基于数智化的铁路工程高效益施工组织技术研究

卢春房， 魏 强， 王 鹏

（1.中国工程院，北京 100088；2.中国国家铁路集团有限公司，北京 100844）

1 引言

中国特色社会主义进入新时代，铁路建设特别是高铁建设经历了10余年大规模快速发展，在规划设计、工程建设、技术创新、装备制造、运营管理等方面取得了举世瞩目的巨大成就［1］。2016年制定的《中长期铁路网规划》中提出，到2025年，我国铁路网规模将达17.5万公里左右，其中高铁3.8万公里左右，比2015年底翻一番。到2030年，全国基本实现内外互联互通、区际多路畅通、省会高铁连通、地市快速通达、县域基本覆盖。届时，全国铁路网全面连接20万人口以上城市，高速铁路网基本连接省会城市和其他50万人口以上大中城市，实现相邻大中城市间1～4小时交通圈。到2035年，率先建成发达完善现代化铁路网［2］。随着“交通强国”和“质量强国”战略的提出，我国铁路建设正朝着高质量、高效益的方向稳步迈进［3，4］，对铁路建设管理高质量、高效率、精细化提出了新的要求。“智能铁路”规划建设正在全面展开，以效益为中心的高质量施工组织管理是必然选择。

数智化的实质是通过算法解决多元异构数据在管理中的充分利用问题，使管理提升到数据智能化的水平。随着信息技术的飞速发展，各行各业开始涉足数据智能化，研究数据智能算法，开发数据智能管理平台，实现大数据的充分利用。基于数智化，提高项目工期决策科学性，提高施组安排合理性以及提升施工组织效率，是实现铁路工程高质量施工组织的迫切要求。本文对铁路工程施工组织技术进行系统研究，以提高效益为核心，利用人工智能技术，在科学决策工期、合理安排施组和提升施工组织效率等三个方面，提出针对性的策略建议，为推动铁路建设高质量发展，实现“交通强国、铁路先行”目标提供坚实保障。

2 当前施工组织中存在的主要问题

2.1 建设管理传统思想观念的束缚

传统的建设管理存在着重视工期胜过重视投资效益的惯性思维，项目工期调整往往不计代价。同时，项目工期的变化较投资增减更加形象，社会舆论关注更高，更能体现工作成效。铁路工程施工组织管理更多集中在施工阶段的控制和管理上，更关注工期目标的实现，缺乏基于全生命周期视角的整个项目建设期的管理。

2.2 建设管理体制机制的制约

铁路建设项目的投资一般由国家或国铁集团与地方联合批复，项目资产管理公司前期介入不足，在前期工期和投资效益合理平衡方面话语权偏弱。基于全生命周期投资效益提升和建设成本控制的合理工期确定机制和办法尚未形成。

2.3 多目标管理的协调统一难以平衡

铁路工程施工组织“六位一体”的建设目标管理体系是被实践证明了符合铁路建设发展方向的。实际上，在执行过程中，目标相互间存在矛盾和冲突，实现过程难于协调统一，目标的实现权重往往需要取舍或调整，多目标体系下的科学决策机制还需完善，以有效控制投资，达成和谐统一、各方均等的建设目标。

2.4 施工组织管理亟需发展创新

施工组织管理包括施工技术方案、多种资源配置、信息化管理、动态调整等，主要涉及技术和管理的内容，而较少涉及经济比较分析。在“人、机、料、法、环”等资源组织方面应该引入先进的生产排程算法，现行的工期指标体系应根据不同的环境和技术条件进行细化和更新，在两者的基础上实现以经济技术分析比较为基础的施工组织设计动态优化调整。

总之，传统施工组织已不能适应新时代高质量发展的要求，迫切需要紧跟国家铁路的市场化改革步伐［5］，提升铁路工程施工组织技术，推进铁路工程施工组织创新，以有效降低建设成本，提高投资效益，提升铁路工程施工组织管理水平。

3 铁路工程合理工期技术经济研究

我国铁路建设项目一直以来都存在建设周期较长，建设投资金额巨大，建设时间要求严格，运营收益预测困难等特点。如何科学进行工期决策，更好地实现成本控制与投资收益最大化成为了一个迫切需要解决的现实问题。

3.1 铁路建设项目工期决策的成本效益因素分析

工期管理是铁路工程建设管理重要内容，工程项目能否按时完工关系到其成败，关系到工程项目的收益问题［6］。此外，项目管理的各类目标中，工期目标的显见性高于其他所有的目标，因此在实现成本控制与收益最大化的基础上，确定科学合理的铁路建设工期，是实现铁路建设项目科学管理的重要环节。

为了实现铁路工程项目全过程的科学决策，应从全生命周期角度出发［7］，综合考虑决策、设计、实施和运行等四个阶段中现金流变动情况，即各阶段成本和收益。如图1所示。

图1 铁路工程项目全生命周期示意图

3.1.1 成本因素

成本作为受铁路建设工程项目工期影响的重要因素，主要包括项目立项与设计期、建设期、运营期成本，其中建设和运营两阶段的成本和收益在做工期调整决策时受影响较大，应做重点分析。如图2所示。

图2 铁路工程建设总成本构成

（1）建设期成本构成

在建设期成本中受工期影响的主要有静态投资、动态投资和环境成本。

①静态投资

静态投资中受建设工期影响的成本主要有人工费、设备购置费、材料费、施工器械施工费以及工程用水、电综合价格等。

②动态投资

动态投资中受建设工期影响的成本有工程造价增长预留费和建设期投资贷款利息。

③环境成本

环境成本中受建设工期影响的成本主要有风沙、高原、原始森林、行车干扰等增加费用。但环境成本很难在项目立项与设计阶段精准测量或预测，实际项目预算规划常忽略此部分成本。

（2）运营期成本

在铁路运营期成本中，一般来说主要包括运营作业、基础作业、外部成本三个部分，但铁路建设前期投资巨大，完全偿还贷款一般在运营后才可完成，因此建设单位在工期变动发生后，还需在运营期成本内考虑建设期未完成贷款的利息偿还情况。

3.1.2 效益因素

铁路建设工程项目的自身效益主要体现在铁路开通运营后的时间段内，立项与设计期及建设期效益通常可忽略不计，故铁路建设项目效益主要包括铁路开通运营后的经济效益与社会效益两部分。铁路建设工程效益构成如图3所示。

图3 铁路工程效益构成

3.2 构建铁路建设项目科学工期决策模型

当工期发生调整，建设项目根据经验简单测算工期变动的决策是否可行。核算成本和效益变动的方法一般是根据经验进行静态投资计算，结果往往不够准确可靠。为此，在前述基础上，可明确受工期变动影响的成本和效益构成，通过核算各阶段成本收益，结合净现值法即可评估项目决策经济性，辅助建设项目更好实现成本控制和收益最大化，构建铁路建设项目科学工期决策模型（如图4所示）。为铁路建设项目工期决策提供理论参考与科学方法。

图4 铁路建设项目科学工期决策模型

3.3 工期调整下铁路建设项目成本效益分析方法

3.3.1 铁路建设项目成本变动构成及分析

工期变化导致的铁路建设项目成本变动主要包括方案措施费用变动、管理费用变动、其他费用变动，以及运营期的运营费用变动。方案措施费用变动是指当工期调整而导致的直接费用、间接费用和税金发生变动的成本。管理费用变动是指工期调整导致的包括建设管理等费用发生变动的成本。其他费用变动是指当工期调整而导致的其他有关管理性支出的变动。如图5所示。

图5 铁路建设项目成本变动构成

3.3.2 铁路建设项目效益变动构成及分析

工期调整导致铁路建设项目效益变动主要包括建设期的贷款利息变动，运营期的运营收入变动和社会收益变动。贷款利息变动是指当工期调整而导致利息发生变动的效益。运营收入变动是指工期调整而导致主营业务收入的变动。社会收益变动是指铁路运营所产生的社会经济效益受工期调整影响而发生的变动：铁路建设项目可通过提高项目所在城市或地区的声誉，促进区域间的政治、经济、文化交流，进而带动相关产业的发展，同时还会增加大量就业机会，减少交通事故损失、降低交通污染，等等。此部分社会收益不易量化，需根据各地各项目的实际情况进行测算。如图6所示。

图6 铁路建设项目效益变动构成

3.3.3 工期调整下铁路建设项目成本效益综合分析方法

成本效益分析法（cost benefit analysis，CBA），也称为费用效益分析法，是通过将项目建设过程中产生的全部成本与收益分别转化为相同的货币价值，并通过两者比较来评估项目价值的方法。在成本效益分析法中，常用的评价项目效果的主要指标之一是净现值。净现值（net present value，NPV）是指一项投资所产生的未来现金流的折现值与项目投资成本之间的差值，是常用的项目投资经济效益分析方法。若一个项目的净现值是正的，则从社会经济角度看，该项目是可行的。项目净现值NPV的计算公式如下

其中CIt为第t年项目产生的效益；COt为第t年项目耗费的成本；T为项目的总时间；t为项目当前的时间；r为贴现率。

可以得出铁路建设项目全生命周期净现值公式如下

其中t∈（0，T1）为项目立项期；t∈（T1＋1，T2）为项目设计期；t∈（T2＋1，T3）为项目建设期；t∈（T3＋1，T4）为项目运营期。

当NPV为正值时，现金流入的现值大于现金流出的现值，即建设项目的投资报酬率大于预定的贴现率，项目实施有经济价值；当NPV为零时，现金流入刚好被现金流出抵消，建设项目的报酬率等于预定的贴现率；当NPV为负值时，现金流入不足以偿还现金流出，即建设项目的报酬率低于预定的贴现率，项目实施未带来正向收益。

3.4 建立铁路建设项目科学工期决策系统

基于前述对铁路建设项目工期决策的成本效益因素分析和模型构建，以投资收益最大化为目标，构建科学合理的工期决策系统，如图7所示。系统依托铁路建设项目中各项建设期及运营期数据，结合各线路所在区域地理位置、配套设施情况以及国家相关政策法规，构建铁路建设项目数据库实现对已开通铁路线路全生命周期各项数据的汇总梳理；通过核算各阶段成本收益，结合净现值法即可评估项目决策经济性，辅助建设项目更好地实现成本控制和收益最大化，从而在铁路建设投资效益最大化基础上，更加科学地进行工期调整决策。

4 铁路施工组织计划和施组调整方法研究

4.1 铁路施工进度计划优化

铁路工程建设正从速度规模型向质量效益型转变，铁路施工进度计划方法创新是实现这一转变的重要内容。通过对铁路工程施工进度计划的优化可以实现：为施工进度计划提供科学优化方法，实现铁路工程建设效益优化；为施工进度计划提供自动编制方法，实现铁路工程管理效率优化。

从铁路工程成本优化角度出发，细化各类工程的时序安排，比较分析不同施工进度计划编制方案下成本节约的空间，输出成本最优的施工进度计划方案［8］。

4.1.1 考虑弹性开工时间的施工进度计划

运用弹性开工的思路，以最晚开工时间为目标，针对重难点工程构建铁路工程优化模型，决策施工方向和施工模式，获得各项工程的最迟开始施工时间，输出最小成本的施工进度计划图，如图8所示。

图8 考虑弹性开工时间的施工进度计划

4.1.2 考虑资源均衡的施工进度计划

针对不同类型的工程，以资源均衡为目标，分别设计工程时序的安排方案，构建资源均衡模型，决策施工方向和施工顺序，获得资源均衡下各工程的最优施工时间，输出资源均衡下施工进度计划图，如图9所示。

图9 考虑资源均衡的施工进度计划

4.1.3 基于资源平衡的最优施工时序

以上两种进度计划编排方法各有优势和缺点，针对特定的施工活动，采用针对性更强的方法进行考虑，会使施工进度计划的编排更具有科学性。结合前述两种方法，得到基于资源平衡的最优施工时序方法，既满足了建设方投资控制的目标，也满足了施工方成本控制的目标。具体做法如下：

（1）针对非控制性工程。采用弹性开工的思路，构建工期优化模型。在不影响控制性工程施工前提下，实现非控制性工程最晚开工，获得非控制性工程的进度计划。

（2）以标段为单位，针对各专业工程。以资源均衡为目标，分别设计桥墩、隧道、路基工程的资源均衡算法。在不影响控制性工程、架梁线施工前提下，适当调整专业工程开工时间，获得各项专业工程最优施工方案及其对应施工进度计划，如图10所示。

图10 基于资源平衡的最优施工时序

4.2 铁路典型工程施组调整优化

4.2.1 梁场选址优化

在预制梁场规划过程中，通常存在两类典型架梁断点：运架设备暂时无法通过的控制性工程，如部分特殊结构梁、隧道等；施工相对复杂、交叉作业较多的工点，如车站预压等。

针对桥梁工程密集的施工区段，以整个区段所有梁场总成本最小化为目标，以建场区域、铁路建设工期等为约束，构建数学模型、设计算法，智能化决策梁场的数量、位置、架梁方向和开工时序，并编制施工进度计划，如图11所示。依据架梁断点可将整条线路划分为多个架梁段落，模型用于优化决策一个架梁段落内的梁场选址方案，所有段落的选址方案组合起来即为工程全线的梁场选址方案。

图11 梁场优化选址模型

在选址优化方案的基础上，从制、存、运协同的角度出发，通过模型和智能算法，减小各期制梁数目波动，均衡各生产期内的产能投入，降低产能峰值，平衡制、存梁峰值两项指标，从而优化各个梁场的建设规模，节约梁场的设施配置和征地、复垦等成本，如图12所示。

图12 梁场优化框架

4.2.2 轨道板厂／轨枕厂规划优化

从已建板厂的角度出发，获取成品板与轨枕的运输费用构成和相关定额，分解细化新建预制厂的建厂费用、生产费用等相关成本，构建轨道板场、轨枕厂新旧厂比选模型，测算其经济的供应范围，提出一种轨道板厂、轨枕厂新旧厂比选的规划优化方法，优化框架如图13所示。

图13 轨道板厂／轨枕厂优化框架

4.2.3 隧道洞渣利用优化

隧道洞渣是开挖过程中的必然产物，而隧道洞渣数量巨大、对环境影响大、处理费用高昂［9］。解决好铁路隧道洞渣利用问题，将提升工程建设项目的科技含量和环保水平，对铁路建设起到示范和引领作用，并且可以实现资源节约，带来良好的经济效益和社会效益。

（1）隧道洞渣利用方式。隧道洞渣的利用有减量化、资源化、无害化三大方式，如图14所示。其中资源化为目前铁路工程建设中主要的利用方法，主要包括路基填筑、机制砂石、社会化利用。

图14 隧道洞渣利用方式

（2）隧道洞渣利用要点。隧道洞渣与施工进度计划紧紧关联，需要在满足施工时序条件下安排路基的开工时间与隧道洞渣利用方案，并且达到成本最小的目标，具体思路如图15所示。

图15 隧道洞渣利用思路

隧道洞渣利用是要解决施工时序的矛盾问题，特别针对路基填筑方面要把握以下重点：

（1）合理安排路基工程开工时间。开工时间不影响紧后工作；开工时间考虑隧道洞渣的利用；开工时间考虑路基的填筑量需求。

（2）合理安排隧道洞渣的利用方案。路基填筑采用的隧道洞渣有等级要求，如Ⅴ级围岩的隧道洞渣不可用于路基填筑；路基填筑一般采用开工时间较早的隧道洞渣；路基填筑一般就近采用附近的隧道洞渣，处于填筑的经济半径内的隧道洞渣均可考虑用于路基填筑。

隧道洞渣的利用实现了三大益处：节约采购成本、节约征地成本、创造社会效益与生态效益。

5 铁路工程进度指标体系及智能管理系统研究

通过构建完善的施组指标体系，利用既有施工数据，进行数据挖掘，预测各种影响因素的影响［10］，同时得出本工序现有施工技术下的工期指标，实现工期指标的精细化，从而对施工进度进行优化管理，提升施工组织设计水平。依照施工工序，考虑外部环境、技术条件、组织管理水平、企业资源配置等人、机、料、法、环等因素［11］，编制出项目最优化的施工组织方案，可实现资源优化配置，提高管理效率。

5.1 识别工期影响因素

我国幅员辽阔，铁路已覆盖全部地区，跨越5个气候带，地质差异巨大，外部环境、技术方案、组织管理、资源配备等对工期影响巨大，精细化工期管理需要定量考虑各类因素的影响。全面、系统地识别项目建设工期影响因素，是实现预测工期指标、合理评价建设工期和优化工程进度管理的基础。影响因素识别是把对铁路工程建设工期可能产生影响的各种因子，逐一识别、分类和过滤，建立等级全息模型，从可控和不可控两个维度，对铁路的工期影响因素进行全面的识别，如图16所示。

图16 铁路工期影响因素框架模型

工期影响因素按组织管理、技术方案、资源配置、外部环境四大类进行划分，并进一步细化，涵盖建设主体、人、机、料、法、环等多个方面。

（1）组织管理。主要体现建设、施工单位的管理水平和项目的建设模式，是对总工期产生影响的因素。

（2）技术方案。涵盖了建设标准、征地拆迁、设计施工技术等，都会对工期产生直接影响，施工工法、特殊设计体现了新技术新方法对施工组织的影响。

（3）资源配置。资源配置是一项重要影响因素，可以通过投资收益、优化资源配置方案等，合理优化组织指标，实现效益最大化。

（4）外部环境。外部环境主要是指地形、地质、气候等自然环境，以及环保、政策、人文等社会环境带来的影响，部分是不可控因素造成的影响。

5.2 建立工期指标体系

结合工程特点，基于实用性、可获取性、层次性、可拓展性原则，考虑实际管理需求情况及现有指标体系的不足，建立三个层级的施工进度指标体系，一至三级施工进度指标逐渐深化、细化，满足各个建设阶段对施工进度指标的不同管理需求，如图17所示。并构建全专业工期指标体系，实现工期指导的全覆盖，提高各专业施工管理效率，如图18所示。

图17 工期指标体系

图18 全专业工期指标框架

同时，建立施工进度指标体系编码，集合了铁路工程量清单、EBS编码、概算编制办法等标准的特点，采用与工程量清单及EBS编码相似的层次码编码原则，方便现场数据的收集整理。通过建立与EBS关联关系，方便进度指标与BIM 技术的结合。根据指标体系，考虑影响因素，实现数据驱动的工期指标预测。

5.3 构建工期指标数据库

以铁路工程管理平台为载体，建立施工进度信息数据库，如图19所示，对各类与施工进度相关的数据进行梳理，完成数据增量采集、更新、关联等操作，实现工期指标数据管理及数据挖掘的应用。

图19 施工进度信息数据库

通过数据、案例的不断输入，积累施工历史数据，进一步挖掘分析，更新施组指标值，指导优化资源配置与工期的合理安排，提高施工效益。

5.4 建立施工组织智能管理系统

施工组织智能管理系统应根据高速铁路管理的业务流程及管理内容，运用系统性思维进行设计，包括进度指标数据库、施工组织设计智能编制、施工组织动态管理、施工组织风险管控、施工组织动态调整、施工组织评价反馈等内容，实现进度指标自动调整、施工组织设计自动编制、风险因素自动识别、施工进度跟踪预警、工期调整自动分析等功能。其架构如图20所示。

图20 施工组织智能管理系统架构

6 结语

以提高效益为核心的高质量施工组织管理技术创新方法为铁路工程建设管理提供了更加科学，更加合理，更加符合实际的新思路和新策略。本文提出了工期决策方法、施组计划和资源组织方法，以及工期指标体系与数据库，对工期的科学决策、施组的合理安排以及施工组织效率提升方面具有极强的针对性，并构建了施工组织数智管理系统架构，完善了当前铁路工程施工组织设计管理体系，有力推动了铁路工程施工组织的高质量发展。