基于狀態空間法的鐵路建設工程過程質量模型研究

魯守東，周國華，陳海峰，趙國堂

（1.西南交通大學經濟管理學院，成都 610031；2.中山市廣播電視大學，廣東中山 528400）

1 前言

中國鐵路總公司副總經理盧春房在石太鐵路客運專線連續發生多起質量事故之后舉行的全路建設工程質量電視電話會議上，進一步強調工序、工藝及過程控制在確保鐵路工程質量中的重要性，并指出管理標準、技術標準、作業標準不落實的重要原因是現場的設計、施工、監理等基層管理者的責任意識不強所致[1]。

目前，國內鐵路建設施工單位基本上借用了加工制造業的經驗，將是否“貫標”（通過ISO9000認證）作為衡量其質量管理水平的重要指標之一。ISO9000質量管理的過程方法是基于傳統的統計過程控制（SPC）理論而構建的，它比早期泰勒所提倡的通過增加專業的質檢隊伍來提高質量管理水平的方法要先進一步，但是在很多情況下，它還是一種事后控制。例如，ISO9000過程質量審核中用來計算過程能力和過程能力指數的Cp和Cpk就是通過半成品或成品的結果質量水平來計算的；此外，像ISO9000中的SPC同樣也是拿階段性結果質量數據進行反饋控制，仍然具有明顯的滯后性。

與一般的加工裝配型或流程型工業大批量生產的特點有所不同，鐵路工程建設系統的生產是單件性、一次性的，具有典型的項目型工藝流程的特點。一般的工業產品質量不良還有返修、返工的機會，而鐵路建設項目的分項或分部工程一旦有瑕疵或缺陷幾乎沒有補救的措施。由于ISO9000中的過程方法及過程質量控制主要是基于結果質量的事后控制，而過程的在線控制、過程的前饋控制和過程質量等理論越來越受到相關研究者的關注。

2 過程質量理論研究的現狀綜述

工業過程控制按照直接目標來分，可分為過程安全控制、過程質量控制、過程產量控制、過程能耗控制、過程成本控制等，過程控制的間接目標就是對過程的特性參數，如溫度、壓力、速度等的控制，從而實現產量、質量、安全等直接目標。

王海宇在傳統的SPC和先進過程控制（APC）理論集成的基礎上，進一步研究探討并建立了多步延遲自動反饋控制的過程質量監控模型[2]。孔金生等通過神經網絡算法建立了由質量模型和質量控制器構成的產品生產過程中閉環的質量反饋控制及前饋控制系統，從而形成產品質量指標的在線軟測量，最終實現產品生產過程的質量控制[3]。Navid Sahebjamnia等運用粗糙集理論對在線的過程質量參數進行模糊識別、分類和界定，結合具體的案例推算出兩階段的馬爾可夫狀態轉移概率矩陣，該方法可以用來有效地降低過程質量控制成本[4]。Guh Ruey-Shiang運用人工神經網絡的方法對過程控制參數的均值和方差的異動進行實時同步預測，實證數據顯示這種方法對過程行為能作出良好的預測和控制[5]。另外，國外文獻中大量出現的“process qualitymanagement”，其本質含義是指通過對過程質量要素的控制獲得良好的結果質量，它們還不算是現代意義上的過程質量概念。

《質量管理系統基礎和術語》標準（ISO 9000：2005）給出質量概念的定義如下：產品、過程或體系的一組固有特性滿足顧客和其他相關方要求的程度。早期的質量概念是從產品領域引出的，隨著人們認識程度的加深，先后又出現了所謂的服務質量、過程質量等概念。按照ISO的定義，過程質量是指過程本身所固有的一組特性滿足相關方要求的程度[6]。

陳皓瓊認為衡量過程質量的3個維度是效果、效率和適應性。如果產出能夠滿足顧客的需要，則過程是有效的；如果能以最小的成本實現，則過程是有效率的；如果在諸多變化下，過程仍然能夠保持其效果和效率，則該過程具有良好的適應性[7]。鄧軍等運用可拓理論，提出了產品質量與過程質量之間的映射關系和定量化度量的模型，通過某軸承企業的經驗數據，驗證了該模型在反映產品質量與過程特性參數關系方面具有良好的效果[8]。Sivert S?rumg?rd 和 Guttorm Sindre在分析軟件開發過程質量的含義時指出：“過程質量不應該簡單地定義成‘能生產高質量產品的過程即具有較高的過程質量’，過程質量同時還需要考慮過程的穩定性、及時性、成本等過程自身的特質因素。”文章通過確立資源質量模型、過程質量模型和產品質量模型之間的關系，從而建立起產品質量指標、資源質量指標和過程質量之間的關系[9]。

從國內外的研究文獻來看，有關現代意義上的過程質量概念和理論研究并不多。絕大部分文獻是運用戴明的過程質量控制理論和方法（4M 1E）來解決實踐中遇到的問題。另外，還有部分文獻從傳統的控制工程理論的角度來研究過程參數的反饋控制和前饋控制方法。所有這些研究本質上都是一種基于“黑箱”模型的過程理論，而本文將從過程的“白箱”模型出發來探討過程質量概念的本質內涵及其在建設工程質量管理中的應用。

3 基于“白箱”理論的過程質量模型

3.1 過程的“黑箱”模型和“白箱”模型

目前理論界對過程的認識主要基于兩種模型，即“黑箱”模型和“白箱”模型。過程的“黑箱”模型理論認為：許多過程的機理是非常復雜的，理論研究中通常把過程看成一個“黑箱”系統，把關注的焦點聚集在可直接觀察和測量的過程輸入和輸出上，通過輸入輸出信息來推測“黑箱”系統的內在特性（過程的傳遞函數），從而建立起與過程的外在行為表現等價的過程模型（見圖1）。

圖1 過程的“黑箱”模型和傳遞函數Fig.1 Process“black box”modeland transfer function

過程的“白箱”模型也叫狀態空間法模型或者叫狀態轉移模型。它的基本思想是：過程的本質就是系統內部的所有狀態變量由于之間的相互聯系和相互作用，從而導致系統隨時間的演變而發生變化的表現形式。要了解復雜過程必須要深入到系統的內部去，找出系統的所有狀態變量，寫出系統的狀態轉移方程，通過一定的方法求解狀態轉移方程，從而得到各狀態變量的時域解x（t），或得到狀態變量隨環境擾動輸入的時域解x（u，t）。其具體的數學模型如下

式（1）、（2）中，x是系統內部的狀態變量，x（t）表示狀態變量隨時間變化的函數，對于確定的ti，x（ti）的值是唯一確定的；u（t）是系統的輸入，又稱擾動變量；y（t）是系統的輸出。式（1）通常是由若干個一階微分方程組成，稱為系統的狀態轉移方程，矩陣A稱為狀態轉移矩陣，它是表示系統內部狀態變量之間相互作用和相互影響的系數矩陣；D是表示輸入變量對狀態變量作用和影響的關系矩陣。式（2）稱為系統的輸出方程，C是表示狀態-輸出映射關系的系數矩陣[10]。

“白箱”模型比“黑箱”模型的優越性主要表現在以下幾個方面：第一，它進一步深入到過程系統的內部，研究系統內部各狀態變量之間的聯系和作用（主要是通過A矩陣來刻畫），而這種聯系和作用也是系統自身演化的動力和原因；第二，它引入了狀態空間的概念，所謂狀態空間就是系統中各狀態變量的所有可能的不同取值所形成的各種狀態向量的集合，用狀態轉移方程來描述過程更接近過程的本質；第三，模型不僅能給出一定輸入下的輸出解，而且還能給出各狀態變量的時域解，這也是過程最本質的內容。

3.2“白箱”理論下的過程質量模型

下面以鐵路的土建工程基本作業單元為例（簡稱基本作業單元系統），來介紹基于“白箱”理論的過程質量概念及過程質量模型。

從狀態空間法理論出發，將基本作業單元系統定義為由管理者（management）、工人（man）、機器設備（machine）、材料（material）、作業方法（method）、測量（measure）、環境（environment）7個要素所組成，從而形成基本作業單元的6M 1E系統。需要強調的是，6M 1E與SPC中的4M 1E的主要區別在于：a.管理者要素由原先的過程控制主體變成了狀態向量中的一個狀態變量，從而成為影響過程質量的一個實體要素；b.狀態空間法關注基本作業單元系統6M 1E中的具體過程，而不是它的7個具體的實體要素。

如果說結果質量與工程半成品、工程完成品直接對應，那么過程質量應當與基本作業單元6M 1E系統的過程相對應，這里的過程包括以下具體內容：a.管理者對工人（技術人員）的管控過程；b.管理者對材料的管控過程；c.管理者對機器設備、作業方法、測量、環境的管控過程；d.工人的直接作業過程；e.工人利用機器對材料的作業過程；f.材料本身的工藝自然過程。

為了便于簡化研究，將a～c項合并為管理過程，d和e項合并為作業過程。而f項的工藝自然過程是指在特定的工藝標準條件下，材料之間發生的物理的、化學的、生物的運動變化過程。于是，基本作業單元系統中的過程便簡化為管理過程、作業過程以及工藝自然過程（見圖2）。

圖2 基本作業單元系統中的過程Fig.2 The processof basic productiveunit system

質量是實體（產品、過程、系統）的屬性，質量寓于實體之中，但它不等于實體，與結果質量對應的是半成品或完成品，而與過程質量對應的則是過程本身。在ISO9000的過程定義中，將原材料、資源或客戶需求作為輸入，而將產品或客戶滿意作為輸出，基本上是按照物流的邏輯順序展開的，輸出的要么是半成品、要么是成品。半成品質量也好，成品質量也好，它們都是結果質量，不是過程質量。過程質量不應該和物流系統對應，而應該和基本作業單元系統中的過程對應，它應該是活動（運動）的質量，即一項或一組活動（運動）所特有的屬性，滿足相關方需求的程度。

基本作業單元系統6M 1E的過程質量則是指管理過程質量、作業過程質量和工藝自然過程質量及它們之間的相互作用的綜合表現。

由于質量概念的抽象性，使得人們很難對其加以量化研究，而有關可靠性方面的定量化理論則比較成熟，并且可靠性也是土建工程項目最重要的質量特性之一，因此，下文將借用可靠性概念來代替質量概念，說明基本作業單元系統6M 1E中各子過程之間的相互聯系和相互作用關系。

工人的作業過程可靠度受到管理過程可靠度的影響，即工人作業失效率偏高的情況下，有效的管理監督可以彌補和提升整個作業過程的可靠度，它們之間的關系反映在可靠性框圖（RBD）中即為并聯關系。而工藝自然過程既受管理過程也受作業過程的間接影響，即有效的管理和工人作業的可靠性為工藝自然過程的順利進行提供了良好的外在條件，因而它們之間的關系反映在RBD中也為并聯關系。而由3個子過程組成的過程網絡系統的總體可靠度則是由作業過程可靠度和工藝自然過程可靠度兩者串聯而形成，基本作業單元系統6M 1E的過程RBD見圖3。

圖3 基本作業單元系統過程的RBDFig.3 ProcessRBD of basic productiveunit system

由狀態空間法理論可知，在一個封閉的、不受外界干擾和影響、重復加工的作業單元系統中，工人作業過程的可靠性、工藝自然過程的可靠性、管理過程的可靠性隨時間變化而呈現出小幅度波動，系統的可靠性也維持在一個穩定的水平，這樣的系統被稱為自治系統。如果系統是一個開放的系統，且外界環境擾動輸入巨大，這種擾動會直接波及過程網絡系統中的各個子過程，使得各子過程隨時間變化而呈現出大幅度波動，過程網絡系統將面臨一種新的自組織過程，基本作業單元的過程質量與可靠性隨時間推移將產生劇烈波動的現象。

經驗表明：作為結果質量的分部工程或最終工程的質量與過程質量之間存在著顯著的因果關系，即優秀的過程質量會促成良好的結果質量。為了確保分部工程或最終工程的質量，需要從基本作業單元系統的內外兩方面去努力。其一是研究工藝自然過程、作業過程、管理過程質量的變化規律以及它們之間的相互作用和相互影響的規律，確保系統內部過程運行質量的穩定；其二是研究基本作業單元系統的外部擾動輸入因素及其對系統內部子過程的影響規律，努力消除負面影響，在沒有把握促成正面影響的情況下至少確保系統外部環境的相對穩定。

4 應用實例

本文以鐵路建設工程中常見的現澆預應力砼連續箱梁施工工藝過程為例，來介紹“白箱”理論下的過程質量模型的應用。

現澆預應力砼連續箱梁施工工藝流程如下：地基處理—搭設支架—支架預壓—安裝模板—梁體鋼筋綁扎—預應力管道埋設—混凝土澆筑—壓漿—養護—拆模。

目前鐵路工程建設系統一般的質量管理方法是：質檢、計量人員現場檢測計量，過程試塊保留檢測記錄；施工隊組長連同現場工藝技術人員對過程的4M 1E進行監督和控制；現場監理通過旁站和巡檢的方式落實關鍵過程和隱蔽工程的過程控制；監理人員連同業主進行分項、分部工程的階段性質量驗收和最終工程質量驗收。

對于工程產品來說，事后的檢查驗收即使發現有質量瑕疵或不良也于事無補，例如，在支架搭設或地基處理作業過程中，如果參數未控制到位，在澆筑過程中，當發現有支架、模板、鋼筋等松動、變形或移位時，再來實施調整、加固等補救措施收效甚微，除非是重新返工。而過程質量控制方法也有很大的局限性，例如，綁扎鋼筋工序，監理人員不可能對工人的作業進行全檢；此外像混凝土澆筑過程，需要時間上的連續性和進度的嚴格控制，其結果質量很大程度上取決于工人的責任心和作業經驗的積累。

當把現澆預應力砼連續箱梁施工過程看成由管理過程、作業過程以及工藝自然過程3個子過程組成的過程網絡系統時，針對各子過程實施過程質量提升，則可以間接提升施工的結果質量（見表1）。

為了提高現澆預應力砼連續箱梁施工過程質量，除針對基本作業單元系統6M 1E內部的3個子過程質量要素進行控制外，系統外的擾動因素也是不可忽略的。

與工藝自然過程質量有關的外界擾動因素有：a.超出勘測預期的惡劣水文、地質條件；b.設計單位對設計和施工標準的技術交底深度；c.工藝標準適用的外在環境條件等。

與作業過程質量有關的外界擾動因素主要有：a.外部經濟面對員工的影響，如物價房價上漲，員工子女升學就業等困難問題；b.勞務用工方面，如架子隊組建問題、包工頭拖欠農民工工資問題；c.工程建設當地的社會治安環境條件等。

與管理過程質量有關的外界擾動因素主要有：a.社會風氣和市場商業環境的影響；b.工程建設系統的宏觀管理體制面的變化；c.公司的收入分配制度的調整；d.社會治安環境狀況等。

需要特別強調的是，自改革開放以來，中國經濟經歷了持續30多年的快速增長期。盡管人們的收入和生活水平提高了，但思想道德水平的提高卻相對滯后。過去那種扎扎實實干事業的作風被一夜暴富的貪婪心理所取代，整個社會處在一種浮躁和投機的文化氛圍中。從最近國內的一些鐵路建設工程質量問題的案例中，不難發現工程建設系統外部的負面擾動輸入因素正在成為影響工程質量的首位原因，鐵路建設工程的質量與可靠性是一個良心和責任大于技術的問題。所謂“心不正則品不良”這句質量管理領域的訓導語不僅是針對現場一線工人們而言的，對于現場的技術人員和現場的管理人員乃至項目的最高層管理人員，它同樣是一句至理名言。

表1 現澆預應力砼連續箱梁施工的過程質量及其要素Table 1 Prestressed concrete continuousbox-girder construction processquality and itselements

5 結語

鑒于傳統的“黑箱”理論模型在過程質量概念認識上的局限性，本文從過程的“白箱”理論出發，對過程質量概念的涵義作出科學解釋。文章指出：過程質量不應該和物流系統對應，而應該和過程本身對應，它是活動（運動）的質量，即一項活動所特有的屬性滿足相關方需求的程度；基本作業單元系統6M 1E的過程質量包括：工藝自然過程質量、作業過程質量、管理過程質量。同時它還受到外界的擾動輸入因素的影響。

對于工程項目這種一次性的過程產品來說，針對分項、分部工程結果質量的檢查和驗收固然不可少，但是僅用檢查和驗收的方式進行質量管理，往往會使管理者處于被動救火的狀態。通過從源頭抓工藝自然過程質量、作業過程質量、管理過程質量來進行過程質量提升，往往會起到事半功倍的效果，在具體的工程質量管理實踐中，將兩者結合運用，相得益彰，從而最終保證工程完成品的質量與可靠性水平。

[1] 盧春房.鐵道部副部長盧春房在全路建設工程質量電視電話會議上的講話[Z].2009.

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