艰险山区铁路工程技术接口管理协同度研究

赵晓会，鲍学英，霍雨雨

(1.河西学院土木工程学院,甘肃张掖 734000; 2.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070)

引言

艰险山区铁路工程地处高山峡谷地区,具有环境恶劣、地势险峻、桥隧占比高、设施设备维护难度大等特点[1],是一项多方参与、多专业协调、多方位推进的复杂系统工程[2]。铁路建设历经勘查、设计、施工、运营与维护等多个阶段,参建单位众多,各专业相互交叉,使得铁路工程技术接口数量多、类型复杂,技术接口管理难度大,导致大量关系复杂的技术接口问题产生,对铁路工程的进度、质量、成本等目标造成重大影响[3]。因此,如何科学合理、高效有序地对艰险山区铁路工程技术接口进行管理显得尤为重要。

技术接口管理作为铁路工程系统集成的重要环节,是解决其他各类接口问题的基础[4]。目前,针对接口管理,许多专家学者做了大量的研究。PAVITT和GIBB[5]就施工过程中接口管理的必要性进行探讨,将接口分为物理、合同和组织3种,分析三者对接口管理的复杂性。SHOKRI等[6]在分析接口管理现状的基础上,找出影响接口管理目标实现的因素,探讨了接口管理实施和项目绩效之间的关系。YEH等[7]针对MRT项目,从识别关键接口相关性及工作范围、分配接口责任和标准、规划接口工作任务、建立接口组织4个方面提出接口管理的方案。TIAN[8]等通过使用DEMATEL模型,建立工程项目接口管理的关键影响因素体系。琚倩茜[9]利用DSM划分工程接口关系,构建灰色关联投影评价的接口节点重要度模型对接口进行管理。侯卫星等[10]提出系统集成接口管理的基本方法、系统集成接口总图、接口状态显示图等管理工具,形成一套接口管理程序和技术规范。李亚娟[11]等构建技术接口管理指标体系,基于“变权-靶心贴近度”模型对技术接口管理成熟度进行评价。王朋利等[12]为实现高效的技术接口信息交换,提出一种基于IFAHP-二维云的艰险山区铁路桥隧工程技术接口信息交换水平综合评价模型,对其信息交换的水平进行研究。任银龙等[13]为提高艰险山区铁路桥梁与四电工程技术接口管理水平,使铁路工程建设高效有序进行,构建协同熵模型对艰险山区铁路桥梁与四电工程技术接口管理进行协同度分析。通过上述文献分析发现,目前关于接口管理的研究侧重于接口管理的方法及模式方面,缺乏系统性的研究,同时对管理过程及效果的评价研究较少,难以对铁路工程接口管理提供实践性的指导。

鉴于此,本文以地质复杂、环境恶劣的艰险山区铁路某标段工程为例,将管理协同思想运用到铁路工程技术接口管理,构建铁路工程技术接口管理协同度评价模型,从整体上对接口管理进行统筹规划,对接口问题进行把握。通过评价结果找出铁路工程技术接口管理中的薄弱环节,提出针对性的系统协同度提升措施,为提高艰险山区铁路工程技术接口管理水平提供参考。

1 铁路工程技术接口管理协同系统

1.1 铁路工程技术接口分析

铁路工程是一项投资规模巨大、技术复杂且施工周期较长的系统工程,在时间、空间、物理、功能上存在许多相互衔接的技术接口,接口本身就是一个系统,具有总体工作的性质。为全面、高效地识别技术接口,首先基于铁路工程系统的可拆分特性,利用系统细分的思想,从构成铁路工程系统不同专业的角度出发,运用解释结构模型(ISM)将铁路工程内外部系统划分为站前、站后及其他3个子系统,3个子系统相对独立,子系统内部功能要素相近、相互关系明确且能体现铁路工程建设阶段,满足系统划分的原则。不同的子系统包含不同的专业,如图1所示。然后,运用结构化分析工具DSM法[14],将DSM矩阵中对角线表示为铁路工程各个不同的专业,非对角线表示铁路工程不同专业之间的接口,通过简单、直观的方式确定铁路工程不同专业之间的接口关系,对接口进行识别,包括子系统内部及子系统间的接口。识别出的部分接口如表1所示。

表1 铁路工程技术接口识别(部分)

图1 铁路工程系统划分

由于铁路工程技术接口数量庞大,任何一个专业系统都会涉及其他一个或者多个系统,不同的专业接口之间存在着紧密的逻辑关系,相互制约、相互促进。故铁路工程技术接口复杂性主要体现在子系统数量多、专业性强、关联性大及外部环境复杂等方面。

1.2 铁路工程技术接口管理协同复杂性分析

铁路工程系统是一个具有多个子系统、多层次、多目标的复杂工程。为提高铁路工程技术接口管理的协同水平,需要从内外部环境角度对铁路工程技术接口管理协同复杂性进行分析。

1.2.1 外部环境的复杂性

一般来说铁路工程的外部环境主要包括政治、法律、自然、经济、国家政策等。铁路工程作为一个开放的系统,其项目的实施是与外部环境不断相互作用的过程,与外部环境存在着高度的关联,外部环境决定着铁路工程的实施方案及技术方案。在铁路工程的实施过程中,由于环境不断变化,导致不可预见的因素增多,使得铁路工程的建设面临众多挑战,增加了铁路工程技术接口管理的复杂性。

1.2.2 内部环境的复杂性

铁路工程的建设历经勘测、设计、施工、运营、维护等多个阶段,包含建设、设计、施工、监理等多个参与单位,因此,其内部环境的复杂性主要体现在组织复杂、目标复杂、信息沟通复杂等方面。在铁路工程生命周期的不同阶段和不同地域位置上需要不同的组织参与,且不同参与方的内部组织结构、利益、管理模式、目标类型、获取信息、处理信息的方式不同,具有动态性,使其接口管理更加复杂。

因此,铁路工程接口管理的协同复杂性是由多种因素共同导致的,如图2所示,因素间相互作用、相互融合,使得接口管理过程的各种资源及制度有更高的需求。

图2 铁路工程技术接口管理协同复杂性的构成

1.3 铁路工程技术接口管理协同系统分析

技术接口的实施涉及多个不同阶段、不同专业,为将技术接口管理过程中众多要素合理的划分,更好地分析不同要素之间的相互关系,构建铁路工程技术接口管理协同系统。技术接口管理协同系统的功能体现在整个技术接口实施与管理过程中,具体可以表现在各个子系统中。基于技术接口管理协同的复杂性分析及接口管理的特点,将技术接口管理协同系统分为信息协同、组织协同、目标协同、过程协同、资源协同、制度协同6个子系统。不同的子系统在接口实施和管理中发挥着不同的作用,他们之间相互关联、相互制约,使得铁路工程技术接口管理系统的协调度和有序度提升。

铁路工程技术接口管理协同子系统既相互独立,又相互影响。各子系统间的关联主要表现在:目标、组织、过程协同子系统直接影响铁路工程技术接口管理水平,若接口各参与方内部管理目标不平衡、接口管理组织松散、各建设阶段割裂,则会导致接口管理目标难以实现,严重影响铁路工程建设质量。资源、制度协同子系统是维持其他系统运行的基本支撑和保证,在一定程度上受其他协同子系统的影响。信息作为接口管理系统中最为重要的参数,是保证其他所有子系统运行的基础和关键,直接影响着铁路工程技术接口管理效率和管理水平,其他系统的运行必须依赖信息的沟通交流。

综上所述,在技术接口管理协同系统的演化过程中,各子系统间存在相辅相成、相互牵制的协同关系,会形成一个整体的系统结构,如图3所示,共同推动铁路工程技术接口管理协同系统向高效、有序的方向进行。

图3 铁路工程技术接口管理协同系统结构

2 铁路工程技术接口管理协同度评价模型

根据协同学理论,管理协同最终目的是实现系统的协同效应,而协同效应通过协同度反映。技术接口管理协同度的评价是对技术接口管理效果的衡量与评价,可通过测量技术接口管理的协同度,了解技术接口管理的协同效应,发现技术接口管理的薄弱环节,有针对性地提出相应的技术接口管理策略,提高技术接口管理水平。本节根据铁路工程技术接口管理协同系统构建接口管理协同度评价指标,确定指标权重并建立协同度评价模型。

2.1 评价指标体系构建

根据协同学理论,序参量是影响系统走向的关键要素,可以反映系统内各子系统间的协同演化规律。本文通过梳理国内外接口管理及协同度文献[14-19],遵循系统性、全面性、可操作原则,采用专家咨询和实地调研的方法筛选出影响铁路工程技术接口管理协同的序参量及序参量分量指标,最终构建评价指标体系,如图4所示。

图4 铁路工程技术接口管理协同评价指标体系

将铁路工程技术接口管理各协同子系统记为Si,子系统指标集为S=(S1,S2,S3,S4,S5,S6),子系统Si所对应的序参量为(Ai,Bi,…,Fi),序参量分量为(Aij,Bij,…,Fij)。

2.2 评价指标体系权重确定

技术接口管理协同度评价指标均为定性指标,需要通过专家经验对其进行打分确定指标权重。层次分析法(AHP)作为一种确定主观权重的主要方法,有非常广泛的应用。由于铁路工程技术接口管理协同评价指标较多,为避免计算量大且受主观经验的影响,保证结果的准确性,采用改进的三标度层次分析法确定各级指标权重。首先,通过构造最优传递矩阵的方式,排除传统层次分析法需要经过多次调整才能一致性检验合格的弊端;其次,将传统层次分析法的1～9标度法改为三标度法,解决了1～9标度法常出现的数据繁杂、评估主观性强且偏差大等问题。算法具体步骤如下。

(1)根据层次分析法原理构造比较矩阵A。

A=[aij]n×n

(1)

式中,aij为第i个因素相对于第j个因素的重要程度。因素ai比因素aj明显重要时,aij取2,反之aij取0;因素ai与因素aj同等重要时,aij取1。

(2)构造判断矩阵B,其元素bij的取值如下

(2)

(3)构造判断矩阵B的传递矩阵C。

C=lgB

(3)

(4)构造传递矩阵C的最优传递矩阵D。其中

(4)

(5)构造判断矩阵B的拟优一致矩阵B*,其矩阵中的元素遵循

(5)

(6)依据层次分析法原理,对B*先按列归一化,再按行相加归一化后得到各因素间的相对权重为

(6)

2.3 技术接口管理协同度确定

技术接口管理协同度是在整个铁路工程建设过程中各子系统之间的协调程度,由协同系统内部各子系统的有序度之和来决定。其主要包括序参量有序度、子系统有序度以及系统协同度3个方面。

2.3.1 序参量有序度

协同理论认为,系统内部的有序状态依赖于子系统间或子系统内部要素间和谐有序的程度。因此,在系统协同度计算过程中,需要先对序参量有序度和子系统有序度进行计算。

铁路工程技术接口管理协同系统S是一个包含若干子系统的复杂系统,将其表示为S={S1,S2,S3,…,Sn}。其中,Sn为接口管理协同系统的第n个协同子系统。子系统的序参量分量为xij=(xi1,xi2,…,xik),其中i≥1,βij≤xij≤αij,j∈[1,k],βij和αij为接口管理协同系统序参量分量的临界下限和上限值,一般取αij=1.01max(xij),βij=0.99min(xij)[20]。子系统序参量分量xij的系统有序度计算公式如下

(7)

μi(xij)∈[0,1],值越大则表明其对接口管理协同子系统的贡献程度越大。

序参量有序度可以将对序参量分量有序度通过线性加权法采用集成计算得到,计算公式如下

(8)

2.3.2 子系统有序度

子系统内包含若干个序参量,序参量的权重是存在差异的,则子系统的有序度μ(Si)可通过对序参量的有序度μ(xi)采用线性加权法进行集合来实现。计算公式如下

(9)

2.3.3 系统协同度

技术接口管理系统的整体协同度通过各子系统的有序度进行反映,表明各子系统的有序程度会对系统的整体协同度产生影响,为技术接口管理系统的协同度测量提供准则。

(10)

DMS∈[-1,1],值越大表明接口管理协同系统的协同度越高,协同效果越好。

结合铁路工程技术接口管理的特征,通过梳理文献[21-23],将技术接口管理协同系统的协同度划分为4个等级,如表2所示。

表2 铁路工程技术接口管理协同度等级划分

3 工程实例

选取铁路某标段工程作为研究对象。本标段位于冈底斯山与喜马拉雅山之间的藏南谷地高山区,山高谷深,气候极端恶劣。由于特殊的地理位置及复杂多变的环境使得该区域桥隧占比高,参建单位众多,利益关系复杂,施工环境变化多端,标准化管理难度大,给铁路工程技术接口管理带来了一定困难。因此,有必要采取手段对该地区的接口管理协同度进行研究,以提高接口管理的水平。

3.1 各级指标权重

通过问卷调查的方式,邀请铁路工程管理领域的专家按照改进的三标度层次分析法对同一指标层中各个指标的重要性进行判断,构造判断矩阵。

首先计算一级指标因素对评价指标重要性的权重向量,计算过程如下。

(1)根据2.2节算法的具体步骤构建的一级因素对评价指标重要性的比较矩阵A为

(2)判断矩阵B为

(3)传递矩阵C为

(4)最优传递矩阵D为

(5)判断矩阵B的拟优一致矩阵B*为

表3 一级指标因素的相对权重

由于计算过程相同,二级指标因素及三级指标因素的权重向量只展示计算结果,如表4所示,过程不再详细描述。

表4 二级、三级指标因素的相对权重

3.2 技术接口管理协同度

3.2.1 数据来源与处理

为保证评价结果的准确性,邀请建设、设计、施工、监理等参与方对铁路某标段工程技术接口管理各个阶段的协同情况采用10分制取平均值法进行打分,1分为最差,10分为理想。最终得到的数据如表5所示。

表5 专家对各阶段技术接口管理协同情况的评分值

3.2.2 系统协同度

(1)序参量分量有序度

序参量分量A11～F22均为正向指标,根据表5及式(7)计算各序参量分量的有序度,如表6所示。

表6 序参量分量有序度

(2)序参量有序度

根据表6及表4序参量分量的相对权重及式(8)计算各序参量有序度,如表7所示。

表7 序参量有序度

(3)子系统有序度

首先根据表7及表4中序参量的相对权重及式(9)计算各子系统有序度,如表8所示,其次根据计算结果绘制雷达图和曲线图,直观反映各子系统在不同阶段有序度的变化情况,如图5、图6所示。

表8 子系统有序度

图5 各子系统的有序度雷达

图6 各子系统不同阶段有序度曲线

(4)系统协同度

以时间序列初期的时间点即接口规划阶段为基准,根据表3中各子系统的权重、表8及式(9)计算技术接口管理在规划、分析、设计、实施、验证、运维6个阶段的系统协同度,以此分析接口管理系统协同度相对于规划阶段的变化情况。根据计算结果绘制雷达图及曲线图,直观反映不同阶段系统协同度的变化情况。计算结果如表9所示,协同度曲线如图7所示。

表9 各阶段接口管理系统协同度

图7 各阶段接口管理协同度曲线

3.2.3 技术接口管理协同度结果分析

从子系统(图5、图6)来看,各阶段各子系统的协同度都保持在0～0.3之间,处于低度协同状态。在各子系统中,组织子系统和过程子系统的协同度较高,对技术接口管理协同系统起到关键作用。而信息、目标、资源及制度子系统的协同度较低,因为在铁路某标段工程建设的全生命周期中,各阶段由不同的参与方完成,建设工作量大,对资源的运输、管理不够规范,不能及时进场使用,容易产生“信息断层”及相互矛盾的目标等问题,直接影响铁路工程技术接口管理系统的协同水平。

从发展阶段来看,验证阶段的协同度最低,实施阶段的协同度最高,6个子系统的整体协同度呈上升趋势,说明铁路工程技术接口的工作任务进行到一定阶段时,各参与方和组织通过前期的磨合形成了一个协同工作的团体去协同工作,使得技术接口管理系统达到一个协同的状态。

从整个技术接口管理系统的协同度(图7)来看,以接口规划阶段作为初始时刻直到接口实施阶段期间,技术接口管理系统的协同度不断上升,说明在技术接口的实施过程中,各参建单位通过充分的交流,使得接口管理的各个方面不断完善,相互配合,协同度不断提升。但在技术接口的实施到验证阶段期间,随着接口任务的逐渐完成,接口参与方的工作重心不断转移,导致相关接口问题不能及时发现并处理,造成系统协同度降低,出现负值。而后运维阶段通过对接口问题及时的反馈与处理,使得系统协同度又得到提高。

因此,在铁路某标段工程建造期间,为了提高技术接口管理系统的协同水平,对信息子系统,可以采用统一的信息管理系统,促进各参建单位的交流,提高工作信息的共享程度。对组织子系统,合理规划组织结构,优化岗位职责。对目标子系统,加强参与方之间的沟通,在朝着共同总目标前进的同时做到统筹兼顾,将总目标进行细化。对过程子系统,明确各阶段、各环节、各接口工序任务的边界内容,优化衔接的流程。对资源子系统,建立完善的“资源需求—资源计划—资源分配”的三级资源管理体系,结合接口实施的进度对资源进行动态合理地分配。对制度子系统,制定奖惩机制及标准的接口管理体系。

4 结论

(1)在分析铁路工程技术接口管理研究现状的基础上,对铁路工程系统进行细化分解,识别出技术接口,从内外部环境分析铁路工程技术接口管理协同的复杂性,筛选出铁路工程技术接口管理协同系统的六大要素,为技术接口管理协同度评价指标体系提供逻辑支撑。本文前后逻辑顺序联系紧密,多方面、多角度对铁路工程技术接口管理协同度进行研究,丰富了铁路工程领域技术接口协同管理的研究内容。

(2)采用改进的三标度层次分析法确定各评价指标的权重,消除了计算量大且过度依赖于专家经验的缺陷,使得指标权重赋值更加合理。同时从序参量有序度、子系统有序度、系统协同度3个方面构建铁路工程技术接口管理协同度评价模型,为准确进行铁路工程技术接口管理协同度的评价提供有利保障。

(3)选取的铁路某标段工程技术接口管理水平处于低度协同状态,在技术接口管理的全生命周期中,规划阶段的协同度最低为-0.014 383,实施阶段的协同度最高为0.018 856。针对不同的子系统,诊断出管理的薄弱环节,提出不同的协同度提升策略,为艰险山区铁路工程技术接口管理水平的提高提供参考。