基于數智化的鐵路工程高效益施工組織技術研究

盧春房， 魏 強， 王 鵬

（1.中國工程院，北京 100088；2.中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844）

1 引言

中國特色社會主義進入新時代，鐵路建設特別是高鐵建設經歷了10余年大規模快速發展，在規劃設計、工程建設、技術創新、裝備制造、運營管理等方面取得了舉世矚目的巨大成就［1］。2016年制定的《中長期鐵路網規劃》中提出，到2025年，我國鐵路網規模將達17.5萬公里左右，其中高鐵3.8萬公里左右，比2015年底翻一番。到2030年，全國基本實現內外互聯互通、區際多路暢通、省會高鐵連通、地市快速通達、縣域基本覆蓋。屆時，全國鐵路網全面連接20萬人口以上城市，高速鐵路網基本連接省會城市和其他50萬人口以上大中城市，實現相鄰大中城市間1～4小時交通圈。到2035年，率先建成發達完善現代化鐵路網［2］。隨著“交通強國”和“質量強國”戰略的提出，我國鐵路建設正朝著高質量、高效益的方向穩步邁進［3，4］，對鐵路建設管理高質量、高效率、精細化提出了新的要求。“智能鐵路”規劃建設正在全面展開，以效益為中心的高質量施工組織管理是必然選擇。

數智化的實質是通過算法解決多元異構數據在管理中的充分利用問題，使管理提升到數據智能化的水平。隨著信息技術的飛速發展，各行各業開始涉足數據智能化，研究數據智能算法，開發數據智能管理平臺，實現大數據的充分利用。基于數智化，提高項目工期決策科學性，提高施組安排合理性以及提升施工組織效率，是實現鐵路工程高質量施工組織的迫切要求。本文對鐵路工程施工組織技術進行系統研究，以提高效益為核心，利用人工智能技術，在科學決策工期、合理安排施組和提升施工組織效率等三個方面，提出針對性的策略建議，為推動鐵路建設高質量發展，實現“交通強國、鐵路先行”目標提供堅實保障。

2 當前施工組織中存在的主要問題

2.1 建設管理傳統思想觀念的束縛

傳統的建設管理存在著重視工期勝過重視投資效益的慣性思維，項目工期調整往往不計代價。同時，項目工期的變化較投資增減更加形象，社會輿論關注更高，更能體現工作成效。鐵路工程施工組織管理更多集中在施工階段的控制和管理上，更關注工期目標的實現，缺乏基于全生命周期視角的整個項目建設期的管理。

2.2 建設管理體制機制的制約

鐵路建設項目的投資一般由國家或國鐵集團與地方聯合批復，項目資產管理公司前期介入不足，在前期工期和投資效益合理平衡方面話語權偏弱。基于全生命周期投資效益提升和建設成本控制的合理工期確定機制和辦法尚未形成。

2.3 多目標管理的協調統一難以平衡

鐵路工程施工組織“六位一體”的建設目標管理體系是被實踐證明了符合鐵路建設發展方向的。實際上，在執行過程中，目標相互間存在矛盾和沖突，實現過程難于協調統一，目標的實現權重往往需要取舍或調整，多目標體系下的科學決策機制還需完善，以有效控制投資，達成和諧統一、各方均等的建設目標。

2.4 施工組織管理亟需發展創新

施工組織管理包括施工技術方案、多種資源配置、信息化管理、動態調整等，主要涉及技術和管理的內容，而較少涉及經濟比較分析。在“人、機、料、法、環”等資源組織方面應該引入先進的生產排程算法，現行的工期指標體系應根據不同的環境和技術條件進行細化和更新，在兩者的基礎上實現以經濟技術分析比較為基礎的施工組織設計動態優化調整。

總之，傳統施工組織已不能適應新時代高質量發展的要求，迫切需要緊跟國家鐵路的市場化改革步伐［5］，提升鐵路工程施工組織技術，推進鐵路工程施工組織創新，以有效降低建設成本，提高投資效益，提升鐵路工程施工組織管理水平。

3 鐵路工程合理工期技術經濟研究

我國鐵路建設項目一直以來都存在建設周期較長，建設投資金額巨大，建設時間要求嚴格，運營收益預測困難等特點。如何科學進行工期決策，更好地實現成本控制與投資收益最大化成為了一個迫切需要解決的現實問題。

3.1 鐵路建設項目工期決策的成本效益因素分析

工期管理是鐵路工程建設管理重要內容，工程項目能否按時完工關系到其成敗，關系到工程項目的收益問題［6］。此外，項目管理的各類目標中，工期目標的顯見性高于其他所有的目標，因此在實現成本控制與收益最大化的基礎上，確定科學合理的鐵路建設工期，是實現鐵路建設項目科學管理的重要環節。

為了實現鐵路工程項目全過程的科學決策，應從全生命周期角度出發［7］，綜合考慮決策、設計、實施和運行等四個階段中現金流變動情況，即各階段成本和收益。如圖1所示。

圖1 鐵路工程項目全生命周期示意圖

3.1.1 成本因素

成本作為受鐵路建設工程項目工期影響的重要因素，主要包括項目立項與設計期、建設期、運營期成本，其中建設和運營兩階段的成本和收益在做工期調整決策時受影響較大，應做重點分析。如圖2所示。

圖2 鐵路工程建設總成本構成

（1）建設期成本構成

在建設期成本中受工期影響的主要有靜態投資、動態投資和環境成本。

①靜態投資

靜態投資中受建設工期影響的成本主要有人工費、設備購置費、材料費、施工器械施工費以及工程用水、電綜合價格等。

②動態投資

動態投資中受建設工期影響的成本有工程造價增長預留費和建設期投資貸款利息。

③環境成本

環境成本中受建設工期影響的成本主要有風沙、高原、原始森林、行車干擾等增加費用。但環境成本很難在項目立項與設計階段精準測量或預測，實際項目預算規劃常忽略此部分成本。

（2）運營期成本

在鐵路運營期成本中，一般來說主要包括運營作業、基礎作業、外部成本三個部分，但鐵路建設前期投資巨大，完全償還貸款一般在運營后才可完成，因此建設單位在工期變動發生后，還需在運營期成本內考慮建設期未完成貸款的利息償還情況。

3.1.2 效益因素

鐵路建設工程項目的自身效益主要體現在鐵路開通運營后的時間段內，立項與設計期及建設期效益通常可忽略不計，故鐵路建設項目效益主要包括鐵路開通運營后的經濟效益與社會效益兩部分。鐵路建設工程效益構成如圖3所示。

圖3 鐵路工程效益構成

3.2 構建鐵路建設項目科學工期決策模型

當工期發生調整，建設項目根據經驗簡單測算工期變動的決策是否可行。核算成本和效益變動的方法一般是根據經驗進行靜態投資計算，結果往往不夠準確可靠。為此，在前述基礎上，可明確受工期變動影響的成本和效益構成，通過核算各階段成本收益，結合凈現值法即可評估項目決策經濟性，輔助建設項目更好實現成本控制和收益最大化，構建鐵路建設項目科學工期決策模型（如圖4所示）。為鐵路建設項目工期決策提供理論參考與科學方法。

圖4 鐵路建設項目科學工期決策模型

3.3 工期調整下鐵路建設項目成本效益分析方法

3.3.1 鐵路建設項目成本變動構成及分析

工期變化導致的鐵路建設項目成本變動主要包括方案措施費用變動、管理費用變動、其他費用變動，以及運營期的運營費用變動。方案措施費用變動是指當工期調整而導致的直接費用、間接費用和稅金發生變動的成本。管理費用變動是指工期調整導致的包括建設管理等費用發生變動的成本。其他費用變動是指當工期調整而導致的其他有關管理性支出的變動。如圖5所示。

圖5 鐵路建設項目成本變動構成

3.3.2 鐵路建設項目效益變動構成及分析

工期調整導致鐵路建設項目效益變動主要包括建設期的貸款利息變動，運營期的運營收入變動和社會收益變動。貸款利息變動是指當工期調整而導致利息發生變動的效益。運營收入變動是指工期調整而導致主營業務收入的變動。社會收益變動是指鐵路運營所產生的社會經濟效益受工期調整影響而發生的變動：鐵路建設項目可通過提高項目所在城市或地區的聲譽，促進區域間的政治、經濟、文化交流，進而帶動相關產業的發展，同時還會增加大量就業機會，減少交通事故損失、降低交通污染，等等。此部分社會收益不易量化，需根據各地各項目的實際情況進行測算。如圖6所示。

圖6 鐵路建設項目效益變動構成

3.3.3 工期調整下鐵路建設項目成本效益綜合分析方法

成本效益分析法（cost benefit analysis，CBA），也稱為費用效益分析法，是通過將項目建設過程中產生的全部成本與收益分別轉化為相同的貨幣價值，并通過兩者比較來評估項目價值的方法。在成本效益分析法中，常用的評價項目效果的主要指標之一是凈現值。凈現值（net present value，NPV）是指一項投資所產生的未來現金流的折現值與項目投資成本之間的差值，是常用的項目投資經濟效益分析方法。若一個項目的凈現值是正的，則從社會經濟角度看，該項目是可行的。項目凈現值NPV的計算公式如下

其中CIt為第t年項目產生的效益；COt為第t年項目耗費的成本；T為項目的總時間；t為項目當前的時間；r為貼現率。

可以得出鐵路建設項目全生命周期凈現值公式如下

其中t∈（0，T1）為項目立項期；t∈（T1＋1，T2）為項目設計期；t∈（T2＋1，T3）為項目建設期；t∈（T3＋1，T4）為項目運營期。

當NPV為正值時，現金流入的現值大于現金流出的現值，即建設項目的投資報酬率大于預定的貼現率，項目實施有經濟價值；當NPV為零時，現金流入剛好被現金流出抵消，建設項目的報酬率等于預定的貼現率；當NPV為負值時，現金流入不足以償還現金流出，即建設項目的報酬率低于預定的貼現率，項目實施未帶來正向收益。

3.4 建立鐵路建設項目科學工期決策系統

基于前述對鐵路建設項目工期決策的成本效益因素分析和模型構建，以投資收益最大化為目標，構建科學合理的工期決策系統，如圖7所示。系統依托鐵路建設項目中各項建設期及運營期數據，結合各線路所在區域地理位置、配套設施情況以及國家相關政策法規，構建鐵路建設項目數據庫實現對已開通鐵路線路全生命周期各項數據的匯總梳理；通過核算各階段成本收益，結合凈現值法即可評估項目決策經濟性，輔助建設項目更好地實現成本控制和收益最大化，從而在鐵路建設投資效益最大化基礎上，更加科學地進行工期調整決策。

4 鐵路施工組織計劃和施組調整方法研究

4.1 鐵路施工進度計劃優化

鐵路工程建設正從速度規模型向質量效益型轉變，鐵路施工進度計劃方法創新是實現這一轉變的重要內容。通過對鐵路工程施工進度計劃的優化可以實現：為施工進度計劃提供科學優化方法，實現鐵路工程建設效益優化；為施工進度計劃提供自動編制方法，實現鐵路工程管理效率優化。

從鐵路工程成本優化角度出發，細化各類工程的時序安排，比較分析不同施工進度計劃編制方案下成本節約的空間，輸出成本最優的施工進度計劃方案［8］。

4.1.1 考慮彈性開工時間的施工進度計劃

運用彈性開工的思路，以最晚開工時間為目標，針對重難點工程構建鐵路工程優化模型，決策施工方向和施工模式，獲得各項工程的最遲開始施工時間，輸出最小成本的施工進度計劃圖，如圖8所示。

圖8 考慮彈性開工時間的施工進度計劃

4.1.2 考慮資源均衡的施工進度計劃

針對不同類型的工程，以資源均衡為目標，分別設計工程時序的安排方案，構建資源均衡模型，決策施工方向和施工順序，獲得資源均衡下各工程的最優施工時間，輸出資源均衡下施工進度計劃圖，如圖9所示。

圖9 考慮資源均衡的施工進度計劃

4.1.3 基于資源平衡的最優施工時序

以上兩種進度計劃編排方法各有優勢和缺點，針對特定的施工活動，采用針對性更強的方法進行考慮，會使施工進度計劃的編排更具有科學性。結合前述兩種方法，得到基于資源平衡的最優施工時序方法，既滿足了建設方投資控制的目標，也滿足了施工方成本控制的目標。具體做法如下：

（1）針對非控制性工程。采用彈性開工的思路，構建工期優化模型。在不影響控制性工程施工前提下，實現非控制性工程最晚開工，獲得非控制性工程的進度計劃。

（2）以標段為單位，針對各專業工程。以資源均衡為目標，分別設計橋墩、隧道、路基工程的資源均衡算法。在不影響控制性工程、架梁線施工前提下，適當調整專業工程開工時間，獲得各項專業工程最優施工方案及其對應施工進度計劃，如圖10所示。

圖10 基于資源平衡的最優施工時序

4.2 鐵路典型工程施組調整優化

4.2.1 梁場選址優化

在預制梁場規劃過程中，通常存在兩類典型架梁斷點：運架設備暫時無法通過的控制性工程，如部分特殊結構梁、隧道等；施工相對復雜、交叉作業較多的工點，如車站預壓等。

針對橋梁工程密集的施工區段，以整個區段所有梁場總成本最小化為目標，以建場區域、鐵路建設工期等為約束，構建數學模型、設計算法，智能化決策梁場的數量、位置、架梁方向和開工時序，并編制施工進度計劃，如圖11所示。依據架梁斷點可將整條線路劃分為多個架梁段落，模型用于優化決策一個架梁段落內的梁場選址方案，所有段落的選址方案組合起來即為工程全線的梁場選址方案。

圖11 梁場優化選址模型

在選址優化方案的基礎上，從制、存、運協同的角度出發，通過模型和智能算法，減小各期制梁數目波動，均衡各生產期內的產能投入，降低產能峰值，平衡制、存梁峰值兩項指標，從而優化各個梁場的建設規模，節約梁場的設施配置和征地、復墾等成本，如圖12所示。

圖12 梁場優化框架

4.2.2 軌道板廠／軌枕廠規劃優化

從已建板廠的角度出發，獲取成品板與軌枕的運輸費用構成和相關定額，分解細化新建預制廠的建廠費用、生產費用等相關成本，構建軌道板場、軌枕廠新舊廠比選模型，測算其經濟的供應范圍，提出一種軌道板廠、軌枕廠新舊廠比選的規劃優化方法，優化框架如圖13所示。

圖13 軌道板廠／軌枕廠優化框架

4.2.3 隧道洞渣利用優化

隧道洞渣是開挖過程中的必然產物，而隧道洞渣數量巨大、對環境影響大、處理費用高昂［9］。解決好鐵路隧道洞渣利用問題，將提升工程建設項目的科技含量和環保水平，對鐵路建設起到示范和引領作用，并且可以實現資源節約，帶來良好的經濟效益和社會效益。

（1）隧道洞渣利用方式。隧道洞渣的利用有減量化、資源化、無害化三大方式，如圖14所示。其中資源化為目前鐵路工程建設中主要的利用方法，主要包括路基填筑、機制砂石、社會化利用。

圖14 隧道洞渣利用方式

（2）隧道洞渣利用要點。隧道洞渣與施工進度計劃緊緊關聯，需要在滿足施工時序條件下安排路基的開工時間與隧道洞渣利用方案，并且達到成本最小的目標，具體思路如圖15所示。

圖15 隧道洞渣利用思路

隧道洞渣利用是要解決施工時序的矛盾問題，特別針對路基填筑方面要把握以下重點：

（1）合理安排路基工程開工時間。開工時間不影響緊后工作；開工時間考慮隧道洞渣的利用；開工時間考慮路基的填筑量需求。

（2）合理安排隧道洞渣的利用方案。路基填筑采用的隧道洞渣有等級要求，如Ⅴ級圍巖的隧道洞渣不可用于路基填筑；路基填筑一般采用開工時間較早的隧道洞渣；路基填筑一般就近采用附近的隧道洞渣，處于填筑的經濟半徑內的隧道洞渣均可考慮用于路基填筑。

隧道洞渣的利用實現了三大益處：節約采購成本、節約征地成本、創造社會效益與生態效益。

5 鐵路工程進度指標體系及智能管理系統研究

通過構建完善的施組指標體系，利用既有施工數據，進行數據挖掘，預測各種影響因素的影響［10］，同時得出本工序現有施工技術下的工期指標，實現工期指標的精細化，從而對施工進度進行優化管理，提升施工組織設計水平。依照施工工序，考慮外部環境、技術條件、組織管理水平、企業資源配置等人、機、料、法、環等因素［11］，編制出項目最優化的施工組織方案，可實現資源優化配置，提高管理效率。

5.1 識別工期影響因素

我國幅員遼闊，鐵路已覆蓋全部地區，跨越5個氣候帶，地質差異巨大，外部環境、技術方案、組織管理、資源配備等對工期影響巨大，精細化工期管理需要定量考慮各類因素的影響。全面、系統地識別項目建設工期影響因素，是實現預測工期指標、合理評價建設工期和優化工程進度管理的基礎。影響因素識別是把對鐵路工程建設工期可能產生影響的各種因子，逐一識別、分類和過濾，建立等級全息模型，從可控和不可控兩個維度，對鐵路的工期影響因素進行全面的識別，如圖16所示。

圖16 鐵路工期影響因素框架模型

工期影響因素按組織管理、技術方案、資源配置、外部環境四大類進行劃分，并進一步細化，涵蓋建設主體、人、機、料、法、環等多個方面。

（1）組織管理。主要體現建設、施工單位的管理水平和項目的建設模式，是對總工期產生影響的因素。

（2）技術方案。涵蓋了建設標準、征地拆遷、設計施工技術等，都會對工期產生直接影響，施工工法、特殊設計體現了新技術新方法對施工組織的影響。

（3）資源配置。資源配置是一項重要影響因素，可以通過投資收益、優化資源配置方案等，合理優化組織指標，實現效益最大化。

（4）外部環境。外部環境主要是指地形、地質、氣候等自然環境，以及環保、政策、人文等社會環境帶來的影響，部分是不可控因素造成的影響。

5.2 建立工期指標體系

結合工程特點，基于實用性、可獲取性、層次性、可拓展性原則，考慮實際管理需求情況及現有指標體系的不足，建立三個層級的施工進度指標體系，一至三級施工進度指標逐漸深化、細化，滿足各個建設階段對施工進度指標的不同管理需求，如圖17所示。并構建全專業工期指標體系，實現工期指導的全覆蓋，提高各專業施工管理效率，如圖18所示。

圖17 工期指標體系

圖18 全專業工期指標框架

同時，建立施工進度指標體系編碼，集合了鐵路工程量清單、EBS編碼、概算編制辦法等標準的特點，采用與工程量清單及EBS編碼相似的層次碼編碼原則，方便現場數據的收集整理。通過建立與EBS關聯關系，方便進度指標與BIM 技術的結合。根據指標體系，考慮影響因素，實現數據驅動的工期指標預測。

5.3 構建工期指標數據庫

以鐵路工程管理平臺為載體，建立施工進度信息數據庫，如圖19所示，對各類與施工進度相關的數據進行梳理，完成數據增量采集、更新、關聯等操作，實現工期指標數據管理及數據挖掘的應用。

圖19 施工進度信息數據庫

通過數據、案例的不斷輸入，積累施工歷史數據，進一步挖掘分析，更新施組指標值，指導優化資源配置與工期的合理安排，提高施工效益。

5.4 建立施工組織智能管理系統

施工組織智能管理系統應根據高速鐵路管理的業務流程及管理內容，運用系統性思維進行設計，包括進度指標數據庫、施工組織設計智能編制、施工組織動態管理、施工組織風險管控、施工組織動態調整、施工組織評價反饋等內容，實現進度指標自動調整、施工組織設計自動編制、風險因素自動識別、施工進度跟蹤預警、工期調整自動分析等功能。其架構如圖20所示。

圖20 施工組織智能管理系統架構

6 結語

以提高效益為核心的高質量施工組織管理技術創新方法為鐵路工程建設管理提供了更加科學，更加合理，更加符合實際的新思路和新策略。本文提出了工期決策方法、施組計劃和資源組織方法，以及工期指標體系與數據庫，對工期的科學決策、施組的合理安排以及施工組織效率提升方面具有極強的針對性，并構建了施工組織數智管理系統架構，完善了當前鐵路工程施工組織設計管理體系，有力推動了鐵路工程施工組織的高質量發展。