鐵路工程接口工序工期匹配研究

黃成峰，鮑學英，班新林，許見超

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；3.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

鐵路工程建設過程中需要不同專業配合,不同參與方協作,在此過程中各主體之間會形成物理或者功能邊界,便產生了工程接口。接口實體以及功能的精確匹配和接口信息及時高效的傳遞是確保接口功能實現的關鍵。

在接口管理關鍵影響因素研究方面,現有研究已經比較深入。Chen等[1]從人員/參與者、方法/過程、資源、文檔、項目管理和環境這六個相互關聯角度出發,以結構化的方式確定并呈現導致接口問題的因素。該研究有助于全面了解接口問題原因,為從業者和研究人員尋求全面的接口管理解決方案提供理論基礎。喻茗雪[2]從工程供應鏈的角度展開分析研究,以工程、技術、組織、責任等四個維度作為劃分依據對接口進行分類,將工程建設各階段的利益相關者及其相互關系進行識別,運用AHP法量化分析提取出接口管理的關鍵影響因素,并給出實施建議。張興凱[3]在識別并篩選出影響接口管理效果因素的基礎上,構建了接口管理效果影響因素分析理論模型?；谝蛩胤治?結合全過程控制、PDCA循環、精細化管理和組織管理等理論和方法,論證了加強關鍵因素管理的必要性和可行性,同時對如何加強關鍵因素管理給出了執行路徑和實施方法,提出了以事前控制為核心的精細化接口管理策略組合。

在解決接口沖突問題方面,學者們也做了大量研究。Ju等[4]通過調整和重新分配相關承包商之間的接口責任,提出在現有交付方式下的價值優化策略,同時對集成項目交付(IPD)在消除接口沖突方面的前景進行了論述。價值優化策略和基于IPD的方法有望消除復雜建設項目的接口沖突,整合復雜的供應鏈,降低項目交付延遲和成本超支的潛在風險。Lin[5]使用集成于建筑信息建模(BIM)中的三維接口映射來跟蹤和管理界面事件。BIM方法用于以數字格式保存接口信息,三維接口模型為用戶提供接口事件的概述,用戶可以虛擬地跟蹤并管理接口,以此指導接口的實施,減少接口沖突的發生。Eray等[6]從循環經濟的角度出發,基于建設項目中最常見的接口問題,定義了一種適用于自適應重建項目的接口管理本體,總結了接口管理系統(IMS)在適應性重建項目中的實施建議。Yeh等[7]提出一系列接口設計標準,以指導最新的地鐵項目設計,通過對施工接口問題進行徹底審查,確定了用于概括接口設計標準的接口依賴類型。

目前國內外學者們對接口管理的研究已有了基本框架,在此基礎上本文細化到接口工序工期上,提出解決接口工期不匹配問題的方法。在傳統的鐵路工程接口管理中,不會特別強調接口工序對工期匹配的需求,將接口工序和普通工序不加以區分,在工期計劃中不考慮接口交換時間,因此經常會導致參與方之間接口信息難以對接,造成工程接口匹配不當的嚴重后果。本文基于接口交換概念建立影響效果矩陣,利用Shapley值法將接口信息發送時間、接口信息傳輸時間、接口信息接收時間和接口信息反饋時間等因素相互作用對接口工序工期的影響進行量化分析,構建鐵路工程接口工序工期預測模型。在此基礎上,根據接口工序工期匹配的需求給出相應的接口工序工期匹配方式。最后,在實例研究中具體運用本文提出的方法調整工序工期,使得各組接口信息及時交換,減少接口沖突的發生。

1 接口交換

1.1 接口交換的概念

在接口管理實踐過程中,從業人員普遍依據《接口控制手冊》(Interface Control Manual, ICM)的指導原則。針對具體項目的特點,確立接口實施的明確標準,并制定相應的管理要求。通過這種方式,對接口工程實施有效監控,確保項目按照預定目標和標準得以順利推進。ICM是工程接口資料的匯編,主要包含接口編碼、接口特征描述、接口類型、接口屬性、計劃交換時間、實際提交情況,以及接口更新等信息[8]。

接口交換是指在接口活動中上游方提出接口請求,并按照《接口控制手冊》中規定的執行時間和任務內容用接口信息傳送單(ⅡTF)向下游的接收方提交接口信息,之后接口雙方通過接口信息意見單(ⅡCS)交流意見,直到接收方確認已經得到了所需要的全部信息,回文同意,接口參與方執行相關的接口工作內容后最終將接口關閉的整個過程[9]。

在鐵路工程建設過程中,為全面高效地對接口進行監測管控,通常會成立接口管理小組。接口管理小組通過接口信息傳送單(ⅡTF)和接口信息意見單(ⅡCS)了解接口上游方和下游方對接口問題處理的意見及建議,及時協調安排各方處理接口問題。對接口問題的處理方案經過接口管理小組的同意和批準,以文件的形式分發到各單位及部門[10]。接口管理小組通過合同條款約束接口上游方和下游方按時提交接口信息和反饋意見,以及追究接口交換出錯的相關責任。接口管理小組在接口交換中是主要的組織方和協調方,是接口信息溝通的中介,居于指揮和決策的中心位置[11]。

根據接口交換概念以及接口上、下游方和接口管理小組的工作內容,鐵路工程接口交換過程見圖1。

圖1 接口交換過程

1.2 接口交換狀態

基于文獻綜述和對接口活動參與方的調研結果,Lin等[12]提出一種接口管理程序,該程序包括接口查找(interface finding)、接口識別(interface identification)、接口溝通(interface communication)、接口記錄及跟蹤(interface recording and tracking)和接口關閉(interface closing),見表1。

表1 接口管理程序

同時,Ju等[13]提出接口管理任務可分為接口識別、接口定義和表達、接口實現、接口測試、接口關閉等5個基本過程。

結合接口管理程序描述以及接口管理任務過程,接口交換存在接口打開和接口關閉這兩種基本狀態。

1)接口打開:接口上游方嚴格按照ICM中接口交換的相關規定準時、準確地向接口下游方提交接口請求,并開放接口界面。

2)接口關閉:接口下游接收并解碼理解相關信息,與接口上游方溝通協調,最后雙方達成一致意見,在規定的時間內關閉接口界面[14]。

1.3 接口交換時間

以接口打開的時間點作為接口交換過程的起始點,以接口關閉的時間點作為接口交換過程的終止點,從始至終這一段時間即接口交換時間。在鐵路工程建設過程中,《接口控制手冊》及相關合同中對各主體之間接口交換時間的管控提出了要求。接口交換的進度控制是鐵路工程進度控制的重要部分,接口打開時間、關閉時間以及交換時間這三個時間參數是接口交換進度的主要控制點[9]。

2 考慮接口交換時間的接口工序工期

接口工序是指參與接口活動的兩組施工隊在接口界面對接口實施對象連續完成的各項制造與生產活動的總和。同一接口工序的參與者、實施界面與實施對象一般是固定不變的,任何一個要素改變,就會產生(轉變為)另一道新的接口工序。接口工序工期即為開展接口工序從開始實施到接口工序全部完成并交付產品所經歷的時間。

從信息傳遞的角度來看,接口信息發送時間、接口信息傳輸時間、接口信息接收時間和接口信息反饋時間是影響接口交換時間的主要因素[9]。其中,接口信息發送時間是指接口請求發出方,編碼接口信息和發送信息的時間。接口信息傳輸時間是指由于信息通道中運行傳輸的時間,例如文件資料遞送時間,網絡通信時間等。接口信息接收時間是指接收及解碼理解接口信息的時間。接口信息反饋時間是指收到接口信息后,分析確認,并返回接口信息意見單(ⅡCS)的時間。在實際工程項目中,接口交換時間會對項目整體工期造成影響,同時也會影響接口工序在時間上的匹配。

2.1 影響效果矩陣

考慮接口交換時間后,各影響因素對接口交換時間的影響可能導致接口工序的工期延長。專家根據以往相關工程的工期數據分析得到預測結果的概率分布。

根據研究[15],工期受到多種因素影響,呈現出對數正態分布特征。通過計算機生成位于(0,1)區間內且符合對數正態分布的隨機數,以模擬各種影響因素出現的概率P1×n=[P1,P2,…,Pn]。將P1×n與預期的概率分布進行對比,若P1×n處于“與預期結果相同”的范圍內,則表示工期保持不變;若P1×n處于“比預期結果延長”的范圍內,則表明工期有所延長。對照區間范圍后可得到影響因素隨機數產生的預期結果ri表達式為

(1)

則受接口交換時間影響組成的影響效果矩陣為Rn×1=[r1,r2,…,rn]T。

2.2 基于Shapley值的影響因素權重

Shapley值法是Shapley于1953年提出的一種數學方法,主要用于解決多人合作對策問題[16]。在該方法中,使用G(N,R)表示N人參與的合作博弈,其中N人集合內的任意子集s都與一個最大收益值v(s)相對應,并滿足

v(φ)=0

(2)

v(s1∩s2)≥v(s1)+v(s2)s1∩s2=φ

(3)

式中:s1、s2為不同的聯盟。

用v(s|{i})表示剔除成員i之后的收益,則成員i對聯盟s的貢獻為

v(s)-v(s|{i})

(4)

假設有k個成員參與聯盟s,即聯盟s的規模為|s|=k,則成員i對所有規模為k的聯盟的貢獻之和為

(5)

(6)

成員i在全部規模下的平均貢獻為

(7)

(8)

因此,式(7)可化為

(9)

式(9)中的平均貢獻被稱作Shapley值,即成員i在N人合作博弈中的收益[17]。

本文將其推廣運用于對影響接口交換時間的因素進行權重分配,該方法考慮了多影響因素之間的相互作用,能夠更好反映各種因素對接口交換時間的綜合影響。

式中:φi(v)為在其他因素影響下的第i個影響因素的權重;|s|為在聯盟s中的影響因素數量;v(s)為聯盟s所產生的效益;v(s|{i})為在排除成員i后,聯盟s所能獲得的效益;w(|s|)為對該貢獻的加權因子;v(s)-v(s|{i})為因素i在所有包含因素i的聯盟s中的邊際貢獻率。式(10)得出的φi(v)組成的權重矩陣為

式中:ψn×n為在權衡影響因素的不確定性和多元因素間的相互關聯性的基礎上,得出的影響因素權重。該權重構成了模型中的影響程度矩陣,用以替代傳統工期預測方法中僅關注兩種因素間關聯性的相關系數矩陣與影響度矩陣的乘積。

2.3 接口工序工期預測模型

本研究首先設定一個理想化的目標工期TD,假設在此情況下不考慮接口交換時間。然后,采用Shapley值法計算各種因素在其他因素影響下的權重,以反映它們在多因素相互作用中的相對重要性。將結果與隨機數仿真得到的工期影響因素相結合,從而得出影響接口工序工期的各因素綜合影響系數。最后,在理想化目標工期TD的基礎上進行調整,考慮接口交換時間的影響,進而計算出接口工序預測工期TF。理想化目標工期具有計劃性質,指在工期計劃里的目標工期;預測工期具有預測性質,指通過分析求解后得到的預計的工期。接口工序工期匹配一般是在接口工序實施之前進行,對接口工序的工期計劃進行調整。由于還未開展接口實施,無法精確獲知接口交換時間,只能通過預測的方式給出考慮接口交換時間后預計的接口工序工期。根據上述思路,參考文獻[18]建立工期預測模型為

TF=TD(1+P1×nψn×nRn×1)

(12)

式中:TF為預測工期;TD為在不考慮接口交換時間情況下的理想化目標工期。

本文模型采用隨機數仿真方法對工期影響因素進行模擬,并充分考慮接口信息發送、傳輸、接收與反饋過程中各影響因素之間的關聯性,使得預測的接口工序工期更加貼近實際情況。

3 接口工序工期匹配

3.1 接口工序工期匹配的內涵

根據基建項目管理程序,鐵路工程項目的建設由項目規劃、項目分析、項目設計、裝備制造、施工安裝、靜態調試、聯調聯試、運行試驗等階段組成[19]。在項目執行過程中,各個階段需根據任務之間的邏輯關系以及項目資源的合理分配等因素,將其劃分為多個層級的子任務。這些子任務在時間上通過設置里程碑和節點工期等方式相互關聯,以確保項目按計劃進行[20]。接口工序工期匹配是指不同子系統關聯任務之間,依據任務的前后邏輯關系、項目資源調配等限制因素進行時間搭接。特別要注意的是接口工序工期匹配概念中的工期不僅指施工時長,還包括接口界面開放的時長。

當接口上、下游方的接口工序工期完全沒有重合時,那么該接口系統的工期不匹配;當接口上、下游方的接口工序工期只有一部分重合時,那么該接口系統的工期部分匹配;只有當其中一個接口交換參與方的接口工序工期完全覆蓋接口另一方的接口工序工期或者兩者的接口工序工期完全重合時,那么該接口系統的工期匹配。

由于接口工序工期未完全覆蓋,施工面的使用可能會產生沖突,接口信息也不能完整的及時反饋,接口系統的工期不匹配和工期部分匹配這兩種情況通常會導致返工和重復做工等問題。只有接口工序工期匹配時,施工面的調配才能更好地滿足接口上、下游方的需求,同時接口信息才能及時完整地進行傳輸反饋。

根據接口工序的工作內容和任務需求,接口工序工期匹配的狀態可分為一般覆蓋、同始覆蓋、同終覆蓋和完全重合,見圖2。

圖2 接口交換過程

3.2 接口工序工期匹配方式

根據接口工序工期匹配的需求,同時考慮到接口工序的施工順序較為固定,并且鐵路工程接口一般不存在提前開放的情況?？捎梢韵?種基礎手段與任務要求的接口匹配狀態進行組合,最終形成13種接口工序工期匹配方式,見圖3。

圖3 接口工序工期匹配方式

接口打開狀態延長。上游方接口工序施工完成后,其接口界面不關閉,延長接口打開狀態至接口任務要求的時點。接口打開狀態延長的是接口界面的開放時間,而不是工序的施工時間,因此接口狀態延長對后續工序的開展時間不造成影響。相應地,此工期匹配方式適用于接口上、下游方不需要同時進行施工,接口上游方在施工結束后仍能開放接口施工界面且對后續工序沒有影響的接口工序。

接口關閉再打開。上游方接口工序施工完成并關閉接口界面后,在下游方接口工序需要其配合施工時再次開放接口界面。此工期匹配方式適用于接口上、下游方的工序開始施工的時間間隔較長,接口上游方施工結束后如果繼續開放接口界面會對后續工序造成影響且接口上、下游方不需要同時進行施工的接口工序。

接口工序延后。上游方接口工序延后至下游方接口工序處于接口打開狀態時才開始施工。此工期匹配方式適用于接口上、下游方必須同時進行施工的接口工序。

各接口工序工期匹配方式的約束條件以及時點工期計算的方法如下所述。

打開狀態延長至同終:

一般關閉再打開(一般工序延后):

關閉再打開并同始(工序延后并同始):

關閉再打開并同終(工序延后并同終):

關閉再打開并跟上游方同步(工序延后并跟上游方同步):

關閉再打開并跟下游方同步(工序延后并跟下游方同步):

關閉再打開并同始同終(工序延后并同始同終):

式中:ti、ti′分別為調整前、后的接口上游方工序工期;Ti、Ti′分別為調整前、后的接口下游方工序工期;si、si′分別為調整前、后的接口上游方接口打開時間;ei、ei′分別為調整前、后的接口上游方接口關閉時間;Si、Si′分別為調整前、后的接口下游方接口打開時間;Ei、Ei′分別為調整前、后的接口下游方接口關閉時間。

關閉再打開系列匹配方式與對應工序延后系列匹配方式的工期與時點的計算方法一樣。但是從整體項目工期來看,接口工序的關閉再打開操作是在接口上游方施工已經完成的基礎上,在接口下游方開始施工時再次開放施工界面,不影響后續工序的開展,不會使項目總工期延長。而接口工序的延后操作是直接將接口上游方該工序開始施工的時點推遲到接口下游方該工序開始施工的時點,會影響接口上游方后續工序的開展。

4 實例研究

4.1 工程概況

以鐵路工程橋隧接口作為研究對象,其不考慮接口交換時間的工序工期及計劃安排情況,見表2。表2中,工序代碼后加*的工序表示接口工序。

表2 鐵路工程橋隧接口工期計劃安排

4.2 接口工序工期

基于各工序的具體狀況,專家參考過往工程歷史數據,總結出在不同概率分布范圍內,各影響因素可能產生的影響結果。用隨機數量化結果后具體數據見表3。

表3 影響因素概率分布范圍

以4個(影響因素的數量)為一組,利用計算機生成在(0,1)區間內符合對數正態分布的隨機數。例如,計算機生成的第一組隨機數為:P1×4=[0.195,0.261,0.109,0.303],將本組隨機數與表3中的數據進行比較,并依據公式(1)計算,得到第一組影響效果矩陣為:R4×1=[0,0,0,1]T。研究中,采用5 000組數據進行仿真模擬,相應的隨機數和影響效果矩陣見表4。

表4 隨機數和影響效果矩陣

本文采用專家調查法向從事鐵路工程接口管理工作和研究的設計人員、施工人員、管理人員和高校學者發放50份調查問卷。相關從業人員根據相關資料,對接口工序施工過程中可能遇到的影響因素進行權重評分。評分結果包括單一因素影響程度的大小,以及在多種因素相互影響下的接口工序權重。在此過程中,遵循的原則為四種影響因素的權重和等于1,即v1(s)+v2(s)+v3(s)+v4(s)=1。如果多因素間存在相關性,則此多因素的權重和將大于本身之和,即v123(s)>v1(s)+v2(s)+v3(s),見表5。表5中,{1}、{2}、{3}、{4}分別表示接口信息發送時間、接口信息傳輸時間、接口信息接收時間、接口信息反饋時間對接口工序工期的影響,大括號內有多個數字則表示多種影響因素相互作用下對工期的影響度大小。

表5 因素影響度

將表5中的數據代入式(10),計算出各影響因素在接口工序中的作用程度(即權重),得到因素影響度矩陣為

根據以上數據,結合表4、式(12)得出的接口工序預測工期TF見表6。

表6 工序預測工期

根據上述預測結果,繪制出接口工序預測工期直方圖,見圖4。

圖4 接口工序預測工期直方圖

經計算得到截水天溝工序預測工期為13.43 d。結果表明結合Shapley值法預測的接口工序工期更加符合對數正態分布。

通過采用上述方法,計算出其他接口工序的預測工期,并據此編制工期計劃橫道圖,見圖5。圖5中,顏色相同的條目為兩個接口專業的一組接口工序。

圖5 預測工期計劃橫道圖(單位:d)

4.3 工期匹配

從圖5中可以看出橋隧接口中隧道工程專業的接口工序與橋梁工程專業對應的接口工序的工期安排并不完全匹配,這將會導致其中一方的施工活動對另一方造成干擾,甚至會出現各自完成施工后發現接口界面無法銜接的情況。

根據3.2節中接口工序工期的匹配方式對橋隧接口各專業工序的工期進行調整。隧道工程專業的截水天溝與橋梁工程專業的邊坡排水工序,在工藝上接口上下游方不需要同時施工,隧道工程專業施作完截水天溝后仍能開放施工界面且對后續工序不造成影響,兩個專業的施工時間間隔較短,因此這一對接口工序的工期通過延長截水天溝的接口打開時間的方式進行調整。

橋梁工程專業的邊仰坡防護工序施工完成并關閉接口界面后,隧道工程專業的隧道口清理工序需要其再次開放接口界面配合施工。由于接口上下游方的工序開始施工的時間間隔較長,橋梁工程專業完成邊仰坡防護施工后如果繼續開放接口界面會對后續工序造成影響且邊仰坡防護不需要與隧道口清理工序同時施工,同時接口下游方的隧道口清理工序對接口上游方邊仰坡防護工序的接口界面開放需求是單向的,因此選擇通過接口關閉再打開并與下游方同步的方式進行工期調整。

隧道工程專業的隧道仰拱與橋臺樁基礎相接工序與橋梁工程專業的基坑分塊開挖和樁頭破除及承臺施工工序,接口上下游方必須同時進行施工,且這一對接口工序必須同時開始并同時進行施工,因此選擇通過延后超前工序(基坑分塊開挖)并使兩個工程專業的施工時間同始同終的方式進行工期調整。

隧道口防護柵欄封閉與橋臺防護柵欄封閉作為橋隧接口的最后一道工序,隧道工程專業與橋梁工程專業同時施工可以避免出現連接處出現錯位的情況發生,確保防護柵欄銜接處平順過度,因此通過延后工序并使兩個工程專業同時完成施工的方式進行工期調整。

對所有接口工序進行工期調整后的工期計劃橫道圖見圖6。

圖6 調整后的工期計劃橫道圖(單位:d)

5 結論

1)對接口工序工期進行模擬,其能夠較好地服從對數正態分布,用本文提出的方法進行接口工序工期預測,在理論上具有較強的合理性。

2)通過Shapley值法對各影響因素進行賦權,建立了接口工序工期預測模型。本文考慮了接口信息發送時間、接口信息傳輸時間、接口信息接收時間和接口信息反饋時間等影響因素的相互作用,使得預測的接口工序工期更加符合實際情況。

3)提出了接口工序工期的匹配方式。結合工程實際情況選擇相應的工期調整方式,在對總工期影響較小的情況下使得接口信息交換更加高效流暢,接口施工各專業配合更加協調,能夠減少返工和重復做工的情況發生,達到節約資源、提升工程質量的目的。