艰险山区铁路桥隧技术接口工序资源冲突研究

霍雨雨，鲍学英，李爱春，胡所亭，班新林，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)

由于艰险山区地形崎岖、地势复杂、气候恶劣，铁路工程桥隧占比高，桥梁与隧道之间技术接口数量多、参与方众多，铁路施工时会面临资源运输困难、参与方沟通不畅、现场作业环境差、对接口工序关系了解不深以及缺乏及时的协调措施等很多不利因素的影响[1-2]。这些不利因素会造成不同工序、活动之间的计划冲突，引发资源供应不及时，形成资源冲突，致使整个铁路建设工期拖延，成本增加。因此，分析和挖掘技术接口工序资源冲突的原因，研究影响因素间的因果关系以及层次结构，对于有效预防资源冲突，提高整个铁路建设速度具有重要意义。目前，国内外学者对接口资源冲突影响因素的研究取得了一定程度的进展。综合来看，国外学者主要以资源均衡为目标函数，考虑活动中的抢占，研究资源受限的工序调度问题，以及通过多层次灰色综合评价法，分析探讨不同参与方之间沟通不畅、配合度低等组织层面原因导致的工序资源冲突问题[3-5]。国内学者主要通过关键链技术对关键节点的资源需求进行研究，实现资源的优化配置，或通过模糊综合评价、蚁群算法和灰色聚类等方法构建资源配置模型[6-9]。很少有学者对技术接口工序资源冲突的影响因素间的内在联系、影响程度以及层次结构进行研究。针对以上不足，本文提出DEMATEL-ⅠSM 模型研究艰险山区铁路桥隧技术接口工序资源冲突。以地形地势复杂、环境恶劣、人员组织困难以及施工周期长等条件为基础，选取拉林铁路LLZQ-2 标段桥隧工程技术接口工序为研究对象，利用全面质量管理理论中的“人、机、料、法、环”方法，全面系统地剖析引发工序资源冲突的各个影响因素。 利用ⅠSM[10]和DEMATEL[11]探究影响工序资源冲突的各因素之间的关联关系，构建影响因素的多级递阶结构模型，剖析拉林铁路LLZQ-2 标段桥隧工程技术接口工序资源冲突影响因素的结构层次，明确原因因素和结果因素。通过对这些影响因素分层管控，有效预防资源冲突的发生，确保铁路工程按期完工。

1 艰险山区铁路桥隧工程技术接口工序资源冲突影响因素指标体系

艰险山区铁路是一项复杂的系统工程，由于沿线地质环境复杂、资源运输困难、参与方沟通不畅，通常会导致技术接口在工序施工过程中需要投入大量人力和机械设备，施工工序繁杂，因此必须充分协调好人、财、物等基本要素，否则有可能因窝工、停工等情况导致资源冲突，进而直接影响到整个艰险山区铁路工程施工的进度。因此，对导致技术接口工序资源冲突的影响因素进行系统化、层次化地分析，有助于接口管理者提出切实可行的接口管理策略和整改措施，促进艰险山区铁路的顺利竣工。

为了全面识别桥隧工程技术接口，在遵循子系统划分的独立性和功能性等原则的基础上，通过解释结构模型和分解分析法将桥梁与隧道工程的子系统进行划分。根据桥梁与隧道工程的施工工艺及特点，并参考相关文献及国家铁路局等企业颁布的规范[12]，识别出桥隧连接、桥台与洞身连接、边坡的衔接、连接处的不均匀沉降、锚碇的锚固、防水排水和电缆槽的过渡等技术接口。

“人、机、料”是艰险山区铁路施工最基本的资源组成，“法、环”是利用资源的方法和环境，因此从“人、机、料、法、环”5 个维度能够深层次的探索艰险山区铁路接口工序资源冲突。通过文献查阅[13-15]、理论分析、实地调研等手段，从“人、机、料、法、环”5 个维度归纳出影响接口工序资源冲突的30 个因素，构建艰险山区铁路桥隧技术接口工序资源冲突影响因素指标体系，如图1所示。

图1 艰险山区铁路桥隧工程技术接口工序资源冲突影响因素指标体系Fig.1 Ⅰndex system of influencing factors of resource conflict in technical interface process of railway bridge and tunnel engineering in difficult and dangerous mountainous areas

2 基于DEMATEL-ⅠSM 模型的集成分析方法

DEMATEL和ⅠSM 都是针对复杂系统中各个要素间的相互关系进行分析，目前已经在很多领域得到广泛应用。DEMATEL法不仅能够反映因素间的作用关系，而且能反映作用程度，主要是研究复杂系统中各影响因子的逻辑关系，以此构建直接影响矩阵，通过计算出每个影响因子在整个复杂系统中的影响程度、原因度和中心度，准确分析因素的重要程度，确定原因因素和结果因素。ⅠSM法基于人们的实践经验和专业知识，以定性分析为主，可以把模糊不清的思想和看法通过因素间的相互关系形成邻接矩阵，转化为直观且具有良好结构关系的模型。将单位矩阵引入综合影响矩阵，将其转化为整体影响矩阵，并采用一定的计算方法将整体影响矩阵转换为可达矩阵。实现DEMATEL 和ⅠSM 2 种方法的集成，可将各因素间相互关系以及因素在整个体系中的层次和作用描述清楚，把复杂的因素结构化、系统化。这不仅能定量计算各个影响因素对接口工序资源冲突的重要程度，识别出关键影响因素，有效确定因素间的因果关系，还能通过层次划分来明确导致技术接口工序资源冲突的深层次因素。利用二者的互补性，定量和定性地系统分析影响因素，能够简化计算步骤、降低计算难度，为技术接口工序资源冲突的防控提供一定的帮助。

DEMATEL-ⅠSM法研究问题的思路：首先，利用DEMATEL确定因素的综合影响矩阵，通过计算各影响因素的影响度、被影响度、原因度和中心度指标对影响因素进行简化，忽略不重要因素。其次，考虑影响因素自身的影响，引入合理的修正因子，将整体影响矩阵转换为可达矩阵。最后，运用ⅠSM 建立各影响因素的多层递阶结构模型，准确辨识关键影响因素。具体实施步骤如下。

步骤1：从研究目的出发，确定影响因素集。X={X1,X2,…,Xn}，n为影响因素的数量。

步骤2：组建一个研究艰险山区铁路工程技术接口资源专家委员会，根据专家经验，对各个影响因素进行两两比较，利用有向图和矩阵等工具量化各影响因素的因果关系，确定因素的影响程度。假定邀请m位专家组成专家委员会参与评判，第k位专家给出的Xi对Xj的直接影响程度记为rk ij，按照无、弱、中、强4 个等级分别赋值0，1，2，3,若i=j，则影响程度记为0。按照平均法处理各个专家的评判结果，得到直接影响矩阵R=[rij]nxn，其中，。

步骤3：通过归一化原始关系矩阵，对矩阵R进行处理，得到规范直接影响矩阵G=[gij]nxn，在矩阵R的基础上计算综合影响矩阵T=[tij]nxn。

式中：I为单位矩阵。

步骤4：计算矩阵T中各影响因素的影响度Ei、被影响度E′i、中心度Ci和原因度Yi。

式中：Ei表示第i个因素对其他因素施加的程度；E′i表示其他因素对j因素造成的程度；通过Ei和E′i的值，可以判断各影响因素间的因果关系。Ci表示第i个因素在整个复杂系统中的影响程度，值越大表示该因素在整个系统中发挥的作用越大。Yi＞0 表示该因素为原因因素，反之为结果因素，绝对值越大，表示该因素对其它因素的影响程度越高或受其他因素的影响程度越高。

对于一个复杂系统，需要抓住主要问题，厘清复杂系统中的主要影响因素和次要影响因素。因此，可通过设定α和β2 个值对中心度和原因度进行以下判断，以此舍去重要性低、关联性低的因素。

其中，α和β的值一般取0.75～1[16]。

步骤5：计算可达矩阵M=[mij]nxn。

剔除矩阵M中满足式(7)的因素行和列，组成新的综合影响矩阵T′，由于考虑因素自身的相关性，需要引入单位矩阵将T′转化成整体影响矩阵D。

式中：n为剔除不重要因素后剩余的因素个数。

为了得到最简化的邻接矩阵，需引入阈值λ，将矩阵T′转变为邻接矩阵M。阈值λ的大小会影响整个系统的层级划分，λ越大则系统中因素的层级划分越细，越小则越粗糙，因素的层级划分并不是越细或越粗糙越好。根据经验以及推算，得到最为适合本研究的阈值计算公式。

式中：μ和ν分别为T′中所有元素的均值和标准差；矩阵M中的元素mij由式(10)确定。

步骤6：借助可达集、先行集和共同集，对最终得到的可达矩阵M中的元素进行层级划分。通过可达矩阵M的第i行上的值为1 的列对应的因素得到可达集Q(Xi)——因素Xi可以到达其他因素的集合。通过可达矩阵M的第i列上的值为1 的列对应的因素得到先行集A(Xi)——其他因素可以到达因素Xi的因素集合。共同集C(Xi)——可达集与先行集的交集，即C(Xi) =A(Xi) ∩Q(Xi)(具体见式(11)～(13))。层级划分和具体的迭代过程可以根据式(14)生成，首先将第一次得到的因素集放置于第1 层，然后将该因素集中所有因素所在的行与列从可达矩阵M中划去，在剩余的矩阵中确定第2层的因素。以此类推，直到所有的因素都被划分。

式中：i=1,2,…,k;k≤n;L0≠∅。

步骤7：绘制因素的多级递阶结构模型。从最底层往顶层来确定同层级和不同层级因素间的关系。根据因素被划除的顺序依次找出满足上述要求的因素集Li(i=1,2,…,k)，其中k为分层级数。先获取的集合Li中的元素被称为表层直接影响因素，最后获取的元素被称为根源因素，根据获取的因素集合Li，绘制影响因素的多级递阶结构模型。

3 实例分析研究

3.1 工程概况

选取拉林铁路LLZQ-2 标段工程作为研究对象进行分析。起讫里程DK56+050～DK103+085，全线总长47.035 km，隧道9 座共7.355 km，桥梁31座共12.940 km。该区域山高谷深，沿线地质条件复杂，灾害频发，使得该区段的桥隧工程施工难度大大增加。不利的气候条件和恶劣环境致使所需的资源在运输过程中损耗，引起资源供应不及时，产生技术接口工序资源冲突，影响整个施工进度及成本目标的实现，增加了技术接口工序实施和管理难度。因此，有必要对该地区桥隧工程接口工序资源冲突的影响因素进行分析，划分因素的结构层次，明确直接因素和间接因素，以提高桥隧工程技术接口工序的管理水平。

3.2 影响因素DEMATEL建模分析

通过文献查阅、实地调研和问卷调查，确定了前文所列的30 个资源冲突的影响因素。成立专家组对其进行打分，邀请20 位研究川藏铁路技术接口的专家进行评分，包括铁路工程建设单位和施工单位的总工、管理者、现场技术人员以及从事资源冲突研究的学者。采用专家打分法确定的直接影响矩阵R。

基于矩阵R，运用Matlab软件编写矩阵运算命令，根据式(1)～(2)计算矩阵T，在此基础上，根据式(3)～(6)分别计算各个影响因素的影响度、被影响度、原因度和中心度，如表1所示。

通过表中Yi值的正负情况可知：影响因素X1，X2，X4，X5，X6，X7，X13，X14，X20，X21，X22，X23，X24，X27，X28，X29和X30是拉林铁路LLZQ-2标段桥隧工程技术接口工序资源冲突的原因因素，会通过各种途径对其他因素产生影响，为减小资源冲突就必须重点考虑这些因素，严格防控。X3，X8，X9，X10，X11，X12，X15，X16，X17，X18，X25和X26则是造成资源冲突的结果因素，容易受原因因素的影响，当采取一些防治资源冲突的手段后，可以通过考察结果因素的变化情况及所处的状态来衡量采取的措施是否有效。

中心度反映了导致拉林铁路LLZQ-2 标段工序资源冲突的各个影响因素的相对位置及作用，将表1中其值进行排序：C3＞C21＞C22＞C24＞C26＞C23＞C2＞C15＞C1＞C19＞C13＞C6＞C16＞C9＞C5＞C18＞C8＞C17＞C4＞C11＞C25＞C29＞C27＞C28＞C20＞C10＞C14＞C12＞C30＞C7。由 排 序结果可知：X21，X22，X23和X24对工序资源冲突的作用明显，需要对这些重要性程度高的因素进行重点管控。

表1 DEMATEL建模分析结果Table 1 DEMATEL Modeling analysis results

3.3 关键影响因素ISM建模分析

取α=β=0.875，采用步骤3对影响因素进行简化，剔除因素X7，X10，X12，X14，X17，X20，X25和X30，将剩下的22 个因素运用ⅠSM 探究其层次关系。先根据式(8)计算整体影响矩阵D，然后运用Matlab 软件求出矩阵D中所有元素均值μ、标准差ν和阈值λ。其中，μ=0.043 1，ν=0.056 2，λ=μ+ν=0.099 3。

执行步骤5 中式(10)去除冗余值，得到可达矩阵M。

根据步骤6 和步骤7，通过计算先行集、可达集和共同集来划分影响因素的层级，共得到6个层级，如表2所示。

根据表2 层级划分的结果，绘制出拉林铁路LLZQ-2 标段技术接口工序资源冲突影响因素的结构模型，见图2。该图反映了各个影响因素的层次结构，可以达到分层管理的目的。图中箭头的连线表示这2个因素具有关联关系。

3.4 关键影响因素DEMATEL-ISM综合建模分析

由 表2 中Ci的 大 小 可 知：X3，X21，X22，X23，X24和X26中心度排序靠前，说明它们对拉林铁路LLZQ-2 标段技术接口工序资源冲突的影响显著。从图2 也可以看出，这6 个影响因素与其他影响因素的连接最多，处于重要的节点位置。其中，X3“进线”最大，受其他因素的影响大；X23和X24“出线”最大，对其他因素的影响大。

表2 各个影响因素的层级划分Table 2 Hierarchy division of each influencing factor

在原因因素中，X21，X23，X24和X1原因度排序为前四。在图2中可以看到，X1是导致工序资源冲突的中层因素，X23和X24是深层因素，X21则是根源因素。总体来看，工序安排不合理和缺乏及时的协调措施会导致工序施工所需的材料分配不合理、周边现场作业环境差以及各个参与方的配合度低，进而影响拉林铁路LLZQ-2 标段整个工序施工的进度以及质量。因此，从长远来看，对该标段铁路资源冲突进行防范时应该着重加强原因因素的管控。在整个桥隧工程的设计阶段，应确保整个工序计划的完整性和合理性，并加大对每个施工人员行为的管控，定期组织培训和检查。同时，做好应对各种恶劣天气的准备工作，最大限度地减小原因因素对资源冲突的影响。

图2 拉林铁路LLZQ-2标段桥隧工程技术接口资源冲突影响因素解释结构模型Fig.2 Ⅰnterpretation structure model of influencing factors of resource conflict in technical interface of bridge and tunnel engineering of LLZQ-2 section of Lalin Railway

在结果因素中，X3，X15，X16和X26原因度的绝对值大小位于前四。由图2 可知，这些因素受X21和X24等多个因素的影响。其中，X3和X15是导致工序资源冲突的最直接因素，从短期看，需要采取积极有效的手段对这些因素进行控制，可以有效降低工序资源冲突出现的概率。

3.5 关键影响因素MICMAC验证分析

MⅠCMAC 是1973年 法 国 学 者Duperrin 和Godet 提出的。主要是应用矩阵相乘的原理，通过计算因素的驱动力和依赖性，分析因素之间的影响程度及关联关系，常与ⅠSM 结合使用识别系统中具有高动力性和高依赖性的因素，并对其进行重点管理。该方法将其因素分为自治、依赖、联系和独立4大类，如图3所示。

图3 交叉影响矩阵相乘法(MⅠCMAC)Fig.3 Matrices impacts croises-multiplication appliance classement(MⅠCMAC)

MⅠCMAC 分析的结果可以通过图3 形象地表达，纵轴代表驱动力，横轴代表依赖性。在整个复杂系统中每个因素的驱动力DF(Xi)和依赖性DP(Xi)的大小可基于可达矩阵M计算得出，方法如式(15)和式(16)所示：

根据MⅠCMAC 的原理以及矩阵M，可算出导致拉林铁路技术接口工序资源冲突各个影响因素的驱动力及依赖度，如表3。在此基础上，绘制出拉林铁路LLZQ-2 标段技术接口工序资源冲突的因素驱动力-依赖度图，如图4所示。

表3 影响技术接口工序资源冲突的因素驱动力和依赖度Table 3 Driving force and dependence of factors influencing resource conflicts in technical interface processes

由图4 可知，X2，X4，X5，X6，X13，X27和X28属于自治因素；X3，X8，X9，X15和X18属于依赖因素；X21，X22，X23和X24属于独立因素；X1和X29既属于自治因素又属于独立因素；X11，X16和X19既属于自治因素又属于依赖因素；X26既属于独立因素又属于联系因素。

综合图2 和图4 可知，5 个依赖因素位于解释结构模型的最上面两层，受其他因素的影响大，容易识别，对拉林铁路技术接口工序资源冲突有最直接的影响。6 个自发因素位于解释结构模型的中间两层，影响力度较小，由所处的层级及类别可以看出，在防治技术接口工序资源冲突的举措中，此类因素需要全面多角度的共同控制。4 个独立因素位于解释结构模型的最底下两层，受其他因素的波及小，但由于有高的驱动力，对其他因素的影响力度大，属于根源性及深层因素，要想降低技术接口工序资源冲突的发生，就必须重点处理好此类因素。

综上所述，利用DEMATEL-ⅠSM 模型对影响拉林铁路技术接口工序资源冲突的因素进行关联性分析得出的结果是符合逻辑的。将构建的6级解释结构模型与MⅠCMAC驱动力-依赖度图结合起来看，技术接口工序资源冲突的形成是一个链状结构，各个影响因素并不独立存在，而是相互影响、相互作用，不同层级因素的影响力经过一层又一层的传递产生累加效应，严重影响技术接口工序所需的资源。必须认识到技术接口工序资源冲突形成的系统性，树立闭环管理及反馈控制理论的方法，动态监测资源的运行状态，并根据变化的资源需求对当前紧缺资源的分配状况进行调整,使得所有资源得到充分利用。同时，对所有参建单位人员的不规范行为采取积极的措施予以制止。最后，从拉林铁路LLZQ-2 标段桥隧工程技术接口规划分析阶段就针对不同工序实施特点制定相应的措施，不断改进，实现所需资源的动态管控。

4 结论

1)拉林铁路LLZQ-2 标段桥隧工程技术接口工序所需的物料因素是导致资源冲突的主要原因，其次是人员、环境和机器设备因素。由工序实施方法直接诱发资源冲突的情况较少，这类因素主要通过对人员、机器设备、物料和环境因素产生作用，间接导致工序资源冲突的发生。

2) 将DEMATEL 与ⅠSM 相结合，通过计算因素的影响度、被影响度、原因度和中心度，构建6层递阶结构模型。其中，工序安排不合理、接口工序施工技术管理不足、接口参与方的沟通不畅以及缺乏及时的协调措施是主要的原因因素；各个参与方的配合度低、物料供给延迟及周边现场作业环境条件复杂是重要的结果因素，制定资源冲突防治对策时应重点防控。

3)基于MⅠCMAC 得出的拉林铁路工序资源冲突影响的自治因素、依赖因素和独立因素，与通过DEMATEL-ⅠSM 得出的直接因素、浅层因素、中层因素、深层因素和根源因素在影响性质上具有高度的统一性，进一步证明了DEMATEL-ⅠSM对影响因素的分类及层次分析具有科学性，对拉林铁路LLZQ-2 标段桥隧工程技术接口工序资源冲突的预防和管理具有一定的参考价值。