艰险山区铁路桥隧工程技术接口信息交换水平评价

王朋利,王 琳,刘 佳

(兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070)

铁路工程是涉及多学科、多门类、综合性的复杂系统工程，需多专业协调衔接、多工种交叉作业、多方参与配合[1]，因而各专业间存在大量需要互相衔接的技术接口[2]，加之艰险山区极端恶劣的地质环境条件[3]，使得技术接口施工难度更大，复杂性更高。然而，由于存在各参与方工程目标不完全一致、工程利益冲突、信息交换不畅等原因，技术接口问题在建设过程中逐步显化，导致不必要的成本浪费和工期拖延，甚至会影响工程质量[4-5]。艰险山区铁路工程技术接口的复杂性和众多的接口参与方进一步加大了艰险山区铁路技术接口管理的难度，因此，如何采取有效措施对技术接口进行管理，降低技术接口问题对建设质量、工期等目标的影响显得尤为重要。

近年来，许多专家学者已对接口管理做了大量研究，如SHA’AR等[6]识别了对项目接口有关键影响的十大因素；LIN等[7]建立了一个基于BIM的CMI系统来管理接口问题以提高工作绩效。而铁路工程方面对接口管理的研究大多着眼于整体管理，如刘环宇[8]提出了一种整体结构化接口分析的方法，解决高速铁路接口管理面临的问题；肖莹[9]从项目全生命周期角度探讨了全阶段的接口管理；而SENARATNE等[10]研究表明，工程项目实施中出现的问题半数与信息交换有关，接口管理问题也反映在接口的信息交换上[11]；齐英[12]以项目质量、进度和投资关键指标为基点，研究接口对关键指标的影响，并指出接口信息对接口管理有重大影响；AL-HAMMAD[13]对工程接口问题进行了深入探讨，指出项目各参与方之间信息传递不畅是接口问题的主要原因，会直接影响到项目的质量。信息交换作为接口管理的重要部分，能确保项目内外部以及各参与方之间彼此交流技术接口质量、进度等情况，分析接口存在的问题。加强接口参与方的信息交换，了解各参与方的技术接口信息交换情况，可使接口管理部门有的放矢[14]，更加有针对性地进行接口管理。许多学者关注到了信息交换对接口管理的重要作用，却鲜少有针对接口信息交换水平评价的研究。

鉴于此，以艰险山区铁路桥隧工程技术接口为研究对象，从效率和效果两方面对技术接口的信息交换进行评价。利用DSM结构识别出桥隧工程的技术接口，基于信息沟通理论建立信息交换水平综合评价指标体系，并运用IFAHP为评价指标赋权。最后，通过二维云模型确定技术接口信息交换水平，借助MATLAB绘制综合评价云图，直观反映综合评价的结果。

1 技术接口的信息交换

在铁路工程建设过程中，存在大量需要两方或多方协调的部分，如工程实体间的衔接、施工工序间的交结、参建单位间的协调配合等，这些需协调的部分称为接口[15]。根据接口性质，可将其分为组织接口、技术接口和合同接口。技术接口是系统中相互关联的子系统在时间和空间上彼此的技术要求和匹配条件[16]。

利用任务导向的DSM进行精确识别桥隧工程的技术接口，包含各项接口任务及各接口任务间信息交换[17]。桥隧工程技术接口任务的顺利完成，依赖于信息在桥隧工程之间的有效交换[18]。信息交换是指信息在参与方之间的流通和传递，桥隧工程技术接口信息交换过程如图1所示。

图1 接口信息交换过程

在以接口任务导向的DSM中，以进度计划中工作发生的时间先后为依据，若桥梁和隧道工程在某工作任务产生信息流(信息交换)，说明桥隧工程存在接口，在DSM矩阵中赋值为1，不存在接口赋值为0。将桥隧工程的技术接口用n阶DSM(i，j)n×n表示，n为桥隧工程接口任务数量，i和j为桥梁工程和隧道工程的接口任务。DSM对角线以下的元素表示信息由先发生的任务向后传递，属于信息前馈；对角线以上的元素表示信息反馈。在工程实施过程中，将进度计划中桥梁专业承包商BC需与隧道专业承包商TC进行信息交换的工作表示为接口任务BU，对应TC的接口任务为TU。BC的接口任务为BU1， BU2，…，BUn，TC的接口任务为TU1，TU2，…，TUn。技术接口识别见图2。

图2 基于接口任务的接口DSM

两个专业间接口任务的有向连接线表示接口信息交换关系，接口任务和连接线构成两个专业之间的技术接口。一个技术接口(以BU1和TU1为例)信息交换过程如图3所示。

图3 一个接口信息交换过程

2 信息交换水平评价指标体系构建

接口信息在两个专业间交换会受到多种因素影响，这些因素既保障了接口的信息交换，也制约着信息交换的效率和效果。参考现有文献[19-20]，并结合技术接口信息交换的特征，考虑艰险山区信息交换的实际情况，从信息交换渠道、信息传递能力、信息交换质量、信息交换主体和信息交换速度5个方面出发，筛选出18个信息交换制约因素，建立技术接口信息交换水平综合评价体系，如图4所示，具体描述见表1。

图4 技术接口信息交换综合评价体系

表1 技术接口信息交换指标内容描述

3 基于IFAHP-二维云模型的信息交换水平评价

3.1 IFAHP确定指标权重

直觉模糊层次分析法(IFAHP)以直觉模糊集理论为基础，引入犹豫度的概念，使权重的确定更合理。同时，无须重复打分，调整没有通过一致性检验的判断矩阵使之满足一致性检验，弥补AHP的不足[21-22]，故利用IFAHP对指标赋权。IFAHP判断矩阵构造标度见表2。

表2 判断矩阵构造标度

IFAHP法计算步骤如下。

Step 1：构建直觉模糊判断矩阵M

专家依据表2判断指标i和指标j的相对重要程度，将专家判断数据转化为直觉模糊数，构造直觉模糊判断矩阵M，如式(1)所示。

(1)

其中，n为评价指标个数。

Step 2：判断矩阵一致性检验及修正

(2)计算M是否通过一致性检验

(4)

(3)引入修正因子

M′=(m′ij)n×n，m′ij=(μ′ij，υ′ij)

(5)

其中，

Step 3：计算指标权重

(6)

最终，得到量化指标权重ωj，见式(8)。

(8)

3.2 基于二维云模型的评价模型

3.2.1 二维云基本理论

云模型有3个重要的描述特征量值，为Ex，En和He。Ex表示期望，描述云滴的定性特征；En表示熵，度量云滴定性特征模糊性的范围；He表示超熵，是En的熵，能够反映云滴凝聚性，体现出定性特征的模糊度和随机度[23-24]。二维云模型可以综合描述评价2个维度因素共同影响的随机性和模糊性问题，通过将2个一维云模型合成二维云，解决单一维度无法全面描述问题的弊端。

假定F为二维随机函数，其分布服从正态分布，Ex和Ey表示两个维度样本的期望值，Enx和Eny分别表示其标准差。符合式(9)云滴drop(xi，yi，μi)构成的二维云模型，称为二维正态云模型。

(9)

式中，xi和yi为云滴坐标；Pxi和Pyi为条件云滴坐标；μi为隶属度。

3.2.2 标准云

通过咨询专家、查阅相关文献及成果[25]，将指标以十分制评分，并均分为5个标准评级区间，各评价等级为V={优秀，良好，一般，较差，极差}。评级区间取值范围、等级描述和数字特征如表3所示。标准云的数字特征计算见式(10)。

表3 标准云评价等级及数字特征

(10)

3.2.3 综合评价云

接口信息交换水平由信息交换的效率和效果共同反映，以前文选取的评价指标为度量，以信息交换水平的效率等级和效果等级作为综合评价结果的二维基础变量进行分析。邀请有丰富经验的专家对指标打分，打分精度取0.1。每个指标的效率和效果得分值分别形成相应的云滴，全部云滴组成该指标体系的效率云和效果云，称为二维综合评价云。综合评价云的数字特征如式(11)，运用逆向云发生器形成二级效率云和效果云的数字特征。

(11)

式中，Ex为样本期望；t为样本数量(专家数量)；xk为第k位专家的打分值；En为熵；He为超熵；S2为样本方差。

将IFAHP算得的效率权重矩阵和效果权重矩阵分别与对应的数字特征矩阵相乘，得到一级效率云和效果云的数字特征，见式(12)。

(12)

式中，Ex＇，En＇和He＇分别为上一级评价指标的期望、熵和超熵。

3.2.4 综合评价云图

将一级综合评价云的数字特征键入MATLAB，利用正向云发生器生成综合评价云图，将综合评价云图与标准云图对比，初步探得技术接口信息交换水平的等级。

3.2.5 贴近度

为避免综合评价云图与两个等级的标准云图都具有相近性从而影响对评价等级的判断，利用式(13)计算综合评价云图和5个等级的标准云图贴近程度，选取最大贴近度为最终评价等级。

(13)

4 实例论证

4.1 工程概况

选取拉林铁路站前工程9标段的达嘎啦隧道和洞嘎雅鲁藏布江大桥间的技术接口进行研究。本工程标段位于藏南谷地高山区，山高谷深，高寒缺氧，气候极端恶劣；沿线断裂构造发育，断层带多且宽，建设条件十分艰险。受地质构造剧烈运动影响，达嘎啦隧道存在诸多不良地质，对施工产生了巨大挑战。达嘎啦隧道是该标段的重难点工程，该隧道技术接口是接口管理的重中之重。达嘎啦隧道进口紧邻洞嘎雅鲁藏布江大桥桥台，参考该标段的施工组织设计，利用DSM对达嘎啦隧道和洞嘎雅鲁藏布江大桥之间的技术接口进行识别，见表4。

表4 桥隧工程技术接口识别

4.2 确定指标权重

邀请 8 位有丰富铁路工作经验的专家跟踪桥隧工程技术接口的管理情况，受邀者中，有2位是分别拥有10年和7年经验的铁路站前工程施工的项目经理，2位曾负责过铁路站前工程项目经历的大型铁路公司高层领导，2位在铁路行业工作3年以上的土木工程师，1位交通运输专业领域研究铁路系统接口的学者，以及1位工程管理专业领域学者。根据实地调研对指标信息交换的效率和效果进行打分，效率和效果得分记为x1/x2，具体打分情况见表5。

表5 效率等级和效果等级得分值

以信息交换指标效率权重计算为例，简化计算过程截取部分重要步骤如下。

Step1：邀请8位专家对指标的重要性进行两两比较，得到其直觉模糊数，取8位专家打分平均值作为最终直觉模糊数。根据式(1)得到直觉模糊判断矩阵M为

(14)

Step2：借助MATLAB软件，对M进行一致性检验，检测其是否满足一致性要求。

(15)

Step 3：计算指标权重

根据式(6)～式(8)，利用MATLAB软件，计算得到综合评价效率云的二级指标IFAHP权重为ωxl2=(0.069 7，0.075 4，0.076 4，0.061 9，0.044 3，0.072 3，0.056 7，0.059 5，0.054 6，0.050 9，0.064 4，0.047 9，0.057 2，0.045 7，0.050 5，0.041 9，0.037 8，0.032 9)，一级指标权重为ωxl1=(0.145 1，0.311 6，0.165 0，0.215 2，0.163 1)。

同理，得到效果云的二级指标IFAHP权重为ωxg2=(0.074 9，0.072 5，0.069 7，0.055 6，0.046 7，0.074 9，0.041 9，0.060 8，0.057 9，0.038 2，0.073 7，0.055 8，0.059 7，0.061 9，0.046 8，0.038 9，0.035 6，0.034 5)，一级指标权重为ωxg1=(0.147 4，0.288 8，0.156 9，0.251 1，0.155 8)。

4.3 综合评价云分析

将二级指标的分值代入式(11)得出2级效率云和效果云的数字特征；再由式(12)得1级指标评价云的数字特征，进一步得到信息交换水平综合评价云的数字特征。

将算得的综合评价云数字特征和标准云数字特征输入MATLAB中，利用正向云发生器代码生成三维综合评价云图，如图5所示。

图5 综合评价云图

为使综合评价等级更清晰，给出信息交换水平的综合评价云俯视图，如图6所示。

图6 综合评价云俯视图

4.4 贴近度计算

根据式(13)，计算综合评价云与标准云的贴近度。计算结果为D1=0.134 7，D2=0.215 5，D3=0.557 2，D4=0.968 8，D5=0.259 7。根据贴近度的计算结果，“良好”的标准云与综合评价云的贴近度最大，即综合评价等级为良好。

5 结论

(1)通过对艰险山区铁路桥隧工程技术接口的信息交换进行深入分析和研究，结合信息沟通理论分析桥隧工程技术接口信息交换的效果和效率，建立了艰险山区铁路桥隧工程技术接口信息交换水平评价指标体系。

(2)通过使用IFAHP模型确定指标权重，使权重突出体现艰险山区桥隧工程技术接口施工信息交换的特性，并利用二维云模型和MATLAB软件从效率和效果两方面对桥隧工程技术接口信息交换水平进行了综合评价，得出该评价对象的隶属等级。

(3)通过对拉林铁路达嘎啦隧道和洞嘎雅鲁藏布江大桥的技术接口信息交换水平进行评价，得到技术接口信息交换的水平处于良好等级，技术接口的信息交换水平有待优化提升。为桥隧工程技术接口的管理提供一定理论参考。