鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量影響因素研究

鮑學英，文圓圓，胡所亭，班新林，許見超

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070； 2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；3. 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

0 引 言

艱險山區(qū)地形地勢復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，氣候極端惡劣，鐵路工程橋隧占比高，橋梁與隧道間技術(shù)接口眾多且復(fù)雜，涉及面廣，使得橋隧工程技術(shù)接口實現(xiàn)過程中面臨許多困難[1]。技術(shù)接口作為鐵路工程建造的薄弱環(huán)節(jié)，對工程工期、成本，特別是工程質(zhì)量有著重大影響。因此，對鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量關(guān)鍵影響因素研究分析極其重要。

目前，國內(nèi)外學者對接口質(zhì)量做了大量研究，A.M.Al-HAMMAD[2]主要針對各參與方之間的接口問題進行研究，得出項目各參與方之間若協(xié)調(diào)不當，會嚴重影響項目的質(zhì)量；王小明等[3]結(jié)合武廣鐵路項目，闡述了施工中站后預(yù)留接口常出現(xiàn)的質(zhì)量問題；鐘永發(fā)等[4]通過鐵路工程四電接口工程施工中出現(xiàn)的主要問題，從基本思想、施工管理、技術(shù)標準等方面，分析了其形成原因，并提出了相對應(yīng)的質(zhì)量管理措施；孫登攀等[5]從高鐵施工實際出發(fā)，對于鐵路四電系統(tǒng)集成工程中常出現(xiàn)的接口質(zhì)量問題，進行了總結(jié)分析，制定了相應(yīng)的解決措施，保證施工質(zhì)量。現(xiàn)有研究大多數(shù)只是闡述了接口問題對質(zhì)量有直接影響，提出要重視工程的質(zhì)量問題，且多為經(jīng)驗性總結(jié)，缺乏對質(zhì)量影響因素的深入分析，特別是對艱險山區(qū)鐵路橋隧工程的技術(shù)接口質(zhì)量影響因素的研究分析鮮有涉及。

筆者基于相關(guān)文獻分析和質(zhì)量管理理論，結(jié)合艱險山區(qū)鐵路橋隧工程項目自身特點，識別橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量影響因素，運用結(jié)構(gòu)方程模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，對技術(shù)接口質(zhì)量影響因素進行模擬分析和診斷推理，確定影響技術(shù)接口質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素，有效預(yù)防技術(shù)接口質(zhì)量問題的發(fā)生，進而提高技術(shù)接口質(zhì)量的管理水平。

1 技術(shù)接口質(zhì)量影響因素分析

根據(jù)橋隧工程的施工特點，并參考相關(guān)文獻[6]及國家鐵路局等企業(yè)頒布的規(guī)范，識別出橋隧連接、橋臺與洞身連接、邊坡的銜接、不均勻沉降、錨碇的錨固、防水排水、電纜槽的過渡等技術(shù)接口。

針對上述識別的橋隧工程技術(shù)接口，其質(zhì)量影響因素涉及多方面，這些影響因素在特定環(huán)境條件下作用于技術(shù)接口，造成了技術(shù)接口實施的障礙，進而直接或間接影響技術(shù)接口質(zhì)量。

影響鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量的內(nèi)外因素很多，但總結(jié)起來主要有5個方面，即人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境，簡稱4M1E。其中人員的影響因素指參建人員對技術(shù)接口質(zhì)量造成的影響，主要包括人員的素質(zhì)狀況，管理決策是否正確，作業(yè)技能是否熟練等；材料的影響因素是指施工材料對技術(shù)接口質(zhì)量造成的影響，主要包括材料性能是否符合要求，價格是否合理，驗收是否符合標準等；設(shè)備的影響因素是指技術(shù)接口施工過程中所需的設(shè)備對技術(shù)接口質(zhì)量造成的影響，主要包括施工設(shè)備的類型是否符合施工特點，性能是否先進穩(wěn)定等；方法的影響因素指設(shè)計圖紙、施工方法等對技術(shù)接口質(zhì)量造成的影響，主要包括施工過程中圖紙是否合理，施工是否規(guī)范，操作是否正確等；環(huán)境的影響因素主要指自然、社會、空間和管理環(huán)境對接口質(zhì)量造成的影響[7]。

以人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境這5個方面作為外生潛變量，以技術(shù)接口質(zhì)量作為內(nèi)生潛變量。但上述潛變量不能直接進行計算評估，故擬定23個針對潛變量組成元素或突出屬性相關(guān)因素作為觀測變量進行分析。橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量變量劃分見表1。

表1 橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量變量劃分Table 1 Division of technical interface quality variables of bridge and tunnel engineering

2 理論基礎(chǔ)

對于質(zhì)量影響因素的分析，結(jié)構(gòu)方程模型 (structural equations model，SEM)有著較優(yōu)秀的實證表明能力，多進行了潛變量分析，但也具有一定缺陷：①SEM的預(yù)測能力存在一定限制，且缺乏診斷能力，進而對管理決策的支持也非常有限；②SEM多為模擬變量的線性關(guān)系，對于非線性關(guān)系，外生變量對內(nèi)生變量變化的解釋能力很弱，導(dǎo)致證實和預(yù)測都不準確。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)正好可以填補SEM的不足之處，特別是對變量之間關(guān)系的預(yù)測、診斷以及非線性關(guān)系的處理。因此，采用結(jié)構(gòu)方程模型與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方法，將鐵路橋隧工程的技術(shù)接口質(zhì)量影響因素間的相互關(guān)系以及因素在整個體系中的作用程度具體描述，識別出關(guān)鍵的影響因素。

SEM主要是基于調(diào)查數(shù)據(jù)通過外生變量預(yù)測內(nèi)生變量，或表明外生變量與內(nèi)生變量之間的因果關(guān)系。SEM通常包含多個量模型和一個結(jié)構(gòu)模型，首先確定潛變量與觀測變量之間，以及潛變量自身之間的作用機理，即構(gòu)建潛變量間的結(jié)構(gòu)模型和潛變量與觀測變量間的測量模型[8]。測量模型一般形式如式(1)、式(2)，結(jié)構(gòu)模型一般形式如式(3)：

x=Λxξ+δ

(1)

y=Λyη+ε

(2)

η=Bη+Γξ+ζ

(3)

式中：x為外生潛變量ξ的觀測變量；y為內(nèi)生潛變量η的觀測變量；Λx為x與ξ間的系數(shù)矩陣；Λy為y與η間的系數(shù)矩陣；δ為外生觀測變量x的測量誤差矩陣；ε為內(nèi)生觀測變量y的測量誤差矩陣；B為η之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系矩陣；Γ為ξ對η的影響矩陣，ζ為潛變量誤差矩陣。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian network，BN)主要是側(cè)重于對先驗信息的獲取、挖掘與處理，從而形成先驗概率分布，并由此增強了數(shù)據(jù)推理的正確性。BN將數(shù)據(jù)結(jié)果以條件概率的方式代入模型，并結(jié)合先驗信息數(shù)據(jù)與后測信息數(shù)據(jù)，加以推理、診斷。

設(shè)變量集為X′={x1,x2,…,xn}，BN主要包含兩個部分，一部分是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)S，另一部分則是變量概率分布P；一般S表示為一個有向無環(huán)圖，包括節(jié)點和有向邊(由父節(jié)點指向其后代子節(jié)點)，節(jié)點代表變量xi，而有向邊代表節(jié)點之間的依賴關(guān)系；如果節(jié)點xi有父節(jié)點，設(shè)節(jié)點xi的父節(jié)點為pa(xi)，其條件概率為P(xi|pa(xi))，將其表示為子節(jié)點和其父節(jié)點的關(guān)聯(lián)關(guān)系；如果節(jié)點xi沒有父節(jié)點，其條件概率可以用其先驗概率P(xi|Φ)=P(xi)表示；當父節(jié)點的先驗概率和子節(jié)點的條件概率分布同時存在時，則所有節(jié)點的聯(lián)合概率分布計算為[9]：

(4)

3 假設(shè)與方案設(shè)計

3.1 研究假設(shè)提出

質(zhì)量能夠衡量鐵路橋隧工程技術(shù)接口管理目標的實現(xiàn)程度﹐通過影響因素與質(zhì)量之間的作用關(guān)系研究、探尋鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量影響因素的內(nèi)部機理。鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量的關(guān)鍵因素有哪些，因素間是如何作用的，以及作用結(jié)果對質(zhì)量有什么影響？這些都是需要回答的問題。由此提出一個描述人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境因素與技術(shù)接口質(zhì)量關(guān)系的研究假設(shè)，如圖1。

圖1 技術(shù)接口質(zhì)量假設(shè)模型Fig. 1 Hypothesized model of technical interface quality

假設(shè)H1：人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境對技術(shù)接口質(zhì)量有直接影響。

假設(shè)H2：人員對材料、設(shè)備、方法有直接影響。

假設(shè)H3：設(shè)備對材料有直接影響。

假設(shè)H4：方法對材料、設(shè)備有直接影響關(guān)系。

假設(shè)H5：環(huán)境對人員、材料、設(shè)備、方法有直接影響關(guān)系。

3.2 研究方案設(shè)計

通過問卷設(shè)計來驗證鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量影響因素與質(zhì)量關(guān)系的研究假設(shè)。結(jié)合鐵路橋隧工程的特點，確定鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量影響因素人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境及質(zhì)量的相關(guān)測量指標，并采用5級李克特量表打分：1為沒有影響；2為有較小影響；3為有中等影響；4為有較大影響；5為有強烈影響。

4 實證研究

4.1 案例背景

以拉林段鐵路為研究對象，因該地區(qū)為艱險山區(qū)，使得橋隧工程的技術(shù)接口施工難度增加，也為其質(zhì)量管理增加了許多困難。因此，有必要對該橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量的影響因素進行分析，有助于提高該橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量管理水平。

4.2 數(shù)據(jù)采集

選用電子問卷，問卷調(diào)查對象為艱險山區(qū)橋隧工程技術(shù)接口施工的一線員工、技術(shù)人員、工程管理人員等。調(diào)查問卷共325份，收回307份。其中，有效問卷300份，有效問卷回收率83.33%，滿足調(diào)查樣本需求。

4.3 問卷信度與效度檢驗

采用克朗巴哈系數(shù)(Cronbach’s α)進行信度檢驗，克朗巴哈系數(shù)的值一般情況下位于0和1之間。當系數(shù)不超過0.6時，其內(nèi)部一致的信度不足；當達到0.7～0.8時，其量表具有相當?shù)男哦?；當達到0.8～0.9時，則說明其量表的信度非常好[10]。

利用SPSS軟件得出量表中各因子的信度值(表2)。由表2可知，總量表為0.964，潛變量人員、材料、設(shè)備、方法和環(huán)境與技術(shù)接口質(zhì)量克朗巴哈系數(shù)分別為0.884，0.880，0.801，0.849，0.885和0.812，均符合“大于0.8”的信度檢驗標準。綜上，問卷調(diào)查采集數(shù)據(jù)具有較高信度水平，可用于SEM分析。

表2 調(diào)查問卷的信度分析Table 2 Reliability analysis of questionnaire

采用探索性因子分析(exploratory factor analysis，EFA)實行效度檢驗，測度項與因子關(guān)聯(lián)關(guān)系及指標體系相符合，未出現(xiàn)測度項混合、因子負荷低等情況。效度檢驗包含內(nèi)容效度與建構(gòu)效度，該調(diào)查問卷是在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，并參考許多專家意見，經(jīng)過多次修改得出的，使得問卷的內(nèi)容效度較高，符合建構(gòu)效度的分析。在其之前需對問卷進行KMO(kaiser-meyer-olkin)度量值和Bartlett球形檢驗(bartlett’s test)，利用SPSS軟件進行檢驗(表3)，KMO值為0.911，大于標準KMO值0.7；顯著性為0.000，小于0.001。根據(jù)KMO檢驗標準可知，該問卷數(shù)據(jù)存在相關(guān)性，通過了建構(gòu)效度檢驗，可用于SEM分析。

表3 調(diào)查問卷因子分析檢驗Table 3 Factor analysis test of questionnaire

4.4 結(jié)構(gòu)方程模型擬合分析

模型擬合度檢驗是SEM評價的核心內(nèi)容。采用AMOS24軟件，將符合信度效度檢驗的問卷調(diào)查數(shù)據(jù)輸入橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量影響因素模型，并采用極大似然法擬合。經(jīng)過多次修正模型，使修正模型的各項指標均符合普遍接受標準[11]，見表4。由此說明，修正后的模型結(jié)構(gòu)更合理，可以更好反映出各項數(shù)據(jù)間的內(nèi)在關(guān)系。修正后模型如圖2，圖中“箭頭”表示各潛變量之間及潛變量對觀測變量的路徑，“數(shù)字”為各潛變量之間及潛變量對觀測變量的標準化估計。

圖2 技術(shù)接口質(zhì)量影響因素修正模型Fig. 2 Correction model of influencing factors of technical interface quality

表4 模型擬合結(jié)果Table 4 Model fitting results

由AMOS24軟件的輸出結(jié)果可得出潛變量人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境、橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量之間，以及對觀測變量影響因素之間的非標準化估計、標準化估計、標準誤差、T值和顯著性水平，見表5。由表5可知，潛變量人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境、橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量之間，以及對觀測變量影響因素之間的路徑的標準化估計均為正且顯著(顯著性水平<0.05)。

表5 結(jié)構(gòu)方程模型的路徑系數(shù)Table 5 Path coefficients of structural equation model

4.5 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

由4.4節(jié)分析可知，構(gòu)建的SEM模型是合理的，可知潛變量可以被觀測變量測量，其效果是良好的，對于潛變量之間、潛變量與觀測變量之間的關(guān)系也是真實可信的。在此基礎(chǔ)上，確定出相應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中潛變量的父節(jié)點可由SEM模型中的測量模型來確定，潛變量之間、潛變量與觀測變量之間存在的關(guān)系可由SEM模型中結(jié)構(gòu)模型來確定[12]。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型如圖3。

圖3 貝葉斯模型拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig. 3 Bayesian model topology network structure

4.6 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)參數(shù)學習

采用GeNIe2.0軟件建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，將外生潛變量和觀測變量的區(qū)間劃分為5個區(qū)間，即R1(沒有影響)、R2(較小影響)、R3(中等影響)、R4(較大影響) 、R5(強烈影響)；內(nèi)生潛變量作為目標變量，區(qū)間可劃分為3個，以此表征技術(shù)接口質(zhì)量的優(yōu)良、合格和不合格3個預(yù)測結(jié)果。在選擇參數(shù)學習方法時，考慮到所構(gòu)建BN模型中有潛在變量的存在，采用EM算法(expectation-maximization algorithm)來自動計算條件概率表CPT(conditional probability table)的值。因EM算法主要用于解決數(shù)據(jù)集丟失的問題，符合要求[13]。BN模型學習結(jié)果如圖4。

圖4 技術(shù)接口質(zhì)量影響因素貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型Fig. 4 Bayesian network model of influencing factors of technical interface quality

4.7 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷推理

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)不僅可以進行正向的學習，也可進行逆向推理。即貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷，主要用來分析“結(jié)果”所導(dǎo)致的“原因”，通過子節(jié)點的學習結(jié)果判定父節(jié)點的診斷結(jié)果。例如，假定技術(shù)接口質(zhì)量為優(yōu)良，即貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中將技術(shù)接口質(zhì)量“good”的概率設(shè)定為1.00，運用貝葉斯診斷可反推出其他節(jié)點的后驗概率，結(jié)果如圖5。

圖5 技術(shù)接口質(zhì)量影響因素后驗概率推理結(jié)果Fig. 5 A posteriori probability reasoning results of influencing factors of technical interface quality

4.8 結(jié)果分析

結(jié)合SEM的標準化路徑系數(shù)結(jié)果分析，可知貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷推理的結(jié)果與其基本一致，數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示：人員、材料、設(shè)備、方法和環(huán)境會直接影響橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量績效，H1假設(shè)成立；人員對材料、設(shè)備和方法有直接影響，H2假設(shè)成立；設(shè)備對材料有直接影響，H3假設(shè)成立；方法對材料和技術(shù)有直接影響，H4假設(shè)成立；環(huán)境對人員、材料、設(shè)備和方法都有直接影響，H5假設(shè)成立。其中，人員對設(shè)備和材料的影響作用大于方法；方法對設(shè)備的影響作用大于材料；環(huán)境對方法和設(shè)備的影響作用大于人員和材料。

也可得知：人員、材料和環(huán)境對技術(shù)接口的質(zhì)量績效影響較大。在人員因子中，直接從事接口施工的相關(guān)人員的技術(shù)和素質(zhì)以及協(xié)調(diào)性影響作用大于其間接管理人員和維修人員；在材料因子中，接口施工材料的質(zhì)量性能、相關(guān)質(zhì)量驗收標準的完善程度和材料儲存條件影響作用大于材料的運輸條件和價格；在環(huán)境因子中，接口施工的自然環(huán)境、空間環(huán)境和相關(guān)質(zhì)量管理制度影響作用大于接口施工的社會環(huán)境。表明貝葉斯模型變量間的因果關(guān)系是真實可信的，也再次證明研究合理且可靠，可為為以后的質(zhì)量管理決策提供理論基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

1)基于相關(guān)文獻分析和質(zhì)量管理理論，確定了艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量影響因素，包含5個潛變量及23個觀測變量，并根據(jù)變量間相互關(guān)系提出了研究假設(shè)及方案設(shè)計。

2)通過對SEM的標準化路徑系數(shù)與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷推理結(jié)果的一致性分析：研究假設(shè)是成立的，其中，人員對設(shè)備和材料的影響作用大于方法；方法對設(shè)備的影響作用大于材料；環(huán)境對方法和設(shè)備的影響作用大于人員和材料。

3)也可得知：人員、材料和環(huán)境的影響較大，具體為直接從事接口施工的相關(guān)人員的技術(shù)、素質(zhì)和協(xié)調(diào)性，接口施工材料的質(zhì)量性能、相關(guān)質(zhì)量驗收標準的完善程度和材料儲存條件，技術(shù)接口施工的自然環(huán)境、空間環(huán)境和相關(guān)質(zhì)量管理制度，應(yīng)作為重點管理方面。