艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口管理成熟度評價研究

李亞娟，胡所亭，班新林，鮑學(xué)英，王琳，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)

鐵路項目是一項復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)工程，其子系統(tǒng)之間存在大量技術(shù)接口，彼此之間相互影響，相互作用，相互制約，導(dǎo)致技術(shù)接口管理難度大，管理效率低。而技術(shù)接口管理作為艱險山區(qū)鐵路橋梁工程中最敏感、最難規(guī)范的地方，對工程建設(shè)質(zhì)量、成本和工期有著重大影響。因此，如何高效地對艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口進(jìn)行管理便顯得尤為關(guān)鍵。目前，針對技術(shù)接口的管理，許多專家學(xué)者做了大量的研究。如AHN等[1]通過收集項目復(fù)雜性的接口管理數(shù)據(jù)，以此來驗證接口管理在項目中的有效性。YEH等[2]針對MRT項目，從分解、分析、規(guī)劃、建立組織結(jié)構(gòu)4個階段構(gòu)建了全過程的接口管理。NUTTENS等[3]用BIM技術(shù)分析接口管理并進(jìn)行沖突檢測，進(jìn)一步解釋了BIM成功實施的關(guān)鍵因素；PEDRO等[4]通過分析79個過程接口問題，以此識別出關(guān)鍵性能指標(biāo)，并以信息流進(jìn)行管理；琚倩茜等[5]利用質(zhì)量屋模型找出工程建設(shè)過程中接口管理的關(guān)鍵措施，用PBS分解規(guī)劃接口管理工作，并應(yīng)用里程碑管理理念去優(yōu)化管理接口。但是以上文獻(xiàn)只是整體對鐵路工程技術(shù)接口的問題以及管理進(jìn)行分析，缺少對特殊環(huán)境、特殊地區(qū)的鐵路技術(shù)接口管理研究，而對鐵路橋隧工程技術(shù)接口管理的相關(guān)理論及方法幾乎沒有。鑒于此，本文以艱險山區(qū)鐵路橋隧工程為研究對象，利用WBS結(jié)構(gòu)和N2圖識別出技術(shù)接口，基于WSR方法論對技術(shù)接口問題進(jìn)行分析，建立技術(shù)接口管理評價指標(biāo)體系，并通過變權(quán)綜合權(quán)重模型確定指標(biāo)權(quán)重，然后利用靶心貼近度模型評估艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口管理成熟度等級，最后借助雷達(dá)圖反映各技術(shù)接口的管理水平，具體的技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap

1 技術(shù)接口的識別

技術(shù)接口主要分為物理接口、功能接口。物理接口是指構(gòu)件之間的物理連接，功能接口是指功能之間的相互作用。對于物理接口，運用WBS結(jié)構(gòu)方法對橋隧工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，在構(gòu)件連接處進(jìn)行識別。對于功能接口，采用接口矩陣圖進(jìn)行識別，功能被放置在N2圖(接口矩陣圖)的對角線上，其余位置代表接口的輸入和輸出。功能之間的接口以一個順時針方向流動，當(dāng)出現(xiàn)一個空白的區(qū)域時，則不存在功能接口。當(dāng)所有的功能逐個進(jìn)行了對比后，則全面的識別了功能接口，如圖2所示。

圖2 接口矩陣圖Fig.2 Interface matrix diagram

2 基于WSR技術(shù)接口問題分析

2.1 WSR方法論簡介

WSR[6](物理?事理?人理)主要思想是用與之適應(yīng)的系統(tǒng)思維來解決大型復(fù)雜工程系統(tǒng)問題，主要原理是從物、事和人3個維度對問題進(jìn)行分析管理，以免以偏概全。目前，WSR方法論已被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)問題[7?8]，并得到了專家學(xué)者的高度認(rèn)可。

運用WSR方法論對艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口問題進(jìn)行分析，對分析出來的問題因素進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為接口管理與控制的因素，一方面，對管理因素進(jìn)行分類，可以全面梳理技術(shù)接口管理

工作，避免技術(shù)接口管理因素的遺漏；另一方面，不會造成技術(shù)接口管理因素之間存在交叉，并可以通過協(xié)調(diào)物理、事理、人理之間的關(guān)系，有效提高技術(shù)接口管理水平。

2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

基于WSR方法論構(gòu)建艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口管理評估指標(biāo)體系，首先要明確研究對象，從物理、事理和人理之間的關(guān)系出發(fā)，參考相關(guān)文獻(xiàn)[9]并結(jié)合實際，對技術(shù)接口所出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，以此來構(gòu)建指標(biāo)體系如圖3所示，具體描述見表1。

表1 技術(shù)接口管理指標(biāo)體系描述Table 1 Technical interface management index system description

圖3 技術(shù)接口管理指標(biāo)體系Fig.3 Technical interface management index system

3 橋隧工程技術(shù)接口管理成熟度模型的構(gòu)建

管理成熟度是對管理成熟等級的衡量，是指管理能力到達(dá)某種規(guī)定要求的狀態(tài)，并通過這種管理使目標(biāo)能很好地實現(xiàn)。技術(shù)接口管理成熟度的目標(biāo)是綜合反映技術(shù)接口管理水平，通過技術(shù)接口管理成熟度模型，可以確定出各技術(shù)接口管理成熟度等級，明確各技術(shù)接口管理提升的先后順序，也能識別出影響各技術(shù)接口的薄弱因素，為技術(shù)接口管理改進(jìn)提供方向，為尋求技術(shù)接口管理最佳實踐提供可能。

因此，在確定技術(shù)接口管理指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行分析并邀請專家打分，通過對指標(biāo)評價值整理匯總，進(jìn)而計算技術(shù)接口管理成熟度等級貼近度并確定其管理成熟度等級。

3.1 賦權(quán)模型

傳統(tǒng)評估方法在確定指標(biāo)權(quán)重時僅考慮了不同指標(biāo)對技術(shù)接口管理的影響程度，沒有考慮相同指標(biāo)在不同取值時對管理狀態(tài)的影響變化[10]。因此本文引入變權(quán)模型，該模型的優(yōu)勢在于可以對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，使得權(quán)重能真實反映指標(biāo)評價值對管理狀態(tài)的影響。

3.1.1 常權(quán)權(quán)重模型-向量夾角余弦法

1)構(gòu)造評價指標(biāo)最優(yōu)值向量S*和最差值向量

其中

2)構(gòu)造各評價對象與最優(yōu)值向量和最差值向量的相對偏差矩陣R和Δ

3)確定評價指標(biāo)的向量夾角余弦權(quán)重

3.1.2 變權(quán)綜合模型

變權(quán)綜合模型是在變權(quán)原理的基礎(chǔ)上，基于空間因素理論提出狀態(tài)變權(quán)向量，分別為懲罰型、激勵型和混合型狀態(tài)變權(quán)向量。

1)確定變權(quán)權(quán)重。其主要思想是通過構(gòu)建均衡函數(shù)，對優(yōu)勢指標(biāo)進(jìn)行激勵，使其權(quán)重增大，對劣勢指標(biāo)進(jìn)行懲罰并縮小其權(quán)重[12]。根據(jù)變權(quán)綜合模型，可得出如下結(jié)論：X=(x1,x2,…xn)為因素狀態(tài)變量，為因素常權(quán)變量，S(X)=(S1(X),S2(X),…,Sn(X))為 狀 態(tài) 變 權(quán) 向量，則變權(quán)向量W(X)=(W1(X),W2(X),…,Wn(X))可用W0和S(X)的歸一化阿達(dá)瑪乘積表示，即

2)構(gòu)建均衡函數(shù)。均衡函數(shù)的作用是根據(jù)指標(biāo)具體狀態(tài)動態(tài)調(diào)節(jié)指標(biāo)權(quán)重。由式(6)可知，變權(quán)向量為常權(quán)向量與狀態(tài)變權(quán)向量的量綱乘積，而狀態(tài)變權(quán)向量構(gòu)建是否合理取決于均衡函數(shù)。

式中：0<μ<λ<α<β<1，0

3.2 靶心貼近度法

3.2.1 區(qū)間關(guān)聯(lián)函數(shù)

式中：Zmn為第m個技術(shù)接口在第n個指標(biāo)下的屬性值；成熟度等級數(shù)為d，可分為d個子區(qū)間，即[hno,hnl],…,[hnl-1,hnl],…,[hnd-1,hnd]；Ymnl為 第m個技術(shù)接口在第n個指標(biāo)下關(guān)于第l個成熟度等級[hnl-1,hnl]的關(guān)聯(lián)函數(shù)[13]。

關(guān)聯(lián)函數(shù)值反映了屬性值與成熟度等級的中點之間的距離。Ymnl>0,Ymnl=0和Ymnl<0分別表示屬性值在分類等級的內(nèi)部、邊界和外部。

3.2.2 靶心貼近度法原理

單指標(biāo)區(qū)間關(guān)聯(lián)函數(shù)的最大值Ymn即為技術(shù)接口的靶心坐標(biāo)，則第m個技術(shù)接口的靶心可以表示為(Ym1,Ym2,…,Ymr)。設(shè)第m個技術(shù)接口關(guān)于第l個評價類的靶心貼近度Uml為

式中：r為指標(biāo)總數(shù)；Cmn為第m個技術(shù)接口中第n個指標(biāo)的變權(quán)權(quán)重。由式可知：若max(Uml)=Uml,則第m個技術(shù)接口等級分類為l*。

3.3 技術(shù)接口管理成熟度等級

根據(jù)鐵路橋隧工程技術(shù)接口的特點，借鑒管理成熟度模型(Organization Project Management Maturity Model,OPM3)，并參考相關(guān)文獻(xiàn) ，將技術(shù)接口管理的成熟度等級化分為混亂級、協(xié)調(diào)級、規(guī)范級、協(xié)作級、持續(xù)優(yōu)化級5個等級，且它們之間呈現(xiàn)梯階遞進(jìn)的趨勢。各個等級表明了技術(shù)接口管理水平所處的狀態(tài)如表2所示。

表2 技術(shù)接口管理成熟度等級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Technical interface management maturity level standards

4 案例分析

4.1 依托工程概況

選取拉林鐵路藏木雅魯藏布江特大橋與安拉隧道為研究對象，對其技術(shù)接口進(jìn)行分析。該工程位于桑加峽谷內(nèi)，山高谷深，水流湍急，河床下切較深、氣候極端惡劣。峽谷兩岸自然坡度為15°～75°且?guī)r體破碎，巖質(zhì)堅硬，施工難度大。而且，此工程位于雅礱河國家級風(fēng)景名勝區(qū)及林芝地區(qū)自然保護區(qū)內(nèi)，散布個別居民點，耕地極少，因此施工對該地區(qū)生態(tài)環(huán)境與居民生活造成一定影響。由于該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境惡劣，氣候環(huán)境復(fù)雜，橋隧工程施工技術(shù)復(fù)雜、施工時間長，產(chǎn)生的技術(shù)接口多、類型復(fù)雜、綜合性強、管理難度大。

4.2 橋隧工程技術(shù)接口識別

藏木雅魯藏布江特大橋與安拉隧道之間是依靠24 m棚洞連接，依據(jù)WBS方法論、接口矩陣圖，并參照施工組織設(shè)計，識別出以下技術(shù)接口，如表3所示。

表3 橋隧工程技術(shù)接口識別Table 3 Technical interface identification of bridge and tunnel Engineering

4.3 確定評價指標(biāo)量值

根據(jù)藏木雅魯藏布江特大橋與安拉隧道技術(shù)接口的管理情況，邀請9位研究艱險山區(qū)鐵路橋隧工程設(shè)計、施工及管理的相關(guān)專家，按照技術(shù)接口所出現(xiàn)問題的頻率以及管理情況對評價指標(biāo)進(jìn)行打分，具體分值如表4所示。

4.4 模型應(yīng)用

4.4.1 均衡函數(shù)與權(quán)重的確定

利用向量夾角余弦法計算常權(quán)權(quán)重。將表中專家對每個接口出現(xiàn)問題的頻率所打的分?jǐn)?shù)歸一化處理，并代入到式(1)～(5)計算。結(jié)合橋隧工程技術(shù)接口管理成熟度分級標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[15]，變權(quán)函數(shù) 中 取 評 價 策 略μ=0.2，λ=0.4，α=0.6，β=0.8，C=0.3，c1=0.4，c2=0.5，K=2，由式(7)得到狀態(tài)變權(quán)函數(shù)。由式(10)和表4可計算出橋隧工程技術(shù)接口的每一個評價指標(biāo)的均衡函數(shù)值，結(jié)合式(6)和已經(jīng)得出的常權(quán)權(quán)重可確定變權(quán)權(quán)重，見表5。

表4 技術(shù)接口所出現(xiàn)問題的頻率分值/管理情況分值Table 4 Frequency scores of problems with technical interfaces/Management score

表5 變權(quán)權(quán)重計算結(jié)果Table 5 Recalculation results of the right of change

4.4.2 靶心貼近度的計算

結(jié)合式(8)可計算出該橋隧工程技術(shù)接口分別對5個管理成熟度等級的靶心坐標(biāo)(見表7)和靶心貼近度，并按照最大隸屬度原則確定最終的成熟度等級，見表7。

在表6的基礎(chǔ)上，選取橋隧連接、橋臺與洞身接口、電纜槽的過渡、不均勻沉降4個有代表性的接口繪制雷達(dá)圖，清晰直觀地顯示成熟度模型中每個技術(shù)接口各個指標(biāo)的成熟度水平及彼此的關(guān)系。

表6 靶心坐標(biāo)計算結(jié)果Table 6 Calculation results of bullseye coordinates

由圖4可知，技術(shù)接口管理各指標(biāo)總體均衡性較強，接口文檔、工作分包等指標(biāo)管理成熟，處于管理成熟度較高的協(xié)作級和持續(xù)改進(jìn)級；而地質(zhì)問題、材料供應(yīng)等指標(biāo)由于環(huán)境的影響，管理難度較高，處于協(xié)調(diào)級向規(guī)范級優(yōu)化。因此，對于成熟度等級較低的指標(biāo)需重點關(guān)注，并采取相關(guān)措施進(jìn)行管理，以提高管理成熟度。

圖4 技術(shù)接口綜合評價指標(biāo)雷達(dá)圖Fig.4 Radar chart of comprehensive evaluation index of technical interface

由表7可知，藏木雅魯藏布江特大橋與安拉隧道大部分技術(shù)接口處于規(guī)范級，僅有2個處于協(xié)作級。因此，藏木雅魯藏布江特大橋與安拉隧道技術(shù)接口管理成熟度總體處于規(guī)范級，并有向協(xié)作級優(yōu)化的趨勢。

表7 成熟度等級確定Table 7 Maturity level determination

5 結(jié)論

1)本文通過對艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口進(jìn)行深入的分析和研究，結(jié)合WSR方法論分析橋隧工程技術(shù)接口出現(xiàn)的問題，建立了鐵路橋隧工程技術(shù)接口管理指標(biāo)體系。

2)通過使用變權(quán)綜合權(quán)重模型確定指標(biāo)權(quán)重，突出該地區(qū)橋隧工程技術(shù)接口的特性，避免指標(biāo)相互中和，保證權(quán)重的準(zhǔn)確度。運用靶心貼近度模型計算橋隧工程技術(shù)接口管理成熟度的貼近度，并確定其管理成熟度等級。

3)依托藏木雅魯藏布江特大橋與安拉隧道，將變權(quán)理論與靶心貼近度模型結(jié)合評估其技術(shù)接口管理成熟度等級由規(guī)范級向協(xié)作級優(yōu)化，并借助雷達(dá)圖直觀反映各技術(shù)接口的管理水平。通過本文的研究為艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口管理提供理論依據(jù)。