铁路桥隧工程技术接口风险因素分析

鲍学英,赵金霞,班新林,许见超

(1. 兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070; 2. 中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所,北京 100081; 3. 高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京 100081)

0 引 言

铁路工程建设具有桥隧占比高[1]、技术接口数量浩繁、参与方众多、技术复杂、施工难度高等特点;且沿途地形起伏剧烈、地势复杂、环境恶劣,使得桥隧工程技术接口存在着较大风险。若技术接口风险管理不当,则可能会造成工期拖延、返工、费用增加、质量缺陷等问题,继而会引发更为严重的风险事故。因此,为加强重点风险防控,减少事故发生率,有必要对铁路桥隧工程施工过程中存在的技术接口风险进行深入研究。

近年来,国内外学者已对接口风险进行了大量研究。如:朱启超等[2]运用霍尔三维模型对接口管理进行了分析,并将接口风险分为结构性接口风险、信息传递接口风险和管理者能动接口风险这3类;W.NESREEN等[3]运用多元回归分析模型对接口问题因素和项目绩效指标之间的关系进行了分析,开发了一种新的接口风险分析模型;M.H.A.MOUSLI等[4]和K.Z.SHAAR等[5]分别对建设项目中的设计-施工接口风险进行了系统地识别和分类,并实证分析了这些风险;JU Qianqian等[6]分析了业主和多个总承包商之间的接口关系,提出了通过价值优化策略和综合交付项目模式来解决接口冲突问题,从而降低了项目交付延迟和成本超支的潜在接口风险;S.SHOKRI等[7]将关键IP与接口里程碑连接起来,用来识别与进度相关的风险并减轻其不利的影响;何晓源[8]为提高桥梁接口管理水平,对桥梁工程接口进行了风险评价,从而得出伸缩缝、挡砟墙、施工预留等接口风险较高的结论,并制定了相应策略;谢飞等[9]通过对接口风险影响因素进行了科学系统的识别,采用ISM法对因素之间的关系进行了充分分析,并运用Fuzzy-ANP方法对因素指标进行评价。综上所述,现有研究主要是集中在对接口风险识别和分类上,且大多是对单一接口风险因素进行分析,只能得到单一风险因素的权重信息,没有深入挖掘风险因素之间的关系,不能充分体现出风险因素及相互作用的内在机制,对桥隧技术接口风险研究更是鲜见。

笔者基于相关分析和接口风险管理理论,结合艰险山区铁路桥隧工程项目特点,通过识别桥隧工程技术接口风险因素,运用决策验室(DEMATEL)法和解释结构模型(ISM)对接口风险因素之间的相互作用进行分析,并构建了分层网络模型;运用贝叶斯网络模型(BN)来量化各因素间相互作用强度,从而系统、深入的理解接口风险信息,有效减少或预防风险发生,提高技术接口风险管理水平。

1 技术接口风险因素识别

接口风险本质上是来源于接口的边界属性,正是由于接口的属性会导致风险。琚倩茜[10]认为:工程接口通常具有技术、责任、时间和空间属性,在各个接口属性共同作用下,接口属性的匹配问题就显化为各类接口问题;王琳等[11]以物理、事理、人理(WRS)系统方法论为基础,对铁路施工技术接口冲突影响因素进行了全面识别;张精忠[12]对大型工程项目的19个具体施工接口风险进行了识别,并将这些风险归纳为物理接口风险、管理者能动接口风险和环境接口风险这3类。基于此,笔者从物理风险、管理者能动风险、环境风险这3个维度出发,对技术接口的风险因素进行了识别。

1.1 物理风险

物理风险是由各个流程和实体之间协调不当而产生的风险,这些因素都与施工阶段的客观因素密不可分。由于技术接口之间存在功能上和空间位置上的交叉衔接,接口之间有一定的逻辑关系,即只有前一个接口完成后,才能执行下一个任务。但若不同的施工单位只关注自己的物理部分,而忽略与其他流程的交接,就会出现前道工序预留的孔、洞、沟、槽位置误差偏大等问题,导致工程实体在空间衔接上产生冲突;当其中一个技术接口发生问题或需要变更时,就会导致其他技术接口出现停滞、冲突或返工现象,从而引发连锁反应,引起整个项目工期延误等。

1.2 管理者能动风险

管理者能动风险是由人的管理造成的风险。铁路工程实施过程中参与方众多,各个接口参与主体之间由于缺乏协调合作和沟通,甚至相互提防、敌视,这使得相关方往往不能全面了解与其关联专业的需求,导致各专业及施工活动间缺乏搭接的连续性,在接口上产生争端和冲突,从而延长了工期和增加了质量风险。相关施工单位因冲突变更反馈处理能力和接口施工技术水平高低也会影响相关接口的实施,从而导致了接口风险的发生。此外,合同期间施工组织设计搭接、工作范围划分和资源分配等因素若未能有效管理,都会增加接口风险的可能性。

1.3 环境风险

长期正常的建设活动需要比较稳定的外部环境,环境因素会直接或间接影响接口交互的复杂性,从而提高了接口风险。比如:在不良地质灾害、高寒缺氧、地震频发等环境下极易影响接口施工的质量,接口施工好坏将直接影响工程整体;同时这些不利情况发生可能会造成新接口产生,从而扰乱了已经计划好的相关接口,这也就意味着技术接口活动的变更、误工和返工的风险。同时,除了考虑施工现场恶劣天气和复杂地质问题等常见的环境因素外,政策环境和经济环境也不容忽略。

通过以上对技术接口风险分析识别出影响技术接口的风险因素,如表1。

表1 技术接口风险因素

2 技术接口风险因素分析

DEMATEL法是确定风险因素之间相互关系的有力工具,但它无法确定复杂系统的层次结构;在揭示因素之间逻辑层次方面,ISM法优于其他方法,正可填补DEMATEL法的不足之处;但这两种方法是定性分析各因素之间的相互作用,无法预测这种关系的强弱。BN法是一种用于处理不确定复杂问题的推理和数据分析方法,基于概率统计通过量化关系强度来进行风险控制[13]。

由于接口风险本身具有复杂多变的特性及各因素之间存在着错综复杂的相互关系,故笔者采用DEMATEL、ISM和BN相结合的方法,从定性和定量角度出发,分析了各接口风险因素之间的依存关系。为避免专家评分的主观性,笔者引入了三角模糊数(TFN)概念,该概念使用文字对变量进行描述(也称为语言变量),将专家模糊数据的评估结果量化为清晰分数(CFCS)[14]。具体步骤为:

Step 1：计算初始直接影响矩阵。根据专家打分法,评估各个影响因素间关系的强弱,得到初始直接影响矩阵。笔者将各风险因素影响程度分为:0(没有影响),1(影响很小),2(影响较小),3(影响较大),4(影响很大)这5个等级。

表2 评价语言术语与三角模糊数转化

Step 3：去模糊化处理。具体操作如下:

1)标准化处理

(1)

(2)

(3)

2)计算右标准值

(4)

(5)

3)计算总标准精确值

(6)

4)计算清晰值

(7)

5)计算p位专家意见总清晰值

(8)

Step 4：建立综合影响矩阵

根据式(1)～式(8)进行去模糊化处理得到直接影响矩阵X′,再根据式(9)进行归一化处理,得到矩阵M(M=[mij]n×n),利用式(10)计算综合影响矩阵T(T=[tij]n×n)。

(9)

T=M(E-M)-1

(10)

Step 5：各因素之间影响程度

在建立综合影响矩阵基础上,通过式(11)计算出各因素影响度Ai、被影响度Bi、中心度Zi和原因度Yi。其中:若Yi>0,则表明示原因因素;Yi<0,则表示结果因素。

(11)

Step 6：建立总体影响矩阵

利用式(12)计算整体影响矩阵,其中I为单位矩阵。

H=T+I

(12)

Step 7：确定可达矩阵

根据总体影响矩阵H确定阈值λ,λ的目的是消除影响较小因素,简化影响因素的系统结构。可根据式(13)计算可达矩阵X(X=[dij]n×n)。

(13)

式中:λ=α+β。

α、β为矩阵T中元素的均值和标准差[15]。

Step 8：构造层次模型

根据可达矩阵X和式(14),可得到技术接口风险因素的可达集R、先行集S和公共集Ri,从而建立层次网络模型。

(14)

Step 9：将上述因果关系图映射到Netica进行结构建模转换,建立BN结构,如图1[16]。

图1 贝叶斯网络结构转换

Step 10：BN参数学习

基于专家经验确定父节点的先验概率和各层节点之间的连接概率。利用noisy-OR gate模型可得到整个网络的条件概率表(conditional probability table, CPT),用来表示变量间数字逻辑转换,其中包含了每个变量在给定其父节点的条件下可能取值及对应概率。通过计算CPT,可从数据中推断出变量之间的潜在关系,从而更好地理解系统行为并进行预测。

3 案例分析

3.1 工程概况

笔者选取拉林铁路LLZQ-7标段工程作为研究对象。该标段线路始发于横跨桑加峡谷的藏木雅鲁藏布江双线大桥大里程桥台,通过安拉隧道穿越山脉,桥梁共12座,特长隧道共3座。该区域位于青藏高原东南部,具有山势险峻、沟谷纵横狭窄、气候类型复杂等特点,所产生的技术接口多、安全风险高、施工难度大,故技术接口风险因素也多。通过分析各个风险因素之间的依存关系,可增强管理者对复杂事故致因系统理解,减少风险发生。

3.2 DEMATEL建模

基于DEMATEL分析计算风险因素值,考虑指标之间关系,邀请10位专家用语言量表描述因素之间关系。基于式(1)～式(10)确定综合影响关系矩阵T(表3),这为构建ISM模型提供了依据。

表3 技术接口风险因素综合矩阵

利用式(11)得到各因素的影响度、被影响度、中心程度、原因度(表4),并基于上述求解结果创建了接口风险因素的因果图,如图2。

图2 风险因素原因-结果

表4 技术接口风险因素测算结果

中心值越大,则该因素在评价因素体系中的重要性越大。图2中:因素X4、X5、X8、X11、X13的中心值相对较大,这表明它们在接口风险系统中更为重要;因素X5、X8、X11、X13、X20是容易影响系统中其他风险的原因因素,在控制此类风险时,需要重点切断其传导过程;因素X2、X3、X4、X7、X10是容易受其他风险影响的结果因素,在系统中需要避免其受到其他因素干扰,减少系统风险出现。

3.3 ISM建模

基于构建的技术接口风险ISM模型,如图3。由图3可知:因素X2、X3、X7、X17位于顶层,不会影响其他因素,且在风险分析中很容易被察觉,故被称为直接因素;其中:因素X2、X3与其他因素关系最为密切,因素X2中心度最高,是桥隧工程技术接口一个重要的风险因素。铁路工程接口实施是一个典型的协同过程,各技术接口任务活动之间存在着紧密关联,一旦出现工期和质量问题、衔接冲突和缺乏及时处理措施就会增加事故风险。因此,通过管控此类风险因素,并采取有效措施,能极大的降低该工程的整体风险。

图3 技术接口风险因素解释结构模型

因素X1、X4、X6、X8、X9、X10、X12、X13、X14、X15、X18、X20、X21处于网络模型中间,既能影响其他因素,又能受到其他因素影响,故定义为过渡原因。其中:因素X6、X8、X11、X13、X14、X15、X20、X21为原因因素,这些因素很容易影响其他风险因素,其余为结果因素;因素X4、X8、X10的中心位于过渡层前端,属于关键因素,对桥隧工程技术接口风险有着重要影响。铁路工程这种信息密集型项目保持畅通的沟通渠道是良好协作的基础,通过有效沟通可解决信息在各方之间的有效传递。设备采购信息、技术参数、尺寸规范、设计图纸等都属于信息,一旦沟通渠道不畅就会导致实体接口处尺寸存在差异、技术参数不匹配、施工预留有误等风险的产生或增加。虽然这些因素不是桥隧工程技术接口风险的直接原因,但它们之间复杂的线性作用将导致系统处于不稳定的风险状态。

因素X5、X11、X16、X19位于最底层,且仅对其他因素产生影响,不受其他因素影响,这些因素在桥隧工程技术接口风险管理中非常重要,但并不十分明显,故定义为本质原因。其中:因素X11、X16的原因度比较高,表明该因素对其他风险因素影响最大,是桥隧工程技术接口风险控制过程中需要考虑的最重要因素。

由于接口风险管理目标的实现是依赖于其他系统或专业间的协调与配合,而设计过程是循环和迭代的,施工过程是线性和顺序的,一旦出现施工组织设计不协调,就会引发工程变更、返工和延误等风险。本质原因是系统中低水平风险因素,控制这些风险因素虽不会立竿见影,但对桥隧工程接口风险具有根本影响,是根本因素。

3.4 BN建模

BN模型通过集成DEMATEL-ISM方法,并映射到Netica进行结构建模转换。由专家组定义各因素状态,将目标节点Z(桥隧技术接口风险)分配给分层网络模型。目标节点Z有4个直接因素,分别为X2、X3、X7、X17,其中:Z和它们有发生(Y)和不发生(N)这2种状态,其他因素则有高(H)、中(M)、低(L)这3种状态。借助专家知识及历史经验确定父节点初始概率和各节点间条件概率,得到节点间依赖关系概率(CPT)。以子节点因素X7为例,X7发生(Y)和不发生(N)这2种状态与父节点X11、X14之间的依赖关系CPT如表5。

表5 子节点因素X7与父节点因素X11、X14的依赖关系

通过这种方式,可计算出其他节点的概率,并将其条件概率表CPT导入Netica软件转化为条件概率分布,通过概率更新计算得到桥隧技术接口风险因素的BN拓扑,如图4。

图4 BN模型的分析结果

3.5 结果分析

3.5.1 利用正向因果推理

由图4可知:拉林LLZQ-7技术接口风险Z的发生概率为51.4%,表明未来总体风险水平可能很高。不同情况下技术接口风险的发生概率如表6。

表6 不同情况下技术接口风险的发生概率

由表6可知:当每个节点处于高风险状态时,接口风险发生概率水平增加;当处于低风险状态时,该工程整体接口风险发生的概率水平降低,并根据每个父节点的初始概率,变化范围也不同,该结论也符合实际情况。因此,在工程施工中可提前建立项目的BN模型,并结合风险因素实际情况及时输入到模型中,提前了解风险发生概率并及时采取措施,降低风险的发生。

3.5.2 BN逆向推理

根据BN逆向推理,将目标节点Z概率设置为100%,即发生技术接口风险,通过BN诊断功能推断出各风险因素的后边缘概率,如图5。由图5可知:最近似的原因链为团队间协作程度→沟通渠道不合理,信息传递不畅→不同专业工种之间缺乏配合→程交接预留、预埋等有误→工程实体无法衔接或空间位置冲突→Z。其中,团队间协作程度和沟通渠道不合理,则信息传递不畅发生的概率越大,对接口风险发生影响也越大,故应对此类风险进行重点监控与防范,必要时进行风险减轻、风险转移等策略,从根本上降低风险发生概率。

图5 贝叶斯网络逆推结果

4 结 语

笔者基于相关分析和接口风险管理理论,从物理风险、管理者能动风险、环境风险这3个维度系统识别了技术接口的风险因素,运用DEMATEL和ISM相结合方法,研究了风险因素的相互作用和层次关系,得到了风险因素因果图和层次网络图,这有助于提高对桥隧接口复杂系统的理解,识别关键风险因素,并帮助管理者做出正确决策。

通过BN模型量化目标事件风险因素之间耦合关系强度,确定导致桥隧工程技术接口风险发生的最接近原因路径为:X16→X8→X1→X4→X2→Z。结果表明:团队间协作程度是拉林铁路技术接口风险的最常见来源;施工组织设计衔接不协调、工程交接预留、预埋等有误和沟通渠道不合理信息传递不畅等是导致桥隧工程技术接口风险发生的关键因素,与其他风险因素之间存在密切关系。