艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路橋梁與四電工程技術(shù)接口管理協(xié)同度評(píng)價(jià)研究

任銀龍 胡所亭 班新林 鮑學(xué)英 王琳 洪妍妍

1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州730070；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京100081；3.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081

艱險(xiǎn)山區(qū)地形地貌復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，氣候極端惡劣，這類地區(qū)鐵路工程具有橋隧占比高、行車區(qū)域跨度大、設(shè)施設(shè)備維護(hù)難度高等特點(diǎn)，建設(shè)時(shí)面臨諸多挑戰(zhàn)［1］。鐵路工程建設(shè)經(jīng)歷多個(gè)階段，涉及眾多專業(yè)，使得艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路工程建設(shè)存在許多復(fù)雜的技術(shù)接口，且接口之間相互影響和制約。橋梁與四電（通信、信號(hào)、電力、電氣化）工程技術(shù)接口數(shù)量多，類型復(fù)雜且綜合性強(qiáng)，技術(shù)接口管理難度大。若管理不到位，易造成工程返工、成本增加、工期延遲等問題。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)接口管理做了大量研究，文獻(xiàn)［2］對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程的管理提出過程-參數(shù)-接口（Process-Parameter-Interface）模型，用該模型解決設(shè)計(jì)管理中的接口問題。文獻(xiàn)［3］通過多級(jí)接口管理矩陣跟蹤解決工程接口問題，并提出了基于多級(jí)接口管理矩陣方法的接口管理矩陣信息系統(tǒng)。文獻(xiàn)［4］對(duì)工程項(xiàng)目不同參與方之間的接口關(guān)系進(jìn)行了探討，認(rèn)為接口問題會(huì)對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)度及質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響；并從財(cái)務(wù)問題、不恰當(dāng)?shù)暮贤鸵?guī)范、環(huán)境問題以及其他問題四個(gè)方面分析了19個(gè)接口問題，評(píng)估了這四類問題嚴(yán)重程度與參與方的聯(lián)系程度。文獻(xiàn)［5］通過信息化管理手段規(guī)范各參建單位職責(zé)，解決了高速鐵路四電接口在施工過程中的管理短板和質(zhì)量問題。文獻(xiàn)［6］提出了系統(tǒng)集成接口管理的基本方法、接口管理程序和系統(tǒng)集成接口總圖、接口狀態(tài)顯示圖等管理工具，并形成一套接口管理程序和技術(shù)規(guī)范。

目前，現(xiàn)有研究只是整體上對(duì)鐵路工程接口管理提出理論性的方法和手段，且多為經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，缺少對(duì)特殊環(huán)境、特殊工程的技術(shù)接口管理研究，對(duì)橋梁與四電工程技術(shù)接口管理的相關(guān)理論及方法鮮有涉及。

本文以地質(zhì)條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣的艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路橋梁與四電工程為研究對(duì)象，利用協(xié)同熵模型對(duì)其技術(shù)接口管理協(xié)同度進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過評(píng)價(jià)結(jié)果找出橋梁與四電工程技術(shù)接口管理中的薄弱環(huán)節(jié)，為艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路橋梁與四電工程技術(shù)接口的重點(diǎn)管理方向提供指導(dǎo)，也為提高鐵路橋梁與四電工程技術(shù)接口管理水平提供一種新思路。

1 技術(shù)接口管理協(xié)同度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

為全面識(shí)別橋梁與四電工程技術(shù)接口，首先利用解釋結(jié)構(gòu)模型［7］（Interpretative Structural Model，ISM）對(duì)橋梁與四電工程子系統(tǒng)進(jìn)行劃分，根據(jù)橋梁與四電工程的施工工藝及特點(diǎn)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)［8］，識(shí)別出橋梁與四電工程技術(shù)接口（表1）。以技術(shù)接口為基礎(chǔ)，從技術(shù)屬性、責(zé)任屬性、時(shí)間屬性和空間屬性四個(gè)方面出發(fā)［9］，細(xì)化分析影響各技術(shù)接口管理屬性的管理因素，構(gòu)建橋梁與四電工程技術(shù)接口管理協(xié)同度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（圖1）。橋梁與四電工程技術(shù)接口管理屬性及具體內(nèi)容見表2。

表1 橋梁與四電工程技術(shù)接口

圖1 橋梁與四電工程技術(shù)接口管理協(xié)同度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 橋梁與四電工程技術(shù)接口屬性及具體內(nèi)容

2 基于博弈論的組合賦權(quán)模型

2.1 IGAHP法確定主觀權(quán)重

改進(jìn)的群體層析分析（Improved Group Analytic Hierarchy Process，IGAHP）法是在層次分析法的基礎(chǔ)上引入歐式距離［10］。根據(jù)各專家的決策值計(jì)算歐式距離，并加權(quán)得到各專家與其他專家決策相似度，以弱化不同專家之間的分歧對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，最終集結(jié)所有專家的決策得到比較合理的權(quán)重。

以改進(jìn)的層次分析法為基礎(chǔ)，專家根據(jù)各技術(shù)接口管理屬性協(xié)同度及管理因素協(xié)同度重要性進(jìn)行排序，并將排序結(jié)果轉(zhuǎn)化為判斷矩陣，利用IGAHP法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。

設(shè)a和b為技術(shù)接口管理協(xié)同度評(píng)價(jià)指標(biāo)x和y的重要度排序。若a＞b，則兩者的比較值為1∕(a-b+1)；若a＜b，則兩者的比較值為(b-a+1)?？捎门袛嗑仃嘇（l）表示。

式中：n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；m為專家個(gè)數(shù)；a(l)ij為第l位專家給出的評(píng)價(jià)指標(biāo)xi相對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)xj重要度的比較值，a(l)ij越大，表明評(píng)價(jià)指標(biāo)xi比評(píng)價(jià)指標(biāo)xj越重要。

根據(jù)A（l）的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量λl，可以得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重w（l）：

專家g和專家h評(píng)價(jià)值差異程度用歐式距離dgh表示，即

式中：w(g)i，w(h)i分別為專家g和專家h對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)xi的評(píng)價(jià)值；w(g)，w(h)分別為專家g和專家h的評(píng)價(jià)值。

dgh滿足：dtt=0，dgh=dhg≥0。dtt為同一專家對(duì)同一評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)值的差異程度，dhg和dgh為g、h兩位專家對(duì)同一評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)值的差異程度，二者數(shù)值相等。dgh越小，表明兩位專家對(duì)同一評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要度判斷越接近。若dgh=0，則表明兩位專家對(duì)該評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要度判斷完全一致。

第l位專家的評(píng)價(jià)值與其他所有專家評(píng)價(jià)值的相近程度用dl表示，則

式中：dlj為第l位專家與第j位專家評(píng)價(jià)值的差異程度。

由此可得，第l位專家的權(quán)重系數(shù)λl為

綜上可得IGAHP法確定的主觀權(quán)重W主為

2.2 熵值法確定客觀權(quán)重

熵值法（Entropy Method，EM）是一種客觀賦權(quán)法，該方法根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)所包含信息量大小的差異程度進(jìn)行賦權(quán)。

基于n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的輸出熵計(jì)算客觀權(quán)重［11］，第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的輸出熵HiE為

式中：q為參與協(xié)同指標(biāo)的個(gè)數(shù)；fq為第q個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的協(xié)同關(guān)系鏈數(shù)；f為評(píng)價(jià)指標(biāo)協(xié)同關(guān)系鏈總數(shù)。

由于0＜fq∕f≤1，那么0≤fq∕f（lnfq∕f）≤lnq，則有0＜HiE≤1，得到差異系數(shù)γ為

因此，各評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重W客為

2.3 基于GT的組合權(quán)重

博弈論（Game Theory，GT）考慮了主客觀權(quán)重之間的沖突性，通過尋找兩者之間的最小化偏差尋求折衷值，達(dá)到主客觀之間互動(dòng)決策的效果，從而使組合權(quán)重達(dá)到最優(yōu)［12］。具體步驟如下。

設(shè)α1，α2是主客觀權(quán)重的加權(quán)系數(shù)，L為評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)方法的種類，則組合權(quán)重W為

為求解最優(yōu)權(quán)重加權(quán)系數(shù)，引入對(duì)策模型：

根據(jù)矩陣微分性質(zhì)，得到式（11）的最優(yōu)一階導(dǎo)數(shù)條件為

根據(jù)式（12）得到α1、α2并進(jìn)行歸一化處理：

優(yōu)化后指標(biāo)的加權(quán)組合權(quán)重W*為

3 技術(shù)接口管理協(xié)同度評(píng)價(jià)模型

熵值的大小反應(yīng)了系統(tǒng)的有序程度，熵值越大，系統(tǒng)的混亂程度越高，協(xié)同度越低；熵值越小，系統(tǒng)的有序度越高，協(xié)同度也越高［13］。通過協(xié)同度的高低反應(yīng)技術(shù)接口管理的協(xié)同情況。

Shannon［14］將 系 統(tǒng)S內(nèi) 存 在 多 個(gè) 離 散 事 件S={E1，E2，…，En}中 每 個(gè) 事 件 的 隨 機(jī) 出 現(xiàn) 概 率P={p1，p2，…pn}的信息熵（即信息總量）Hs定義為

假設(shè)fq為橋梁與四電工程技術(shù)接口管理中第q個(gè)指標(biāo)的協(xié)同關(guān)系鏈數(shù)，且共有n個(gè)參與協(xié)同的指標(biāo)，則技術(shù)接口管理協(xié)同關(guān)系鏈數(shù)為

若p(fq)=fq∕f，根據(jù)信息熵的函數(shù)關(guān)系，橋梁與四電工程技術(shù)接口管理協(xié)同熵H為

通過不同指標(biāo)之間的協(xié)同度可以反映其協(xié)作關(guān)系，可用矩陣表示為

如果評(píng)價(jià)指標(biāo)x與y之間或其本身存在協(xié)調(diào)與匹配關(guān)系，即x與y兩評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠產(chǎn)生積極的協(xié)同效應(yīng)，將這樣的關(guān)系記為1，反之記為0。由于x和y之間的協(xié)同關(guān)系與y和x之間的協(xié)同關(guān)系是相同的，因此協(xié)同 矩 陣 是 對(duì) 稱 的，用 矩 陣 表 示 為ε=[Ti，Tj]n×n=(μij)n×n，Ti和Tj均為技術(shù)接口管理屬性，即

式中：μij或μji表示技術(shù)接口管理評(píng)價(jià)指標(biāo)xi與xj之間的協(xié)同關(guān)系，并且μij=μji。

當(dāng)i=j時(shí)，即為矩陣對(duì)角線μii，表示評(píng)價(jià)指標(biāo)自身協(xié)同情況。若μij=1，技術(shù)接口管理評(píng)價(jià)指標(biāo)xi與xj協(xié)同，若μij=0，技術(shù)接口管理評(píng)價(jià)指標(biāo)xi與xj不協(xié)同。

若技術(shù)接口管理屬性或管理因素之間具有協(xié)同關(guān)系，h（i，j）為Ti與所有關(guān)聯(lián)Tj協(xié)同鏈的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所有協(xié)同節(jié)點(diǎn)總數(shù)為k，Ti協(xié)同鏈上的節(jié)點(diǎn)集合為h=[(Ti，T1)，(Ti，T2)，…(Ti，Tj)]，j≤n，則各技術(shù)接口管理屬性及管理因素之間的協(xié)同熵為

式中：ku為具有協(xié)同效應(yīng)的協(xié)同中心點(diǎn)個(gè)數(shù)；Tij為影響技術(shù)接口管理屬性的管理因素。

協(xié)同熵既存在于一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，也存在于不同的系統(tǒng)之間。因此在技術(shù)接口管理協(xié)同度評(píng)價(jià)體系中，對(duì)于技術(shù)接口管理因素，只考慮彼此之間的協(xié)同熵，而對(duì)于技術(shù)接口管理屬性，還須考慮其內(nèi)部協(xié)同熵。技術(shù)接口管理屬性內(nèi)部協(xié)同熵H2(Ti)為

式中：wij為各技術(shù)接口管理因素權(quán)重。

技術(shù)接口管理屬性協(xié)同總熵H(Ti)為

設(shè)H(Tij)max為各技術(shù)接口管理因素中的最大協(xié)同熵，則技術(shù)接口管理因素的協(xié)同度C(Tij)為

技術(shù)接口管理屬性之間的協(xié)同度C1(Ti)為

式中：H1(Ti)max為各技術(shù)接口管理屬性中的最大協(xié)同熵。

技術(shù)接口管理屬性內(nèi)部協(xié)同度C2(Ti)和技術(shù)接口管理屬性整體協(xié)同度C(Ti)分別為

式中：[H1(Ti)+H2(Ti)]max為技術(shù)接口管理屬性中整體最大協(xié)同熵。

根據(jù)技術(shù)接口管理屬性協(xié)同度可得橋梁與四電工程技術(shù)接口管理整體協(xié)同度C(T)為

式中：Wi為各技術(shù)接口管理屬性綜合權(quán)重。

根據(jù)文獻(xiàn)［15］，將系統(tǒng)間的協(xié)同度劃分為6個(gè)等級(jí)，見表3。

表3 技術(shù)接口管理協(xié)同度等級(jí)

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

選取拉林（拉薩—林芝）鐵路絨鄉(xiāng)雅魯藏布江特大橋與其四電工程作為研究對(duì)象進(jìn)行分析。絨鄉(xiāng)雅魯藏布江特大橋位于雅魯藏布江中游河谷區(qū)，桑日縣絨鄉(xiāng)境內(nèi)，為跨江大橋，全長4 615.57 m，有26孔48 m簡支箱梁，采用節(jié)段預(yù)制、膠接縫、造橋機(jī)拼裝施工；另有約300 m地段須涉水施工，施工水深約5～8 m。該區(qū)域氣候環(huán)境惡劣、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，地形地貌復(fù)雜，使得該地區(qū)橋梁與四電工程的施工難度增加，也為技術(shù)接口的實(shí)施和管理增加了許多困難。因此，有必要對(duì)該橋梁與其四電工程技術(shù)接口管理協(xié)同度進(jìn)行分析，有助于提高橋梁與四電工程技術(shù)接口管理水平。

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重的確定

邀請(qǐng)9名鐵路橋梁與四電工程方面專家并分3組對(duì)各級(jí)指標(biāo)的協(xié)同度重要性進(jìn)行排序，協(xié)同度越高，則排序越靠前，反之靠后。排序結(jié)果見表4。

表4 各級(jí)指標(biāo)重要性排序

根據(jù)排序結(jié)果及改進(jìn)的層次分析法，計(jì)算各層指標(biāo)判斷矩陣。以一級(jí)指標(biāo)為例，計(jì)算判斷矩陣如下：

通過改進(jìn)的層次分析法法算出各組專家對(duì)各技術(shù)接口管理協(xié)同度一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重后，根據(jù)式（1）—式（6），利用MATLAB計(jì)算得到各級(jí)指標(biāo)主觀權(quán)重，見表5。

表5 各級(jí)指標(biāo)主觀權(quán)重

4.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重的確定

根據(jù)橋梁與四電工程技術(shù)接口管理屬性及管理因素的協(xié)同情況，建立各級(jí)指標(biāo)之間的協(xié)同關(guān)系矩陣，設(shè)技術(shù)接口管理屬性T1、T2、T3、T4之間的協(xié)同關(guān)系矩陣ε=[Ti，Tj]4×4=(μij)4×4。同理，各二級(jí)指標(biāo)之間協(xié) 同 關(guān) 系 矩 陣ε1=[T1i，T1j]3×3=(μij)3×3，ε2=[T2i，T2j]4×4=(μij)4×4，ε3=[T3i，T3j]4×4=(μij)4×4，ε4=[T4i，T4j]3×3=(μij)3×3。3組專家通過判斷各級(jí)指標(biāo)之間的協(xié)同情況得到協(xié)同關(guān)系矩陣如下：

根據(jù)協(xié)同關(guān)系矩陣計(jì)算各技術(shù)接口管理因素的協(xié)同熵及協(xié)同度。如根據(jù)式（20）計(jì)算得到T12的協(xié)同熵H（T12）=-（2∕3）ln（2∕3）=0.270 3，結(jié)合式（23）可得C（T12）=1-0.270 3∕0.346 6=0.220 1。二級(jí)指標(biāo)之間協(xié)同熵及協(xié)同度見表6。

表6 二級(jí)指標(biāo)之間協(xié)同熵及協(xié)同度

根據(jù)式（7）和式（8）計(jì)算各二級(jí)指標(biāo)的輸出熵及差異系數(shù)，見表7。

表7 二級(jí)指標(biāo)輸出熵及差異系數(shù)

根據(jù)以上分析結(jié)果，由式（9）計(jì)算出各指標(biāo)的客觀權(quán)重，見表8。

表8 各級(jí)指標(biāo)客觀權(quán)重

4.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重的確定

根 據(jù) 表5和 表8及 式（10）—式（14），利 用MATLAB計(jì)算各指標(biāo)的組合權(quán)重，見表9。

表9 各級(jí)指標(biāo)綜合權(quán)重

4.5 協(xié)同度計(jì)算

根據(jù)式（20）及式（24）可得一級(jí)指標(biāo)之間的協(xié)同熵及協(xié)同度，見表10。

表10 一級(jí)指標(biāo)之間協(xié)同熵及協(xié)同度

根據(jù)表6，結(jié)合式（21）和式（25）得到一級(jí)指標(biāo)內(nèi)部的協(xié)同熵及協(xié)同度，見表11。

表11 一級(jí)指標(biāo)內(nèi)部協(xié)同熵及協(xié)同度

根據(jù)表10和表11及式（26）可得各一級(jí)指標(biāo)整體協(xié)同熵及協(xié)同度，并根據(jù)整體協(xié)同度計(jì)算結(jié)果，對(duì)照表3，得到橋梁與四電工程技術(shù)接口管理屬性協(xié)同度評(píng)價(jià)等級(jí)，見表12。

表12 一級(jí)指標(biāo)整體協(xié)同度

根據(jù)表12及式（27）可得橋梁與四電技術(shù)接口管理整體協(xié)同度C（T）=0.686 8，對(duì)照表3可知橋梁與四電工程技術(shù)接口管理協(xié)同等級(jí)為基本協(xié)同。

綜上，絨鄉(xiāng)雅魯藏布江特大橋與四電工程技術(shù)接口管理整體處于基本協(xié)同狀態(tài)，其中空間屬性協(xié)同度最高，處于高度協(xié)同狀態(tài)；技術(shù)屬性協(xié)同度較高，處于良好協(xié)同狀態(tài)；時(shí)間屬性協(xié)同度較低，處于弱協(xié)同狀態(tài)；而責(zé)任屬性協(xié)同度最低，處于極弱協(xié)同狀態(tài)。這說明在艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路橋梁與四電工程技術(shù)接口管理中，不同參與方之間的責(zé)任界定及信息溝通是接口管理中最薄弱的環(huán)節(jié)。因此，在艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路橋梁與四電工程技術(shù)接口管理中，須提高對(duì)該環(huán)節(jié)管理的關(guān)注度，嚴(yán)格明確各參與方之間及內(nèi)部各職能部門的責(zé)權(quán)關(guān)系，通過制定嚴(yán)密合理、清晰完整的管理體系及組織結(jié)構(gòu)，保證責(zé)任清晰、權(quán)責(zé)合理分配，消除責(zé)任的灰色地帶?？梢酝ㄟ^構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的信息化平臺(tái)，提高各參與方之間的信息溝通效率。另外，不同工作任務(wù)之間的時(shí)間搭接也是橋梁與四電工程技術(shù)接口管理的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在鐵路工程總體進(jìn)度計(jì)劃的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能細(xì)化橋梁與四電工程技術(shù)接口實(shí)施的進(jìn)度計(jì)劃，并從資源配置、邏輯關(guān)系等方面理清子系統(tǒng)間進(jìn)度計(jì)劃中的接口沖突，保證總工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

1）在分析鐵路技術(shù)接口管理研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以環(huán)境惡劣、地質(zhì)復(fù)雜的艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路橋梁與四電工程為研究對(duì)象，從技術(shù)屬性、責(zé)任屬性、時(shí)間屬性、空間屬性四個(gè)方面選取影響技術(shù)接口管理協(xié)同度的因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路橋梁與四電工程技術(shù)接口管理協(xié)同度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2）采用改進(jìn)的群體層次分析法和熵值法分別確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的主客觀權(quán)重，并引入博弈論思想確定組合權(quán)重，既削弱了主觀人為因素的影響，又考慮了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際情況，使得指標(biāo)權(quán)重賦值更加合理。同時(shí)引入?yún)f(xié)同熵模型評(píng)價(jià)橋梁與四電工程技術(shù)接口管理協(xié)同度，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3）選取拉林鐵路絨鄉(xiāng)雅魯藏布江特大橋與四電工程整體處于基本協(xié)同狀態(tài)，其中不同參與方之間的責(zé)任界定及信息溝通、不同工作任務(wù)之間的時(shí)間搭接為技術(shù)接口管理中的薄弱環(huán)節(jié)，須重點(diǎn)關(guān)注。