基于物联网的铁路建设监理管理信息系统研究D.docx
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基于物联网的铁路建设监理管理信息系统研究D
硕士学位论文
基于物联网的铁路建设监理管理信息系统研究
RailwayConstructionSupervisionManagementInformationSystembasedonInternetofThings
作者：
王在磊
导师：
刘仍奎
北京交通大学
2018年10月
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。
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导师签名：
签字日期：
年月日签字日期：
年月日
中图分类号：
UDC：
学校代码：
10004
密级：
北京交通大学
硕士学位论文
基于物联网的铁路建设监理管理信息系统研究
RailwayConstructionSupervisionManagementInformationSystembasedonInternetofThings
作者姓名：
王在磊学号：
09121349
导师姓名：
刘仍奎职称：
副教授
学位类别：
工学学位级别：
硕士
学科专业：
交通运输规划与管理研究方向：
交通运输信息技术
北京交通大学
2018年10月
致谢
本论文在刘仍奎副教授的悉心指导和严格要求下完成的，从论文的选题、基础资料的收集到论文的写作、修改和定稿，无不凝聚着刘老师的心血和汗水。
在两年的研究生学习和生活期间，导师的精心指导和无私的关怀，使我受益匪浅。
在此向刘仍奎老师表示深深的感谢和崇高的敬意。
在论文的写作过程中得到了王福田高工的悉心指导，他严谨的治学态度和科学的工作方法让我感受颇深，不管是学习上还是生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向王老师表示我最诚挚的感谢。
论文的选题来源于兰新铁路第二双线（新疆段）建设监理跟踪管理信息系统，在系统的开发过程中的得到了兰新客运专线安全质量部的大力支持和帮助，论文中部分观点形成于系统开发过程，并在实际应用中得到完善，在此对兰新客运专线安全质量部表示衷心的感谢。
还要感谢在学习和生活上一直给予我关心和帮助的孙涛师兄、田希雅师兄以及课题组徐鹏、汤国防、唐源洁、石彤、陈飞、李现涛、王雪霏、李擎、丁顺福、龙慧等同学，没有你们的帮助我很难顺利的完成论文，谢谢你们！
研究生期间，在交通运输学院的各位老师的指导下，我的专业知识有了较大的进步，毕业之际，向您们表示最诚挚的感谢，感谢您们几年来对我的帮助，您们辛苦了！
本次写论文的经历也会使我终身受益，我感受到写好论文是一件要用心去做的事情，也是一个真正的自己学习和研究的过程，没有学习就不可能有研究能力，没有自己的研究，就不会有所突破和创新。
希望这次经历能在以后的学习和工作中激励我继续进步。
最后，衷心感谢我的家人和我所有的朋友，你们莫大的支持与关怀使我能够在学校专心完成我的学业，感谢您们！
摘要
近年来，我国开展了大规模的铁路建设，铁路建设工程监理在其中发挥了重要作用，他们是连接建设单位和施工单位的桥梁，代表业主对工程的进度、质量、安全等工作进行有效的监督与控制，监理管理的信息化对加强铁路建设工程项目管理具有重要意义。
本文的主要工作是借鉴物联网、GIS技术和“智慧地球”思想，并将其应用于铁路建设工程监理管理信息系统的研究：
论文首先分析了国内外铁路建设工程监理管理信息化的研究现状和监理管理存在的问题；其次，分析了铁路建设工程监理管理的业务需求和数据需求，并研究了监理管理相关数据的分类、采集方法和编码方法；第三，采用GIS技术建立了监理位置数据与铁路建设工程进度控制、质量控制、安全控制以及监理评价等业务之间的关联关系，结合铁路建设标准化管理的要求，形成了基于位置信息的监理跟踪、考核和评价模型，为监理评价提供决策支持；最后，结合现场监理管理的业务需求，完成了系统设计，并将相关研究成果应用到兰新铁路第二双线建设工程中。
现场的实践表明，系统促进了监理管理工作的规范化和标准化，对铁路建设工程进度控制、质量控制、安全控制等项目管理工作的落实起到积极的作用。
关键词：
铁路建设工程；监理管理；信息系统；物联网；“3I”思想；GIS
ABSTRACT
Inrecentyears,Chinacarriedoutalarge-scalerailwayconstructionamongwhichrailwayconstructionsupervisionplayedanimportantrole.Theyarethebridgebetweentheconstructionunitsandbuildingunits,andactonbehalfoftheowners’effectivesupervisionandcontroloftheprogress,quality,andsafetyoftheproject.Supervisionmanagementinformationisofsignificancetostrengthentherailwayconstructionprojectmanagement.
Thispaper’smainjobistouseinternetofthings,GIStechnologyandthe"wisdomoftheEarth"ideaforreference，andapplyitintheresearchofsupervisionmanagementinformationsystemofrailwayconstruction.Firstly,theauthoranalyzestheactualityresearchofsupervisionmanagementinformationathomeandabroadandproposesproblemsinsupervisionmanagement.Andthen,analyzesbusinessrequirementsanddataneedsofthesupervisionmanagementofrailwayconstructionproject.Also，studiesthesupervisionmanagementdata’sclassificationmethods,collectionmethodsandcodingmethods.Third,basedontheGIStechnologythispaperestablishestheincidencerelationbetweensupervisorypositiondataandprogresscontrol,qualitycontrol,andsafetycontrolandsupervisionevaluation.Andcombinedwithstandardizedmanagementrequirementsforrailwayconstruction,formsasupervisiontracking,assessmentandevaluationmodelwhichbasedonlocationinformationforsupportingthedecisionofsupervisionevaluation.Finally,combinedwithbusinessrequirementsofon-sitesupervisionmanagement,completesthesystemdesignandapplytherelatedresearchresultstotheLan-xinrailwayconstructionprojectintheseconddoublelane.Theon-siteexperiencehasshownthatthesupervisionsystempromotesthestandardizationofthesupervisionmanagementoftherailwayconstructionproject,andplaysanactiveroleinimplementingschedulecontrol,qualitycontrol,safetycontrol,etc.ofprojectmanagement.
Keyword:
Railwayconstructionproject;Supervisionmanagement;Informationsystem;InternetofThings;"3I"thinking;GIS
目录
摘要iii
ABSTRACTiv
1绪论1
1.1课题背景与研究意义1
1.2国内外研究现状3
1.2.1国内研究现状3
1.2.2国外研究现状5
1.3铁路建设监理管理存在的问题6
1.4系统研究思路7
1.5论文的组织结构7
2相关理论及实现方法研究9
2.1物联网9
2.1.1物联网的定义9
2.1.2物联网的发展历程9
2.1.3物联网的原理及应用10
2.2智慧地球12
2.2.1“智慧地球”概述12
2.2.2“智慧地球”的核心—3I12
2.2.3“智慧地球”和物联网15
2.3地理信息系统15
2.3.1地理信息系统的概念16
2.3.2地理信息系统的应用16
2.3.3地理信息系统的空间分析17
3铁路建设监理管理信息系统的数据模型19
3.1业务和数据需求19
3.2数据的分类与采集20
3.2.1数据源分析20
3.2.2数据采集方法27
3.3数据关联29
3.3.1数据编码29
3.3.2数据关联关系研究31
3.4数据分析模型35
3.4.1监理业务数据的真实性校验35
3.4.2监理考核数据分析36
4基于物联网的铁路建设监理管理信息系统设计40
4.1系统设计目标40
4.2系统总体框架40
4.3系统功能设计42
4.3.1数据采集终端模块43
4.3.2监理跟踪管理模块44
4.3.3监理管理业务模块46
4.3.4监理考核模块47
4.3.5系统维护模块47
4.4数据库设计49
5基于物联网的铁路建设监理管理信息系统应用案例52
5.1系统简介52
5.2系统应用53
6总结与展望59
参考文献60
附录A62
附录B64
作者简历66
独创性声明67
学位论文数据集68
1绪论
1.1课题背景与研究意义
（1）我国铁路建设快速发展的要求
“十一五”期间，我国铁路取得了辉煌的成绩。
2007年4月18日铁路顺利实施了第六次大面积提速。
2008年10月31日，中长期铁路网规划再次调整，根据新调整的方案，将2020年全国铁路营业里程规划目标由10万公里调整为12万公里以上，主要繁忙干线实现客货分线，基本形成布局合理、结构清晰、功能完善、衔接顺畅的铁路网络，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。
铁路现在的建设队伍完成每年500亿元左右的建设任务都比较艰巨，而中长期铁路网规划要求到2020年铁路要完成2万亿元以上，平均每年近千亿元的任务量，建设多条客运专线。
2006年到2020年铁路将迎来新一轮的建设高潮[1]。
铁路建设的快速发展无疑对铁路建设项目管理提出了新的要求。
为了保证铁路建设项目的投资得到有效控制，安全、质量和工期得以全面保证，必须对铁路建设项目进行有效的管理。
作为建设单位和施工单位桥梁的监理单位，也应积极响应标准化项目管理的要求，严格遵守《铁路建设工程监理管理暂行办法》[31]、《铁路建设工程监理规范》[32]和其他相关的监理管理办法，严把项目管理质量，力争创造铁路建设精品工程。
（2）铁路建设工程标准化管理的要求
为了提高铁路建设项目的管理水平，促进铁路建设项目工程管理的科学化、规范化和法制化，全面落实铁道部“六位一体”（安全、质量、工期、投资、环境、技术）[26,27]管理要求，推进铁路建设项目管理与国际接轨，铁道部于2008年3月15日正式提出了铁路建设项目标准化管理。
铁路建设标准化管理是推动铁路建设管理由粗放管理向精细管理转变，由传统管理向科学管理转变，又好又快推进大规模铁路建设的必然要求和根本保障。
《标准化指挥部》[26]、《标准化工地》[33]、《标准化监理站》[2]等分别对建设单位、施工单位和监理单位提出了具体的要求，具有很强的针对性和实用性。
铁路建设工程监理站标准化管理的内容主要包括：
管理制度标准化、人员配备标准化、现场管理标准化和过程控制标准化。
1）管理制度标准化
监理站管理制度标准化是根据工程建设法律法规和铁道部、上海铁路局有关管理制度，结合建设项目特点制定的监理管理规范性文件，构建结构清晰、职责明确、内容稳定、体现“六位一体”管理要求，实施有规范、操作有程序、过程有控制、结果有考核的监理站管理制度。
2）人员配备标准化
监理人员配备标准化是依据监理投标承诺、《铁路工程建设监理规范》（TB10402-2007）[32]，结合工程建设的规模特点和不同施工阶段的要求，配备具有相应职业资格、遵守职业道德的人员，并优化组合，做到年龄结构合理、专业配套、素质较高，形成结构层次分明的高素质监理团队。
3）现场管理标准化
建设项目现场是各种建设要素的集合，是实施监理单位标准化的载体。
监理现场管理是监理单位对现场资源进行有效整合的监控以达到建设目标的动态创造性活动。
监理现场管理标准化是将监理的现场管理工作内容具体化、定量化，实现施工现场文明施工、规范建设。
4）过程控制标准化
过程控制标准化是将现场标准化贯穿于整个建设过程。
过程控制就是采用各种检查、检测手段，通过开展“三集体”活动，对建设项目从开工到竣工进行全程监控，将过程控制具体化、定量化、系统化，形成过程管理工作标准，按照工作标准实施过程管理，实现“六位一体”的管理目标。
（3）物联网的快速发展
1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议首先提出物联网（InternetofThings）这个概念。
2003年，美国《技术评论》提到物联网将是改变人类生活的首要技术。
在2005年的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：
物联网》，正式提出了“物联网”的概念。
报告描绘了物联网广阔的市场潜力以及物联网在社会发展、人类日常生活方面产生巨大影响[3]。
比如高铁物联网作为物联网产业中投资规模最大、市场前景最好的产业之一，正在改变人类的生产和生活方式。
据中心工作人员介绍，以往购票、检票的单调方式，将在这里升级为人性化、多样化的新体验。
刷卡购票、手机购票、电话购票等新技术的集成使用，让旅客可以摆脱拥挤的车站购票；与地铁类似的检票方式，则可实现持有不同票据旅客的快速通行。
物联网技术的发展，使得以前的一些不可能变成了现实，人们可以利用GPS技术、传感器技术、射频识别技术、智能嵌入技术实现人与物之间甚至是物与物之间在任意时间进行联系和沟通，使物品拟人化等。
因此，物联网的快速发展给项目管理带来了新的技术手段，为实现项目智能化管理提供了强有力的技术支撑。
铁路建设的快速发展浪潮给铁路建设提供了机遇，同时也给铁路建设管理提出了严峻的挑战；铁路建设标准化管理无疑给铁路建设参建单位提供了坚实的理论指导，使得监理单位的管理更加规范化和标准化；物联网技术的应用，对铁路建设信息系统的建立提供了有力的技术支撑，而将物联网技术及相关思想应用于铁路监理管理当中，是铁路建设项目管理信息化的一个新方向，有效的实现了监理管理的实时性，为铁路建设工程管理工作中的计划、进度、质量控制以及工期保障提供决策支持；具有加速工程项目各种信息的流转速度、提高工作效率、强化工程项目管理的信息化水平、降低工程项目建设成本的现实意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内研究现状
我国实行监理制以来，铁路建设管理水平得到了很大提高，但由于我国开展建筑监理工作的时间较短，建设工程监理相应的MIS系统开发、研究与其他行业相比，存在着相当大的差距和发展不平衡。
目前我国与监理管理有关的比较成熟的监理系统有：
北京交通大学国家重点实验室研发的《精伊霍铁路建设项目管理信息系统》、《喀和铁路建设项目管理信息系统》；同济大学1990年推出的《PMIS监理软件包》[11]；水电部开发司及水利部在1993年研发了《工程监理软件包》；由上海市建筑科学研究院和上海市建筑业管理办公室联合开发研制的《工程项目监理软件》[25]；京兴建设监理公司开发的“监理通2000”等等。
唐源洁在《铁路建设工程检验批数据特征分析与应用研究》[28]中，根据对检验批的分析和研究以及对现场监理工程师业务需求的理解，提出了基于检验批数据的监理公司和监理工程师的评价数据计算模型。
真实有效地管理监理工作，提高了监理管理的决策支持能力。
柳波在《基于SOA架构的铁路建设项目管理信息系统研究》[29]中提到：
精伊霍铁路建设项目管理信息系统包含了监理管理这一子模块，它结合了建设管理各方和参建各方的各项管理需求，利用网络建立起一个监理可以与建设、设计、施工单位各方进行信息交流和管理的平台，同时也可以根据监理的业务成绩对监理单位进行考核评价。
图1-1精伊霍铁路建设项目管理信息系统的组成
Fig.1-1TheCompositionofJingYiHuoRCPMIS
图1-2精伊霍铁路建设项目管理信息系统的监理管理
Fig.1-2SupervisionManagementofJingYiHuoRCPMIS
袁建君，王觊婧在《建筑工程监理的数据信息化管理系统研究》[30]中，指出了监理数据要实行信息化管理，工作流程如图1-3所示。
图1-3公路信息系统的工作流程图
Fig.1-3WorkFlowchartofHighwayInformationSystem
上海市建筑科学研究院和上海市建筑业管理办公室联合开发研制的《工程项目监理软件》在质量管理上也有较强的功能[25]。
系统不但能提供工程质量控制要点的查询，帮助监理工程师按照质量控制要点指导监理工作；而且还能对单位工程、分部工程、分项工程按照质量评定标准进行评定，大大节约了人力、提高了工作效率、增强了数据的说服力。
但是现有的针对监理的铁路建设信息系统对监理的工作状态、现场实时信息以及监理考核结果的真实性分析仍然不到位，对监理的工作管理尚未实现实时监控以及对监理数据没有进行有效的关联，这些都要在本文中进行深入研究。
1.2.2国外研究现状
国外的项目管理人员在工程项目网络化管理方面，利用近20年来发展的现代项目管理理论、数据库管理系统、计算机网络技术以及成熟化的现代项目管理系统软件，实现建筑工程项目建设期间的计算机网络信息化管理，大大提高了建筑工程建设管理者对工程投资、进度、质量及合同等方面的管理水平[11]。
在国外，工程监理大多情况下被称为工程咨询或工程项目管理，但其工作的内容和流程和国内的监理几乎是一样的。
由于国外的建设项目管理起步早，发展已经比较成熟。
所以，国外的工程建设项目管理软件的开发也要早一点。
国外项目管理软件种类繁多，功能也不一，小到日程安排等，大到项目管理的跟踪和控制等。
经过多年的发展，国外的项目管理软件的功能主要分为三个层次，首先是完成对项目的进度控制、质量管理、安全控制以及物资管理等业务流程的模拟；其次是实现项目管理部分业务的分析和预测，并借助通讯网络减少地域限制，提高工作效率；第三是基于因特网的项目管理，不但摆脱操作系统和操作地点的限制，而且实现一定程度上的信息共享，减轻了管理人员的工作强度，提高了工作效率。
CTSpace公司利用互联网技术为大型市政工程项目提供了一个各参建单位协作工作平台[25]。
各单位只要通过一台能上网的电脑，甚至是能够通过无线上网的智能手机，便可以不受时间和地域的影响，共享有关市政工程的信息，如图纸，工程进展情况以及文件资料等。
这样就大大方便了各参建单位的交流，提高了工作效率，提高了工程的质量，推进项目管理事业健康快速的发展。
总之，纵观当前国际上的一些项目管理软件，它们的一个显著特点是：
计算机辅助工程项目管理是不可或缺。
从硬件角度来看，形成计算机局域网络、具备Internet接入能力已是基本条件；从软件角度来看，单一业务专业软件的应用已趋于成熟，很好地满足了各自管理业务的需求。
但从业务解决门类来讲，报价软件、进度控制软件、合同管理软件、文档管理软件覆盖率最高，应用最为普遍。
而针对监理管理的软件相对较少，且大多是项目管理软件中的一个模块[25]。
1.3铁路建设监理管理存在的问题
我国实行监理制以来，铁路建设管理水平得到了很大提高，但由于我国开展建筑监理工作的时间短，监理管理制度还不完善，因此监理管理中仍然存在着很多问题：
（1）监理管理信息化程度较低
目前监理信息基本采用手工填写、人工传递的方法，很少有监理企业采用管理系统，这样就造成了填写不规范、附件不齐全、共享性差、效率低的局面，无法满足建筑监理的需要。
因此，需要一个新的信息系统来实现资料的标准化填写、文件的齐全保存以及信息的共享，提高工作效率。
（2）现有监理管理信息系统的局限性
现有监理系统大部分是单机版的，这样就会导致指挥部与项目部之间的沟通、协同工作效率低；指挥部各项监理决策和通知下达周期长、时效性差；不同工地的项目部因领导的不同，控制的标准不同，造成了各式各样的评价标准[11]。
同时各个监理单位的监理数据只是进行简单的记录和查询，没有进行各个模块的数据关联，容易形成数据孤岛，造成资源的浪费。
（3）决策支持功能薄弱
现行的铁路建设信息系统大多只是实现了监理管理的一些基础功能，如监理资料的上传、信息的共享等等，决策支持功能薄弱。
如果要考核监理人员工作到位情况，仅仅依靠系统上传的信息是远远不够的，一方面不能完全保证信息的真实性，另一方面也不能从中找出说服力强的信息资源，比如上报资料中写明某某监理工程师已到岗，但实际情况如何，我们不能确定。
要解决这个问题，仅仅凭监理单位上报的资料是靠不住的，而是要详实、真实的数据作为支撑，然后才能做出正确的决策，即进行精细化的管理，但是，现行的信息系统还无法做到[35]。
（4）缺乏对监理工作状态的有效监控
现有的监理管理系统大都停留在对监理的资料管理、监理的工作评价等初级阶段，缺乏对施工现场监理工程师的有效监控。
在施工监理过程中，由于监理工程师的素质参差不齐，所以施工监理过程中也会出现各种各样的工作不到位现象。
比如，监理工程师脱岗、漏岗的现象，监理资料上传不及时等问题。
1.4系统研究思路
物联网是当今一个比
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