工程数据库系统(Engineering Database System) 是存储、管理和使用面向工程设计所需要的工程资料和数据模型, 它是将工程设计方法与数据库技术相结合, 达到智能化的计算机辅助设计CAD/计算机辅助管理CAM (Computer Aid Management) 集成系统。在公路设计管理过程中涉及的资料和信息种类繁多, 格式很难统一, 所以用传统的数据库系统无法管理。而另一方面, 随着对公路工程设计养护工作要求的提高, 公路的设计管理过程中的资料和信息越来越需要用计算机管理, 因此需要开发和研究适合于公路工程设计管理需要的公路工程数据库。

1.   公路工程设计与管理数据分析

公路工程中设计、施工、养护活动, 是公路工程系统中的元素, 组成一个完整的整体。上述的各项工作存在着内在的联系。然而, 当前这一完整的活动却分属于不同的部门中, 信息无法在各部门之间顺利地流动, 造成各活动之间不能协调工作。譬如, 由于缺乏顺畅的数据渠道施工部门往往不得不猜测设计部门的设计背景和意图; 公路养护部门为建立路面管理系统则不得不重新查阅、录入大量的设计、施工数据; 而公路养护部门的养护数据则不能及时反馈到设计部门和施工部门中去, 以改进设计和施工。信息流动的不畅, 还会造成数据不能完整地收集, 使花费大量人力财力建立的路面管理系统不能得到充分的应用。随着设计、施工和养护工作的进行, 数据量日益增大, 数据流通不畅带来的问题必将日益显著。

运用工程数据库的方法, 通过建立面向公路工程的公路工程数据库, 将公路工程各项活动联系在一起, 建立数据流动的良好渠道, 是解决集成化公路工程系统的良好途径。这里首先对公路工程各活动之间数据流动情况加以分析。

在公路勘测设计阶段, 产生的地质地貌资料、设计文件等将对施工具有指导意义, 也是道路建成后, 建立道路管理系统以及道路地理信息系统的重要数据来源。

在公路施工阶段, 产生的材料试验资料及施工信息(施工时间、机具、进度及工艺等), 对后期道路管理工作具有重要意义, 这些数据对于科研工作也有参考价值。

在公路运营阶段, 产生的路基路面破坏数据、交通量数据、交通事故数据以及公路养护数据, 它们反馈到设计和科研中, 将为更好地进行设计和施工提供数据支持。

上述数据应用工程数据库的方法存放于同一个数据库群中, 可以使数据得到高效利用和及时更新。在公路工程数据库的基础上, 编写针对不同部门的应用软件, 采用统一的接口标准, 将其系统化, 即可形成公路计算机辅助工程(CAE) 系统。以公路工程数据库为基础的公路CAE系统工作模式如图 1所示。

图  1  公路工程计算机辅助工程系统工作模式

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在公路CAE系统中, 保障数据安全、资料完整的安全保障机制以及公共标准如编码标准、数据命名约定等处于系统的中心位置, 是系统得以安全可靠运行的基本保障。公路工程数据库涵盖了公路工程活动中的各种数据, 包括材料库、路线库、地理库、交通库、路面性能库、施工记录库及特殊地质库等。每个库中又可分为多个子库, 如材料库中可包括材料试验数据、材料种类与来源以及运营中的现场测试数据、材料的变化等; 地理库中可包括水文、地质、地貌、地物等不同的子库。从中可以看出, 工程数据库的组织并不依赖于公路工程活动中的不同过程, 而是直接针对研究对象建立数据库, 这样减少了数据的冗余, 也便于数据的流动, 同时保证了系统的开放性。

公路CAE系统通过各种设计软件, 从数据库中提取数据, 经设计软件处理, 并经设计人员加工后形成设计数据, 然后再将这些数据存放于工程数据库中。而现场工程技术人员则通过施工管理系统从工程数据库中提取相关数据, 并将施工记录存放于工程数据库中。道路管理人员和有关研究人员及专家则通过相应的管理软件访问中央数据库, 并通过相应的软件渠道将管理结果、研究成果、专家建议存放于数据库中。

从公路CAE系统的运行方式可以看出, 公路工程的各个活动之间并不直接发生数据交换, 而是通过中央工程数据库间接完成, 这样做有利于数据的共享, 保证了数据的安全, 避免了数据流动中可能发生的混乱。系统还具有较高的开放性, 例如, 当需要加入公路工程中的其它活动过程时, 仅需扩充相应的数据库, 并在工程数据库的基础上编写相应的软件即可; 系统还可接受来自第三方的软件挂接数据库。系统的开放性是系统生命力的源泉, 数据库和应用软件将随着系统的使用而日趋稳定和完善。

2.   公路工程数据库设计

2.1   数据模型

数据模型是对公路数据进行客观、抽象和形式的描述, 是数据库技术的重要组成内容。公路工程数据库具有资料繁多但关系不太复杂的特点, 因此可以采用扩展的关系数据模型, 该模型是在关系型数据库的基础上扩充进封装(方法)、继承、随机数据类型、嵌套的概念而形成的, 具有非过程的特点。

2.2   数据来源

公路工程数据库是一个动态的、不断更新的大型网络数据库。数据库资料来源于静态库数据输入、交通调查数据输入、路况调查数据输入、日常养护数据输入、工程管理系统的自动生成和设计系统软件的自动生成等。通过数据库前端软件完成资料的输入, 再通过公路信息网络进行汇总。

2.3   数据管理

设计、施工和管理资料同存于工程数据库中, 通过统一的标准将这些数据集成在一起, 集中管理。资料集中管理的优点在于:

(1) 可以免除多余的数据管理任务;

(2) 易于数据的标准化;

(3) 将数据性能特征与使用人员隔离;

(4) 减少资料冗余量;

(5) 所有存储的资料可以共享, 使数据利用率最大化;

(6) 减少数据的不一致性;

(7) 保持资料的完整性;

(8) 提高数据安全性。

2.4   数据类型

工程数据库要管理两种类型的信息: 一种是静态的; 另一种是动态的。

静态类型的信息为描述公路环境的信息, 如地形地貌、道路等级、行政区划、自然区划等。动态类型的信息为设计和管理客体的有关信息, 这些信息随着时间空间的不同逐步变化, 如道路的使用性能、道路使用性能的预测模型等。这些动态信息事前并不知道, 而在事后被不断修改(改进)。

2.5   数据的标准化

存入工程数据库的数据必须进行标准化, 如公路路段的标识、材料实体属性(名称、模量) 等, 以防资料在存取时发生错乱。标准化应尽量采用已有的国家以及行业标准, 以利于系统功能的扩展。

2.6   基于工程数据库的CAD/CAM系统支撑软件

CAD/CAM系统的支撑软件大致分为5类:

(1) 面向对象的工程数据库管理系统(EDBMS);

(2) 图形软件系统;

(3) 用户接口系统;

(4) 网络通信系统;

(5) 程序设计语言。

3.   公路工程数据库的计算机实现

通过以上分析可知, 公路工程数据库应涵盖以下4类数据: 公路基本信息库、公路建设数据库、公路管理数据库以及模型数据库。

公路基本信息库是指道路沿线的数字地理信息以及道路基本参数。如沿线的地形地貌地物、道路等级等。公路建设数据库包括公路设计、施工所需的和所得到的数据, 如设计材料与施工材料的属性、设计参数、施工参数等。公路管理数据库是指道路使用过程中所产生的数据。模型数据库包括设计文档、技术文档、管理文件、相关标准等。

实现上述工程数据库可以通过以下几种途径, 根据工程数据库的开发周期, 适用范围的不同采用不同的方法。

3.1   改造商业数据库管理系统

当前市场上有众多的商业数据库系统, 适用于从大型机到微机的普通用户, 通过改造优秀的商业数据库系统, 使之适应公路工程数据库的需要, 是一种快捷的开发途径。高原多年冻土地区路基路面典型结构课题组在SQL Server 7的基础上进行扩展, 开发了青藏公路设计管理工程数据库。开发过程中, 在充分利用SQL Server 7的核心模块(存储管理、事务管理、数据库控制和安全机制) 的基础上, 开发出面向公路设计管理应用的数据库系统, 并装配易用的用户应用界面。通过改造商业数据库方式建立公路工程数据库, 具有开发周期短、系统较稳定的特点。

3.2   开发专用的工程数据库系统

根据公路工程数据库的特点, 开发与公路设计管理相配套的数据库系统。这类数据库针对性强, 只需考虑公路工程领域内的要求, 除去与之无关的其他繁琐功能, 可开发出运行速度更快、更安全可靠、更实用的数据库。采用改造数据库源代码的方式, 也可获得较高的开发效率。

3.3   工程数据库的应用

公路工程数据库开发完成后, 如果数据库仅停留在数据存储的水平上, 数据库将成为使用价值不大的计算机产品, 将因脱离实际工程应用而被束之高阁, 最终将被用户单位所抛弃。只有进一步开发应用才能使数据库得到生命力, 譬如开发基于公路工程数据库的CAD系统、路面管理系统等, 通过外围应用程序数据库数据得到有效利用, 同时通过程序对数据库的操作, 使数据库得到动态更新。

4.   公路工程数据库应用实例

青藏公路地处青藏高原, 自1954年通车以来, 担负了85%的进出藏物资的运输任务, 在国防、经济和政治上具有战略意义。但受限于经济及自然条件, 青藏公路的大量信息难以及时、准确地汇集整理, 也未能及时建立有针对性的路基路面工程数据库。青藏公路路基路面典型结构课题组, 通过实际调查与分析, 运用计算机技术及网络技术建立了以工程数据库为基础的公路信息系统。并开发针对性强、使用方便和科学高效的青藏公路路基路面管理系统, 对于改善青藏公路的路基路面使用性能, 提高青藏公路的设计水平, 保障道路畅通, 降低道路养护成本具有重要意义。

4.1   青藏公路工程数据库组成

青藏公路工程数据库由4类数据库组成, 即基本信息类、材料类、管理类以及冻土信息库组成。其中, 基本信息类包括青藏公路线形库、水文地质库、重要地物地貌库、交通数据库; 材料类包括道路结构及材料库、材料属性库等; 公路管理数据库包括青藏公路建设与改建历史库、养护及养护设备库、病害及病害处理库、科研信息库。青藏公路地理状况特殊, 大部分处于多年冻土区, 冻土对公路的使用状况有很大影响, 因此需将沿线冻土信息单列成库, 记录冻土演变信息。

青藏公路线形库包括公路几何、功能和管理方面的数据, 几何数据描述路基路面的长度和宽度、路基高度、边坡坡度; 功能数据指路段所在道路的功能划分, 如公路/城市道路、国道(主干线) /省道(干线) /地方道路(次干线或支线) 等; 管理数据描述管理单位所归属(或管辖) 的管理部门以及财政资源分配的区划等。

交通数据包括平均日交通量、车辆组成、方向分布以及荷载横向分布等。

路面结构和养护维修历史数据库中存放路面结构厚度、材料、修建方法及时间、历次养护维修的时间、类型和费用等信息。

路基路面性能数据包括路基变形、强度、开裂指数等; 路面性能包括结构强度、平整度和抗滑性能及破坏等方面数据。

冻土信息库包含冻土上限、下限、冻土性状等数据。

青藏公路工程数据库数据来源于静态库数据输入、交通调查数据输入、设计生成、路况调查数据输入、日常养护数据输入等。

4.2   青藏公路工程数据库的应用

工程数据库不仅仅停留在数据存储的水平, 而利用数据库开发出对工程具有辅助和指导作用的应用软件尤为重要。在青藏公路工程数据库的基础上, 进一步开发出由路基路面CAD系统、路基路面管理系统(SPMS) 以及科研信息系统(RMS) 等组成的一组面向最终用户的前端应用软件, 提供充分利用数据的应用平台, 同时动态地丰富数据库数据, 使数据库数据得到及时更新。

5.   结语

本文通过分析公路工程活动中数据流程, 提出了用以建立公路工程数据库的方法, 以工程数据库为核心, 交互式图形系统为手段, 建立以通用的设计、管理方法为工具的一体化软件, 是解决集成系统的较好方法之一。目前国内公路工程数据库尚处于研究阶段, 将公路设计、施工、养护管理进行集成, 建立以公路工程数据库为基础平台的集成化、智能化、标准化和网络化的系统, 尚有较大的研究空间。随着研究的深入, 建立区域性或全国性的公路工程数据库系统将成为可能, 并将为GIS、ITS提供良好的数据库支持, 因此公路工程数据库系统研究具有广阔的应用前景。