艱險山區鐵路橋隧工程技術接口信息交換水平評價

王朋利,王 琳,劉 佳

(蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070)

鐵路工程是涉及多學科、多門類、綜合性的復雜系統工程，需多專業協調銜接、多工種交叉作業、多方參與配合[1]，因而各專業間存在大量需要互相銜接的技術接口[2]，加之艱險山區極端惡劣的地質環境條件[3]，使得技術接口施工難度更大，復雜性更高。然而，由于存在各參與方工程目標不完全一致、工程利益沖突、信息交換不暢等原因，技術接口問題在建設過程中逐步顯化，導致不必要的成本浪費和工期拖延，甚至會影響工程質量[4-5]。艱險山區鐵路工程技術接口的復雜性和眾多的接口參與方進一步加大了艱險山區鐵路技術接口管理的難度，因此，如何采取有效措施對技術接口進行管理，降低技術接口問題對建設質量、工期等目標的影響顯得尤為重要。

近年來，許多專家學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鍵影響的十大因素；LIN等[7]建立了一個基于BIM的CMI系統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，如劉環宇[8]提出了一種整體結構化接口分析的方法，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的問題半數與信息交換有關，接口管理問題也反映在接口的信息交換上[11]；齊英[12]以項目質量、進度和投資關鍵指標為基點，研究接口對關鍵指標的影響，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量。信息交換作為接口管理的重要部分，能確保項目內外部以及各參與方之間彼此交流技術接口質量、進度等情況，分析接口存在的問題。加強接口參與方的信息交換，了解各參與方的技術接口信息交換情況，可使接口管理部門有的放矢[14]，更加有針對性地進行接口管理。許多學者關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，以艱險山區鐵路橋隧工程技術接口為研究對象，從效率和效果兩方面對技術接口的信息交換進行評價。利用DSM結構識別出橋隧工程的技術接口，基于信息溝通理論建立信息交換水平綜合評價指標體系，并運用IFAHP為評價指標賦權。最后，通過二維云模型確定技術接口信息交換水平，借助MATLAB繪制綜合評價云圖，直觀反映綜合評價的結果。

1 技術接口的信息交換

在鐵路工程建設過程中，存在大量需要兩方或多方協調的部分，如工程實體間的銜接、施工工序間的交結、參建單位間的協調配合等，這些需協調的部分稱為接口[15]。根據接口性質，可將其分為組織接口、技術接口和合同接口。技術接口是系統中相互關聯的子系統在時間和空間上彼此的技術要求和匹配條件[16]。

利用任務導向的DSM進行精確識別橋隧工程的技術接口，包含各項接口任務及各接口任務間信息交換[17]。橋隧工程技術接口任務的順利完成，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

在以接口任務導向的DSM中，以進度計劃中工作發生的時間先后為依據，若橋梁和隧道工程在某工作任務產生信息流(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。將橋隧工程的技術接口用n階DSM(i，j)n×n表示，n為橋隧工程接口任務數量，i和j為橋梁工程和隧道工程的接口任務。DSM對角線以下的元素表示信息由先發生的任務向后傳遞，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，將進度計劃中橋梁專業承包商BC需與隧道專業承包商TC進行信息交換的工作表示為接口任務BU，對應TC的接口任務為TU。BC的接口任務為BU1， BU2，…，BUn，TC的接口任務為TU1，TU2，…，TUn。技術接口識別見圖2。

圖2 基于接口任務的接口DSM

兩個專業間接口任務的有向連接線表示接口信息交換關系，接口任務和連接線構成兩個專業之間的技術接口。一個技術接口(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體系構建

接口信息在兩個專業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。參考現有文獻[19-20]，并結合技術接口信息交換的特征，考慮艱險山區信息交換的實際情況，從信息交換渠道、信息傳遞能力、信息交換質量、信息交換主體和信息交換速度5個方面出發，篩選出18個信息交換制約因素，建立技術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 技術接口信息交換綜合評價體系

表1 技術接口信息交換指標內容描述

3 基于IFAHP-二維云模型的信息交換水平評價

3.1 IFAHP確定指標權重

直覺模糊層次分析法(IFAHP)以直覺模糊集理論為基礎，引入猶豫度的概念，使權重的確定更合理。同時，無須重復打分，調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AHP的不足[21-22]，故利用IFAHP對指標賦權。IFAHP判斷矩陣構造標度見表2。

表2 判斷矩陣構造標度

IFAHP法計算步驟如下。

Step 1：構建直覺模糊判斷矩陣M

專家依據表2判斷指標i和指標j的相對重要程度，將專家判斷數據轉化為直覺模糊數，構造直覺模糊判斷矩陣M，如式(1)所示。

(1)

其中，n為評價指標個數。

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：計算指標權重

(6)

最終，得到量化指標權重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，體現出定性特征的模糊度和隨機度[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為二維隨機函數，其分布服從正態分布，Ex和Ey表示兩個維度樣本的期望值，Enx和Eny分別表示其標準差。符合式(9)云滴drop(xi，yi，μi)構成的二維云模型，稱為二維正態云模型。

(9)

式中，xi和yi為云滴坐標；Pxi和Pyi為條件云滴坐標；μi為隸屬度。

3.2.2 標準云

通過咨詢專家、查閱相關文獻及成果[25]，將指標以十分制評分，并均分為5個標準評級區間，各評價等級為V={優秀，良好，一般，較差，極差}。評級區間取值范圍、等級描述和數字特征如表3所示。標準云的數字特征計算見式(10)。

表3 標準云評價等級及數字特征

(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果的二維基礎變量進行分析。邀請有豐富經驗的專家對指標打分，打分精度取0.1。每個指標的效率和效果得分值分別形成相應的云滴，全部云滴組成該指標體系的效率云和效果云，稱為二維綜合評價云。綜合評價云的數字特征如式(11)，運用逆向云發生器形成二級效率云和效果云的數字特征。

(11)

式中，Ex為樣本期望；t為樣本數量(專家數量)；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算得的效率權重矩陣和效果權重矩陣分別與對應的數字特征矩陣相乘，得到一級效率云和效果云的數字特征，見式(12)。

(12)

式中，Ex＇，En＇和He＇分別為上一級評價指標的期望、熵和超熵。

3.2.4 綜合評價云圖

將一級綜合評價云的數字特征鍵入MATLAB，利用正向云發生器生成綜合評價云圖，將綜合評價云圖與標準云圖對比，初步探得技術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準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個等級的標準云圖貼近程度，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標段的達嘎啦隧道和洞嘎雅魯藏布江大橋間的技術接口進行研究。本工程標段位于藏南谷地高山區，山高谷深，高寒缺氧，氣候極端惡劣；沿線斷裂構造發育，斷層帶多且寬，建設條件十分艱險。受地質構造劇烈運動影響，達嘎啦隧道存在諸多不良地質，對施工產生了巨大挑戰。達嘎啦隧道是該標段的重難點工程，該隧道技術接口是接口管理的重中之重。達嘎啦隧道進口緊鄰洞嘎雅魯藏布江大橋橋臺，參考該標段的施工組織設計，利用DSM對達嘎啦隧道和洞嘎雅魯藏布江大橋之間的技術接口進行識別，見表4。

表4 橋隧工程技術接口識別

4.2 確定指標權重

邀請 8 位有豐富鐵路工作經驗的專家跟蹤橋隧工程技術接口的管理情況，受邀者中，有2位是分別擁有10年和7年經驗的鐵路站前工程施工的項目經理，2位曾負責過鐵路站前工程項目經歷的大型鐵路公司高層領導，2位在鐵路行業工作3年以上的土木工程師，1位交通運輸專業領域研究鐵路系統接口的學者，以及1位工程管理專業領域學者。根據實地調研對指標信息交換的效率和效果進行打分，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

以信息交換指標效率權重計算為例，簡化計算過程截取部分重要步驟如下。

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

(14)

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

(15)

Step 3：計算指標權重

根據式(6)～式(8)，利用MATLAB軟件，計算得到綜合評價效率云的二級指標IFAHP權重為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)，一級指標權重為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IFAHP權重為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)，一級指標權重為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

將二級指標的分值代入式(11)得出2級效率云和效果云的數字特征；再由式(12)得1級指標評價云的數字特征，進一步得到信息交換水平綜合評價云的數字特征。

將算得的綜合評價云數字特征和標準云數字特征輸入MATLAB中，利用正向云發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

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

5 結論

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

(2)通過使用IFAHP模型確定指標權重，使權重突出體現艱險山區橋隧工程技術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接口信息交換水平進行了綜合評價，得出該評價對象的隸屬等級。

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