艰险山区铁路桥隧技术接口悬挂威胁等级评估

鲍学英,魏代磊,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,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

艰险山区铁路建设需要面对崇山峻岭、地形高差、地震频发、复杂地质、季节冻土、高原缺氧及生态环保等一系列建设难题[1]。铁路沿线桥隧工程占比大,且成群密集分布,桥隧连接形式复杂多变,桥梁和隧道工程间存在大量技术接口[2](指相互关联的专业与专业间在时间、空间上的相互技术要求和匹配条件),其数量和复杂程度呈指数增长,导致技术接口管理难度加大,管理效率低下。

相关专家学者针对接口管理做了大量研究。文献[3]针对台湾轨道交通工程复杂技术接口,从工期的角度出发,根据施工记录总结出11类导致工期拖延的问题,表明54%的工期拖延由相关接口问题引起;文献[4]针对工程项目不同参建方之间的具体接口关系和接口问题进行了探讨,按工程实施逻辑顺序和目标导向原则将接口问题进行分类,通过对来自业主方、设计方、总包方、分包方和运营维护方的102份调查问卷的分析,总结出19类工程项目不同参与方之间的接口共性问题;文献[5]通过接口管理矩阵(DSM)初步划分工程接口关系,提出了基于接口功能系数、接口成本系数和接口迭代系数的关键接口识别方法,同时定义了接口实施过程中的5种节点状态。

基于上述分析可知:现有研究侧重溯源分析,针对项目实施过程中的具体工程问题进行逆向追踪分析,充分论证接口管理的必要性,但缺乏对特殊地区、特殊环境及特殊工程技术接口的管理研究。

鉴于此,以艰险山区铁路桥隧工程技术接口作为研究对象,利用工作分解结构(WBS)和施工组织设计文件对桥隧技术接口进行分析与识别,分析接口共性问题和艰险山区铁路建设面临的技术难题对接口悬挂的影响作用,建立技术接口悬挂威胁等级评价指标体系,同时运用贝叶斯反馈修正云模型对接口悬挂威胁等级进行综合评价,并通过工程实例验证了该方法体系的可行性。

1 技术接口悬挂威胁评价指标体系

接口悬挂[5]状态指在实施过程中有接口方不能按计划对界面另一侧的接口需求进行及时反馈,致使接口信息交互暂时中断的状态,当产生新的接口响应后,接口节点状态随即恢复到实施状态。艰险山区铁路建设环境复杂、建设周期长,涉及多专业协调、多方参与、多方位推进、多工种交叉作业。业主方、设计方、总承包方、各专业承包方、供货方、监理方、咨询方、运营方等不同参建方之间存在着许多需要互相衔接的接口,且彼此之间相互影响、相互制约,众多接口方内部及之间存在大量信息交互反馈不及时的情况,致使接口参与方之间无法进行有序交流与互动而使接口需求信息交互暂时中断,最终导致接口实施处于悬挂状态。

技术接口悬挂威胁影响因素众多,依据文献[4]提出的19类接口共性问题及其对不同参建单位之间接口关系影响的严重性指数,综合考虑文献[6]、文献[7]总结出的艰险山区铁路建设遇到的地质勘察技术难题、特殊地质条件下减灾选线技术难题、施工环境恶劣问题、施工降效极为严重的问题、生态环境敏感而脆弱问题及交通运输困难施工组织难度大等一系列工程技术难题,从业主方因素、勘察设计方因素、承包方因素、与项目关联的其他因素、外界因素等5个方面出发,细化分解得到影响接口悬挂的27个因素,构建了艰险山区铁路桥隧工程技术接口悬挂威胁等级评价指标体系,包括5个一级指标和27个二级指标,如图1。

2 直觉模糊层次分析法赋权模型

2.1 直觉模糊集概述

直觉模糊集[8]的概念是对传统模糊理论的拓展,传统模糊集在确定指标权重时仅考虑不同指标的模部信息,忽视了指标重要度信息背后的灰性。直觉模糊层次分析法在确定技术接口悬挂威胁评价指标与类属等级的关联时,不仅克服了类属划分不明确的模糊性,而且考虑了信息不充裕背后的灰色性及因知识经验不足带来的犹豫度。综上,该方法弥补了传统层次分析法[9](AHP)的不足之处,还可以对没有通过直觉模糊一致性检验的判断矩阵进行动态调整,不必进行二次打分,有效提高了技术接口悬挂威胁评估指标权重的精度,构造出更加客观完备的权重集。

2.2 建立直觉模糊判断矩阵

专家对照9级直觉模糊重要度评分如表1。根据桥隧工程技术接口识别表建立直觉模糊判断矩阵R=(rij)n×n,其中rij=(uij,vij),i,j=1,2,…,n,表示对2个指标重要性对比分析后的评级结果,为一个直觉模糊数,同时引入犹豫度ηij,并满足式(1)约束条件:

图1 桥隧技术接口悬挂威胁等级评价指标体系

表1 直觉模糊重要度评分

(1)

式中:uij为i因素比j因素重要的隶属度;vij为i因素比j因素重要的非隶属度;πij为i因素比j因素重要的犹豫度。

针对直觉模糊判断矩阵,其加权算数平均算子和几何平均算子运算规则如式(2):

(2)

2.3 进行一致性检测及修正

在直觉模糊层次分析法(IFAHP)赋权模型中,为了避免出现不可信结果甚至错误,需要对直觉模糊判断矩阵进行一致性检验判断,具体检验判断步骤如下:

(3)

(4)

(5)

式中:σ为由决策者确定的控制参数。

调整后按照步骤1和步骤2规定的方法和程序再次进行一致性检验判断,直至距离测度满足阈值要求。通过调整的方法省去了重复评价过程,可节省大量的时间进行接口管理决策。

步骤4计算同级指标权重和目标层权重

(6)

(7)

3 基于贝叶斯反馈修正的接口悬挂威胁等级评价云模型

3.1 云模型概述及数字特征值

在桥隧工程技术接口悬挂威胁等级评估过程中,邀请接口管理方面的专家学者对评价指标进行打分,依据分值对技术接口悬挂威胁等级进行评估,每个指标对接口悬挂威胁等级的影响程度主要依赖于专家学者的专业知识和经验积累,评价结果受个人主观因素影响较大。

云模型[10]可较好将随机性和模糊性结合起来,以概率论的正态分布和模糊集中的高斯隶属函数为基础,通过数字特征值期望(E1)、熵(E2)和超熵(H)生成定性概念的定量转换,这种特定结构放宽了形成正态分布的前提条件, 也把精确确定隶属函数放宽到构造正态隶属度分布的期望函数, 具有普遍适用性。

3.2 贝叶斯反馈修正云模型

云发生器产生的云滴是由云参数依概率产生,实际反映了各专家对桥隧工程技术接口悬挂威胁指标评分值的差异性,如果云参数设定有较大偏差, 则云发生器产生的云滴也会有很大偏差, 为减小差异建立贝叶斯反馈修正云模型对原始数字特征值进行修正,以便得到更加稳定合理的正态云图,从而真实反应对桥隧工程技术接口悬挂威胁等级客观统一的评估结果,贝叶斯反馈修正流程如图2。

图2 贝叶斯反馈修正流程

贝叶斯反馈修正过程如下:

(8)

2)云滴检验

当满足式(9)时,则认为云滴聚集程度较高,专家意见主观差异性较小,可以被接受;如果不满足,则需要对云图的初始数字特征值进行修正:

(9)

3)初始特征值修正

(10)

3.3 标准云

(11)

表2 接口悬挂威胁等级

通过MATLAB云发生器生成技术接口悬挂威胁等级标准云图,如图3。

图3 标准评价云图

4 工程实例分析

4.1 工程概况

选取贡多顶隧道和奔中车站双线大桥工程为研究对象,该标段位于冈底斯山与喜马拉雅山之间的藏南谷地高山区,高寒缺氧、气候极端恶劣,山脉呈南北向纵贯延展,构造发育,内动力地质作用强烈,沿线工程地质条件普遍较差,施工难度很大。该标段内隧道工程占比达95.7%,隧道出入端口主要与桥梁工程衔接,密集的桥隧技术接口分布使得接口悬挂威胁较为严重。因此,有必要对桥隧技术接口全面识别,在此基础上评估接口悬挂威胁等级,有助于桥隧技术接口科学高效的管理,为桥隧工程技术接口的重点管理提供参考依据。

4.2 桥梁隧道工程技术接口识别

贡多顶隧道和奔中车站双线大桥之间涉及物理连接、电气连接、实体接触、施工预留、功能匹配、参数匹配、通信规约等各类技术接口。考虑到技术接口类型复杂、数量众多、涉及面广、差异性大等特点,为识别关键接口提高接口管理效率,首先依据独立性原则、功能性原则、工程阶段性原则和资源利用原则等[11]划分原则对子系统进行划分,然后依据WBS理论和施工组织设计,对桥隧工程结构进行分析分解,识别出桥隧工程技术接口共计8个,具体的技术接口特征描述如表3。

表3 桥隧工程技术接口识别

4.3 评价指标权重确定

邀请8位桥隧工程设计、施工等领域专家对各级评价指标对接口悬挂的威胁影响程度进行打分。然后,按式(2)—式(7),分别计算一级指标和二级指标的同级权重,通过一致性检验判断后计算出目标层权重值,数据如表4。

表4 指标体系权重

4.4 技术接口悬挂威胁等级评估

根据桥隧技术接口悬挂威胁指标体系权重值,运用MATLAB计算各级指标初始数字特征值,数据如表5,同时可视化表达一级指标对桥隧技术接口悬挂威胁等级的评价云图,如图4。

对比图4中的5级标准云图,可以看出勘察设计因素对技术接口悬挂威胁最高,其次分别是承包方因素、业主方因素、外界因素、与项目关联的其他因素,说明与勘察设计相关的各因素对接口悬挂的威胁程度最高。

图4 一级指标综合云图

运用MATLAB云发生器生成桥隧技术接口悬挂威胁初始综合云图(图5)。然后根据式(8)—式(11)对初始综合云图进行云滴检验,对综合云图的初始数字特征值进行贝叶斯一致性检验判断及动态反馈修正,使落入拒绝域内的云滴数量符合置信区间要求。运用云滴检验程序收集落入拒绝域内的云滴,当云滴数量M=1 000时,式(9)计算结果为21.71%,不满足20%的限度要求,表明初始综合云图云滴聚集程度不符合置信限度要求,需要修正。按式(8)—式(10)经过3次贝叶斯动态反馈修正后,计算结果为17.19%,满足限度要求。最后根据第3次反馈修正后的数字特征值生成最终综合云图。可以看出云滴聚集程度较初始综合云图明显提高,而且落入拒绝域内的云滴数量减少,表明经过贝叶斯动态反馈修正后,桥隧工程技术接口悬挂威胁等级综合评价过程中的模糊性和随机性有所降低,对贡多顶隧道和奔中车站双线大桥桥隧工程技术接口悬挂威胁的综合评价更加接近客观真实水平。

图5 综合评价云图

表5 云模型初始数字特征值

由图5可知,贡多顶隧道和奔中车站双线大桥桥隧工程技术接口悬挂威胁等级介于Ⅲ级和Ⅳ级之间,即一般严重和严重之间。为更准确判断威胁等级,根据修正后的数字特征值计算综合云图与标准云图的贴近度,从图形和精确数字的角度综合判断桥隧工程技术接口悬挂威胁等级。根据式(12)计算综合云图与各个标准云图的贴近度:

(12)

利用修正后的数字特征值计算贴近度:B1=0.173 3,B2=0.256 4,B3=0.714 2,B4=0.909 3,B5=0.335 5,结果表明综合云与第Ⅳ级标准云贴近度B4最大,即技术接口悬挂威胁等级为严重。

综上,贡多顶隧道和奔中车站双线大桥桥隧技术接口悬挂威胁综合等级为严重,其中勘察设计因素对桥隧技术接口的威胁程度最高,其次为承包方因素和业主方因素,而与项目关联的其他因素和外界因素对接口的悬挂威胁水平较低。因此,在艰险山区铁路桥隧技术接口管理中,须对勘察设计方给与重点关注,对承包方和业主方给与一定程度的关注。通过明确各参与方的岗位职责、建立合理的沟通反馈机制、制定科学有效的沟通制度、提高信息技术对参与方沟通过程的保障水平等相关措施,不断提高参与方之间的信息沟通效率,降低接口管理过程中的悬挂威胁水平。

5 结 论

1)在分析接口管理研究现状的基础上,以艰险山区铁路桥隧工程技术接口为研究对象,从业主方因素、勘察设计方因素、承包方因素、与项目关联的其他因素、外界因素5个维度出发,构建桥隧技术接口悬挂威胁等级评价指标体系。

2)运用IFAHP法进行赋权,引入犹豫度和一致性检验判断程序,有效降低权重确定过程中的模糊性、随机性和差异性。基于贝叶斯反馈修正云模型对接口悬挂威胁等级进行评估,进一步降低主观差异性,使得评估结果更加接近客观真实水平。

3)以贡多顶隧道和奔中车站双线大桥作为研究对象,其桥隧工程技术接口悬挂威胁等级整体处于Ⅳ级(严重)。综合考虑一级指标对技术接口的悬挂威胁程度,重点从勘察设计方、承包方和业主方的视角出发,提出完善组织结构、创新沟通方式、优化沟通制度和完善沟通保障措施等4方面的策略建议。