艱險山區鐵路工程技術接口管理協同度研究

趙曉會，鮑學英，霍雨雨

(1.河西學院土木工程學院,甘肅張掖 734000; 2.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070)

引言

艱險山區鐵路工程地處高山峽谷地區,具有環境惡劣、地勢險峻、橋隧占比高、設施設備維護難度大等特點[1],是一項多方參與、多專業協調、多方位推進的復雜系統工程[2]。鐵路建設歷經勘查、設計、施工、運營與維護等多個階段,參建單位眾多,各專業相互交叉,使得鐵路工程技術接口數量多、類型復雜,技術接口管理難度大,導致大量關系復雜的技術接口問題產生,對鐵路工程的進度、質量、成本等目標造成重大影響[3]。因此,如何科學合理、高效有序地對艱險山區鐵路工程技術接口進行管理顯得尤為重要。

技術接口管理作為鐵路工程系統集成的重要環節,是解決其他各類接口問題的基礎[4]。目前,針對接口管理,許多專家學者做了大量的研究。PAVITT和GIBB[5]就施工過程中接口管理的必要性進行探討,將接口分為物理、合同和組織3種,分析三者對接口管理的復雜性。SHOKRI等[6]在分析接口管理現狀的基礎上,找出影響接口管理目標實現的因素,探討了接口管理實施和項目績效之間的關系。YEH等[7]針對MRT項目,從識別關鍵接口相關性及工作范圍、分配接口責任和標準、規劃接口工作任務、建立接口組織4個方面提出接口管理的方案。TIAN[8]等通過使用DEMATEL模型,建立工程項目接口管理的關鍵影響因素體系。琚倩茜[9]利用DSM劃分工程接口關系,構建灰色關聯投影評價的接口節點重要度模型對接口進行管理。侯衛星等[10]提出系統集成接口管理的基本方法、系統集成接口總圖、接口狀態顯示圖等管理工具,形成一套接口管理程序和技術規范。李亞娟[11]等構建技術接口管理指標體系,基于“變權-靶心貼近度”模型對技術接口管理成熟度進行評價。王朋利等[12]為實現高效的技術接口信息交換,提出一種基于IFAHP-二維云的艱險山區鐵路橋隧工程技術接口信息交換水平綜合評價模型,對其信息交換的水平進行研究。任銀龍等[13]為提高艱險山區鐵路橋梁與四電工程技術接口管理水平,使鐵路工程建設高效有序進行,構建協同熵模型對艱險山區鐵路橋梁與四電工程技術接口管理進行協同度分析。通過上述文獻分析發現,目前關于接口管理的研究側重于接口管理的方法及模式方面,缺乏系統性的研究,同時對管理過程及效果的評價研究較少,難以對鐵路工程接口管理提供實踐性的指導。

鑒于此,本文以地質復雜、環境惡劣的艱險山區鐵路某標段工程為例,將管理協同思想運用到鐵路工程技術接口管理,構建鐵路工程技術接口管理協同度評價模型,從整體上對接口管理進行統籌規劃,對接口問題進行把握。通過評價結果找出鐵路工程技術接口管理中的薄弱環節,提出針對性的系統協同度提升措施,為提高艱險山區鐵路工程技術接口管理水平提供參考。

1 鐵路工程技術接口管理協同系統

1.1 鐵路工程技術接口分析

鐵路工程是一項投資規模巨大、技術復雜且施工周期較長的系統工程,在時間、空間、物理、功能上存在許多相互銜接的技術接口,接口本身就是一個系統,具有總體工作的性質。為全面、高效地識別技術接口,首先基于鐵路工程系統的可拆分特性,利用系統細分的思想,從構成鐵路工程系統不同專業的角度出發,運用解釋結構模型(ISM)將鐵路工程內外部系統劃分為站前、站后及其他3個子系統,3個子系統相對獨立,子系統內部功能要素相近、相互關系明確且能體現鐵路工程建設階段,滿足系統劃分的原則。不同的子系統包含不同的專業,如圖1所示。然后,運用結構化分析工具DSM法[14],將DSM矩陣中對角線表示為鐵路工程各個不同的專業,非對角線表示鐵路工程不同專業之間的接口,通過簡單、直觀的方式確定鐵路工程不同專業之間的接口關系,對接口進行識別,包括子系統內部及子系統間的接口。識別出的部分接口如表1所示。

表1 鐵路工程技術接口識別(部分)

圖1 鐵路工程系統劃分

由于鐵路工程技術接口數量龐大,任何一個專業系統都會涉及其他一個或者多個系統,不同的專業接口之間存在著緊密的邏輯關系,相互制約、相互促進。故鐵路工程技術接口復雜性主要體現在子系統數量多、專業性強、關聯性大及外部環境復雜等方面。

1.2 鐵路工程技術接口管理協同復雜性分析

鐵路工程系統是一個具有多個子系統、多層次、多目標的復雜工程。為提高鐵路工程技術接口管理的協同水平,需要從內外部環境角度對鐵路工程技術接口管理協同復雜性進行分析。

1.2.1 外部環境的復雜性

一般來說鐵路工程的外部環境主要包括政治、法律、自然、經濟、國家政策等。鐵路工程作為一個開放的系統,其項目的實施是與外部環境不斷相互作用的過程,與外部環境存在著高度的關聯,外部環境決定著鐵路工程的實施方案及技術方案。在鐵路工程的實施過程中,由于環境不斷變化,導致不可預見的因素增多,使得鐵路工程的建設面臨眾多挑戰,增加了鐵路工程技術接口管理的復雜性。

1.2.2 內部環境的復雜性

鐵路工程的建設歷經勘測、設計、施工、運營、維護等多個階段,包含建設、設計、施工、監理等多個參與單位,因此,其內部環境的復雜性主要體現在組織復雜、目標復雜、信息溝通復雜等方面。在鐵路工程生命周期的不同階段和不同地域位置上需要不同的組織參與,且不同參與方的內部組織結構、利益、管理模式、目標類型、獲取信息、處理信息的方式不同,具有動態性,使其接口管理更加復雜。

因此,鐵路工程接口管理的協同復雜性是由多種因素共同導致的,如圖2所示,因素間相互作用、相互融合,使得接口管理過程的各種資源及制度有更高的需求。

圖2 鐵路工程技術接口管理協同復雜性的構成

1.3 鐵路工程技術接口管理協同系統分析

技術接口的實施涉及多個不同階段、不同專業,為將技術接口管理過程中眾多要素合理的劃分,更好地分析不同要素之間的相互關系,構建鐵路工程技術接口管理協同系統。技術接口管理協同系統的功能體現在整個技術接口實施與管理過程中,具體可以表現在各個子系統中?；诩夹g接口管理協同的復雜性分析及接口管理的特點,將技術接口管理協同系統分為信息協同、組織協同、目標協同、過程協同、資源協同、制度協同6個子系統。不同的子系統在接口實施和管理中發揮著不同的作用,他們之間相互關聯、相互制約,使得鐵路工程技術接口管理系統的協調度和有序度提升。

鐵路工程技術接口管理協同子系統既相互獨立,又相互影響。各子系統間的關聯主要表現在:目標、組織、過程協同子系統直接影響鐵路工程技術接口管理水平,若接口各參與方內部管理目標不平衡、接口管理組織松散、各建設階段割裂,則會導致接口管理目標難以實現,嚴重影響鐵路工程建設質量。資源、制度協同子系統是維持其他系統運行的基本支撐和保證,在一定程度上受其他協同子系統的影響。信息作為接口管理系統中最為重要的參數,是保證其他所有子系統運行的基礎和關鍵,直接影響著鐵路工程技術接口管理效率和管理水平,其他系統的運行必須依賴信息的溝通交流。

綜上所述,在技術接口管理協同系統的演化過程中,各子系統間存在相輔相成、相互牽制的協同關系,會形成一個整體的系統結構,如圖3所示,共同推動鐵路工程技術接口管理協同系統向高效、有序的方向進行。

圖3 鐵路工程技術接口管理協同系統結構

2 鐵路工程技術接口管理協同度評價模型

根據協同學理論,管理協同最終目的是實現系統的協同效應,而協同效應通過協同度反映。技術接口管理協同度的評價是對技術接口管理效果的衡量與評價,可通過測量技術接口管理的協同度,了解技術接口管理的協同效應,發現技術接口管理的薄弱環節,有針對性地提出相應的技術接口管理策略,提高技術接口管理水平。本節根據鐵路工程技術接口管理協同系統構建接口管理協同度評價指標,確定指標權重并建立協同度評價模型。

2.1 評價指標體系構建

根據協同學理論,序參量是影響系統走向的關鍵要素,可以反映系統內各子系統間的協同演化規律。本文通過梳理國內外接口管理及協同度文獻[14-19],遵循系統性、全面性、可操作原則,采用專家咨詢和實地調研的方法篩選出影響鐵路工程技術接口管理協同的序參量及序參量分量指標,最終構建評價指標體系,如圖4所示。

圖4 鐵路工程技術接口管理協同評價指標體系

將鐵路工程技術接口管理各協同子系統記為Si,子系統指標集為S=(S1,S2,S3,S4,S5,S6),子系統Si所對應的序參量為(Ai,Bi,…,Fi),序參量分量為(Aij,Bij,…,Fij)。

2.2 評價指標體系權重確定

技術接口管理協同度評價指標均為定性指標,需要通過專家經驗對其進行打分確定指標權重。層次分析法(AHP)作為一種確定主觀權重的主要方法,有非常廣泛的應用。由于鐵路工程技術接口管理協同評價指標較多,為避免計算量大且受主觀經驗的影響,保證結果的準確性,采用改進的三標度層次分析法確定各級指標權重。首先,通過構造最優傳遞矩陣的方式,排除傳統層次分析法需要經過多次調整才能一致性檢驗合格的弊端;其次,將傳統層次分析法的1～9標度法改為三標度法,解決了1～9標度法常出現的數據繁雜、評估主觀性強且偏差大等問題。算法具體步驟如下。

(1)根據層次分析法原理構造比較矩陣A。

A=[aij]n×n

(1)

式中,aij為第i個因素相對于第j個因素的重要程度。因素ai比因素aj明顯重要時,aij取2,反之aij取0;因素ai與因素aj同等重要時,aij取1。

(2)構造判斷矩陣B,其元素bij的取值如下

(2)

(3)構造判斷矩陣B的傳遞矩陣C。

C=lgB

(3)

(4)構造傳遞矩陣C的最優傳遞矩陣D。其中

(4)

(5)構造判斷矩陣B的擬優一致矩陣B*,其矩陣中的元素遵循

(5)

(6)依據層次分析法原理,對B*先按列歸一化,再按行相加歸一化后得到各因素間的相對權重為

(6)

2.3 技術接口管理協同度確定

技術接口管理協同度是在整個鐵路工程建設過程中各子系統之間的協調程度,由協同系統內部各子系統的有序度之和來決定。其主要包括序參量有序度、子系統有序度以及系統協同度3個方面。

2.3.1 序參量有序度

協同理論認為,系統內部的有序狀態依賴于子系統間或子系統內部要素間和諧有序的程度。因此,在系統協同度計算過程中,需要先對序參量有序度和子系統有序度進行計算。

鐵路工程技術接口管理協同系統S是一個包含若干子系統的復雜系統,將其表示為S={S1,S2,S3,…,Sn}。其中,Sn為接口管理協同系統的第n個協同子系統。子系統的序參量分量為xij=(xi1,xi2,…,xik),其中i≥1,βij≤xij≤αij,j∈[1,k],βij和αij為接口管理協同系統序參量分量的臨界下限和上限值,一般取αij=1.01max(xij),βij=0.99min(xij)[20]。子系統序參量分量xij的系統有序度計算公式如下

(7)

μi(xij)∈[0,1],值越大則表明其對接口管理協同子系統的貢獻程度越大。

序參量有序度可以將對序參量分量有序度通過線性加權法采用集成計算得到,計算公式如下

(8)

2.3.2 子系統有序度

子系統內包含若干個序參量,序參量的權重是存在差異的,則子系統的有序度μ(Si)可通過對序參量的有序度μ(xi)采用線性加權法進行集合來實現。計算公式如下

(9)

2.3.3 系統協同度

技術接口管理系統的整體協同度通過各子系統的有序度進行反映,表明各子系統的有序程度會對系統的整體協同度產生影響,為技術接口管理系統的協同度測量提供準則。

(10)

DMS∈[-1,1],值越大表明接口管理協同系統的協同度越高,協同效果越好。

結合鐵路工程技術接口管理的特征,通過梳理文獻[21-23],將技術接口管理協同系統的協同度劃分為4個等級,如表2所示。

表2 鐵路工程技術接口管理協同度等級劃分

3 工程實例

選取鐵路某標段工程作為研究對象。本標段位于岡底斯山與喜馬拉雅山之間的藏南谷地高山區,山高谷深,氣候極端惡劣。由于特殊的地理位置及復雜多變的環境使得該區域橋隧占比高,參建單位眾多,利益關系復雜,施工環境變化多端,標準化管理難度大,給鐵路工程技術接口管理帶來了一定困難。因此,有必要采取手段對該地區的接口管理協同度進行研究,以提高接口管理的水平。

3.1 各級指標權重

通過問卷調查的方式,邀請鐵路工程管理領域的專家按照改進的三標度層次分析法對同一指標層中各個指標的重要性進行判斷,構造判斷矩陣。

首先計算一級指標因素對評價指標重要性的權重向量,計算過程如下。

(1)根據2.2節算法的具體步驟構建的一級因素對評價指標重要性的比較矩陣A為

(2)判斷矩陣B為

(3)傳遞矩陣C為

(4)最優傳遞矩陣D為

(5)判斷矩陣B的擬優一致矩陣B*為

表3 一級指標因素的相對權重

由于計算過程相同,二級指標因素及三級指標因素的權重向量只展示計算結果,如表4所示,過程不再詳細描述。

表4 二級、三級指標因素的相對權重

3.2 技術接口管理協同度

3.2.1 數據來源與處理

為保證評價結果的準確性,邀請建設、設計、施工、監理等參與方對鐵路某標段工程技術接口管理各個階段的協同情況采用10分制取平均值法進行打分,1分為最差,10分為理想。最終得到的數據如表5所示。

表5 專家對各階段技術接口管理協同情況的評分值

3.2.2 系統協同度

(1)序參量分量有序度

序參量分量A11～F22均為正向指標,根據表5及式(7)計算各序參量分量的有序度,如表6所示。

表6 序參量分量有序度

(2)序參量有序度

根據表6及表4序參量分量的相對權重及式(8)計算各序參量有序度,如表7所示。

表7 序參量有序度

(3)子系統有序度

首先根據表7及表4中序參量的相對權重及式(9)計算各子系統有序度,如表8所示,其次根據計算結果繪制雷達圖和曲線圖,直觀反映各子系統在不同階段有序度的變化情況,如圖5、圖6所示。

表8 子系統有序度

圖5 各子系統的有序度雷達

圖6 各子系統不同階段有序度曲線

(4)系統協同度

以時間序列初期的時間點即接口規劃階段為基準,根據表3中各子系統的權重、表8及式(9)計算技術接口管理在規劃、分析、設計、實施、驗證、運維6個階段的系統協同度,以此分析接口管理系統協同度相對于規劃階段的變化情況。根據計算結果繪制雷達圖及曲線圖,直觀反映不同階段系統協同度的變化情況。計算結果如表9所示,協同度曲線如圖7所示。

表9 各階段接口管理系統協同度

圖7 各階段接口管理協同度曲線

3.2.3 技術接口管理協同度結果分析

從子系統(圖5、圖6)來看,各階段各子系統的協同度都保持在0～0.3之間,處于低度協同狀態。在各子系統中,組織子系統和過程子系統的協同度較高,對技術接口管理協同系統起到關鍵作用。而信息、目標、資源及制度子系統的協同度較低,因為在鐵路某標段工程建設的全生命周期中,各階段由不同的參與方完成,建設工作量大,對資源的運輸、管理不夠規范,不能及時進場使用,容易產生“信息斷層”及相互矛盾的目標等問題,直接影響鐵路工程技術接口管理系統的協同水平。

從發展階段來看,驗證階段的協同度最低,實施階段的協同度最高,6個子系統的整體協同度呈上升趨勢,說明鐵路工程技術接口的工作任務進行到一定階段時,各參與方和組織通過前期的磨合形成了一個協同工作的團體去協同工作,使得技術接口管理系統達到一個協同的狀態。

從整個技術接口管理系統的協同度(圖7)來看,以接口規劃階段作為初始時刻直到接口實施階段期間,技術接口管理系統的協同度不斷上升,說明在技術接口的實施過程中,各參建單位通過充分的交流,使得接口管理的各個方面不斷完善,相互配合,協同度不斷提升。但在技術接口的實施到驗證階段期間,隨著接口任務的逐漸完成,接口參與方的工作重心不斷轉移,導致相關接口問題不能及時發現并處理,造成系統協同度降低,出現負值。而后運維階段通過對接口問題及時的反饋與處理,使得系統協同度又得到提高。

因此,在鐵路某標段工程建造期間,為了提高技術接口管理系統的協同水平,對信息子系統,可以采用統一的信息管理系統,促進各參建單位的交流,提高工作信息的共享程度。對組織子系統,合理規劃組織結構,優化崗位職責。對目標子系統,加強參與方之間的溝通,在朝著共同總目標前進的同時做到統籌兼顧,將總目標進行細化。對過程子系統,明確各階段、各環節、各接口工序任務的邊界內容,優化銜接的流程。對資源子系統,建立完善的“資源需求—資源計劃—資源分配”的三級資源管理體系,結合接口實施的進度對資源進行動態合理地分配。對制度子系統,制定獎懲機制及標準的接口管理體系。

4 結論

(1)在分析鐵路工程技術接口管理研究現狀的基礎上,對鐵路工程系統進行細化分解,識別出技術接口,從內外部環境分析鐵路工程技術接口管理協同的復雜性,篩選出鐵路工程技術接口管理協同系統的六大要素,為技術接口管理協同度評價指標體系提供邏輯支撐。本文前后邏輯順序聯系緊密,多方面、多角度對鐵路工程技術接口管理協同度進行研究,豐富了鐵路工程領域技術接口協同管理的研究內容。

(2)采用改進的三標度層次分析法確定各評價指標的權重,消除了計算量大且過度依賴于專家經驗的缺陷,使得指標權重賦值更加合理。同時從序參量有序度、子系統有序度、系統協同度3個方面構建鐵路工程技術接口管理協同度評價模型,為準確進行鐵路工程技術接口管理協同度的評價提供有利保障。

(3)選取的鐵路某標段工程技術接口管理水平處于低度協同狀態,在技術接口管理的全生命周期中,規劃階段的協同度最低為-0.014 383,實施階段的協同度最高為0.018 856。針對不同的子系統,診斷出管理的薄弱環節,提出不同的協同度提升策略,為艱險山區鐵路工程技術接口管理水平的提高提供參考。