艱險山區鐵路橋隧技術接口懸掛威脅等級評估

鮑學英,魏代磊,班新林,許見超

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730070; 2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司,北京 100081; 3. 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室,北京 100081)

0 引 言

艱險山區鐵路建設需要面對崇山峻嶺、地形高差、地震頻發、復雜地質、季節凍土、高原缺氧及生態環保等一系列建設難題[1]。鐵路沿線橋隧工程占比大,且成群密集分布,橋隧連接形式復雜多變,橋梁和隧道工程間存在大量技術接口[2](指相互關聯的專業與專業間在時間、空間上的相互技術要求和匹配條件),其數量和復雜程度呈指數增長,導致技術接口管理難度加大,管理效率低下。

相關專家學者針對接口管理做了大量研究。文獻[3]針對臺灣軌道交通工程復雜技術接口,從工期的角度出發,根據施工記錄總結出11類導致工期拖延的問題,表明54%的工期拖延由相關接口問題引起;文獻[4]針對工程項目不同參建方之間的具體接口關系和接口問題進行了探討,按工程實施邏輯順序和目標導向原則將接口問題進行分類,通過對來自業主方、設計方、總包方、分包方和運營維護方的102份調查問卷的分析,總結出19類工程項目不同參與方之間的接口共性問題;文獻[5]通過接口管理矩陣(DSM)初步劃分工程接口關系,提出了基于接口功能系數、接口成本系數和接口迭代系數的關鍵接口識別方法,同時定義了接口實施過程中的5種節點狀態。

基于上述分析可知:現有研究側重溯源分析,針對項目實施過程中的具體工程問題進行逆向追蹤分析,充分論證接口管理的必要性,但缺乏對特殊地區、特殊環境及特殊工程技術接口的管理研究。

鑒于此,以艱險山區鐵路橋隧工程技術接口作為研究對象,利用工作分解結構(WBS)和施工組織設計文件對橋隧技術接口進行分析與識別,分析接口共性問題和艱險山區鐵路建設面臨的技術難題對接口懸掛的影響作用,建立技術接口懸掛威脅等級評價指標體系,同時運用貝葉斯反饋修正云模型對接口懸掛威脅等級進行綜合評價,并通過工程實例驗證了該方法體系的可行性。

1 技術接口懸掛威脅評價指標體系

接口懸掛[5]狀態指在實施過程中有接口方不能按計劃對界面另一側的接口需求進行及時反饋,致使接口信息交互暫時中斷的狀態,當產生新的接口響應后,接口節點狀態隨即恢復到實施狀態。艱險山區鐵路建設環境復雜、建設周期長,涉及多專業協調、多方參與、多方位推進、多工種交叉作業。業主方、設計方、總承包方、各專業承包方、供貨方、監理方、咨詢方、運營方等不同參建方之間存在著許多需要互相銜接的接口,且彼此之間相互影響、相互制約,眾多接口方內部及之間存在大量信息交互反饋不及時的情況,致使接口參與方之間無法進行有序交流與互動而使接口需求信息交互暫時中斷,最終導致接口實施處于懸掛狀態。

技術接口懸掛威脅影響因素眾多,依據文獻[4]提出的19類接口共性問題及其對不同參建單位之間接口關系影響的嚴重性指數,綜合考慮文獻[6]、文獻[7]總結出的艱險山區鐵路建設遇到的地質勘察技術難題、特殊地質條件下減災選線技術難題、施工環境惡劣問題、施工降效極為嚴重的問題、生態環境敏感而脆弱問題及交通運輸困難施工組織難度大等一系列工程技術難題,從業主方因素、勘察設計方因素、承包方因素、與項目關聯的其他因素、外界因素等5個方面出發,細化分解得到影響接口懸掛的27個因素,構建了艱險山區鐵路橋隧工程技術接口懸掛威脅等級評價指標體系,包括5個一級指標和27個二級指標,如圖1。

2 直覺模糊層次分析法賦權模型

2.1 直覺模糊集概述

直覺模糊集[8]的概念是對傳統模糊理論的拓展,傳統模糊集在確定指標權重時僅考慮不同指標的模部信息,忽視了指標重要度信息背后的灰性。直覺模糊層次分析法在確定技術接口懸掛威脅評價指標與類屬等級的關聯時,不僅克服了類屬劃分不明確的模糊性,而且考慮了信息不充裕背后的灰色性及因知識經驗不足帶來的猶豫度。綜上,該方法彌補了傳統層次分析法[9](AHP)的不足之處,還可以對沒有通過直覺模糊一致性檢驗的判斷矩陣進行動態調整,不必進行二次打分,有效提高了技術接口懸掛威脅評估指標權重的精度,構造出更加客觀完備的權重集。

2.2 建立直覺模糊判斷矩陣

專家對照9級直覺模糊重要度評分如表1。根據橋隧工程技術接口識別表建立直覺模糊判斷矩陣R=(rij)n×n,其中rij=(uij,vij),i,j=1,2,…,n,表示對2個指標重要性對比分析后的評級結果,為一個直覺模糊數,同時引入猶豫度ηij,并滿足式(1)約束條件:

圖1 橋隧技術接口懸掛威脅等級評價指標體系

表1 直覺模糊重要度評分

(1)

式中:uij為i因素比j因素重要的隸屬度;vij為i因素比j因素重要的非隸屬度;πij為i因素比j因素重要的猶豫度。

針對直覺模糊判斷矩陣,其加權算數平均算子和幾何平均算子運算規則如式(2):

(2)

2.3 進行一致性檢測及修正

在直覺模糊層次分析法(IFAHP)賦權模型中,為了避免出現不可信結果甚至錯誤,需要對直覺模糊判斷矩陣進行一致性檢驗判斷,具體檢驗判斷步驟如下:

(3)

(4)

(5)

式中:σ為由決策者確定的控制參數。

調整后按照步驟1和步驟2規定的方法和程序再次進行一致性檢驗判斷,直至距離測度滿足閾值要求。通過調整的方法省去了重復評價過程,可節省大量的時間進行接口管理決策。

步驟4計算同級指標權重和目標層權重

(6)

(7)

3 基于貝葉斯反饋修正的接口懸掛威脅等級評價云模型

3.1 云模型概述及數字特征值

在橋隧工程技術接口懸掛威脅等級評估過程中,邀請接口管理方面的專家學者對評價指標進行打分,依據分值對技術接口懸掛威脅等級進行評估,每個指標對接口懸掛威脅等級的影響程度主要依賴于專家學者的專業知識和經驗積累,評價結果受個人主觀因素影響較大。

云模型[10]可較好將隨機性和模糊性結合起來,以概率論的正態分布和模糊集中的高斯隸屬函數為基礎,通過數字特征值期望(E1)、熵(E2)和超熵(H)生成定性概念的定量轉換,這種特定結構放寬了形成正態分布的前提條件, 也把精確確定隸屬函數放寬到構造正態隸屬度分布的期望函數, 具有普遍適用性。

3.2 貝葉斯反饋修正云模型

云發生器產生的云滴是由云參數依概率產生,實際反映了各專家對橋隧工程技術接口懸掛威脅指標評分值的差異性,如果云參數設定有較大偏差, 則云發生器產生的云滴也會有很大偏差, 為減小差異建立貝葉斯反饋修正云模型對原始數字特征值進行修正,以便得到更加穩定合理的正態云圖,從而真實反應對橋隧工程技術接口懸掛威脅等級客觀統一的評估結果,貝葉斯反饋修正流程如圖2。

圖2 貝葉斯反饋修正流程

貝葉斯反饋修正過程如下:

(8)

2)云滴檢驗

當滿足式(9)時,則認為云滴聚集程度較高,專家意見主觀差異性較小,可以被接受;如果不滿足,則需要對云圖的初始數字特征值進行修正:

(9)

3)初始特征值修正

(10)

3.3 標準云

(11)

表2 接口懸掛威脅等級

通過MATLAB云發生器生成技術接口懸掛威脅等級標準云圖,如圖3。

圖3 標準評價云圖

4 工程實例分析

4.1 工程概況

選取貢多頂隧道和奔中車站雙線大橋工程為研究對象,該標段位于岡底斯山與喜馬拉雅山之間的藏南谷地高山區,高寒缺氧、氣候極端惡劣,山脈呈南北向縱貫延展,構造發育,內動力地質作用強烈,沿線工程地質條件普遍較差,施工難度很大。該標段內隧道工程占比達95.7%,隧道出入端口主要與橋梁工程銜接,密集的橋隧技術接口分布使得接口懸掛威脅較為嚴重。因此,有必要對橋隧技術接口全面識別,在此基礎上評估接口懸掛威脅等級,有助于橋隧技術接口科學高效的管理,為橋隧工程技術接口的重點管理提供參考依據。

4.2 橋梁隧道工程技術接口識別

貢多頂隧道和奔中車站雙線大橋之間涉及物理連接、電氣連接、實體接觸、施工預留、功能匹配、參數匹配、通信規約等各類技術接口?？紤]到技術接口類型復雜、數量眾多、涉及面廣、差異性大等特點,為識別關鍵接口提高接口管理效率,首先依據獨立性原則、功能性原則、工程階段性原則和資源利用原則等[11]劃分原則對子系統進行劃分,然后依據WBS理論和施工組織設計,對橋隧工程結構進行分析分解,識別出橋隧工程技術接口共計8個,具體的技術接口特征描述如表3。

表3 橋隧工程技術接口識別

4.3 評價指標權重確定

邀請8位橋隧工程設計、施工等領域專家對各級評價指標對接口懸掛的威脅影響程度進行打分。然后,按式(2)—式(7),分別計算一級指標和二級指標的同級權重,通過一致性檢驗判斷后計算出目標層權重值,數據如表4。

表4 指標體系權重

4.4 技術接口懸掛威脅等級評估

根據橋隧技術接口懸掛威脅指標體系權重值,運用MATLAB計算各級指標初始數字特征值,數據如表5,同時可視化表達一級指標對橋隧技術接口懸掛威脅等級的評價云圖,如圖4。

對比圖4中的5級標準云圖,可以看出勘察設計因素對技術接口懸掛威脅最高,其次分別是承包方因素、業主方因素、外界因素、與項目關聯的其他因素,說明與勘察設計相關的各因素對接口懸掛的威脅程度最高。

圖4 一級指標綜合云圖

運用MATLAB云發生器生成橋隧技術接口懸掛威脅初始綜合云圖(圖5)。然后根據式(8)—式(11)對初始綜合云圖進行云滴檢驗,對綜合云圖的初始數字特征值進行貝葉斯一致性檢驗判斷及動態反饋修正,使落入拒絕域內的云滴數量符合置信區間要求。運用云滴檢驗程序收集落入拒絕域內的云滴,當云滴數量M=1 000時,式(9)計算結果為21.71%,不滿足20%的限度要求,表明初始綜合云圖云滴聚集程度不符合置信限度要求,需要修正。按式(8)—式(10)經過3次貝葉斯動態反饋修正后,計算結果為17.19%,滿足限度要求。最后根據第3次反饋修正后的數字特征值生成最終綜合云圖?？梢钥闯鲈频尉奂潭容^初始綜合云圖明顯提高,而且落入拒絕域內的云滴數量減少,表明經過貝葉斯動態反饋修正后,橋隧工程技術接口懸掛威脅等級綜合評價過程中的模糊性和隨機性有所降低,對貢多頂隧道和奔中車站雙線大橋橋隧工程技術接口懸掛威脅的綜合評價更加接近客觀真實水平。

圖5 綜合評價云圖

表5 云模型初始數字特征值

由圖5可知,貢多頂隧道和奔中車站雙線大橋橋隧工程技術接口懸掛威脅等級介于Ⅲ級和Ⅳ級之間,即一般嚴重和嚴重之間。為更準確判斷威脅等級,根據修正后的數字特征值計算綜合云圖與標準云圖的貼近度,從圖形和精確數字的角度綜合判斷橋隧工程技術接口懸掛威脅等級。根據式(12)計算綜合云圖與各個標準云圖的貼近度:

(12)

利用修正后的數字特征值計算貼近度:B1=0.173 3,B2=0.256 4,B3=0.714 2,B4=0.909 3,B5=0.335 5,結果表明綜合云與第Ⅳ級標準云貼近度B4最大,即技術接口懸掛威脅等級為嚴重。

綜上,貢多頂隧道和奔中車站雙線大橋橋隧技術接口懸掛威脅綜合等級為嚴重,其中勘察設計因素對橋隧技術接口的威脅程度最高,其次為承包方因素和業主方因素,而與項目關聯的其他因素和外界因素對接口的懸掛威脅水平較低。因此,在艱險山區鐵路橋隧技術接口管理中,須對勘察設計方給與重點關注,對承包方和業主方給與一定程度的關注。通過明確各參與方的崗位職責、建立合理的溝通反饋機制、制定科學有效的溝通制度、提高信息技術對參與方溝通過程的保障水平等相關措施,不斷提高參與方之間的信息溝通效率,降低接口管理過程中的懸掛威脅水平。

5 結 論

1)在分析接口管理研究現狀的基礎上,以艱險山區鐵路橋隧工程技術接口為研究對象,從業主方因素、勘察設計方因素、承包方因素、與項目關聯的其他因素、外界因素5個維度出發,構建橋隧技術接口懸掛威脅等級評價指標體系。

2)運用IFAHP法進行賦權,引入猶豫度和一致性檢驗判斷程序,有效降低權重確定過程中的模糊性、隨機性和差異性?；谪惾~斯反饋修正云模型對接口懸掛威脅等級進行評估,進一步降低主觀差異性,使得評估結果更加接近客觀真實水平。

3)以貢多頂隧道和奔中車站雙線大橋作為研究對象,其橋隧工程技術接口懸掛威脅等級整體處于Ⅳ級(嚴重)。綜合考慮一級指標對技術接口的懸掛威脅程度,重點從勘察設計方、承包方和業主方的視角出發,提出完善組織結構、創新溝通方式、優化溝通制度和完善溝通保障措施等4方面的策略建議。