基于智能建造的铁路工程全面质量管理框架体系

解亚龙，王万齐，刘红良

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；2.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081）

0 引言

随着我国铁路建设大规模开展，以及铁路投资持续高位运行，铁路建设项目的质量问题日益受到关注。大型铁路工程项目的质量管理和监督，对保证铁路工程建设质量、保障人民群众生命安全、维护国家利益至关重要。铁路工程项目具有建设规模大、投资大、工期长、技术复杂、参与单位多、风险高、组织实施困难等特点［1］，其质量问题是由认识不到位、管理漏洞、制度不完善、法规不健全、监督管理水平落后等多方面因素造成。因此，需要以数字化为重要技术手段，建立铁路工程全面质量管理框架体系，提升现阶段我国铁路工程质量控制水平。

1 铁路工程质量管理体系现状

我国铁路行业经过多年发展，形成由3个层级构成的铁路工程质量管理体系（见图1）。

图1 铁路工程质量管理体系示意图

第1层：政府机构及其委托的工程监督机构。该层级不是市场主体，因此不承担工程质量责任，仅承担监督责任。该层级主要从宏观和微观2个方面，对第2、3层级的建设单位和相关机构履行质量责任的行为及工程实体质量实施全面监督管理。

第2层：建设单位（业主）、施工图审核单位、监理单位及第三方检测单位。该层级按各自职责对工程质量进行监管。

第3层：勘查设计单位、施工单位及设备材料供应商。按照“谁设计谁负责、谁施工谁负责”的质量责任惯例，该层级主要通过内部质量保证体系对产品质量进行控制，即铁路工程质量责任主体的自我约束和自我规范［2］。

施工单位作为工程质量的首要和直接责任人，应将质量控制贯穿于施工的全过程、各环节。对于工程质量控制，根据工程实体形成的时间阶段，分为事前控制、事中控制和事后控制［3］；根据工程实体形成过程中物质形态的转化，分为投入品质量控制、施工过程质量控制和产出品质量控制及验收。铁路工程施工过程质量验收体系示意见图2。在该体系中，投入品质量控制是对材料、构配件和设备等的质量品控，主要通过外观检查、资料检查和试验检验完成；施工过程质量控制主要通过自检、互检和交接检验等形式，对分项和工序质量进行检验；产出品质量控制及验收是在分项和工序质量控制的基础上，通过实体质量和主要功能核查、单位工程观感质量评定、控制资料核查等手段，确保单位工程和工程分部的质量达标。

图2 铁路工程施工过程质量验收体系示意图

铁路工程在完成竣工验收后，还需按照我国铁路现行管理程序，开展新线开通前的静态验收、动态验收、联调联试等达标检验活动，确保工程质量和系统设计功能满足列车以目标速度值运行时的安全性、平稳性要求［4］。

2 基于智能建造的铁路工程全面质量管理

2.1 总体框架

以施工、监理、建设、监督及竣工验收相关单位人员为用户对象，研究搭建基于智能建造的铁路工程全面质量管理平台（简称管理平台），管理平台的功能框架分为基础服务层、应用功能层和用户交互层3个层级（见图3）。

图3 铁路工程全面质量管理平台功能框架示意图

2.1.1 基础服务层

基础服务层主要提供以下5个功能：

（1）工程实体结构分解。结合质量检验和施工工艺，将工程实体结构层层分解并赋予编码，是工程产出品的数字化表达。在工程质检控制流程中，分项、分部、单位工程的检验都可与工程实体结构编码关联，实现工程进度与检验进度的对比分析，提高对工程的微观把控能力。

（2）质量检验任务分解。按照工序、分项、分部、单位工程和工程整体质量，实现施工过程质量检验任务的分解和管理。

（3）质量检验标准管理。实现各类铁路工程质量检验标准的电子化管理，以及标准检验项的结构化存储，形成检验项模板库并支持版本管理。通过移动手簿，可随时掌握工序施作要点和检验要求，各建设、施工单位总结的经验也可补充至模板库。

（4）质检表格模板管理。将国家、地方、中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）发布的标准模板进行管理，同时支持各建设单位自定义模板。

（5）质量检验流程定义。采用工作流引擎，支持按照建设单位、建设项目自定义质检流程。

2.1.2 应用功能层

在基础服务层基础上，分别从影响质量的人员、机械、材料、工法、环境（简称“人、机、料、法、环”）等5个方面形成切实可行的功能，并增加监督机构监督、建设单位监管和竣工验收等协同管理功能。

2.1.3 用户交互层

用户可通过浏览器、移动手簿、电子计算机等终端登录管理平台，同时支持现场数字化工装和专用数字质检工具的数据接口。

2.2 “人、机、料、法、环”管理

2.2.1 “人”的管理

建立参建企业和人员的动态名库和数字档案，实现企业和人员的履历、在岗动态、不良行为及黑名单管理，逐步建立动态履历库和信用体系。对施工队伍和人员的技术资格与条件进行审查；对于特殊作业、重点工序、重点岗位的人员，进行必要考核和培训，确保人员能力和素质。

2.2.2 “机”的管理

机械及设备是施组进度管理的重要因素，也是工程质量控制的主要因素，尤其在铁路智能建造趋势下，各类数字化工装应用愈加广泛，须从以下几方面进行管理：

（1）建立数字化台账。包括机械及设备的生产厂家、技术参数、规格型号等，确保其配置满足施组设计要求。

（2）动态管理。跟踪机械及设备的施工工点、保养标定等情况，确保其处于良好状态。

（3）实时信息采集传输。对于具备数字化和网络化条件的工装机械，可利用信息平台发布接口标准，将现场运行监控信息或测量数据实时采集传输至管理平台，随时掌握机械运行态势和现场工程质量态势。

2.2.3 “料”的管理

主要对原材料、半成品、构配件、四电设备及器材进行全面和全过程质量控制。其中，工地试验室管理是原材料管理最重要的环节，也是铁路工程质量管理体系的重要内容和技术保证。利用工地试验室的试验检测手段，能够科学地评定材料及工程实体质量情况［5-6］。搭建铁路工地试验检测管理系统，实现试验室数据的实时上传、实时监控、统一管理和汇总分析，为规范材料管理提供数据支撑，从源头上杜绝不合格材料。铁路工地试验检测管理系统功能框架示意见图4。如图所示，该系统分为移动端、终端软件和管理平台3个部分：

图4 铁路工地试验检测管理系统功能框架示意图

（1）移动端。主要方便各级管理层查看试验统计指标，实现试验报告和试验数据的快速检索，并可查看相关检测标准规范。

（2）终端软件。包括委托试验、自动采集试验、现场试验检测、试验报告、配料单管理和数据上传等功能。其中，自动采集试验主要针对钢筋、混凝土等材料试验，对其实时数据进行自动计算和评判，自动生成试验报告和试验记录，通过RESTful接口上传至管理平台，发现问题及时处理，确保数据的真实性、试验的规范性和试验结果的可追溯性；对于需手动输入的数据，应在工作结束后及时录入；对于配料单的管理，则通过与工程实体挂钩，实现混凝土生产质量的信息追溯。

（3）管理平台。具备试验管理、报警管理、统计分析、试验室管理和系统管理等功能，主要完成对试验数据的曲线拟合、数据挖掘、数据分析和处理，以及试验的分类、汇总信息查询、流程管理、设备统计、安全预警管理和信息图表展示。同时，将全路试验检验数据上传至统一的管理平台，基于大数据的汇总分析，有效反映各单位的试验检测质量和企业管理水平，形成材料供应质量分析报告，为设备材料供应商的分类管理提供数据依据，对质量问题进行更精准的影响分析和责任追溯。

铁路工地试验室管理系统能实现试验结果的自动计算及判定，以及重要试验数据自动采集和实时传输。该系统具有提醒、分析、统计和监控功能，确保试验数据真实可靠、试验过程规范、试验结果可追溯，保证了试验检验报告的规范性和权威性，提高了试验检测的效率和及时性。

2.2.4 “法”的管理

施工方案及工艺工法的管理包括设计、施工、监测、检测等多个环节的技术手段和施工工艺。在施工期间，动态跟踪控制是质量管控的关键，通过对工程进行持续监控和评价，判断其是否出现偏差。这种持续监控的基本单元即为工序，其评价标准是铁路工程质量的验收标准。工序质量控制分为人控和机控2类。

机控指工装设备经过信息化改造，实时采集和记录施工过程的关键技术参数，并可根据参数反馈调整工程机械的作业状态［7］。目前，桥梁、路基、轨道、四电、站房等专业都涌现了工序管控的数字化工装，这些应用对规范作业流程、提高作业效率、实现工地现场的少人化和无人化具有现实意义。工序质量控制（数字化工装）功能框架示意见图5。

图5 工序质量控制（数字化工装）功能框架示意图

虽然不少施工工序已实现机控，但仍有大量人控工序存在。在管理平台，可通过“移动手簿+云端管理平台”方式，实现基于人控的数字化协同。技术人员依据铁路工程竣工验收标准，通过移动手簿记录工序自检的状态参数，报请监理单位审核，重要工序和隐蔽工程施工工序需要监理人员旁站，留影拍照后提交管理平台，通过各工序的数字化记录，自动生成检验批表格，汇总工程验收资料。

在现场填报过程中，用于施工自检和监理验收的移动手簿，可从管理平台下载施工要点、检验要求、检验方法等信息，在移动手簿上简单填写和拍照后即可提交验收。移动手簿支持语音输入，可将语音直接转为文字，最大程度减少现场填报工作量。如工序质量不合格，则返工整改后重新提交，直至工序验收通过。施工质量目标分解及管控功能框架示意见图6。

图6 施工质量目标分解及管控功能框架示意图

2.2.5 “环”的管理

首先，检查施工单位的组织架构、检测制度、人员配置、质量管理制度、质量自控体系、重点工程质量保证方案是否制定并且完整，形成对比清单并上传至管理平台；其次，指水电或动力供应、施工照明、安全防护设备、施工场地的空间条件和通道，以及交通运输和道路条件等，施工单位形成施工环境准备的电子台账，监理工程师检查施工单位对施工作业的技术环境准备情况，并通过管理平台将检查结果提报建设单位。

2.3 建设监管

在建设推进过程中，各级管理部门组织各种形式的巡检、抽查活动，以有效确保质量管理体系规范运行。在各类巡检、抽查活动中，检验人员可通过移动手簿，随时掌握工程进度、质量、安全进展情况，以及目标地点的工程动态。移动手簿将质量检查标准中的各类检验项内置于系统，方便查询、调阅、记录和提交，由施工单位整改、监理单位复核，为建设单位深入开展质量检查活动提供技术条件。

2.4 行业监督

通过铁路工程监督系统，实现工程监督管理业务的全过程管理，以及监督手续、在监项目、监督检查、监督检测的在线管理；实现对企业及人员的不良行为、信用评价及黑名单等市场信息进行整合、通报、处罚；深度分析工程质量状况、施工安全状况及监督处理情况；实现监督检查的及时采集、电子标记、实时上传，相关管理规范的实时查阅，以及监督业务的掌上办公。铁路工程监督管理系统功能框架示意见图7。该系统支持各种数据的查询、对比、统计与分析，提供各种信息和决策支持，从而高效、便捷地服务于质量安全监督管理工作，提升监督管理业务的数字化管理水平。

图7 铁路工程监督管理系统功能框架示意图

2.5 竣工验收

竣工验收的一个重要理念是从运营角度验收工程，包括静态验收、动态验收、初步验收、安全评估和正式验收［8］。其中，静态验收由运营接管单位提前介入，对铁路工程进行整体性质量验收。整体性质量验收包括内业检查和外业检查：内业检查主要对资料完整性、全面性进行检查；外业检查则针对观感质量、主要功能和实体质量进行抽查。传统手工记录方式统计量大、准确率低，通过验收管理系统进行数据录入和验收，可实时反馈缺陷问题、真实准确了解验收进度、降低验收工作成本、提升作业管理效率。

静态验收系统可实现设施设备履历数字化，扫描二维码直接查询相关履历信息，总结多年经验，将验收中可能发生的问题整理成检验项目，方便现场人员查找问题，对于现场结构复杂不容易定位的设施设备，在移动端以图形化方式辅助验收。对于无网络区域，可切换至离线模式，有网络号时再提交至管理平台。在现场验收过程中，通过快速拍照、语音输入等手段，快速提交缺陷记录至问题库。对于验收时发现的问题，可通过手机端进行整改销号；对于共性问题，可通过网页端批量填报进行问题销号。静态验收系统功能框架示意见图8。

图8 静态验收系统功能框架示意图

3 效果与建议

智能建造的核心在于工程建造过程各个环节的数字化和网络化，能实现工程建造全过程数字化模拟、感知、记录和协同，主要包括工程实体的数字化表达、过程管理的数字化感知与记录、参与要素的数字化协同，实现工程过程质量控制和管理行为的规范，同时，量化管理指标，实现基于数据驱动的质量管理。

自2015年起，国铁集团开始推广应用铁路工程管理平台，在一定程度上提高了工程智能化管理水平，提升了现场数字化和智能化的管理意识；在桥梁、路基、隧道等专业施工的工序质量控制上，广泛推广应用智能装备，如桥梁预应力自动张拉系统、桥梁静载试验装置、路基连续压实检测系统、隧道衬砌质量检测系统等，关键工序质量得到有效控制；在人员方面，通过信息化手段强化关键人员入场培训和考核，加强人员资质管理；在材料管理方面，推广应用混凝土生产监控、试验室管理等系统，在源头质量上规避不合格产品进入工程实体；在行业监督方面，应用工程监督系统，实现监督业务的在线管理和掌上办公，为行业监督执法提供新的管理手段。

随着国铁集团纵深推进标准化与信息化“两化融合”战略，智能建造技术的发展对全面质量管理的作用愈发凸显，结合当前我国铁路工程项目管理发展现状，主要建议如下：

（1）工序质量是质量管控的基本单元，在站前专业工序质量信息化管理基础上，有序推进对轨道、四电、站房的数字化装备应用研究。

（2）在推广检验批系统基础上，进一步深化工序质量验收系统研发，通过移动端质量验收手簿，实现工程现场质量验收记录的实时填报和缺陷问题库的数字化管理，提高现场报验流程协同效率，确保数据真实性和及时性。

（3）有序推进静态验收、联调联试等验收交接相关系统的研制推广工作，进一步做好竣工验收阶段质量管理，为运营交接数据传递奠定基础。

（4）在重点项目上推进全面质量管理智能化应用，总结经验，探索全面质量管理的执行模式。

（5）探索铁路工程电子档案的单轨制运行和单套制管理模式，实现建设过程无纸化记录和电子化归档，为基于知识图谱的全生命周期管理奠定技术条件。

（6）基于工程质量大数据资源池，有序开展大数据分析，为全路质量缺陷管理和质量行为管理提供决策依据，逐步形成基于数据驱动的建设管理新模式。

4 结束语

智能建造是现代信息技术与工程建造技术的深度融合，是实现工程建造全过程各环节的数字化、网络化和智能化的新型建造方式，是提升工程品质、控制成本的有效管理手段，是铁路工程全面质量管理的必由之路［9-10］。在系统总结基于智能建造的铁路工程全面质量管理框架体系的基础上，从施工过程中“人、机、料、法、环”5个质量影响因素方面，提出智能建模模式下过程管理方案；从建设监管、监督执法、竣工验收等方面，提出数字化协同管理方案，为国铁集团工程质量管理的进一步提升提出应用建议，以期为我国铁路工程全面质量管理起到指导和借鉴作用。