艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突影響因素研究

王 琳，劉 佳，鮑學(xué)英，洪妍妍

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國的目標(biāo)，我國正在加快布局西部地區(qū)艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路的建設(shè)，補(bǔ)齊西部地區(qū)短板。艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工需要面臨地形高差大、地震頻發(fā)、地質(zhì)復(fù)雜、季節(jié)凍土、高原缺氧及生態(tài)環(huán)保等不利因素[1]，容易引起工程接口實(shí)體搭接不符合要求、接口間功能不匹配及信息溝通不暢等施工技術(shù)接口沖突。施工技術(shù)接口沖突如果得不到有效的管理，會嚴(yán)重影響鐵路建設(shè)的工期及質(zhì)量要求[2]。有效控制艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突的關(guān)鍵在于識別引起施工技術(shù)接口沖突產(chǎn)生的因素，并嚴(yán)格管控各影響因素。因此，探明艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突影響因素間內(nèi)在關(guān)聯(lián)、層次結(jié)構(gòu)，并劃分影響因素的管理等級，是有效控制艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突的前提和基礎(chǔ)，對提高工程建設(shè)效率保證施工質(zhì)量十分必要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對接口沖突影響因素的研究取得了一定的進(jìn)展。綜合看來，國外接口沖突影響因素研究多集中在組織關(guān)系接口沖突影響因素分析、接口沖突影響因素重要性評價(jià)方面[3]，國內(nèi)接口沖突影響因素研究主要集中在城市軌道交通領(lǐng)域[4-6]。很少有學(xué)者探索復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突影響因素及其管理措施，對接口沖突影響因素與管理機(jī)制的研究缺乏科學(xué)性、系統(tǒng)性。

針對上述不足，提出了WSR-K-Means++模型。以艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路建設(shè)地形環(huán)境復(fù)雜、氣候條件差、資源調(diào)度不便捷、人員組織困難及施工周期長等錯綜復(fù)雜的施工條件為基礎(chǔ)，采用顧基發(fā)等[7]提出的WSR系統(tǒng)方法論為理論依據(jù)，系統(tǒng)性、層次性地從物理-事理-人理角度建立了艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突影響因素體系。根據(jù)施工技術(shù)接口的技術(shù)、責(zé)任、時(shí)間、空間特性，定義施工技術(shù)接口沖突影響因素技術(shù)、責(zé)任、時(shí)間、空間4種屬性[8]，并計(jì)算各影響因素的四屬性隸屬度。通過各種聚類算法的比較，最終采用K-Means++算法對施工技術(shù)接口沖突影響因素隸屬度進(jìn)行聚類分析[9]，由此劃分沖突影響因素的等級，對不同級別的沖突影響因素差異化管理，以有效控制施工技術(shù)接口沖突，提高接口管理效率。

1 基于WSR艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突因素分解

艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路工程是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)，沿線施工存在地形環(huán)境復(fù)雜、氣候條件差、資源調(diào)度不便捷、人員組織困難及施工周期長等錯綜復(fù)雜的施工條件，導(dǎo)致施工技術(shù)接口在資源、環(huán)境、施工方法、設(shè)計(jì)程序、項(xiàng)目管理、信息溝通以及人員組織等方面存在較多的不利影響因素，并逐步演化為施工技術(shù)接口沖突。系統(tǒng)、分層次地對導(dǎo)致施工技術(shù)接口沖突的影響因素全面分析，有助于接口管理者事前提出切實(shí)可行的接口管理策略和完整、正確的問題整改措施。

WSR方法的核心思想是從系統(tǒng)工程的角度，充分考慮物理、事理、人理三方面對研究問題的作用，從而系統(tǒng)、分層次、完整地對復(fù)雜問題進(jìn)行研究，表1為WSR方法基本內(nèi)容。采用WSR系統(tǒng)論思想，將資源、環(huán)境、施工方法、設(shè)計(jì)程序、項(xiàng)目管理以及人員組織等歸屬于物理、事理、人理三方面，并逐層細(xì)化，最終得到有效管理和控制的單元(施工技術(shù)接口沖突的影響因素)，符合全面探索艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突影響因素的要求，以系統(tǒng)地建立影響因素體系。

表1 物理-事理-人理的內(nèi)容

其中，物理指施工技術(shù)接口沖突產(chǎn)生的機(jī)理，主要來源于艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路系統(tǒng)自發(fā)的、客觀存在的因素，如地質(zhì)、環(huán)境和資源等；事理指做事的道理，考慮如何安排所有的艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工的材料、設(shè)備、人員，分析艱險(xiǎn)山區(qū)施工技術(shù)接口沖突各階段、各參與方采用的方法、工具以及行為準(zhǔn)則等的不恰當(dāng)因素，如設(shè)計(jì)方式不合理、管理方式不恰當(dāng)?shù)?；人理回答“怎樣去做”和“怎么做最好”的問題，主要來源于人在處理艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口問題過程中的經(jīng)驗(yàn)和能力不匹配因素，包括人的組織、協(xié)調(diào)、溝通能力以及對接口的責(zé)任心，如溝通不暢會導(dǎo)致信息的延遲或錯誤信息的傳遞。

依據(jù)上述WSR系統(tǒng)方法，結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)[10-11]、實(shí)地調(diào)研和專家咨詢，從已完工程施工圖紙、施工組織設(shè)計(jì)、施工進(jìn)度計(jì)劃以及合同文本等施工資料中分析歸納施工技術(shù)接口沖突影響因素，最終得到的施工技術(shù)接口沖突影響因素，如圖1。

圖1 艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突因素WSR分解

2 艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突影響因素的多屬性判斷

艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路系統(tǒng)復(fù)雜，包括站前、站后系統(tǒng)，惡劣的地質(zhì)條件和氣候條件導(dǎo)致系統(tǒng)間施工技術(shù)接口關(guān)系更加復(fù)雜。復(fù)雜的施工技術(shù)接口系統(tǒng)管理需著重考慮各參與方責(zé)任的界定、不同專業(yè)任務(wù)之間的時(shí)間搭接及不同實(shí)體對象空間位置關(guān)系的固有屬性[12]。各屬性多個維度的交叉影響決定了無法對施工技術(shù)接口沖突影響因素從單一的維度進(jìn)行識別、分析和管控。研究施工技術(shù)接口沖突影響因素與多屬性之間的聯(lián)系是探明影響因素間內(nèi)在關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵，為進(jìn)一步劃分施工技術(shù)接口沖突影響因素的管理等級提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 多屬性的判斷

為了突出施工技術(shù)接口的技術(shù)、責(zé)任、時(shí)間、空間特性，方便接口管理，將艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路項(xiàng)目施工技術(shù)接口沖突影響因素屬性分為4個方面，即技術(shù)屬性、時(shí)間屬性、責(zé)任屬性、空間屬性，屬性的分類及說明見表2。

表2 艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突屬性判別

2.2 評分標(biāo)準(zhǔn)

艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工環(huán)境復(fù)雜多變，不同施工環(huán)境下施工技術(shù)接口沖突影響因素定量數(shù)據(jù)有所不同，難以進(jìn)行統(tǒng)一處理。建立施工技術(shù)接口沖突影響因素與4種屬性的隸屬關(guān)系，選取相關(guān)專家依據(jù)表2屬性說明計(jì)算各影響因素與4種屬性的隸屬度，能夠獲取有效數(shù)據(jù)。為了方便后期數(shù)據(jù)的處理，將隸屬度擴(kuò)大100倍，擴(kuò)大的隸屬度取值范圍為0～100，其中0分代表無隸屬關(guān)系，100分代表完全隸屬，插值法評分。其中，各影響因素與四維屬性隸屬程度的評分值按照重要程度劃分為5個等級，見表3。

表3 影響因素-屬性隸屬程度

3 艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突影響因素聚類分析模型的建立

對施工技術(shù)接口沖突影響因素聚類，能把各影響因素分為不同分類別，根據(jù)多屬性數(shù)據(jù)分析能劃分各影響因素的等級，進(jìn)而實(shí)施差異化管理措施。目前常用的聚類方法有K-medoids算法、CLARANS算法、K-Means++算法等。由于WSR對艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突影響因素分解的數(shù)目是有限的，K-medoids算法聚類中心是在樣本范圍內(nèi)取值[13]，CLARANS算法對輸入的數(shù)據(jù)順序敏感性高，并且計(jì)算效率低[14]，不適用于施工技術(shù)接口沖突影響因素聚類。相較于前者，在處理非大型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型方面，K-Means++算法步驟精簡、計(jì)算簡便，在聚類相同的類別中相似度高，聚類不同類別中相似度較低。并且K-Means++算法對K個聚類中心的選取是隨機(jī)的，在選取第1個聚類中心后，第2個聚類中心距離第1個聚類中心應(yīng)盡可能遠(yuǎn)，可以使聚類效率大大提高，因此，筆者采用K-Means++算法對施工技術(shù)接口沖突影響因素聚類。

3.1 基于WSR-K-Means++模型的運(yùn)行流程

首先，通過WSR系統(tǒng)方法識別施工技術(shù)接口沖突因素，依據(jù)表2、表3評分原則，邀請相關(guān)專家對圖1施工技術(shù)接口沖突影響因素四屬性隸屬程度評分。然后，對專家評分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行篩選，根據(jù)K-Means++算法的步驟計(jì)算各接口沖突影響因素聚類中心并提取出聚類集合，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判別。最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)劃分聚類等級，并匹配聚類集合，運(yùn)行流程，如圖2。圖2中條件1表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合K-Means++算法的離散條件，條件2表示實(shí)驗(yàn)聚類中心是否達(dá)到所希望的離散程度。

圖2 施工技術(shù)接口沖突聚類分析模型流程

3.2 數(shù)據(jù)的獲取

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，邀請多位從事艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路研究的專家，根據(jù)表2、表3及自身施工經(jīng)驗(yàn)對圖1中80個施工技術(shù)接口沖突影響因素的技術(shù)-責(zé)任-時(shí)間-空間四屬性隸屬程度評分。為了數(shù)據(jù)能夠更客觀的反映影響因素與各屬性的隸屬關(guān)系，需剔除部分專家數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后得到符合聚類分析要求的數(shù)據(jù)矩陣，具體步驟如下：

1)觀察初始數(shù)據(jù)，查看異常數(shù)值并清除。

3.3 K-Means++聚類算法的計(jì)算步驟

K-Means++算法首先應(yīng)確定K值和迭代的終止條件，具體步驟如下：

Step 1聚類的初始化。設(shè)置K值和終止條件，從聚類集合中隨機(jī)選取一個樣本作為初始聚類中心C1。

Step 2計(jì)算其余的聚類中心。計(jì)算每個樣本X與其距離最小的聚類中心C之間的距離D，接著計(jì)算每個樣本被選中的概率,其中樣本X的概率計(jì)算如式(1)，運(yùn)用輪盤賭的方式選擇其他聚類中心：

(1)

Step 3計(jì)算樣本到聚類中心的距離。計(jì)算每個樣本Xi={x1，x2，…，xm}與每個聚類中心Cj={c1，c2，…，cm}的距離Dij，把樣本Xi歸類到最小距離Di的聚類中心Cj中，Di選擇過程如式(2)：

(2)

Step 4更新聚類中心C。計(jì)算每個聚類中所有樣本到該聚類中心對應(yīng)維度距離的平均值作為更新的聚類中心的位置，其坐標(biāo)的計(jì)算如式(3)：

(3)

Step 5更新聚類中心隸屬樣本X。聚類中心發(fā)生了改變，必須對樣本重新歸類，重復(fù)Step 3得到新的分類樣本。

Step 6算法終止。根據(jù)終止條件結(jié)束循環(huán)，輸出聚類結(jié)果。最后對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理、分析。

4 實(shí)證分析

選取艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路某標(biāo)段為研究對象，該標(biāo)段全長42.68 km，主要為隧道工程，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜、工程施工難度大。且該標(biāo)段處于高海拔嚴(yán)寒地區(qū)，高原缺氧時(shí)刻威脅著施工人員的生命健康安全，人員設(shè)備施工效率因此也大大降低，同時(shí)有交通條件差，地材匱乏，電力供應(yīng)不足等問題，給技術(shù)接口管理帶來十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

該標(biāo)段施工技術(shù)接口涉及站前站后工程施工技術(shù)接口，站前專業(yè)施工技術(shù)接口以及各標(biāo)段間施工技術(shù)接口，包括路基、橋梁、站房、四電工程、排水、地方道路銜接等系統(tǒng)內(nèi)外部技術(shù)接口工程，施工技術(shù)接口工程貫穿于整個工程施工過程中。為對施工技術(shù)接口沖突實(shí)施差異化管理，有效遏制施工技術(shù)接口沖突事前的產(chǎn)生以及事中的發(fā)育，基于圖1中識別的80個施工技術(shù)接口沖突影響因素，進(jìn)行了研究。

4.1 確定專家權(quán)重及評分

邀請12位該項(xiàng)目施工技術(shù)接口管理研究的專家對施工技術(shù)接口沖突影響因素的四維屬性隸屬程度進(jìn)行量化處理，專家的可信度從專家的工齡、學(xué)歷、專業(yè)、經(jīng)歷和職稱5個方面來評判，具體權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 專家評分權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)

專家可信度的計(jì)算公式為:

(4)

式中：i為專家評判因素；ri為專家評判因素i的權(quán)重；si為專家評判因素i的分值。例如：一位副高級隧道工程專家，學(xué)位為碩士，45歲，在工程建設(shè)中有評估經(jīng)歷，則他的可信度為：

12位專家對80個施工技術(shù)接口沖突影響因素的四維屬性隸屬程度評分，得到的80×48矩陣，每組評分中剔除2組專家數(shù)據(jù)，得到80×40矩陣。根據(jù)表4計(jì)算其余10位專家的權(quán)重，由于篇幅有限，具體計(jì)算過程省略，經(jīng)計(jì)算各專家的權(quán)重均為0.1，計(jì)算綜合得分矩陣并轉(zhuǎn)置，得4×80矩陣為：

4.2 艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突因素K-Means++聚類分析

基于上述評分矩陣建立一個Excel文件，并根據(jù)K-Means++聚類算法的步驟在MATLAB軟件中編寫程序，將Excel文件輸入到程序中，挖掘數(shù)據(jù)的聚類關(guān)系?；陧?xiàng)目實(shí)際情況，把施工技術(shù)接口沖突影響因素分為4個層次，K值取4。取施工技術(shù)接口沖突技術(shù)、責(zé)任、時(shí)間屬性的評分值對應(yīng)X、Y、Z軸的值，構(gòu)成三維空間坐標(biāo)系，將施工技術(shù)接口空間屬性評分值S用氣泡的大小表示，構(gòu)成的四維坐標(biāo)系表示各接口屬性之間的聯(lián)系。K-Means++算法第1個聚類中心的選取是隨機(jī)的，因此每次聚類結(jié)果都不同，從中選擇4次典型的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，由MATLAB軟件繪制的四維屬性坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)散點(diǎn)聚類圖，見圖3。圖3中圓形的大小代表S空間屬性的數(shù)值0～100。

圖3 散點(diǎn)聚類分析

4.3 數(shù)據(jù)分析

通過觀察，發(fā)現(xiàn)施工技術(shù)接口多屬性是相互獨(dú)立的。實(shí)驗(yàn)1～4散點(diǎn)聚類圖中從X、Y、Z軸(技術(shù)-責(zé)任-時(shí)間)三維屬性的角度分析，4次實(shí)驗(yàn)中各聚類中心的空間距離均較遠(yuǎn)，耦合度較低。但綜合考慮第四維坐標(biāo)-空間屬性(氣泡的大小)，實(shí)驗(yàn)1～4聚類中心耦合度明顯增大，證明空間屬性獨(dú)立于前三者。用同樣的方式測量施工技術(shù)接口沖突影響因素技術(shù)屬性、責(zé)任屬性、時(shí)間屬性，發(fā)現(xiàn)彼此間都相互獨(dú)立，驗(yàn)證了所取的4個屬性互不干擾，符合獨(dú)立性原則。

表5給出了4次實(shí)驗(yàn)MATLAB計(jì)算的具體數(shù)據(jù)，表中SUMD表示聚類集合中所有因素到聚類中心歐式距離的和，經(jīng)檢驗(yàn)4次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都滿足聚類條件。

聚類中心四維坐標(biāo)對應(yīng)四維屬性，坐標(biāo)值越大反映其與對應(yīng)屬性的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)。若與多個屬性關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，則該聚類中心的4種屬性關(guān)系越復(fù)雜，管理難度越大，因此，聚類中心到原點(diǎn)的歐式距離越大表示該聚類集合中各接口沖突影響因素管理難度越大。根據(jù)大量重復(fù)運(yùn)行MATLAB得到的聚類中心C的聚集程度，把艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突影響因素管理由易到難劃分為1～4等級，即：1級(60～89)、2級(90～109)、3級(110～129)、4級(130～149)。根據(jù)4次實(shí)驗(yàn)的具體數(shù)值，將每次實(shí)驗(yàn)的施工技術(shù)接口沖突影響因素聚類的等級量化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 接口沖突聚類分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于實(shí)驗(yàn)1中的C1和C2，實(shí)驗(yàn)2中的C1和C3，實(shí)驗(yàn)3中的C1和C4到原點(diǎn)的距離相當(dāng)，對應(yīng)的聚類集合都為2級。實(shí)驗(yàn)4中各聚類中心到原點(diǎn)距離較分散，表明該實(shí)驗(yàn)中各類別的施工技術(shù)接口沖突影響因素集合的管理難度有明顯的區(qū)別。為了合理分配該項(xiàng)目施工技術(shù)接口沖突影響因素，取實(shí)驗(yàn)4的施工技術(shù)接口沖突影響因素聚類集合為該項(xiàng)目施工技術(shù)接口沖突影響因素管理難度等級。分別用集合A1、A2、A3、A4表示1～4等級的施工技術(shù)接口沖突影響因素，根據(jù)圖1編碼，從MATLAB導(dǎo)出各個等級的施工技術(shù)接口沖突影響因素集合如下：

A1={A11,A12,B13,B21,C14,C15,C21,C32,C33,C42,C43,D11,D12,D13,D21,D23,D24,D25,D33,D51,D52,D58,E24,E41,E42}

A2={A41,A42,B12,B22,B23,B41,B42,C11,C12,C31,C44,C45,D32,D43,D44,D53,D54,D55,D56,D57,E11,E12,E13,E14,E26,E31,E32,E33,E43}

A3={A21,A22,A24,B11,B31,C13,C41,D22,D31,D41,E21,E22,E23}

A4={A23,A31,A32,A33,A43,A44,B32,C22,D14,D34,D42,E25,E27}

由于A3、A4等級高，隸屬于該集合的施工技術(shù)接口沖突影響因素管理相對困難，其中，A3集合施工技術(shù)接口沖突影響因素應(yīng)適當(dāng)加大關(guān)注的力度，A4集合施工技術(shù)接口沖突影響因素應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

5 結(jié) 論

為了預(yù)防控制艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突，采用WSR-K-Means++模型識別、分析了艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突影響因素，得出如下結(jié)論：

1)利用WSR系統(tǒng)方法論，從物理-事理-人理3個維度出發(fā)，提取了21個接口沖突產(chǎn)生的原因，并對21項(xiàng)原因進(jìn)一步細(xì)化得到了80個接口沖突影響因素，為艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突應(yīng)對措施的制定提供了一定的依據(jù)。

2)通過MATLAB軟件模擬K-Means++聚類算法，得出技術(shù)-責(zé)任-時(shí)間-空間屬性相互獨(dú)立，驗(yàn)證了艱難山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突影響因素屬性選取的合理性。

3)采用WSR-K-Means++模型從定性和定量的角度實(shí)現(xiàn)艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突影響因素的分解-聚類，并根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況劃分沖突影響因素的等級，為接口沖突管理提供了一定的理論支撐。

4)依據(jù)沖突影響因素等級，加大對高等級沖突影響因素的管理力度，從多屬性的角度分析其對施工技術(shù)接口產(chǎn)生的影響，并采取合理的控制手段，達(dá)到提高技術(shù)接口管理效率和艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工技術(shù)接口沖突及時(shí)預(yù)防控制的目的。