艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口信息交換水平評價

王朋利,王 琳,劉 佳

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070)

鐵路工程是涉及多學(xué)科、多門類、綜合性的復(fù)雜系統(tǒng)工程，需多專業(yè)協(xié)調(diào)銜接、多工種交叉作業(yè)、多方參與配合[1]，因而各專業(yè)間存在大量需要互相銜接的技術(shù)接口[2]，加之艱險山區(qū)極端惡劣的地質(zhì)環(huán)境條件[3]，使得技術(shù)接口施工難度更大，復(fù)雜性更高。然而，由于存在各參與方工程目標(biāo)不完全一致、工程利益沖突、信息交換不暢等原因，技術(shù)接口問題在建設(shè)過程中逐步顯化，導(dǎo)致不必要的成本浪費(fèi)和工期拖延，甚至?xí)绊懝こ藤|(zhì)量[4-5]。艱險山區(qū)鐵路工程技術(shù)接口的復(fù)雜性和眾多的接口參與方進(jìn)一步加大了艱險山區(qū)鐵路技術(shù)接口管理的難度，因此，如何采取有效措施對技術(shù)接口進(jìn)行管理，降低技術(shù)接口問題對建設(shè)質(zhì)量、工期等目標(biāo)的影響顯得尤為重要。

近年來，許多專家學(xué)者已對接口管理做了大量研究，如SHA’AR等[6]識別了對項目接口有關(guān)鍵影響的十大因素；LIN等[7]建立了一個基于BIM的CMI系統(tǒng)來管理接口問題以提高工作績效。而鐵路工程方面對接口管理的研究大多著眼于整體管理，如劉環(huán)宇[8]提出了一種整體結(jié)構(gòu)化接口分析的方法，解決高速鐵路接口管理面臨的問題；肖瑩[9]從項目全生命周期角度探討了全階段的接口管理；而SENARATNE等[10]研究表明，工程項目實施中出現(xiàn)的問題半數(shù)與信息交換有關(guān)，接口管理問題也反映在接口的信息交換上[11]；齊英[12]以項目質(zhì)量、進(jìn)度和投資關(guān)鍵指標(biāo)為基點，研究接口對關(guān)鍵指標(biāo)的影響，并指出接口信息對接口管理有重大影響；AL-HAMMAD[13]對工程接口問題進(jìn)行了深入探討，指出項目各參與方之間信息傳遞不暢是接口問題的主要原因，會直接影響到項目的質(zhì)量。信息交換作為接口管理的重要部分，能確保項目內(nèi)外部以及各參與方之間彼此交流技術(shù)接口質(zhì)量、進(jìn)度等情況，分析接口存在的問題。加強(qiáng)接口參與方的信息交換，了解各參與方的技術(shù)接口信息交換情況，可使接口管理部門有的放矢[14]，更加有針對性地進(jìn)行接口管理。許多學(xué)者關(guān)注到了信息交換對接口管理的重要作用，卻鮮少有針對接口信息交換水平評價的研究。

鑒于此，以艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口為研究對象，從效率和效果兩方面對技術(shù)接口的信息交換進(jìn)行評價。利用DSM結(jié)構(gòu)識別出橋隧工程的技術(shù)接口，基于信息溝通理論建立信息交換水平綜合評價指標(biāo)體系，并運(yùn)用IFAHP為評價指標(biāo)賦權(quán)。最后，通過二維云模型確定技術(shù)接口信息交換水平，借助MATLAB繪制綜合評價云圖，直觀反映綜合評價的結(jié)果。

1 技術(shù)接口的信息交換

在鐵路工程建設(shè)過程中，存在大量需要兩方或多方協(xié)調(diào)的部分，如工程實體間的銜接、施工工序間的交結(jié)、參建單位間的協(xié)調(diào)配合等，這些需協(xié)調(diào)的部分稱為接口[15]。根據(jù)接口性質(zhì)，可將其分為組織接口、技術(shù)接口和合同接口。技術(shù)接口是系統(tǒng)中相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)在時間和空間上彼此的技術(shù)要求和匹配條件[16]。

利用任務(wù)導(dǎo)向的DSM進(jìn)行精確識別橋隧工程的技術(shù)接口，包含各項接口任務(wù)及各接口任務(wù)間信息交換[17]。橋隧工程技術(shù)接口任務(wù)的順利完成，依賴于信息在橋隧工程之間的有效交換[18]。信息交換是指信息在參與方之間的流通和傳遞，橋隧工程技術(shù)接口信息交換過程如圖1所示。

圖1 接口信息交換過程

在以接口任務(wù)導(dǎo)向的DSM中，以進(jìn)度計劃中工作發(fā)生的時間先后為依據(jù)，若橋梁和隧道工程在某工作任務(wù)產(chǎn)生信息流(信息交換)，說明橋隧工程存在接口，在DSM矩陣中賦值為1，不存在接口賦值為0。將橋隧工程的技術(shù)接口用n階DSM(i，j)n×n表示，n為橋隧工程接口任務(wù)數(shù)量，i和j為橋梁工程和隧道工程的接口任務(wù)。DSM對角線以下的元素表示信息由先發(fā)生的任務(wù)向后傳遞，屬于信息前饋；對角線以上的元素表示信息反饋。在工程實施過程中，將進(jìn)度計劃中橋梁專業(yè)承包商BC需與隧道專業(yè)承包商TC進(jìn)行信息交換的工作表示為接口任務(wù)BU，對應(yīng)TC的接口任務(wù)為TU。BC的接口任務(wù)為BU1， BU2，…，BUn，TC的接口任務(wù)為TU1，TU2，…，TUn。技術(shù)接口識別見圖2。

圖2 基于接口任務(wù)的接口DSM

兩個專業(yè)間接口任務(wù)的有向連接線表示接口信息交換關(guān)系，接口任務(wù)和連接線構(gòu)成兩個專業(yè)之間的技術(shù)接口。一個技術(shù)接口(以BU1和TU1為例)信息交換過程如圖3所示。

圖3 一個接口信息交換過程

2 信息交換水平評價指標(biāo)體系構(gòu)建

接口信息在兩個專業(yè)間交換會受到多種因素影響，這些因素既保障了接口的信息交換，也制約著信息交換的效率和效果。參考現(xiàn)有文獻(xiàn)[19-20]，并結(jié)合技術(shù)接口信息交換的特征，考慮艱險山區(qū)信息交換的實際情況，從信息交換渠道、信息傳遞能力、信息交換質(zhì)量、信息交換主體和信息交換速度5個方面出發(fā)，篩選出18個信息交換制約因素，建立技術(shù)接口信息交換水平綜合評價體系，如圖4所示，具體描述見表1。

圖4 技術(shù)接口信息交換綜合評價體系

表1 技術(shù)接口信息交換指標(biāo)內(nèi)容描述

3 基于IFAHP-二維云模型的信息交換水平評價

3.1 IFAHP確定指標(biāo)權(quán)重

直覺模糊層次分析法(IFAHP)以直覺模糊集理論為基礎(chǔ)，引入猶豫度的概念，使權(quán)重的確定更合理。同時，無須重復(fù)打分，調(diào)整沒有通過一致性檢驗的判斷矩陣使之滿足一致性檢驗，彌補(bǔ)AHP的不足[21-22]，故利用IFAHP對指標(biāo)賦權(quán)。IFAHP判斷矩陣構(gòu)造標(biāo)度見表2。

表2 判斷矩陣構(gòu)造標(biāo)度

IFAHP法計算步驟如下。

Step 1：構(gòu)建直覺模糊判斷矩陣M

專家依據(jù)表2判斷指標(biāo)i和指標(biāo)j的相對重要程度，將專家判斷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直覺模糊數(shù)，構(gòu)造直覺模糊判斷矩陣M，如式(1)所示。

(1)

其中，n為評價指標(biāo)個數(shù)。

Step 2：判斷矩陣一致性檢驗及修正

(2)計算M是否通過一致性檢驗

(4)

(3)引入修正因子

M′=(m′ij)n×n，m′ij=(μ′ij，υ′ij)

(5)

其中，

Step 3：計算指標(biāo)權(quán)重

(6)

最終，得到量化指標(biāo)權(quán)重ωj，見式(8)。

(8)

3.2 基于二維云模型的評價模型

3.2.1 二維云基本理論

云模型有3個重要的描述特征量值，為Ex，En和He。Ex表示期望，描述云滴的定性特征；En表示熵，度量云滴定性特征模糊性的范圍；He表示超熵，是En的熵，能夠反映云滴凝聚性，體現(xiàn)出定性特征的模糊度和隨機(jī)度[23-24]。二維云模型可以綜合描述評價2個維度因素共同影響的隨機(jī)性和模糊性問題，通過將2個一維云模型合成二維云，解決單一維度無法全面描述問題的弊端。

假定F為二維隨機(jī)函數(shù)，其分布服從正態(tài)分布，Ex和Ey表示兩個維度樣本的期望值，Enx和Eny分別表示其標(biāo)準(zhǔn)差。符合式(9)云滴drop(xi，yi，μi)構(gòu)成的二維云模型，稱為二維正態(tài)云模型。

(9)

式中，xi和yi為云滴坐標(biāo)；Pxi和Pyi為條件云滴坐標(biāo)；μi為隸屬度。

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)云

通過咨詢專家、查閱相關(guān)文獻(xiàn)及成果[25]，將指標(biāo)以十分制評分，并均分為5個標(biāo)準(zhǔn)評級區(qū)間，各評價等級為V={優(yōu)秀，良好，一般，較差，極差}。評級區(qū)間取值范圍、等級描述和數(shù)字特征如表3所示。標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)字特征計算見式(10)。

表3 標(biāo)準(zhǔn)云評價等級及數(shù)字特征

(10)

3.2.3 綜合評價云

接口信息交換水平由信息交換的效率和效果共同反映，以前文選取的評價指標(biāo)為度量，以信息交換水平的效率等級和效果等級作為綜合評價結(jié)果的二維基礎(chǔ)變量進(jìn)行分析。邀請有豐富經(jīng)驗的專家對指標(biāo)打分，打分精度取0.1。每個指標(biāo)的效率和效果得分值分別形成相應(yīng)的云滴，全部云滴組成該指標(biāo)體系的效率云和效果云，稱為二維綜合評價云。綜合評價云的數(shù)字特征如式(11)，運(yùn)用逆向云發(fā)生器形成二級效率云和效果云的數(shù)字特征。

(11)

式中，Ex為樣本期望；t為樣本數(shù)量(專家數(shù)量)；xk為第k位專家的打分值；En為熵；He為超熵；S2為樣本方差。

將IFAHP算得的效率權(quán)重矩陣和效果權(quán)重矩陣分別與對應(yīng)的數(shù)字特征矩陣相乘，得到一級效率云和效果云的數(shù)字特征，見式(12)。

(12)

式中，Ex＇，En＇和He＇分別為上一級評價指標(biāo)的期望、熵和超熵。

3.2.4 綜合評價云圖

將一級綜合評價云的數(shù)字特征鍵入MATLAB，利用正向云發(fā)生器生成綜合評價云圖，將綜合評價云圖與標(biāo)準(zhǔn)云圖對比，初步探得技術(shù)接口信息交換水平的等級。

3.2.5 貼近度

為避免綜合評價云圖與兩個等級的標(biāo)準(zhǔn)云圖都具有相近性從而影響對評價等級的判斷，利用式(13)計算綜合評價云圖和5個等級的標(biāo)準(zhǔn)云圖貼近程度，選取最大貼近度為最終評價等級。

(13)

4 實例論證

4.1 工程概況

選取拉林鐵路站前工程9標(biāo)段的達(dá)嘎啦隧道和洞嘎雅魯藏布江大橋間的技術(shù)接口進(jìn)行研究。本工程標(biāo)段位于藏南谷地高山區(qū)，山高谷深，高寒缺氧，氣候極端惡劣；沿線斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷層帶多且寬，建設(shè)條件十分艱險。受地質(zhì)構(gòu)造劇烈運(yùn)動影響，達(dá)嘎啦隧道存在諸多不良地質(zhì)，對施工產(chǎn)生了巨大挑戰(zhàn)。達(dá)嘎啦隧道是該標(biāo)段的重難點工程，該隧道技術(shù)接口是接口管理的重中之重。達(dá)嘎啦隧道進(jìn)口緊鄰洞嘎雅魯藏布江大橋橋臺，參考該標(biāo)段的施工組織設(shè)計，利用DSM對達(dá)嘎啦隧道和洞嘎雅魯藏布江大橋之間的技術(shù)接口進(jìn)行識別，見表4。

表4 橋隧工程技術(shù)接口識別

4.2 確定指標(biāo)權(quán)重

邀請 8 位有豐富鐵路工作經(jīng)驗的專家跟蹤橋隧工程技術(shù)接口的管理情況，受邀者中，有2位是分別擁有10年和7年經(jīng)驗的鐵路站前工程施工的項目經(jīng)理，2位曾負(fù)責(zé)過鐵路站前工程項目經(jīng)歷的大型鐵路公司高層領(lǐng)導(dǎo)，2位在鐵路行業(yè)工作3年以上的土木工程師，1位交通運(yùn)輸專業(yè)領(lǐng)域研究鐵路系統(tǒng)接口的學(xué)者，以及1位工程管理專業(yè)領(lǐng)域?qū)W者。根據(jù)實地調(diào)研對指標(biāo)信息交換的效率和效果進(jìn)行打分，效率和效果得分記為x1/x2，具體打分情況見表5。

表5 效率等級和效果等級得分值

以信息交換指標(biāo)效率權(quán)重計算為例，簡化計算過程截取部分重要步驟如下。

Step1：邀請8位專家對指標(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較，得到其直覺模糊數(shù)，取8位專家打分平均值作為最終直覺模糊數(shù)。根據(jù)式(1)得到直覺模糊判斷矩陣M為

(14)

Step2：借助MATLAB軟件，對M進(jìn)行一致性檢驗，檢測其是否滿足一致性要求。

(15)

Step 3：計算指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)式(6)～式(8)，利用MATLAB軟件，計算得到綜合評價效率云的二級指標(biāo)IFAHP權(quán)重為ωxl2=(0.069 7，0.075 4，0.076 4，0.061 9，0.044 3，0.072 3，0.056 7，0.059 5，0.054 6，0.050 9，0.064 4，0.047 9，0.057 2，0.045 7，0.050 5，0.041 9，0.037 8，0.032 9)，一級指標(biāo)權(quán)重為ωxl1=(0.145 1，0.311 6，0.165 0，0.215 2，0.163 1)。

同理，得到效果云的二級指標(biāo)IFAHP權(quán)重為ωxg2=(0.074 9，0.072 5，0.069 7，0.055 6，0.046 7，0.074 9，0.041 9，0.060 8，0.057 9，0.038 2，0.073 7，0.055 8，0.059 7，0.061 9，0.046 8，0.038 9，0.035 6，0.034 5)，一級指標(biāo)權(quán)重為ωxg1=(0.147 4，0.288 8，0.156 9，0.251 1，0.155 8)。

4.3 綜合評價云分析

將二級指標(biāo)的分值代入式(11)得出2級效率云和效果云的數(shù)字特征；再由式(12)得1級指標(biāo)評價云的數(shù)字特征，進(jìn)一步得到信息交換水平綜合評價云的數(shù)字特征。

將算得的綜合評價云數(shù)字特征和標(biāo)準(zhǔn)云數(shù)字特征輸入MATLAB中，利用正向云發(fā)生器代碼生成三維綜合評價云圖，如圖5所示。

圖5 綜合評價云圖

為使綜合評價等級更清晰，給出信息交換水平的綜合評價云俯視圖，如圖6所示。

圖6 綜合評價云俯視圖

4.4 貼近度計算

根據(jù)式(13)，計算綜合評價云與標(biāo)準(zhǔn)云的貼近度。計算結(jié)果為D1=0.134 7，D2=0.215 5，D3=0.557 2，D4=0.968 8，D5=0.259 7。根據(jù)貼近度的計算結(jié)果，“良好”的標(biāo)準(zhǔn)云與綜合評價云的貼近度最大，即綜合評價等級為良好。

5 結(jié)論

(1)通過對艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口的信息交換進(jìn)行深入分析和研究，結(jié)合信息溝通理論分析橋隧工程技術(shù)接口信息交換的效果和效率，建立了艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口信息交換水平評價指標(biāo)體系。

(2)通過使用IFAHP模型確定指標(biāo)權(quán)重，使權(quán)重突出體現(xiàn)艱險山區(qū)橋隧工程技術(shù)接口施工信息交換的特性，并利用二維云模型和MATLAB軟件從效率和效果兩方面對橋隧工程技術(shù)接口信息交換水平進(jìn)行了綜合評價，得出該評價對象的隸屬等級。

(3)通過對拉林鐵路達(dá)嘎啦隧道和洞嘎雅魯藏布江大橋的技術(shù)接口信息交換水平進(jìn)行評價，得到技術(shù)接口信息交換的水平處于良好等級，技術(shù)接口的信息交換水平有待優(yōu)化提升。為橋隧工程技術(shù)接口的管理提供一定理論參考。