質量驅動的鐵路建設工程管理模型

陳小文，唐學倫

（1.貴州醫科大學 計算機教育與信息技術中心，貴陽 550025；2.貴陽同心軟件科技有限公司，貴陽 550001）

鐵路工程建設項目具有施工范圍跨度廣、建設周期長、管控難度大等特點，進度、質量與成本既是3大控制目標，也是影響工程項目效益的3大因素[1]，需提出一種新的科學方法來提升鐵路工程管理[2]。部分重點項目存在進度滯后、虛報建設任務的問題[3]，建設管理單位缺乏有效的進度、質量、驗工監測手段與機制，難以降低項目的成本和風險[4]。如何科學解決虛報和超報、超驗等問題是工程管理的難點。針對3大控制目標和管理難點，許多學者開展了相關的研究工作。文獻[5]根據鐵路工程進度管理的需要，設計了基于圖形元件的工程形象進度圖參數化生成方案，建立了VML代碼后臺化機制，進而獲得了鐵路工程形象進度圖參數化生成系統。文獻[6]提出了基于Web的施工進度形象的建模方法，研發了綜合信息的錄入、查詢與形象展示的可視化平臺，有利于控制工程質量、安全、成本和工期。文獻[7]從建筑安全、質量控制和成本控制的角度，分析了項目管理的關鍵環節，提出了管理措施。文獻[8]針對6D-BIM集成控制結構體系施工階段，結合改進的掙值分析方法，研發了施工項目質量、進度和成本的監測和參數分析系統，進而實現施工過程的動態管理和多目標控制。文獻[9]基于項目的進度、成本和質量之間的配置關系，研究了進度、成本、質量和項目績效之間的關聯。文獻[10]介紹了范圍和質量管理的思想，以及成本和進度控制的關鍵因素。文獻[11-12]構建質量、進度、成本之間相互優化的方案，并探索出進度與成本的最佳協調方案和項目成本與其質量、進度時間相互協調的方法。文獻[13]分析了鐵路建設工程檢驗批數據的特征，把檢驗批數據應用到施工質量管理、安全管理、進度管理、投資管理過程中。雖然文獻[5-6]對鐵路工程項目進度管理提供了形象化展示工具，但未涉及進度、質量、成本間的關聯關系。文獻[7-13]對鐵路工程項目的進度、質量、成本間關系進行了研究，但未涉及超報與虛報控制等方面。

針對鐵路工程管理的難點，從施工圖紙著手，利用工程進度圖系統劃分結構部位實體，采用質量檢驗批驅動機制將進度、計價進行深層次關聯，構建了質量驅動的鐵路建設工程管理模型，研發了相應的信息系統。在鐵路客運專線公司的應用結果表明：該系統可分析進度、質量、成本之間的數據，自動識別超報、虛報等問題，可降低引入虛假數據的風險。自頂向下的層層追溯與查驗的效率，提升客運專線建設工程管理的信息化水平。

1 模型分析

綜合衡量項目的整體性、專業性，結合施工組織安排，將鐵路建設項目劃分成若干個管理標段，依據線路的地質地貌特征、水文等因素劃分成若干個單位工程。本文以橋梁專業的單位工程進行描述，在此先給出相應的定義與術語。

1.1 相關定義與術語

n為結構數量，n＞2；

i表示第i個結構，其中1≤i≤n;

S={Si}表示結構集合, Si只包含一個元素。

B={Bi}表示部位集合，元素Bi={bi,j| 1≤j≤cb}；Bi表示Si的部位集合，bi,j表示第i個結構的第j個部位，cb為第i個結構的部位總數。

W={Wi}表示工序集合，Wi表示Si的施工工序集合，Wi,j表示bi,j的工序集合。

T={Ti}表示施工任務集合，Ti表示第Si的任務集合。Ti,j則表示bi,j的任務集合。每個任務t由元素三元組(b,w,s) 構成。

P={Pi}表示進度管理集合，元素Pi={pi,d|1≤d≤cp}表示第i個結構的進度管理集合。pi,d表示第i個結構的第d個進度管理項，cp為第i個結構的進度管理項總數。

Q={Qi}表示質量管理集合，元素Qi={qi,f|1≤f≤cq}表示第i個結構的施工任務集合。qi,f表示第i個結構的第f個質量管理項，cq為第i個結構的質量管理項總數。

V={Vi}表示驗工管理集合，元素Vi={vi,g|1≤g≤cv}表示第i個結構的驗工管理信息。vi,g表示第i個結構的第g個驗工管理項，cv表示第i個結構的驗工項。

fr(x, y)關聯函數，若執行fr函數，則x→y。若存在fr(x, y)和fr(y, z)，則x→z，函數fr具有傳遞性。

定義1：工程量清單，涵蓋鐵路工程所需施工類型的工程數量與單價，是工程驗收與計價的基礎，其數據項與工程數量表存在一對多關系。

定義2：檢驗批任務，根據施工質量驗收標準對每一個結構部位的每一次施工活動，是質量控制的最小單元。

定義3：質量驅動，以檢驗批任務的驗收結果任為模型的驅動源。

1.2 圖紙分解

施工圖紙是施工的基礎，蘊含了豐富的數據，涵蓋了施工方法、工程數量、幾何屬性等重要信息。對圖紙中的數據予以深層次分解，所獲數據元素可為進度、質量、計價管理提供最小管理單元，從圖紙劃分工程數量、結構部位、分部分項的關系，如圖1所示。

（1）工程數量，施工圖紙所標識各結構類型施工數量，每個數據可利用圖紙上各項參數計算而得。

（2）實體劃分，依據單位工程的類型和施工方法，劃分結構集合S={S1, S2,...,Sn}和部位集合B={B1, B2,…, Bn}。

圖1 圖紙分解示意圖

（3）工序劃分，依據質量驗收標準，結合施工指南和方法，劃分工序集合W={W1,W2,…,Wn}。

1.3 檢驗批任務驅動

施工建設管理者以施工圖為基礎，結合各種質量驗收標準和技術指南，實施對施工質量Q控制管理；結合工程數量形成了實體工程的進度P管理；利用工程量清單和驗工數據實施驗工計價V管理。在質量檢驗批管控過程中，依據施工驗收標準對每一個施工任務的質量進行驗收。其驗收步驟依次為施工任務檢驗批、分項工程、分部工程、單位工程。由此可見，檢驗批任務是鐵路工程施工過程控制的最基本單元，也是質量驗收中最小單元。

利用檢驗批任務所關聯的數據進行匯總或加工后的數據更具真實性和準確性，并具備數據追溯的條件。因此可將檢驗批任務狀態的變化看成是整個項目的驅動源，支撐模型中的各個功能模塊運轉。

基于質量驅動的項目管理模型結構，如圖2所示（圖2中的虛線為驅動流），利用工序劃分和實體劃分的數據形成任務集，關鍵任務狀態發生變化時則驅動業務模塊的運轉。驅動流的活動變化流程，如圖3所示。分別涉及到進度、質量、成本（計價），所有數據均來自于質量檢驗合格的施工任務。

2 驅動模型設計

根據施工圖紙信息，對工程形象進度圖進行參數設置，快速分解成結構S和部位B集合。將任務與工程形象進度圖的部位bi,j關聯，并對結構、部位綁定相應工程數量表，最后在工程數量表的基礎上與工程量清單關聯，從而形成以任務的驅動的管理模型。當關鍵施工任務的狀態發生改變時，以工程形象進度圖為展示載體，利用關鍵任務上所附的關聯屬性，將進行進度、質量、計價等模塊的數據加工處理。任務生成之前，需利用fr(x,y)函數進行數據關聯。

圖 2 基于質量驅動的工程管理模型

圖 3 活動變化流程

2.1 數據關聯

（1）工程數量表中的數據項是進度管理集合中的重要數據，而施工任務是最小的質量控制單元，兩者之間無法直接關聯。需要借助工程進進度圖中的S結構集合方可與進度P集合，即進行fr(Si, Pi)運算。

（2）工程量清單驗工管理集合中的基礎數據，與工程數量存在一對多的關系，需要借助fr(Pi,Vi)函數實現兩者之間的關聯。

（3）依據質量驗收標準，每個部位需要進行多個工序，因此部位需要與工序進行關聯，即fr(Bi,Wi)運算。

（4）施工任務是質量控制的最小單元，每個工序有工序W均需要施工、監理單位進行檢查評定驗收，因此工序W集合還需與Q質量集合進行關聯，即fr(W, Q)。

2.2 任務分解ct(b, w, s)函數

任務分解是管理模型的基礎，需要借助工程形象進度圖所生成的結構S、部位B集合，利用任務分解ct(b, w, s)函數進行批量分解。若第1#橋墩包含6根樁基，均采用鉆孔法施工。依據本文先前定義可表示為：

i=1, 1 ≤ j≤ 6 ；S1={1#橋墩}；B1={b1,j}={ 1#樁基，2#樁基，3#樁基，4#樁基，5#樁基，6#樁基};

W1={W1,j}={{鉆孔,鋼筋,混凝土}…{ 鉆孔,鋼筋,混凝土}}；

T1,j= ct(b1,j,w1,j, Si)

= b1,j? W1,j? S1

={(1#樁基,鉆孔,1#橋墩)，(2#樁基,鉆孔,1#橋墩)，(3#樁基,鉆孔,1#橋墩)，(4#樁基,鉆孔,1#橋墩)，(5#樁基,鉆孔,1#橋墩)，(6#樁基,鉆孔,1#橋墩)，(1#樁基,鋼筋,1#橋墩)，… (5#樁基,混凝土,1#橋墩)，(6#樁基,混凝土, 1#橋墩)}。

T1集合包含18個任務元素。任務集合的分解示意圖，如圖4所示。

圖4 任務劃分示意圖

圖4展示了某一個橋墩的樁基礎任務劃分過程，承臺、墩身、梁的劃分方法與樁基礎的類似。對整座橋梁進行任務劃分可表示為：

2.3 驅動模型

基于質量驅動模型，利用驅動機制，將質量、進度、計價進行有機結合。實現質量、進度、計價三者之間的深度關聯。任務t是由b, w, s組成的三元組，根據fr函數，任務t可實現：

（1）t→b, w, s；

（2） s→p進行進度控制；

（3）p→v進行驗工計價管理；

（4）b→w進行施工工序管理；

（5）w→q進行質量管理。

由于fr函數具有傳遞性，可知t→q, p, v，檢驗批任務是過程控制和質量驗收的最小管理單元，基于檢驗批任務的數據加工具備了數據審核與追溯的條件。施工管理過程為：施工任務完成后填報施工記錄與檢驗批資料，并向監理單位報驗，質量驗收合格后改變任務的狀態，系統根據任務的類型進行進度圖著色、完成數量匯總和工程量清單計算。檢驗批任務驅動的流程，如圖5所示。

圖5 檢驗批任務驅動流程

3 系統實現及應用分析

3.1 系統及實現

鐵路建設工程管理模型的信息系統結構，如圖6所示。

在Win7平臺下，系統以Microsoft Visual Studio.NET 2012為開發工具，利用跨瀏覽器的、跨平臺Silverlight 對工程形象進度圖進行升級改造，模型中的其它業務模塊均采用Asp.net進行開發，在開發過程中，采用Visual SourceSafe進行源代碼管理與版本控制，考慮到鐵路工程涉及到數據較多，在數據管理方面則采用Oracle數據庫。

圖6 基于鐵路建設工程管理模型的信息系統結構圖

3.2 應用案例

基于鐵路建設工程管理模型的信息系統已在國內多個鐵路客運專線公司進行應用示范。

（1）在西成客運專線（陜西段）實現了質量與進度進行統一管理。通過提取質量資料中的關鍵任務所關聯的數據，獲取進度信息，并與參建單位提交的進度進行分析對比，有效地控制虛報進度和質量資料滯后的現象。質量資料、施工進度對比，如表1所示。建設管理者可利用圖表中的左側的超鏈接，依次獲取標段、項目部、項目分部、單位工程、分部分項、乃至施工任務等多層次的數據追溯管理，真正實現自頂向下的精細化管理。

表1 西成、寶蘭鐵路客運專線質量資料、施工進度對比表

（2）在武廣鐵路公司對武九客運專線、鄭萬客運專線（湖北段）進行質量、進度、驗工的統一管理。嚴格遵循先質量、后進度、再驗工的流程，通過提取質量驗收合格的任務所關聯的施工數據，按類別進行多層次匯總獲得了進度、驗工數據，有效地控制超報、虛驗等現象。驗工數據關聯界面，如圖7所示。

圖7 質量、進度、驗工關聯

3.3 效果分析

從建設單位、施工單位反饋的信息來看，基于該模型的信息系統為工程、質量、計財部門提供了一個良好的檢測與監控手段和追溯工具。通過對基于質量驅動管理模型的信息系統的實施，建設單位扭轉以往管理過程中存在的鞭長莫及尷尬局面，將進度、質量、計價進行統一有效的管理。同時也改變部分管理模式，并提高了工作效率，管理模式與管理項的對比分別如圖8、表2所示。

圖8 施工管理模式示意圖

4 結束語

基于質量驅動的鐵路建設工程管理模型，將每個檢驗批任務所關聯的施工屬性進行多層次匯總，獲得可深層次檢驗、追溯的各種數據報表，以工程形象進度圖為導向，可為各級管理者提供數據審核、來源追溯的管理工具，提升施工管理水平。但由于部分施工結構物的特殊性，通過本管理模型計算的完成數量和工程量清單與實際數據可能存在一些偏差，下一步工作將重點研究特殊結構物施工數量的計算法則與算法，進一步提升管理模型的精度與準確性。

表2 傳統模式與基于質量驅動模型管理模式對比