基于质量链的高速铁路工程技术接口数字化管理研究

2021-11-13贺振霞胡所亭班新林鲍学英王琳许见超

铁道科学与工程学报 2021年10期

贺振霞，胡所亭，班新林，鲍学英，王琳，许见超

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

高速铁路整个建设经营过程具有投资规模大、建设周期长、技术要求高、管理范围广的特点，是一项多专业协调、多方参与、多方位推进、多工种交叉作业的复杂系统工程[1−2]。高速铁路工程系统包括站前站后等多个子系统，参与建设的单位众多，历经工程建设的勘察、设计、施工、运维等各个阶段，使项目在时间、空间、物理及功能上都存在许多相互衔接的接口。加之高速铁路沿线有众多不同的复杂地理环境和恶劣气候环境，给高速铁路建设在技术上增加了难度，使涉及到的各专业在不同阶段的技术接口的实现增加了难度，而且技术接口的管理对工程的质量、工期和投资有着重大的影响。高速铁路工程系统技术接口内容多、涉及面广、技术复杂，技术接口的高效管理可以提高高速铁路建设质量、规范建设工期、保证整体完整性，使得整个建设过程顺利进行。对于接口的研究，始于计算机领域[3]，随着项目管理和系统工程的发展，引申扩展到工程建设领域。在工程建设领域，学者们多在城市轨道交通领域对接口进行研究[4−9]，也有学者探讨了高速铁路接口的管理方法和工具，但针对技术接口的研究较少，且对技术接口的研究仅停留在实际项目建设过程的经验总结，研究结果往往滞后于实践过程，无法提前指导实践[10−12]。理论研究深度不够，研究内容比较零散，没有对技术接口进行系统、全面的研究。基于以上对技术接口研究内容的不足，本文提出基于全生命周期的三维质量链模型，以技术接口质量管理为首要目标，通过对高速铁路工程技术接口的全生命周期分析，强化技术接口在设计时的识别、定义和表达，技术接口实施过程中的登记、追踪、变更和管控，将技术接口管理的重点放在前2个阶段，使技术接口管理实现事前控制，减少技术接口验证阶段的冲突。质量链理论[13]强调全员参与质量管理，实现自上而下、自下而上的质量信息、功能和过程的集成，使与质量有关的信息流、质量流、价值流在技术接口整个生命周期内顺畅地流动(如图1)，提高高速铁路工程技术接口管理的效益与效率，保证整个建造过程的顺利进行。本文以质量链为理论依据建立三维质量链模型，以高速铁路工程技术接口体系为基础，结合协同工作原理，构建高速铁路工程技术接口数字化管理平台架构，为技术接口数字化管理平台的构建提供理论支撑。

图1 技术接口全生命周期质量链管理流程图Fig.1 Flow chart of quality chain management in the whole life cycle of technical interface

1 三维质量链模型

质量链管理是以实现工程建设过程质量管理为首要目标，以信息流、质量流、价值流为导向，通过全过程、全方位的高效协调来保证建设过程的质量。技术接口的质量形成是前后不同过程的质量衔接，是不同单位、不同阶段、不同工序之间的质量迁移，整个过程类似于环环相扣的链条，每个技术接口的过程构成链条上相应的环。建设单位、设计单位、监理单位、施工单位、物料供应商等相关主体及其之间的交互活动共同构成了质量链的各环节。高速铁路工程技术接口总质量不仅取决于施工单位的施工(工序)质量，而且取决于其他各参建单位因管理的意识和方式的差异而导致的技术接口管理质量的传递与积累。因此，若要提高技术接口的质量及其管理的效益和效率，必须加强各参建单位在技术接口信息中的交流与协作。

本文提出的技术接口三维质量链模型遵循质量形成的逻辑，将3个维度划分为工序质量维度、协同质量维度和组织质量维度，如图2所示，图中技术接口总质量曲线表示由于各维度对技术接口的管理方式及管理水平不同而导致技术接口总质量发生变化，随着各参与方对各维度质量管控水平提升，技术接口总质量水平逐步提高。通过对各质量维度开展管控活动，方便对技术接口质量的波动进行预测和反馈。技术接口全生命周期的质量管理是决策者在整个接口生命周期中对影响接口质量的各影响因素进行管控，它以质量链中的质量流、价值流、信息流为导向，实现技术接口的事前控制，为解决技术接口管理问题提供了新的视角。

图2 技术接口三维质量链模型Fig.2 Three-dimensional quality chain model of technical interface

1.1 工序质量维度

技术接口工序质量维度是施工方对技术接口开展的质量控制活动，施工方所建立的质量方针、策划、控制、保证、改进管理层次等活动均可以保证技术接口的工序质量。工程的质量取决于一系列相互关联、相互制约的工序的质量，每项工序质量的好坏都直接影响到工程的质量。从质量链的整体视角看，对具体的接口而言，技术接口的工序质量是全面质量管理在接口的具体实践，能够保障接口的质量，促进整个质量链的运行和发展。

高速铁路工程建设是一项多方参与协调、多方推进的复杂系统工程，技术接口是不同专业前一道工序与后一道工序的衔接，技术接口的管理亦是多专业协调、多工种交叉、多方参与等多个方面的综合，前面专业或者上游承包商的工序质量直接影响到后面专业或者下游承包商的工序质量，因此，技术接口工序质量会直接影响整个项目质量的高低。

1.2 协同质量维度

技术接口协同质量指的是技术接口各直接参与方对技术接口展开的质量控制活动。注重技术接口各直接参与方对各个技术接口的质量管理，可以保证质量链的持续稳定。影响协同质量的关键在于信息的流通与传递，因此建立技术接口信息系统是三维质量链集成的基础(如图3)。基础信息系统的建立能够促进技术接口各直接参与方之间数据的交换、共享，保证信息流、质量流的畅通，实现全面集成管理中不同主体、不同阶段的项目信息传递。

图3 技术接口协同质量信息管理系统Fig.3 Technical interface collaborative quality information management system

各直接参与方的协同运作从技术接口的规划设计到实施验证整个阶段的系统控制决定了各参与方的工作质量以及整体的协同效率水平。协同质量的改进对降低技术接口质量管理成本、增加经济效益、提高各参与方的质量信誉、提高技术接口质量、减少返工、提高项目建造效率、加速新技术的开发应用等方面都具有重要的意义。

1.3 组织质量维度

技术接口组织质量维度是建设单位对技术接口各直接参与方开展的跨组织质量控制活动。建设单位是技术接口管理的直接受益者，亦是风险承担者，建设单位的关注度对技术接口管理起决定性作用。根据利益相关者理论可知各参与方的目标和对技术接口管理的关注点不同，加之自然、社会、人文、技术、资源、管理环境的影响，建设单位需要通过建立各种管理机制来提高技术接口的组织质量，如图4所示，以保证各参与方以项目整体利益为中心，在规定时间内用最少的成本实现技术接口在整个系统的功能。同时，技术接口管理机制的完善性与合理性也会给建设单位自身损益带来巨大影响。

图4 技术接口组织质量影响因素Fig.4 Influencing factors of technical interface organization quality

奖惩机制是在明确各参与方责任、义务的情况下，通过考虑技术接口质量目标的实现度、损益值以及参与方的行为等方面建立的奖惩措施与方法；信用机制是各参与方在技术接口质量链运行中的信用得分，包括其他参与方对自身的信用评价，可为利益分配和奖惩作参考；利益分配机制包含各参与方完成工作的正常利润和质量链运行过程中相互协作的超额利润；信息共享机制是以数字化管理为依托，实现接口各类信息的传递；争端解决机制是指在接口管理的过程中由于各种原因对技术接口的协商不能达成一致，不同难度、重要性的接口需要不同层级的会议解决。

三维质量链模型从技术接口质量形成的角度考虑，从接口工序、接口协同与组织管理出发，分析各维度的重要性并提出相应的管理机制，减少技术接口质量链各环节的质量波动，促进和提升了技术接口质量，同时为技术接口体系及数字化管理平台的建立奠定理论基础。

2 高速铁路技术接口体系的构建

将高速铁路工程作为整体系统研究，通过分析整体系统的环境要求、运用要求，以及国家法律、法规、行业规范和政府主管部门的相关规定对高速铁路工程的总体需求，运用需求分析确定高速铁路工程系统的总体功能。随着工程系统生命周期的不断推进，运用解析结构模型(ISM)法将高速铁路工程系统分解为多个子系统，如图5所示。

图5 高速铁路各系统间技术接口示意图Fig.5 Schematic diagram of technical interface between systems of high-speed railway

每个子系统便开始了其相应的生命周期阶段，在每个子系统的生命周期的各阶段，技术接口内容也是随着其生命周期推进而不断深化，技术接口管理组织架构应是稳定的，即结合结构设计，经历“自上而下”的接口分析、接口设计和确认，然后经历“自下而上”的接口实现、接口集成、接口测试、接口验证。

2.1 技术接口规划分析

在根据各系统需求分析得到系统功能的基础上，构建各系统的结构，定义各子系统的功能需求。好的质量可满足利益相关者的功能需求，根据项目质量需求，用功能分析方法对整体系统进行功能分析，获得各子系统之间的技术接口。随着研究深入，采用分析分解法对技术接口进行识别，划分接口类型，接着识别各项接口的接口主题、接口关系等内容，最后确定接口相关责任专业。以高速铁路桥梁与四电工程部分技术接口为例建立技术接口识别表，如表1所示。

表1 技术接口识别表Table 1 Technical interface identification table

2.2 技术接口设计

在完成各子系统间技术接口分析后，将进行技术接口的设计，技术接口设计是实施方案的制定阶段，在技术接口设计阶段，依据相关技术资料，采用WBS矩阵法[14]进一步细化各类技术接口信息，确定技术接口工程涉及范围、相关责任和协调单位，提出相关责任单位的职责分工及技术接口管理计划，最后形成技术接口管理矩阵以及技术接口管理控制表，图6为WBS矩阵法示意图。

图6 高速铁路工程系统接口管理矩阵结构Fig.6 Interface management matrix structure of high-speed railway engineering system

2.3 技术接口实施

技术接口实施是接口的现场操作阶段，也是高速铁路工程技术接口管理的核心阶段。根据接口实施阶段接口管理的需求，采用接口通知单(如表2)、进度跟踪矩阵、接口问题网络图和接口问题记录表(如表3)等构成技术接口管理程序，该技术接口管理程序能实时快速地监督技术接口整个实施过程，并能及时有效处理实施中发现的问题，同时对其进行动态跟踪，确认实施情况。

表2 接口通知单Table 2 Interface notice

表3 技术接口问题记录表Table 3 Record of technical interface problems

2.4 技术接口验证

技术接口验证是接口实施效果的评估阶段，是技术接口管理的重要步骤。对于不同类型的接口，其复杂性、涉及专业面以及接口匹配关系对高速铁路系统整体功能、性能、质量、进度、成本影响程度、范围均有一定的差异，因此依据相关标准、规范和设计要求，采用定性定量集成分析[1]的方法对各类技术接口关系进行测试、验证、调试和优化，对发现的问题进行整治，完成技术接口管理的闭环控制。

在整个技术接口生命周期阶段，随着接口需求分析不断推进，技术接口分析逐步由宏观到微观不断深化，技术接口必然会发生变更，在接口登记表中就会不断地更新、细化接口，及时发现接口发生变化，并按照接口管理的规定，对接口实施有效、精细的变更管理，从而实现接口的动态管理。如图7主要展示了高速铁路工程技术接口生命周期各个阶段使用的方法及工具。

图7 高速铁路系统技术接口生命周期阶段分析Fig.7 Life cycle analysis of technical interface of high-speed railway system

经过对高速铁路工程技术接口的规划、分析、设计、实施、验证各阶段的分析，可以构建一套完整的技术接口体系，该体系为高速铁路工程技术接口数字化管理平台的构建奠定了重要的数据基础。

3 高速铁路工程技术接口数字化管理平台的构建

通过对三维质量链模型的分析以及高速铁路工程技术接口体系的构建，结合协同工作理论，运用计算机网络化的信息技术构建高速铁路工程技术接口管理信息系统，以信息系统为基础，建立技术接口数字化管理平台，实现实时在线的技术接口集中管理。高速铁路工程技术接口集成及信息化平台架构如图8所示。

图8 高速铁路工程技术接口信息化管理平台架构Fig.8 High-speed railway technical interface information management platform architecture

根据高速铁路工程各个子系统的划分，BIM建模者可以从建设、设计、施工、物料供应等相关单位获得高速铁路工程各子系统之间技术接口相关资料，利用获得的相关资料构建技术接口模型并输入到技术接口相关数据库中，如表4所示。接口数据库为接口数据层提供最基本的技术接口信息，接口数据层是接口数据库的整理与展现，实现了数据集成和数据共享。

表4 接口数据库应用管理模块Table 4 Interface database application management module

接口业务层为各技术接口责任方提供多方协同工作的应用支撑，是体系架构中的核心部分。通过对接口管理控制、接口数据查询、接口变更管理、接口资料管理等模块的查询，使得接口各参与方在技术接口各生命周期阶段能够获得及时准确的信息，制定相应的接口管理计划和质量、成本、进度的控制措施，实现多阶段、多参与方和多要素的集成，高效地完成高速铁路工程技术接口的管理。用户界面层包括技术接口管理的相关责任方，可以在此层面内进行接口管理的相关操作，各参与方能够根据相应访问权限操作该系统，并能应用该系统完成相关任务活动，以图片、动画、声音、excel和word等形式实现各方的高效沟通和有序协调。技术接口管理系统中各模块内容如表5。

表5 高速铁路工程技术接口管理模块设计内容Table 5 Design content of interface management module for high-speed railway engineering technology

依据高速铁路工程的特点和建设过程的实际状况，通过各个模块设计的内容，结合BIM5D+GIS技术构建高速铁路工程技术接口数字化管理平台，业主可以系统全面地实时监控各参与方在不同阶段对于技术接口的执行情况；随着各参与方对接口详细数据的上传，各级部门领导也可以根据上传的数据在线查看某个技术接口的具体位置、总体工程技术接口的质量、成本、进度、安全等执行的最新状况；施工单位可以根据设计单位上传的数据明确各类技术接口的具体实施标准，节约建设成本，提高建设质量，如图9为施工方在施工过程中发现设计阶段没有识别到的技术接口后，运用管理平台进行管理的流程；对于高速铁路特有的技术接口，在变更管理过程中，参与变更的单位可以快速高效地对接口进行变更，如图10为技术接口变更管理流程图，减少了传统变更管理过程的时间和成本；在技术接口验证阶段，各级单位也可根据监理单位上传的接口验收资料进行查验。该平台的建设将提高整个技术接口的管理效率，减少管理过程中不必要的成本费用，同时将高速铁路工程技术接口的数据进行集成，已建工程的技术接口处理方案将为在建工程提供宝贵的经验，有利于高速铁路整个建造过程的顺利实施，为高速铁路工程中复杂的技术接口管理提供宝贵的管理经验。