機(jī)端系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)交換接口，完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的維護(hù)[23]。

數(shù)據(jù)通信服務(wù)包括基礎(chǔ)Socket通信服務(wù)與衛(wèi)星通信服務(wù)兩部分，衛(wèi)星通信服務(wù)負(fù)責(zé)收發(fā)北斗短報文數(shù)據(jù)，通過RS232/RS458與衛(wèi)星接收終端設(shè)備連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，將解析完成的數(shù)據(jù)通過Socket通信轉(zhuǎn)發(fā)至基礎(chǔ)Socket服務(wù)，同時將基礎(chǔ)Socket服務(wù)發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)封裝為北斗短報文數(shù)據(jù)包并發(fā)送到其他衛(wèi)星通信終端；Socket服務(wù)負(fù)責(zé)接收車載終端發(fā)送的定位及其他上報信息以及通過衛(wèi)星通信服務(wù)接入的相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，將與數(shù)據(jù)解析服務(wù)進(jìn)行雙向通信完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的收發(fā)存儲。

數(shù)據(jù)解析服務(wù)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通信服務(wù)上報的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析存儲。采用Socket通信與數(shù)據(jù)通信服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時調(diào)用業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)API實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互。

GIS+BIM服務(wù)負(fù)責(zé)GIS地圖與BIM模型的發(fā)布，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的地理信息數(shù)據(jù)和BIM模型數(shù)據(jù)。

最終確定系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 高原鐵路智能物流管理系統(tǒng)架構(gòu)

5 結(jié)語

物流水平高低是高原鐵路建設(shè)施工能否順利完成的關(guān)鍵，是體現(xiàn)我國鐵路建設(shè)競爭實力的核心內(nèi)容。針對該高原鐵路特有的建設(shè)施工特征，圍繞高原鐵路建設(shè)項目物流管理各類風(fēng)險因素，構(gòu)建基于BIM+GIS一體化多層級協(xié)同技術(shù)的高原鐵路智能物流管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)在該高原鐵路中已全面試運(yùn)行，運(yùn)行安全可靠，實現(xiàn)其一體化全生命周期管理目標(biāo)。同時，由于本系統(tǒng)是一種項目驅(qū)動的動態(tài)系統(tǒng)，需要建設(shè)管理人員、勘察設(shè)計人員、施工人員、物資管理人員進(jìn)行信息充分共享，實現(xiàn)操作性更強(qiáng)的一體化、標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)，