基于系统协调一致的高铁工程质量管理

黄保斌， 汪恭书， 赵任， 卢春房

（1. 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；2. 辽宁省制造系统与物流优化重点实验室，辽宁沈阳 110819；3. 东北大学工业与系统工程研究所，辽宁沈阳 110819；4. 中国工程院，北京 100088）

我国高铁的发展，从20 世纪末艰难起步，通过对既有线路的改进提速为高铁的建设积累了初步经验，并通过对国外先进技术的引进学习与自主创新［1］，在2003 年建成秦沈客运专线。此后，我国高铁进入高速发展阶段，基于“四纵四横”以及“八纵八横”高速铁路网的规划与建设，形成了中国高速铁路建设的技术标准体系，实现了高速铁路核心技术的全面掌握与自主研发。随着“一带一路”倡议的展开，我国高铁走向世界的步伐越来越快［2］。高铁工程的建设与运行质量关系到我国高铁能否在世界市场具有强大的市场竞争力。

1 高铁工程质量管理研究现状

目前，国内外铁路工程质量管理的研究主要集中在建设质量管理［3-5］。Grün［6］基于高铁等大型项目案例研究，确定大型项目管理的4个成功因素：目标的制定和变更、基本配置、社会政治环境以及管理结构和能力。Basu［7］分析质量在“成本、时间和质量”铁三角中的关键作用。Rumane［8］对工程项目中的各类质量标准、质量管理系统以及影响工程项目成败的各类质量因素进行总结，并介绍了工程项目全生命周期质量与风险管理方法。Jaafari［9］对工程项目管理全生命周期的重要性进行了研究。Fewings 等［10］研究建设项目管理的综合方法，并论述全生命周期与工程项目成功的关系。何清华等［11］提出建设项目全生命周期集成化管理的概念，并对全生命周期集成化管理信息系统的信息模型、系统集成的层次和方法进行了分析和探讨。付延冰等［12］提出高速铁路生命周期碳排放计算方法，分析高速铁路建设运营对环境的影响。卢春房［13］针对铁路建设项目的投资问题，提出全方位、全过程控制投资的新理念与新方法。刘冬等［14］基于全生命周期理念，对高铁项目投资控制进行了研究。郭毅先等［15］对国内外高速铁路工程质量管理现状进行分析，提出中国高铁工程的质量管理关键要素。王孟钧等［16］对我国高速铁路工程建设的质量管理模式进行了研究。孙永福［17］对高原、寒冷地带的铁路建设与管理进行研究，为高原多年冻土地区的铁路建设，以及北方寒冷地带的铁路建设管理提供依据。卢春房［18-20］在质量、工期、投资三大传统目标的基础上，纳入“职业健康安全、生态环境、科技创新”3 项内容形成了“六位一体”目标控制体系；在此基础上，结合我国国情、路情以及时代要求，积极探索适应我国高铁快速发展的组织方式、管理模式、质量体系和过程控制等管理要素，进一步构建了确保高铁质量可控的组织管理和质量管理体系；针对我国高速铁路建设项目标准化管理，构建了综合建设与运营并强化内部外部协调运作的高速铁路建设项目一体化管理模式。

综上所述，目前我国针对高铁工程质量管理体系的研究较少，对工程全生命周期的研究主要集中在成本控制、环境影响等方面。以下从系统协调一致的角度，分析系统功能协调一致、系统全生命周期协调一致以及系统组织协调一致3个方面的具体内涵、三者之间的耦合关系以及具体的实现策略，对高铁工程质量管理系统的最优运行机制进行探讨。

2 高铁工程质量管理系统协调一致的内容

高铁工程是复杂而庞大的工程项目，高铁工程建设具有投资巨大、施工技术复杂、施工周期长、运营要求高等特点。从建设内容来看，涉及路基、桥隧、房屋、四电（电力、通信、信号、电气化）等多个专业及接口；从时间维度来看涉及项目决策、工程设计、工程施工、竣工验收、运营维护等全生命周期过程；从组织结构来看，涉及设计单位、施工单位、监理单位、咨询单位以及各个材料设备供应商等多个参与主体。高铁工程的质量达标，不仅是各专业、接口建设质量达标，还需要整个高铁系统能平稳运行，这也是系统协调一致的目标。系统协调一致的具体内容包括：系统功能协调一致，系统全生命周期协调一致，系统组织协调一致。各部分内容既有其自身特征，又与其他部分相互耦合与支撑（见图1）。

图1 系统协调一致示意图

高铁工程项目建设的质量是系统功能协调一致的基础，同时系统功能协调一致为高铁工程建设提出了一系列的质量标准。系统全生命周期的质量管理保证了高铁项目从策划筹备直到运营维护的总体最优性。系统组织的协调一致，保证了高铁工程项目建设的计划性、可实施性与鲁棒性，是系统全生命周期质量最优实现的基础。

3 系统功能协调一致

高速铁路是涵盖众多专业，包括路基、桥梁、隧道、轨道、电力牵引、动车组等，以及如过渡段、道岔等各专业间的接口的大规模集成系统。高铁工程的质量是否符合标准的重要依据就是建设完成后，整个系统能否正常运行。而系统正常运行的基础是系统功能的协调一致。系统的功能协调一致，包括：专业功能协调一致和接口协调一致（见图2）。

图2 系统功能协调一致示意图

（1）专业功能协调一致。高铁系统正常平稳运行，需要系统内各专业提供支撑，并且各专业为系统提供的功能质量与系统需求协调一致。主要包括：供变电、接触网系统内各专业的设计参数和设备选型与动车组行车质量需求相一致；通信、信号、客服、防灾等系统内各专业的功能、性能、安全性与动车组行车质量需求相一致；路基、轨道、道岔、桥梁、隧道等结构工程，其动力性能、振动噪声、电磁环境、综合接地等的安全性和适用性的质量水平与动车组行车和环境管理等质量需求相一致。如通信专业的无线通信质量与行车控制要求的质量相一致，具体指标有：网络注册时延不大于30.0 s，最大端到端传递时延不大于0.5 s，数据传输频率为4.8 kbit/s；信息化专业与网上售票、刷脸进站等客运服务专业的功能也要一致等。同时高速铁路系统内各专业是相对孤立的单元，但作为整体系统的组成部分，各专业间有着紧密的联系，需要通过各专业间的接口，如过渡段、道岔等，才能实现相互协作，使整个系统正常运行。

（2）接口协调一致。接口协调一致主要包括3 类：管理接口协调一致、站前站后工程接口协调一致以及专业接口功能协调一致。①管理接口协调一致：相邻标段要进行施工控制网、精测网的贯通测量，架梁、铺轨、四电等的衔接要顺畅，保证工程建设的整体性。②站前站后工程接口协调一致：站前各专业的施工过程中，要预留部分结构与相应站后各专业衔接，如与通信、信号、电力、接触网、牵引变电、环境工程等进行衔接，衔接的结构和部位称为工程接口。工程接口的承载主体主要包括路基、桥梁、隧道、站场和轨道。专业接口的建设内容主要包括：路基综合接地、过轨、接触网支柱基础、电缆沟槽；桥梁综合接地、锯齿形孔及爬架、梁体接触网支柱基础、桥上电缆槽；隧道综合接地、隧道内过轨、接触网预埋槽道、隧道内电缆槽；无砟轨道绝缘处理、接地连接等。站前站后工程接口的协调一致要求衔接站前、站后工程的工程接口设计，不仅要考虑站后工程对接口的技术要求，还要考虑工程接口的施工对站前工程施工质量的影响，通过对两者进行协调，确保接口工程的施工精度，使之符合机车牵引动力、行车速度等的质量要求，保证高速铁路的可靠运营。③专业接口功能协调一致：高铁系统内各专业接口在系统运行过程中保证各专业过渡顺接的平稳渐变。例如，桥梁或隧道与路基的刚度不一致，若直接相连就会出现“跳车”现象。为此，设置过渡段，使刚度在一定长度范围内均匀变化，避免突变。此外，区间轨道与道岔刚度也有较大差别，需要通过调整道岔垫板刚度使其趋于一致。

4 系统全生命周期协调一致

4.1 概述

高铁工程项目整体质量的形成经历立项决策、工程设计、工程施工、运营维护4 个阶段（见图3）。立项决策阶段：基于项目建设目的和意义，确定高铁工程项目建设标准，分析论证高铁工程项目在技术层面与经济层面上的可行性与合理性，从而确定高铁建设总体质量要求。工程设计阶段：将工程项目质量要求具体化，确定总体项目建成后的功能和使用价值，细化各子项目质量目标，形成设计方案与施工图纸。工程施工阶段：具体形成项目实体质量的阶段，是实现合同要求和设计方案的阶段，同时也是设计方案的实证以及反馈调整的阶段。运营维护阶段：运营维护阶段既能检验建设工程质量的优劣，又能提升质量水平，在高铁工程项目的全生命周期中是时间最长的环节。

图3 系统全生命周期协调一致示意图

高铁工程项目建设质量具有“继承性”“牛鞭效应”以及“木桶效应”。“继承性”是指建设优先级较高的工程子项目会对后期建设项目质量以及整体项目质量造成影响。“牛鞭效应”是指随着建设的推进，前期工作的质量缺陷会被逐渐放大。“木桶效应”是指局部工程质量标准降低会导致整体质量的降低。例如，如果路基的排水工程的建设质量过低会降低路基的整体抗灾能力，并导致使用年限缩短，最后影响整个高铁系统的正常运营并增加维护成本与难度，甚至导致整个高铁系统使用寿命缩短，因此要保证系统全生命周期的协调一致。

系统全生命周期的协调一致目的是：贯穿立项决策直到运营维护阶段的质量管理，以各阶段之间的相互影响关系为根据，对各阶段工作进行协调控制，保证高铁工程项目各阶段的工作均围绕整体质量最优的目标。

4.2 实现步骤

系统全生命周期协调一致作为总目标是难以定量描述的，这里提出利用层次分析法建立全生命周期质量管理的数学模型，筛选各类影响协调一致的主要因素，并分析各类因素变化时对总体质量目标的影响。

4．2．1 确定主要影响因素

工程建设投入、难易度，与日常运营维护成本、难易度呈负相关，与建设质量呈正相关；日常运营维护成本、难易度，与建设质量呈负相关。影响系统全生命周期中协调一致的主要因素包括建设投入（B1）和运营投入（B2）。影响建设投入主要因素包括：建设标准（C1）、工程设计（C2）、施工作业（C3）、安全质量（C4）、物资供应与管理（C5）、咨询服务（C6）、投资管理（C7）、征地拆迁（C8）、环境影响Ⅰ（C9）；影响运营投入主要因素包括：线路日常维护（C10）、运载量（C11）、运营管理（C12）、车辆购买与养护（C13）、设施设备折旧（C14）、运输服务（C15）、环境影响Ⅱ（C16）、安全性（C17）。根据上述影响因素构建指标层，其中，环境影响Ⅰ（C9）主要指建设期间对环境造成的影响，如废弃物填埋或堆放、植被破坏等；环境影响Ⅱ（C16）主要指运营期间对环境造成的影响，如各类有害气体排放、噪声污染等。

4．2．2 设定总目标

设定系统全生命周期协调一致为总目标，即作为目标层A，基于包括最小化建设投入偏好、最小化运营投入偏好、平衡考虑运营与建设3种情况，给出B层影响因素的重要性及具体重要性数值，然后分别比较C层影响因素两两之间的重要性，并给出重要性赋值。

4．2．3 确定层次结构

方案层为m种备选建设方案。确定高铁系统全生命周期协调一致的AHP层次结构见图4。

4．2．4 建立影响因素重要性两两比对判断矩阵

根据递阶层次构造判断矩阵，每个具有向下隶属关系的元素作为判断矩阵的第1个元素（位于左上角），隶属于它的各个元素依次排列在其后的第1 行和第1 列。影响因素间的相对重要性根据1—9 标度法取值，用bij表示指标层B某因素的隶属影响因素i与j之间的比较 结 果 ，B1=(bi，j)9×9、B2=(bi，j)8×8为 判 断 矩 阵 ； 用表示指标层 C 的某影响因素i下方案h、k之间的比较结果，为判断矩阵，i= 1，…，17。

图4 高铁系统全生命周期协调一致的AHP层次结构

4．2．5 计算指标权值

4．2．6 执行一致性检验和确定层次总排序向量

逐层进行一致性检验，针对第k-1层第j个元素为准则的第k层的一致性指标、比率，以及随机一致性指标然后根据公式进行层次总排序一致性检验，调整一致性比率高的矩阵中的元素值，直到CRk＜0.1。

4.3 案例分析

以某段高铁建设为例，有2 种备选方案：方案I、方案Ⅱ。分别对运营投入与建设投入重要性比较赋值（4，1/4，1），2 种情况对应的目标的权向量分别为（0.166 7，0.833 3）、（0.833 3，0.166 7） 且满足一致性；或者去掉第2层表示两者重要性相同。然后，根据偏好进行影响因素重要性赋值，以环境影响Ⅰ为基准对建设投入隶属影响因素重要性赋值（9，6，8，6，2，7，3，8，1），以安全性为基准对运营投入隶属影响因素重要性赋值（8，8，2，9，9，3，6，1），以此为依据，继续比较其他因素间的重要性，并构造判断矩阵。针对方案I、方案Ⅱ，两者相对上一层影响因素的重要性比较依次为： （3，1/5，1/1.2，2，1/2，1/1.2，1.1，1/9，1/4，1/7，1/1.5，1/1.1，1/1.3，1/2，1/1.5，1/4，1/6），进行一致性检验，然后计算得出方案I、方案Ⅱ，对应总目标的权重分别为（0.379，0.621），（0.478，0.522），（0.414，0.586）。因此无论从前期建设投入考虑，还是从后期运营维护考虑，或者两者兼顾，方案Ⅱ都要比方案I更能满足全生命周期协调一致的目标。

通过不同偏好下方案的选择，分析各类影响因素对协调一致目标的影响，进而实行保障高铁工程项目系统全生命周期协调一致的具体实施措施：

（1）立项决策阶段。考虑整体最优的问题，确定总体目标，在该阶段要分析后续阶段建设和运营的成本、难度等因素，制定包括质量、工期、投入、安全管理等要素的建设目标，加强功能需求的分析，使得后续设计工作能够更加具有针对性。

（2）工程设计阶段。做好经济技术方案比选，减少不合理的设计，提高设计质量，避免返工、误工等现象；同时需要协调好施工质量标准与运营维护阶段质量要求，避免出现为了降低施工成本与难度而导致系统寿命缩减，运营维护成本上升及难度增加的情况。

（3）工程施工阶段。不仅仅严格按照施工图纸、合同等一系列规章制度与质量标准保障各类物资的供应并完成建设工作，还需要根据施工条件及时进行信息反馈，以便优化设计。

（4）工程运营维护阶段。提前介入可为工程设计与建设过程提供了一定的指导意见；同时，运营反馈制度能够为高铁后续建设提供需要改进和优化的数据和经验。另外，在该阶段各类维护工作严格按照各类标准执行，防止因维护保养不利导致设施、设备使用寿命缩短甚至损毁的情况出现。

5 系统组织协调一致

高铁工程质量管理横向贯穿参与项目建设所有参与主体单位，纵向贯穿包括项目决策、工程设计、工程施工、运营维护等全生命周期的综合性活动。高铁工程的质量管理不是在某建设阶段时间，依靠某个部门实现，也不能仅通过成立一个专门的质量管理机构、指定（委托）专门的质量管理机构（人员）或完全依赖工程监理部门就能解决。必须构建合理的质量管理组织体系，明确并落实各参与主体的质量责任，做好各参与主体间的协调工作，为高铁工程项目建设稳步推进、系统整体质量最优提供保障。系统组织的协调一致是指高铁项目质量管理涉及的业主单位、设计单位、监理单位、咨询单位、施工单位、供货单位、运营维护单位等各参与主体之间的利益冲突最小化，大、小业主发挥其主导作用，其他各参与单位发挥其在建设、运营阶段的针对性作用，做到决策、执行、反馈等各类信息的传递准确及时、响应迅速。高铁项目质量管理涉及单位之间所起作用及相互关系见图5。

为确保系统组织协调一致，高铁系统全生命周期不同阶段需要关注的要点如下：

（1）立项决策阶段。业主应充分考虑高速铁路工程项目的可施工性、运营维护的难易程度、成本可控性、运行的可靠性与安全性等因素，综合各参与主体的意见如运营单位等的提前的介入。

（2）工程设计阶段。业主积极介入并协同设计单位完成设计方案的论证，监理单位有效监控地质勘察工作，进而合理确定线路方案、建设规模以及投资目标；然后由业主、咨询单位合作对设计单位的设计工作进行协助，并对设计方案与施工图进行初审，避免后期设计频繁更改。

图5 系统组织的协调一致示意图

（3）工程施工阶段。业主单位发挥主导作用，做好各项施工准备工作，组织各方参与保证各方沟通顺利，如各类物资供应的招标工作；协调咨询单位、监理单位、设计单位、施工单位，对施工图进行核对，完善设计保证设计的可实施性，在施工过程中发挥监理单位的监督功能的同时避免因为对质量的过高要求，导致施工单位不必要的返工，合理协调质量与进度，保证施工方案的顺利执行；针对实际建设需求需要对设计做出变更时，严格遵守“先批准，后变更；先设计，后施工”的原则，坚持充分论证与集体决策，在符合工程质量标准与合同要求的条件下，一次变更到位；在验收阶段，做好静态与动态验收工作，保证运营阶段的平稳进行。

（4）运营维护阶段。业主、设计、施工单位安排一定数量的管理和技术人员帮助运营单位人员进一步熟悉设备性能、操作规程和维修技术，及时处理设备故障，以确保运输安全和秩序。运营维护的同时，根据实际运营状况积累数据，为新的建设项目积累经验。

6 结束语

高铁工程各分项、单位工程质量最优，各专业工程质量最优，并不能代表整体工程质量最优。整体工程质量最优除各项工程质量合格外，还应体现在系统的协调一致。从系统功能协调一致、系统全生命周期协调一致以及系统组织协调一致方面，开展高铁工程质量管理系统最优运行机制的探讨，有利于更好地改进高铁工程质量管理模式，实现我国高铁高质量发展。