高铁工程建设多目标系统解析与管控研究

刘畅， 赵任， 卢春房

（1. 东北大学工业与系统工程研究所，辽宁沈阳 110819；2. 智能工业数据解析与优化教育部重点实验室（东北大学），辽宁沈阳 110819；3. 中国工程院，北京 100088）

0 引言

高铁工程作为我国重要的高新技术建设项目，与其他工程相比，受项目工期长、地形复杂、气候变化等因素影响，工程管理难度较大。目前，我国已掌握应对各种复杂环境条件下的高铁技术，实现世界跟跑者到领跑者地转变。因此，为保证高铁运行更加安全和快速，对我国高铁工程建设进行系统研究十分重要。王普等［1］基于安全预警大数据，对高铁应急预案进行优化，为高铁安全预警提供重要保障。金明［2］提出高速铁路轨道动态质量管理机制，为我国高铁质量管理提供宝贵经验。赵冰等［3］针对我国铁路质量现状，基于大数据分析方法，实现了铁路质量评估与优化。马兴华［4］针对高铁工程项目施工质量控制进行详细介绍，对于促进我国高铁建设可持续发展具有重要意义。

高铁工程建设管理属于复杂的多目标问题，在保证项目质量的同时，还应考虑项目工期、投资成本、安全、环保、社会稳定等影响。从系统工程控制理论角度出发，研究多目标系统解析与动态控制方法，对提高我国高铁工程建设管理水平、保证工程质量具有重要的实际意义。

1 系统解析

高铁工程建设有6 个控制目标：质量、工期、投资、安全、环保、稳定。要想通过多目标管理实现高铁工程建设整体最优：一是成本、质量、工期等多目标协调，统筹兼顾，用最少资源、成本等使高铁工程建设在规定的工期内完成项目建设施工，同时保证工程系统质量［5］。二是当目标之间冲突时，应优先考虑某个目标或某几个目标。例如，在投资与质量发生冲突或者工期与质量发生冲突的情况下，优先考虑质量，因为质量是表征工程建设成败的关键指标，也是获得长远利益的关键。在项目管理中，影响产品质量的因素可以归纳为“人、机、料、法、环”5类。

从工程实践和目标之间的关系特点得出：高铁工程建设的质量、工期、投资、环保、安全和稳定目标之间既排斥又统一，对它们进行控制时，要注意将其视为一个整体［6］。

1.1 相互对立

高铁工程建设的6 个目标分别是投资少、工期短、质量优或达标、无安全事故、环境污染少、队伍和社会稳定。

通常，在安全生产时，欲提高质量，要以牺牲成本和工期为代价。但是，考虑到不稳定的材料价格、工期延长将会导致成本费用增加，尽管通过必要的手段能够实现规定工期内直接费用不增加，但工程间接费用将会上升，使成本更高。

如果缩短工期，则要加大劳动力和机械设备投入，或改进现有技术、提出新工艺，但会导致成本提高。若要降低成本，则会降低质量或延长工期［7］。

此外施工环境和队伍建设对工期影响也不可忽视，如恶劣气候、社会不稳定等将会延长施工进度，甚至造成破坏。相反，如质量要求不高，将会忽视质量，追求利润最大化，这种情况下质量低劣，造成返工，会导致“人、料、机”损失以及工期延长，反而使成本上升。

1.2 相互联系和统一

高铁工程建设过程中6个目标之间也是相互联系和统一的。例如，如果投资合理，会加快进度、缩短工期、投产时间提前、尽早收回投资。这样，实现了工期目标对投资目标的促进作用。此外，为提高质量，成本投入会加大，工期会延长。此种情况虽然增加建设时的投资成本，但却使后期的运营和维护费用减少，在一定程度上使总成本下降，进而使总经济效益增长，质量目标对成本目标产生一定的影响［8］。

2 系统的精准协调

精准协调调度是在一定条件或规则下，解决资源、时间的合理分配与组织，以达到资源合理使用、生产节奏一致、用时最短、投资最少、收益最高等目标。其中，精准是针对具体问题在一定资源与时间条件下，寻找或重新构造具有问题针对性的算法，对问题进行快速精确的求解，即解决局部最优问题；协调是在多目标、多子项的系统求解过程中，对各目标或子项合理分配资源和时间，折中选择，达到系统整体最佳状态。

高铁工程建设中涉及的调度具有各类传统调度强耦合特点，不仅存在资源竞争关系，同时也存在时间与空间上的耦合性。要保证多目标管理之间平衡，就要求工程建设各个目标内部满足一致性，以及各目标之间一致性的要求。虽然可以直接建立带有各类成本、工期、质量约束的总目标数学模型，但考虑到各单目标对应的调度问题，其自身数学模型已较为复杂，且难以直接对模型进行求解，因此，建立整体工程的数学模型进行求解则更加困难。

高铁工程建设是整体项目，需从总体目标出发对各部分进行协调。协调关键在于以总目标的最优化为出发点，通过局部与总体之间的信息传递，不断调整资源分配与工期安排，最终达到各单目标之间协调以及总目标最优。

精准协调多目标调度解决系统协调一致问题的流程见图1。首先，总调度方案给出各部分具体的资源、工期分配方案，针对总体对各部分的资源、工期等分配方案，每个单目标要对调度方案进行求解。获得单目标的调度方案后，添加到总调度方案筛选集合中。总调度方案通过重新计算给出更有利于目标改进的分配方案，基于新的分配方案，各单目标重新计算最优或近优调度方案，并添加到总调度方案筛选的集合中，如此反复优化迭代，最终获得最佳调度方案。

图1 精准协调多目标调度流程图

针对模型要涵盖的具体问题，其中质量是模型的硬约束；工期约束以及优先排序约束是工程建设时间节奏协调一致性要求；成本约束是工程建设成本要求；环保、安全、稳定性约束是工程建设的综合要求。最后，将目标函数设定为最小化成本与最优建设工期，以实现工期与质量、成本等协调调度。

3 动态控制

随着一些信息变动和突发情况产生，原工程项目计划将受到干扰，使项目目标难以实现，高铁工程建设管理多目标动态控制对于项目实施十分必要。高铁工程建设管理多目标动态控制是动态循环过程［9］，1个周期内的管理不可能解决所有目标问题，由于工程实施过程是动态的，对于遗留的目标分配不均衡问题，应交给下一个循环来处理，在下一次实施过程中对目标进行重新分配调整（见图2）。在这个过程中，工程项目应按照指定的多目标计划执行，以达到实时监督的目的，如质量发生偏差，则应首先系统地分析原因，然后采取针对性措施改正。如工程项目计划目标无法实现，或工程项目计划目标不符合实际情况，则需要对项目计划目标进行及时调整。图3为高铁工程建设中多目标管理动态调整原理图，指在规定工期内，基于已有的进度计划，严格依照规定施工，对施工进度进行实时检查，通过比较，对偏差产生的主要原因进行解析，同时评估各因素对进度的影响程度。在施工中应尽可能保证质量高和成本支出少，如工程进行期间进度受到影响，则工程项目管理部门应及时采取有效措施弹性调整目标，也可修订原计划进度，达到两者统一，反复进行，直到工程项目在合理工期内竣工验收为止。

图2 高铁工程建设管理多目标动态调整示意图

图3 高铁工程建设中多目标管理动态调整原理图

考虑到环境因素具有未知和不确定性，对施工质量影响复杂，只能提前进行有效预测。在现场必须严格进行控制，在施工计划中还需结合历史数据信息对影响质量的环境因素进行有效预测，及时调整施工方案，降低环境对施工质量的影响。同时，对于不利的环境因素进行清除，以保证施工质量。

4 保质量、省投资

质量与投资有矛盾时，投资服从质量的意识是必要的，不能因为节约投资而牺牲质量，但也不能随意提高质量标准而浪费投资成本。工程建设必须统筹兼顾，保证质量和投资目标共同实现（其他目标也要保证，与此类似，不再赘述）。

（1）追求质量合格，不追求质量优良率（优良率和优质工程不是一个概念，优良率指合格基础上更高的要求，用百分率表示；优质工程是经运营和历史检验后质量没有问题，用户给予的评价）。合格的工程质量表明设计施工符合标准、没有缺陷，可保证其使用功能和寿命。而要达到优良程度要提高材料性能，或提高工艺难度，必然会增加成本投入，其目的往往只是增加美观性，并不能提高使用功能和寿命，因此，高铁工程建设去除了质量优良率的评价指标。对线路几何尺寸，也不追求轨距、轨向、水平等单项指标最优，而是用综合指标TQI 值衡量，TQI 值符合标准即可。

（2）追求结构物稳固可靠，不追求超级保险。对于线路基础沉降，由于当前的理论计算对某些地层尚存在误差，于是就有宁强勿弱、增加工程处理措施的倾向。而科学方法是理论计算有误差时，用试验先行解决。仅在京沪、兰新高铁建设时，通过试验先行办法，修正了原设计初拟方案，减少CFG 桩1/3左右，节省投资数十亿元。这2条线开通后，经过几年的运营检验，其线路基础沉降量在标准范围内。对于桥梁等结构物，也在理论计算和现场试验的基础上多次优化外形和内部配筋，减少了工程量和投资。

（3）追求整体结构寿命长，不追求单一结构寿命长。桥梁、涵洞、隧道等钢筋混凝土结构均按100年设计，而从德国、日本引进的无砟轨道板寿命只有60年，为此，通过科技攻关，自主研发了Ⅲ型轨道板系统，寿命100年，与其他工程相匹配，工程全生命周期成本相应降低。在进行耐久性混凝土研究时，不因隧道服役环境变化小而研究寿命更长的混凝土，而是研究与其他结构物同寿命的混凝土，防止浪费。

（4）追求技术先进及创新。为保证工程质量，必须加大力度推广新工艺技术及材料设备。但对没有实际使用价值，只起锦上添花作用的新技术则不能采用。同时，站房、雨棚建设上，追求旅客舒适方便，不追求豪华装修和超大空间。

总之，在工程建设的各个环节中都应贯彻节省投资原则。

5 应用实例

5.1 背景

京沪高铁途经北京、天津、济南、南京、上海等重要城市，共设24 个车站，总长度1 318 km，正线桥梁1 098.9 km、路基242 km、路基土石方4 904 万m3，无砟轨道1 298.6正线公里，站房114.1万m2，牵引变电所27座［10］。

京沪高铁各项技术指标在国内、国际均处于领先地位，其速度目标值为350 km/h，初期运营速度300 km/h，最大坡度20‰，最小曲线半径约7 000 m。京沪高铁地形环境复杂、重难点工程多，例如南京大胜关长江大桥、淮河特大桥和济南黄河大桥等，导致施工难度大。另外，京沪高铁线路长、建设单位参与多，使人员组织、生活保障、资源调配等难度加大。

5.2 数学模型

针对京沪高铁多目标管理的特点，考虑工期、投资、安全、环境稳定等多目标影响因素，建立以质量为核心的多目标模型，该模型的具体表达如下所示：

式中：x为京沪高铁的影响因素变量；Qmin为最低工程质量完成指标；Smin为安全生产底线；Fmin为社会稳定底线；Tmax为最长工期完成时间；Cmax为最大投资成本；Emax为环境污染上线。

该模型具体含义解释：目标函数包括2项，即最小化工期和投资。约束条件（3）中Q（x）为质量函数，其宗旨是为了满足高铁工程质量要求；约束条件（4）表示安全目标S（x）应满足安全生产条件进行施工；约束条件（5）表示稳定目标F（x）应在队伍内部和谐和社会稳定的前提下开展工作；约束条件（6）表示工期目标T（x）在规定的最长工期范围以内；约束条件（7）表示投资目标C（x）在投资的成本范围以内开展施工建设；约束条件（8）表示环境目标E（x）不能突破环境污染的上限。

5.3 分析

为使京沪高铁工程建设项目达到最终的管理目标，需要遵循动态控制、信息反馈等原理，对施工质量和进度进行全过程控制。

从多目标系统管理角度，通过构建工程施工项目进度计划系统，并对其进行完善，进而达到控制京沪高铁工程建设项目进度的目的。由于在施工变化动态控制过程中，受周围环境、社会稳定因素影响，往往实际进度与计划进度存在偏差，使工程项目工期延长，需要工程项目控制人员反馈实际施工信息，通过计划、实施、检查、比较、分析、纠偏、再计划等环节组成的不断循环过程，采取相应措施，作出相应决策，对原计划进行弹性调整，在安全生产的前提下，使实际施工建设符合预定工期目标，尽可能使投资成本最小，达到高质量施工建设的目的。

综上所述，在京沪高铁工程建设项目中，以质量、工期、安全、投资、环保和稳定为目标，做到精细化管理，进而为建设世界一流高铁提供有力的保障。

5．3．1 质量管理

严格按照创优的质量计划进行控制，完善质量管理制度、认真落实评价机制，对目标、方法、功能、责任、制度等为主体质量管理控制体系进行构建（见图4），以实现“精品工程”。

图4 京沪高铁工程建设项目质量管理控制体系

为有效控制每项施工作业、确保工程质量总体达标，按照高铁工程建设项目质量管理控制体系［11］，参与方严格按规范要求进行施工作业，各子单位承担的分部工程质量100%通过质量检验和验收，为高铁运行的安全、耐久、舒适性提供保证。

5．3．2 安全管理

通过参考国际安全管理体系，结合工程建设特点，京沪高铁工程建设项目安全管理形成以技术、思想、经济、组织和风险控制为主要核心的安全保障体系。

京沪高铁工程建设项目安全风险管理体系见图5，主要包括风险计划、估计、评价等流程，这些举措使京沪高铁项目安全稳定建设，提高现场安全管理的科学性。

5．3．3 工期管理

为实现国家批复的5 年京沪高铁工程建设工期目标，考虑到铺轨、架梁和联调联试2条主线，加强组织协调、优化资源配置，使工程项目建设进度得以推进，尽快明确技术标准要求，切实提高技术管理水平。

京沪高铁在2008 年开工并架梁，线下主体工程在2009 年全部完成，在2010 年全线铺通，于2011 年6 月进行营运，创造了铁路工程建设史上的奇迹。

5．3．4 投资控制

京沪高铁以全方位投资控制理念为基础，工程建设投资规范实施，形成全程跟踪、开工预算、全面管控、竣工决算为主要内容的管理体系。

图5 京沪高铁工程建设项目安全风险管理体系

在保障工程竣工正常运营的基础上，竣工决算后的总投资为2 023.05亿元。同时，专项整治参建单位的资金管理情况，严格禁止“三超”现象（概算超估算、决算超预算、预算超概算）以及建设资金浪费、挪用行为，最大化投资回报。

5．3．5 环境保护

以落实严格环保措施、节约土地资源、控制环境污染、创建和谐环境为目标，构建了环保管理体系，通过主动与国家、地方环保部门沟通，使工程项目设计、施工、验收方面与环境保护工作保持一致。

在工程项目施工过程中，对桥梁钻孔桩产生的废弃物进行集中管制、达到绿化效果，并在施工中设计了声屏障以减少噪声。严格按照水利部门要求对线路穿越的304 条河道、5 大流域进行治理，实现了“零污染”。

为优化全线桥梁、节约大量耕地，施工便道尽量结合农用耕道，用地由2 666.8 万m2缩减到1 533.4 万m2，且全线桥梁从400.0 km 多提高到1 098.9 km。通过优化施工组织结构，使全线减少8个制梁场。

5．3．6 稳定工作

为保证外部社会稳定和内部建设队伍团结，以公平、公开和思想教育为原则，构建稳定保障体系（见图6）。

图6 京沪高铁工程建设项目稳定保障体系

为营造良好的内部氛围，对农民工和内部职工制定完善的管理工作制度，并对劳务人员进行精细化管理，不拖延劳务人员工资，保持队伍建设稳定。在不破坏周围施工沿线民俗文化基础上，不使用暴力解决问题；征地拆迁依法从事，杜绝野蛮征拆、未征先建、未批先拆等不良现象；与地方各级政府良好协调，及时解决沿线群众受损补偿问题。在施工过程中，营造良好的外部环境，做好治安保卫工作。

因此，围绕高铁工程建设6个目标的实践，在京沪高铁工程建设项目中应用多目标管理思想，结合高铁工程建设项目施工特点，系统地对京沪高铁工程质量多目标管理进行研究，推动我国铁路现代化建设发展。

6 结束语

对高铁工程建设多目标管理进行系统解析，并对高铁工程建设项目管理中的精准协调和动态控制方面进行研究。最后，以京沪高铁为例，基于多目标管理理论，在保证质量、节省投资的基础上，实现高铁工程建设管理系统功能最优，对改进我国高铁工程建设项目管理水平有重要的参考意义。