艰险山区铁路桥隧工程技术接口管理成熟度评价研究

李亚娟，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)

铁路项目是一项复杂、庞大的系统工程，其子系统之间存在大量技术接口，彼此之间相互影响，相互作用，相互制约，导致技术接口管理难度大，管理效率低。而技术接口管理作为艰险山区铁路桥梁工程中最敏感、最难规范的地方，对工程建设质量、成本和工期有着重大影响。因此，如何高效地对艰险山区铁路桥隧工程技术接口进行管理便显得尤为关键。目前，针对技术接口的管理，许多专家学者做了大量的研究。如AHN等[1]通过收集项目复杂性的接口管理数据，以此来验证接口管理在项目中的有效性。YEH等[2]针对MRT项目，从分解、分析、规划、建立组织结构4个阶段构建了全过程的接口管理。NUTTENS等[3]用BIM技术分析接口管理并进行冲突检测，进一步解释了BIM成功实施的关键因素；PEDRO等[4]通过分析79个过程接口问题，以此识别出关键性能指标，并以信息流进行管理；琚倩茜等[5]利用质量屋模型找出工程建设过程中接口管理的关键措施，用PBS分解规划接口管理工作，并应用里程碑管理理念去优化管理接口。但是以上文献只是整体对铁路工程技术接口的问题以及管理进行分析，缺少对特殊环境、特殊地区的铁路技术接口管理研究，而对铁路桥隧工程技术接口管理的相关理论及方法几乎没有。鉴于此，本文以艰险山区铁路桥隧工程为研究对象，利用WBS结构和N2图识别出技术接口，基于WSR方法论对技术接口问题进行分析，建立技术接口管理评价指标体系，并通过变权综合权重模型确定指标权重，然后利用靶心贴近度模型评估艰险山区铁路桥隧工程技术接口管理成熟度等级，最后借助雷达图反映各技术接口的管理水平，具体的技术路线图如图1所示。

图1 技术路线图Fig.1 Technology roadmap

1 技术接口的识别

技术接口主要分为物理接口、功能接口。物理接口是指构件之间的物理连接，功能接口是指功能之间的相互作用。对于物理接口，运用WBS结构方法对桥隧工程结构进行分解，在构件连接处进行识别。对于功能接口，采用接口矩阵图进行识别，功能被放置在N2图(接口矩阵图)的对角线上，其余位置代表接口的输入和输出。功能之间的接口以一个顺时针方向流动，当出现一个空白的区域时，则不存在功能接口。当所有的功能逐个进行了对比后，则全面的识别了功能接口，如图2所示。

图2 接口矩阵图Fig.2 Interface matrix diagram

2 基于WSR技术接口问题分析

2.1 WSR方法论简介

WSR[6](物理−事理−人理)主要思想是用与之适应的系统思维来解决大型复杂工程系统问题，主要原理是从物、事和人3个维度对问题进行分析管理，以免以偏概全。目前，WSR方法论已被广泛应用于复杂系统问题[7−8]，并得到了专家学者的高度认可。

运用WSR方法论对艰险山区铁路桥隧工程技术接口问题进行分析，对分析出来的问题因素进一步转化为接口管理与控制的因素，一方面，对管理因素进行分类，可以全面梳理技术接口管理

工作，避免技术接口管理因素的遗漏；另一方面，不会造成技术接口管理因素之间存在交叉，并可以通过协调物理、事理、人理之间的关系，有效提高技术接口管理水平。

2.2 指标体系构建

基于WSR方法论构建艰险山区铁路桥隧工程技术接口管理评估指标体系，首先要明确研究对象，从物理、事理和人理之间的关系出发，参考相关文献[9]并结合实际，对技术接口所出现的问题进行分析，以此来构建指标体系如图3所示，具体描述见表1。

表1 技术接口管理指标体系描述Table 1 Technical interface management index system description

图3 技术接口管理指标体系Fig.3 Technical interface management index system

3 桥隧工程技术接口管理成熟度模型的构建

管理成熟度是对管理成熟等级的衡量，是指管理能力到达某种规定要求的状态，并通过这种管理使目标能很好地实现。技术接口管理成熟度的目标是综合反映技术接口管理水平，通过技术接口管理成熟度模型，可以确定出各技术接口管理成熟度等级，明确各技术接口管理提升的先后顺序，也能识别出影响各技术接口的薄弱因素，为技术接口管理改进提供方向，为寻求技术接口管理最佳实践提供可能。

因此，在确定技术接口管理指标体系的基础上，对其进行分析并邀请专家打分，通过对指标评价值整理汇总，进而计算技术接口管理成熟度等级贴近度并确定其管理成熟度等级。

3.1 赋权模型

传统评估方法在确定指标权重时仅考虑了不同指标对技术接口管理的影响程度，没有考虑相同指标在不同取值时对管理状态的影响变化[10]。因此本文引入变权模型，该模型的优势在于可以对指标权重进行动态调整，使得权重能真实反映指标评价值对管理状态的影响。

3.1.1 常权权重模型-向量夹角余弦法

1)构造评价指标最优值向量S*和最差值向量

其中

2)构造各评价对象与最优值向量和最差值向量的相对偏差矩阵R和Δ

3)确定评价指标的向量夹角余弦权重

3.1.2 变权综合模型

变权综合模型是在变权原理的基础上，基于空间因素理论提出状态变权向量，分别为惩罚型、激励型和混合型状态变权向量。

1)确定变权权重。其主要思想是通过构建均衡函数，对优势指标进行激励，使其权重增大，对劣势指标进行惩罚并缩小其权重[12]。根据变权综合模型，可得出如下结论：X=(x1,x2,…xn)为因素状态变量，为因素常权变量，S(X)=(S1(X),S2(X),…,Sn(X))为 状 态 变 权 向量，则变权向量W(X)=(W1(X),W2(X),…,Wn(X))可用W0和S(X)的归一化阿达玛乘积表示，即

2)构建均衡函数。均衡函数的作用是根据指标具体状态动态调节指标权重。由式(6)可知，变权向量为常权向量与状态变权向量的量纲乘积，而状态变权向量构建是否合理取决于均衡函数。

式中：0<μ<λ<α<β<1，0

3.2 靶心贴近度法

3.2.1 区间关联函数

式中：Zmn为第m个技术接口在第n个指标下的属性值；成熟度等级数为d，可分为d个子区间，即[hno,hnl],…,[hnl-1,hnl],…,[hnd-1,hnd]；Ymnl为 第m个技术接口在第n个指标下关于第l个成熟度等级[hnl-1,hnl]的关联函数[13]。

关联函数值反映了属性值与成熟度等级的中点之间的距离。Ymnl>0,Ymnl=0和Ymnl<0分别表示属性值在分类等级的内部、边界和外部。

3.2.2 靶心贴近度法原理

单指标区间关联函数的最大值Ymn即为技术接口的靶心坐标，则第m个技术接口的靶心可以表示为(Ym1,Ym2,…,Ymr)。设第m个技术接口关于第l个评价类的靶心贴近度Uml为

式中：r为指标总数；Cmn为第m个技术接口中第n个指标的变权权重。由式可知：若max(Uml)=Uml,则第m个技术接口等级分类为l*。

3.3 技术接口管理成熟度等级

根据铁路桥隧工程技术接口的特点，借鉴管理成熟度模型(Organization Project Management Maturity Model,OPM3)，并参考相关文献 ，将技术接口管理的成熟度等级化分为混乱级、协调级、规范级、协作级、持续优化级5个等级，且它们之间呈现梯阶递进的趋势。各个等级表明了技术接口管理水平所处的状态如表2所示。

表2 技术接口管理成熟度等级标准Table 2 Technical interface management maturity level standards

4 案例分析

4.1 依托工程概况

选取拉林铁路藏木雅鲁藏布江特大桥与安拉隧道为研究对象，对其技术接口进行分析。该工程位于桑加峡谷内，山高谷深，水流湍急，河床下切较深、气候极端恶劣。峡谷两岸自然坡度为15°～75°且岩体破碎，岩质坚硬，施工难度大。而且，此工程位于雅砻河国家级风景名胜区及林芝地区自然保护区内，散布个别居民点，耕地极少，因此施工对该地区生态环境与居民生活造成一定影响。由于该地区地质环境恶劣，气候环境复杂，桥隧工程施工技术复杂、施工时间长，产生的技术接口多、类型复杂、综合性强、管理难度大。

4.2 桥隧工程技术接口识别

藏木雅鲁藏布江特大桥与安拉隧道之间是依靠24 m棚洞连接，依据WBS方法论、接口矩阵图，并参照施工组织设计，识别出以下技术接口，如表3所示。

表3 桥隧工程技术接口识别Table 3 Technical interface identification of bridge and tunnel Engineering

4.3 确定评价指标量值

根据藏木雅鲁藏布江特大桥与安拉隧道技术接口的管理情况，邀请9位研究艰险山区铁路桥隧工程设计、施工及管理的相关专家，按照技术接口所出现问题的频率以及管理情况对评价指标进行打分，具体分值如表4所示。

4.4 模型应用

4.4.1 均衡函数与权重的确定

利用向量夹角余弦法计算常权权重。将表中专家对每个接口出现问题的频率所打的分数归一化处理，并代入到式(1)～(5)计算。结合桥隧工程技术接口管理成熟度分级标准和文献[15]，变权函数 中 取 评 价 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)得到状态变权函数。由式(10)和表4可计算出桥隧工程技术接口的每一个评价指标的均衡函数值，结合式(6)和已经得出的常权权重可确定变权权重，见表5。

表4 技术接口所出现问题的频率分值/管理情况分值Table 4 Frequency scores of problems with technical interfaces/Management score

表5 变权权重计算结果Table 5 Recalculation results of the right of change

4.4.2 靶心贴近度的计算

结合式(8)可计算出该桥隧工程技术接口分别对5个管理成熟度等级的靶心坐标(见表7)和靶心贴近度，并按照最大隶属度原则确定最终的成熟度等级，见表7。

在表6的基础上，选取桥隧连接、桥台与洞身接口、电缆槽的过渡、不均匀沉降4个有代表性的接口绘制雷达图，清晰直观地显示成熟度模型中每个技术接口各个指标的成熟度水平及彼此的关系。

表6 靶心坐标计算结果Table 6 Calculation results of bullseye coordinates

由图4可知，技术接口管理各指标总体均衡性较强，接口文档、工作分包等指标管理成熟，处于管理成熟度较高的协作级和持续改进级；而地质问题、材料供应等指标由于环境的影响，管理难度较高，处于协调级向规范级优化。因此，对于成熟度等级较低的指标需重点关注，并采取相关措施进行管理，以提高管理成熟度。

图4 技术接口综合评价指标雷达图Fig.4 Radar chart of comprehensive evaluation index of technical interface

由表7可知，藏木雅鲁藏布江特大桥与安拉隧道大部分技术接口处于规范级，仅有2个处于协作级。因此，藏木雅鲁藏布江特大桥与安拉隧道技术接口管理成熟度总体处于规范级，并有向协作级优化的趋势。

表7 成熟度等级确定Table 7 Maturity level determination

5 结论

1)本文通过对艰险山区铁路桥隧工程技术接口进行深入的分析和研究，结合WSR方法论分析桥隧工程技术接口出现的问题，建立了铁路桥隧工程技术接口管理指标体系。

2)通过使用变权综合权重模型确定指标权重，突出该地区桥隧工程技术接口的特性，避免指标相互中和，保证权重的准确度。运用靶心贴近度模型计算桥隧工程技术接口管理成熟度的贴近度，并确定其管理成熟度等级。

3)依托藏木雅鲁藏布江特大桥与安拉隧道，将变权理论与靶心贴近度模型结合评估其技术接口管理成熟度等级由规范级向协作级优化，并借助雷达图直观反映各技术接口的管理水平。通过本文的研究为艰险山区铁路桥隧工程技术接口管理提供理论依据。