艱險山區(qū)鐵路橋隧技術(shù)接口懸掛威脅等級評估

鮑學(xué)英,魏代磊,班新林,許見超

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 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)國家重點實驗室,北京 100081)

0 引 言

艱險山區(qū)鐵路建設(shè)需要面對崇山峻嶺、地形高差、地震頻發(fā)、復(fù)雜地質(zhì)、季節(jié)凍土、高原缺氧及生態(tài)環(huán)保等一系列建設(shè)難題[1]。鐵路沿線橋隧工程占比大,且成群密集分布,橋隧連接形式復(fù)雜多變,橋梁和隧道工程間存在大量技術(shù)接口[2](指相互關(guān)聯(lián)的專業(yè)與專業(yè)間在時間、空間上的相互技術(shù)要求和匹配條件),其數(shù)量和復(fù)雜程度呈指數(shù)增長,導(dǎo)致技術(shù)接口管理難度加大,管理效率低下。

相關(guān)專家學(xué)者針對接口管理做了大量研究。文獻(xiàn)[3]針對臺灣軌道交通工程復(fù)雜技術(shù)接口,從工期的角度出發(fā),根據(jù)施工記錄總結(jié)出11類導(dǎo)致工期拖延的問題,表明54%的工期拖延由相關(guān)接口問題引起;文獻(xiàn)[4]針對工程項目不同參建方之間的具體接口關(guān)系和接口問題進(jìn)行了探討,按工程實施邏輯順序和目標(biāo)導(dǎo)向原則將接口問題進(jìn)行分類,通過對來自業(yè)主方、設(shè)計方、總包方、分包方和運營維護(hù)方的102份調(diào)查問卷的分析,總結(jié)出19類工程項目不同參與方之間的接口共性問題;文獻(xiàn)[5]通過接口管理矩陣(DSM)初步劃分工程接口關(guān)系,提出了基于接口功能系數(shù)、接口成本系數(shù)和接口迭代系數(shù)的關(guān)鍵接口識別方法,同時定義了接口實施過程中的5種節(jié)點狀態(tài)。

基于上述分析可知:現(xiàn)有研究側(cè)重溯源分析,針對項目實施過程中的具體工程問題進(jìn)行逆向追蹤分析,充分論證接口管理的必要性,但缺乏對特殊地區(qū)、特殊環(huán)境及特殊工程技術(shù)接口的管理研究。

鑒于此,以艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口作為研究對象,利用工作分解結(jié)構(gòu)(WBS)和施工組織設(shè)計文件對橋隧技術(shù)接口進(jìn)行分析與識別,分析接口共性問題和艱險山區(qū)鐵路建設(shè)面臨的技術(shù)難題對接口懸掛的影響作用,建立技術(shù)接口懸掛威脅等級評價指標(biāo)體系,同時運用貝葉斯反饋修正云模型對接口懸掛威脅等級進(jìn)行綜合評價,并通過工程實例驗證了該方法體系的可行性。

1 技術(shù)接口懸掛威脅評價指標(biāo)體系

接口懸掛[5]狀態(tài)指在實施過程中有接口方不能按計劃對界面另一側(cè)的接口需求進(jìn)行及時反饋,致使接口信息交互暫時中斷的狀態(tài),當(dāng)產(chǎn)生新的接口響應(yīng)后,接口節(jié)點狀態(tài)隨即恢復(fù)到實施狀態(tài)。艱險山區(qū)鐵路建設(shè)環(huán)境復(fù)雜、建設(shè)周期長,涉及多專業(yè)協(xié)調(diào)、多方參與、多方位推進(jìn)、多工種交叉作業(yè)。業(yè)主方、設(shè)計方、總承包方、各專業(yè)承包方、供貨方、監(jiān)理方、咨詢方、運營方等不同參建方之間存在著許多需要互相銜接的接口,且彼此之間相互影響、相互制約,眾多接口方內(nèi)部及之間存在大量信息交互反饋不及時的情況,致使接口參與方之間無法進(jìn)行有序交流與互動而使接口需求信息交互暫時中斷,最終導(dǎo)致接口實施處于懸掛狀態(tài)。

技術(shù)接口懸掛威脅影響因素眾多,依據(jù)文獻(xiàn)[4]提出的19類接口共性問題及其對不同參建單位之間接口關(guān)系影響的嚴(yán)重性指數(shù),綜合考慮文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]總結(jié)出的艱險山區(qū)鐵路建設(shè)遇到的地質(zhì)勘察技術(shù)難題、特殊地質(zhì)條件下減災(zāi)選線技術(shù)難題、施工環(huán)境惡劣問題、施工降效極為嚴(yán)重的問題、生態(tài)環(huán)境敏感而脆弱問題及交通運輸困難施工組織難度大等一系列工程技術(shù)難題,從業(yè)主方因素、勘察設(shè)計方因素、承包方因素、與項目關(guān)聯(lián)的其他因素、外界因素等5個方面出發(fā),細(xì)化分解得到影響接口懸掛的27個因素,構(gòu)建了艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口懸掛威脅等級評價指標(biāo)體系,包括5個一級指標(biāo)和27個二級指標(biāo),如圖1。

2 直覺模糊層次分析法賦權(quán)模型

2.1 直覺模糊集概述

直覺模糊集[8]的概念是對傳統(tǒng)模糊理論的拓展,傳統(tǒng)模糊集在確定指標(biāo)權(quán)重時僅考慮不同指標(biāo)的模部信息,忽視了指標(biāo)重要度信息背后的灰性。直覺模糊層次分析法在確定技術(shù)接口懸掛威脅評價指標(biāo)與類屬等級的關(guān)聯(lián)時,不僅克服了類屬劃分不明確的模糊性,而且考慮了信息不充裕背后的灰色性及因知識經(jīng)驗不足帶來的猶豫度。綜上,該方法彌補了傳統(tǒng)層次分析法[9](AHP)的不足之處,還可以對沒有通過直覺模糊一致性檢驗的判斷矩陣進(jìn)行動態(tài)調(diào)整,不必進(jìn)行二次打分,有效提高了技術(shù)接口懸掛威脅評估指標(biāo)權(quán)重的精度,構(gòu)造出更加客觀完備的權(quán)重集。

2.2 建立直覺模糊判斷矩陣

專家對照9級直覺模糊重要度評分如表1。根據(jù)橋隧工程技術(shù)接口識別表建立直覺模糊判斷矩陣R=(rij)n×n,其中rij=(uij,vij),i,j=1,2,…,n,表示對2個指標(biāo)重要性對比分析后的評級結(jié)果,為一個直覺模糊數(shù),同時引入猶豫度ηij,并滿足式(1)約束條件:

圖1 橋隧技術(shù)接口懸掛威脅等級評價指標(biāo)體系

表1 直覺模糊重要度評分

(1)

式中:uij為i因素比j因素重要的隸屬度;vij為i因素比j因素重要的非隸屬度;πij為i因素比j因素重要的猶豫度。

針對直覺模糊判斷矩陣,其加權(quán)算數(shù)平均算子和幾何平均算子運算規(guī)則如式(2):

(2)

2.3 進(jìn)行一致性檢測及修正

在直覺模糊層次分析法(IFAHP)賦權(quán)模型中,為了避免出現(xiàn)不可信結(jié)果甚至錯誤,需要對直覺模糊判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗判斷,具體檢驗判斷步驟如下:

(3)

(4)

(5)

式中:σ為由決策者確定的控制參數(shù)。

調(diào)整后按照步驟1和步驟2規(guī)定的方法和程序再次進(jìn)行一致性檢驗判斷,直至距離測度滿足閾值要求。通過調(diào)整的方法省去了重復(fù)評價過程,可節(jié)省大量的時間進(jìn)行接口管理決策。

步驟4計算同級指標(biāo)權(quán)重和目標(biāo)層權(quán)重

(6)

(7)

3 基于貝葉斯反饋修正的接口懸掛威脅等級評價云模型

3.1 云模型概述及數(shù)字特征值

在橋隧工程技術(shù)接口懸掛威脅等級評估過程中,邀請接口管理方面的專家學(xué)者對評價指標(biāo)進(jìn)行打分,依據(jù)分值對技術(shù)接口懸掛威脅等級進(jìn)行評估,每個指標(biāo)對接口懸掛威脅等級的影響程度主要依賴于專家學(xué)者的專業(yè)知識和經(jīng)驗積累,評價結(jié)果受個人主觀因素影響較大。

云模型[10]可較好將隨機(jī)性和模糊性結(jié)合起來,以概率論的正態(tài)分布和模糊集中的高斯隸屬函數(shù)為基礎(chǔ),通過數(shù)字特征值期望(E1)、熵(E2)和超熵(H)生成定性概念的定量轉(zhuǎn)換,這種特定結(jié)構(gòu)放寬了形成正態(tài)分布的前提條件, 也把精確確定隸屬函數(shù)放寬到構(gòu)造正態(tài)隸屬度分布的期望函數(shù), 具有普遍適用性。

3.2 貝葉斯反饋修正云模型

云發(fā)生器產(chǎn)生的云滴是由云參數(shù)依概率產(chǎn)生,實際反映了各專家對橋隧工程技術(shù)接口懸掛威脅指標(biāo)評分值的差異性,如果云參數(shù)設(shè)定有較大偏差, 則云發(fā)生器產(chǎn)生的云滴也會有很大偏差, 為減小差異建立貝葉斯反饋修正云模型對原始數(shù)字特征值進(jìn)行修正,以便得到更加穩(wěn)定合理的正態(tài)云圖,從而真實反應(yīng)對橋隧工程技術(shù)接口懸掛威脅等級客觀統(tǒng)一的評估結(jié)果,貝葉斯反饋修正流程如圖2。

圖2 貝葉斯反饋修正流程

貝葉斯反饋修正過程如下:

(8)

2)云滴檢驗

當(dāng)滿足式(9)時,則認(rèn)為云滴聚集程度較高,專家意見主觀差異性較小,可以被接受;如果不滿足,則需要對云圖的初始數(shù)字特征值進(jìn)行修正:

(9)

3)初始特征值修正

(10)

3.3 標(biāo)準(zhǔn)云

(11)

表2 接口懸掛威脅等級

通過MATLAB云發(fā)生器生成技術(shù)接口懸掛威脅等級標(biāo)準(zhǔn)云圖,如圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)評價云圖

4 工程實例分析

4.1 工程概況

選取貢多頂隧道和奔中車站雙線大橋工程為研究對象,該標(biāo)段位于岡底斯山與喜馬拉雅山之間的藏南谷地高山區(qū),高寒缺氧、氣候極端惡劣,山脈呈南北向縱貫延展,構(gòu)造發(fā)育,內(nèi)動力地質(zhì)作用強(qiáng)烈,沿線工程地質(zhì)條件普遍較差,施工難度很大。該標(biāo)段內(nèi)隧道工程占比達(dá)95.7%,隧道出入端口主要與橋梁工程銜接,密集的橋隧技術(shù)接口分布使得接口懸掛威脅較為嚴(yán)重。因此,有必要對橋隧技術(shù)接口全面識別,在此基礎(chǔ)上評估接口懸掛威脅等級,有助于橋隧技術(shù)接口科學(xué)高效的管理,為橋隧工程技術(shù)接口的重點管理提供參考依據(jù)。

4.2 橋梁隧道工程技術(shù)接口識別

貢多頂隧道和奔中車站雙線大橋之間涉及物理連接、電氣連接、實體接觸、施工預(yù)留、功能匹配、參數(shù)匹配、通信規(guī)約等各類技術(shù)接口?？紤]到技術(shù)接口類型復(fù)雜、數(shù)量眾多、涉及面廣、差異性大等特點,為識別關(guān)鍵接口提高接口管理效率,首先依據(jù)獨立性原則、功能性原則、工程階段性原則和資源利用原則等[11]劃分原則對子系統(tǒng)進(jìn)行劃分,然后依據(jù)WBS理論和施工組織設(shè)計,對橋隧工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析分解,識別出橋隧工程技術(shù)接口共計8個,具體的技術(shù)接口特征描述如表3。

表3 橋隧工程技術(shù)接口識別

4.3 評價指標(biāo)權(quán)重確定

邀請8位橋隧工程設(shè)計、施工等領(lǐng)域?qū)＜覍Ω骷壴u價指標(biāo)對接口懸掛的威脅影響程度進(jìn)行打分。然后,按式(2)—式(7),分別計算一級指標(biāo)和二級指標(biāo)的同級權(quán)重,通過一致性檢驗判斷后計算出目標(biāo)層權(quán)重值,數(shù)據(jù)如表4。

表4 指標(biāo)體系權(quán)重

4.4 技術(shù)接口懸掛威脅等級評估

根據(jù)橋隧技術(shù)接口懸掛威脅指標(biāo)體系權(quán)重值,運用MATLAB計算各級指標(biāo)初始數(shù)字特征值,數(shù)據(jù)如表5,同時可視化表達(dá)一級指標(biāo)對橋隧技術(shù)接口懸掛威脅等級的評價云圖,如圖4。

對比圖4中的5級標(biāo)準(zhǔn)云圖,可以看出勘察設(shè)計因素對技術(shù)接口懸掛威脅最高,其次分別是承包方因素、業(yè)主方因素、外界因素、與項目關(guān)聯(lián)的其他因素,說明與勘察設(shè)計相關(guān)的各因素對接口懸掛的威脅程度最高。

圖4 一級指標(biāo)綜合云圖

運用MATLAB云發(fā)生器生成橋隧技術(shù)接口懸掛威脅初始綜合云圖(圖5)。然后根據(jù)式(8)—式(11)對初始綜合云圖進(jìn)行云滴檢驗,對綜合云圖的初始數(shù)字特征值進(jìn)行貝葉斯一致性檢驗判斷及動態(tài)反饋修正,使落入拒絕域內(nèi)的云滴數(shù)量符合置信區(qū)間要求。運用云滴檢驗程序收集落入拒絕域內(nèi)的云滴,當(dāng)云滴數(shù)量M=1 000時,式(9)計算結(jié)果為21.71%,不滿足20%的限度要求,表明初始綜合云圖云滴聚集程度不符合置信限度要求,需要修正。按式(8)—式(10)經(jīng)過3次貝葉斯動態(tài)反饋修正后,計算結(jié)果為17.19%,滿足限度要求。最后根據(jù)第3次反饋修正后的數(shù)字特征值生成最終綜合云圖?？梢钥闯鲈频尉奂潭容^初始綜合云圖明顯提高,而且落入拒絕域內(nèi)的云滴數(shù)量減少,表明經(jīng)過貝葉斯動態(tài)反饋修正后,橋隧工程技術(shù)接口懸掛威脅等級綜合評價過程中的模糊性和隨機(jī)性有所降低,對貢多頂隧道和奔中車站雙線大橋橋隧工程技術(shù)接口懸掛威脅的綜合評價更加接近客觀真實水平。

圖5 綜合評價云圖

表5 云模型初始數(shù)字特征值

由圖5可知,貢多頂隧道和奔中車站雙線大橋橋隧工程技術(shù)接口懸掛威脅等級介于Ⅲ級和Ⅳ級之間,即一般嚴(yán)重和嚴(yán)重之間。為更準(zhǔn)確判斷威脅等級,根據(jù)修正后的數(shù)字特征值計算綜合云圖與標(biāo)準(zhǔn)云圖的貼近度,從圖形和精確數(shù)字的角度綜合判斷橋隧工程技術(shù)接口懸掛威脅等級。根據(jù)式(12)計算綜合云圖與各個標(biāo)準(zhǔn)云圖的貼近度:

(12)

利用修正后的數(shù)字特征值計算貼近度:B1=0.173 3,B2=0.256 4,B3=0.714 2,B4=0.909 3,B5=0.335 5,結(jié)果表明綜合云與第Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)云貼近度B4最大,即技術(shù)接口懸掛威脅等級為嚴(yán)重。

綜上,貢多頂隧道和奔中車站雙線大橋橋隧技術(shù)接口懸掛威脅綜合等級為嚴(yán)重,其中勘察設(shè)計因素對橋隧技術(shù)接口的威脅程度最高,其次為承包方因素和業(yè)主方因素,而與項目關(guān)聯(lián)的其他因素和外界因素對接口的懸掛威脅水平較低。因此,在艱險山區(qū)鐵路橋隧技術(shù)接口管理中,須對勘察設(shè)計方給與重點關(guān)注,對承包方和業(yè)主方給與一定程度的關(guān)注。通過明確各參與方的崗位職責(zé)、建立合理的溝通反饋機(jī)制、制定科學(xué)有效的溝通制度、提高信息技術(shù)對參與方溝通過程的保障水平等相關(guān)措施,不斷提高參與方之間的信息溝通效率,降低接口管理過程中的懸掛威脅水平。

5 結(jié) 論

1)在分析接口管理研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,以艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口為研究對象,從業(yè)主方因素、勘察設(shè)計方因素、承包方因素、與項目關(guān)聯(lián)的其他因素、外界因素5個維度出發(fā),構(gòu)建橋隧技術(shù)接口懸掛威脅等級評價指標(biāo)體系。

2)運用IFAHP法進(jìn)行賦權(quán),引入猶豫度和一致性檢驗判斷程序,有效降低權(quán)重確定過程中的模糊性、隨機(jī)性和差異性。基于貝葉斯反饋修正云模型對接口懸掛威脅等級進(jìn)行評估,進(jìn)一步降低主觀差異性,使得評估結(jié)果更加接近客觀真實水平。

3)以貢多頂隧道和奔中車站雙線大橋作為研究對象,其橋隧工程技術(shù)接口懸掛威脅等級整體處于Ⅳ級(嚴(yán)重)。綜合考慮一級指標(biāo)對技術(shù)接口的懸掛威脅程度,重點從勘察設(shè)計方、承包方和業(yè)主方的視角出發(fā),提出完善組織結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新溝通方式、優(yōu)化溝通制度和完善溝通保障措施等4方面的策略建議。