艱險山區鐵路施工技術接口沖突影響因素研究

王 琳，劉 佳，鮑學英，洪妍妍

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

為進一步實現交通強國的目標，我國正在加快布局西部地區艱險山區鐵路的建設，補齊西部地區短板。艱險山區鐵路施工需要面臨地形高差大、地震頻發、地質復雜、季節凍土、高原缺氧及生態環保等不利因素[1]，容易引起工程接口實體搭接不符合要求、接口間功能不匹配及信息溝通不暢等施工技術接口沖突。施工技術接口沖突如果得不到有效的管理，會嚴重影響鐵路建設的工期及質量要求[2]。有效控制艱險山區鐵路施工技術接口沖突的關鍵在于識別引起施工技術接口沖突產生的因素，并嚴格管控各影響因素。因此，探明艱險山區鐵路施工技術接口沖突影響因素間內在關聯、層次結構，并劃分影響因素的管理等級，是有效控制艱險山區鐵路施工技術接口沖突的前提和基礎，對提高工程建設效率保證施工質量十分必要。

目前，國內外學者對接口沖突影響因素的研究取得了一定的進展。綜合看來，國外接口沖突影響因素研究多集中在組織關系接口沖突影響因素分析、接口沖突影響因素重要性評價方面[3]，國內接口沖突影響因素研究主要集中在城市軌道交通領域[4-6]。很少有學者探索復雜艱險山區鐵路施工技術接口沖突影響因素及其管理措施，對接口沖突影響因素與管理機制的研究缺乏科學性、系統性。

針對上述不足，提出了WSR-K-Means++模型。以艱險山區鐵路建設地形環境復雜、氣候條件差、資源調度不便捷、人員組織困難及施工周期長等錯綜復雜的施工條件為基礎，采用顧基發等[7]提出的WSR系統方法論為理論依據，系統性、層次性地從物理-事理-人理角度建立了艱險山區鐵路施工技術接口沖突影響因素體系。根據施工技術接口的技術、責任、時間、空間特性，定義施工技術接口沖突影響因素技術、責任、時間、空間4種屬性[8]，并計算各影響因素的四屬性隸屬度。通過各種聚類算法的比較，最終采用K-Means++算法對施工技術接口沖突影響因素隸屬度進行聚類分析[9]，由此劃分沖突影響因素的等級，對不同級別的沖突影響因素差異化管理，以有效控制施工技術接口沖突，提高接口管理效率。

1 基于WSR艱險山區鐵路施工技術接口沖突因素分解

艱險山區鐵路工程是一項龐大的系統，沿線施工存在地形環境復雜、氣候條件差、資源調度不便捷、人員組織困難及施工周期長等錯綜復雜的施工條件，導致施工技術接口在資源、環境、施工方法、設計程序、項目管理、信息溝通以及人員組織等方面存在較多的不利影響因素，并逐步演化為施工技術接口沖突。系統、分層次地對導致施工技術接口沖突的影響因素全面分析，有助于接口管理者事前提出切實可行的接口管理策略和完整、正確的問題整改措施。

WSR方法的核心思想是從系統工程的角度，充分考慮物理、事理、人理三方面對研究問題的作用，從而系統、分層次、完整地對復雜問題進行研究，表1為WSR方法基本內容。采用WSR系統論思想，將資源、環境、施工方法、設計程序、項目管理以及人員組織等歸屬于物理、事理、人理三方面，并逐層細化，最終得到有效管理和控制的單元(施工技術接口沖突的影響因素)，符合全面探索艱險山區鐵路施工技術接口沖突影響因素的要求，以系統地建立影響因素體系。

表1 物理-事理-人理的內容

其中，物理指施工技術接口沖突產生的機理，主要來源于艱險山區鐵路系統自發的、客觀存在的因素，如地質、環境和資源等；事理指做事的道理，考慮如何安排所有的艱險山區鐵路施工的材料、設備、人員，分析艱險山區施工技術接口沖突各階段、各參與方采用的方法、工具以及行為準則等的不恰當因素，如設計方式不合理、管理方式不恰當等；人理回答“怎樣去做”和“怎么做最好”的問題，主要來源于人在處理艱險山區鐵路施工技術接口問題過程中的經驗和能力不匹配因素，包括人的組織、協調、溝通能力以及對接口的責任心，如溝通不暢會導致信息的延遲或錯誤信息的傳遞。

依據上述WSR系統方法，結合相關研究文獻[10-11]、實地調研和專家咨詢，從已完工程施工圖紙、施工組織設計、施工進度計劃以及合同文本等施工資料中分析歸納施工技術接口沖突影響因素，最終得到的施工技術接口沖突影響因素，如圖1。

圖1 艱險山區鐵路施工技術接口沖突因素WSR分解

2 艱險山區鐵路施工技術接口沖突影響因素的多屬性判斷

艱險山區鐵路系統復雜，包括站前、站后系統，惡劣的地質條件和氣候條件導致系統間施工技術接口關系更加復雜。復雜的施工技術接口系統管理需著重考慮各參與方責任的界定、不同專業任務之間的時間搭接及不同實體對象空間位置關系的固有屬性[12]。各屬性多個維度的交叉影響決定了無法對施工技術接口沖突影響因素從單一的維度進行識別、分析和管控。研究施工技術接口沖突影響因素與多屬性之間的聯系是探明影響因素間內在關聯的關鍵，為進一步劃分施工技術接口沖突影響因素的管理等級提供數據支撐。

2.1 多屬性的判斷

為了突出施工技術接口的技術、責任、時間、空間特性，方便接口管理，將艱險山區鐵路項目施工技術接口沖突影響因素屬性分為4個方面，即技術屬性、時間屬性、責任屬性、空間屬性，屬性的分類及說明見表2。

表2 艱險山區鐵路施工技術接口沖突屬性判別

2.2 評分標準

艱險山區鐵路施工環境復雜多變，不同施工環境下施工技術接口沖突影響因素定量數據有所不同，難以進行統一處理。建立施工技術接口沖突影響因素與4種屬性的隸屬關系，選取相關專家依據表2屬性說明計算各影響因素與4種屬性的隸屬度，能夠獲取有效數據。為了方便后期數據的處理，將隸屬度擴大100倍，擴大的隸屬度取值范圍為0～100，其中0分代表無隸屬關系，100分代表完全隸屬，插值法評分。其中，各影響因素與四維屬性隸屬程度的評分值按照重要程度劃分為5個等級，見表3。

表3 影響因素-屬性隸屬程度

3 艱險山區鐵路施工技術接口沖突影響因素聚類分析模型的建立

對施工技術接口沖突影響因素聚類，能把各影響因素分為不同分類別，根據多屬性數據分析能劃分各影響因素的等級，進而實施差異化管理措施。目前常用的聚類方法有K-medoids算法、CLARANS算法、K-Means++算法等。由于WSR對艱險山區鐵路施工技術接口沖突影響因素分解的數目是有限的，K-medoids算法聚類中心是在樣本范圍內取值[13]，CLARANS算法對輸入的數據順序敏感性高，并且計算效率低[14]，不適用于施工技術接口沖突影響因素聚類。相較于前者，在處理非大型數據網絡模型方面，K-Means++算法步驟精簡、計算簡便，在聚類相同的類別中相似度高，聚類不同類別中相似度較低。并且K-Means++算法對K個聚類中心的選取是隨機的，在選取第1個聚類中心后，第2個聚類中心距離第1個聚類中心應盡可能遠，可以使聚類效率大大提高，因此，筆者采用K-Means++算法對施工技術接口沖突影響因素聚類。

3.1 基于WSR-K-Means++模型的運行流程

首先，通過WSR系統方法識別施工技術接口沖突因素，依據表2、表3評分原則，邀請相關專家對圖1施工技術接口沖突影響因素四屬性隸屬程度評分。然后，對專家評分數據進行篩選，根據K-Means++算法的步驟計算各接口沖突影響因素聚類中心并提取出聚類集合，對實驗數據進行分析、判別。最后，根據實驗數據劃分聚類等級，并匹配聚類集合，運行流程，如圖2。圖2中條件1表示實驗數據是否符合K-Means++算法的離散條件，條件2表示實驗聚類中心是否達到所希望的離散程度。

圖2 施工技術接口沖突聚類分析模型流程

3.2 數據的獲取

根據項目實際情況，邀請多位從事艱險山區鐵路研究的專家，根據表2、表3及自身施工經驗對圖1中80個施工技術接口沖突影響因素的技術-責任-時間-空間四屬性隸屬程度評分。為了數據能夠更客觀的反映影響因素與各屬性的隸屬關系，需剔除部分專家數據，經處理后得到符合聚類分析要求的數據矩陣，具體步驟如下：

1)觀察初始數據，查看異常數值并清除。

3.3 K-Means++聚類算法的計算步驟

K-Means++算法首先應確定K值和迭代的終止條件，具體步驟如下：

Step 1聚類的初始化。設置K值和終止條件，從聚類集合中隨機選取一個樣本作為初始聚類中心C1。

Step 2計算其余的聚類中心。計算每個樣本X與其距離最小的聚類中心C之間的距離D，接著計算每個樣本被選中的概率,其中樣本X的概率計算如式(1)，運用輪盤賭的方式選擇其他聚類中心：

(1)

Step 3計算樣本到聚類中心的距離。計算每個樣本Xi={x1，x2，…，xm}與每個聚類中心Cj={c1，c2，…，cm}的距離Dij，把樣本Xi歸類到最小距離Di的聚類中心Cj中，Di選擇過程如式(2)：

(2)

Step 4更新聚類中心C。計算每個聚類中所有樣本到該聚類中心對應維度距離的平均值作為更新的聚類中心的位置，其坐標的計算如式(3)：

(3)

Step 5更新聚類中心隸屬樣本X。聚類中心發生了改變，必須對樣本重新歸類，重復Step 3得到新的分類樣本。

Step 6算法終止。根據終止條件結束循環，輸出聚類結果。最后對數據結果進行處理、分析。

4 實證分析

選取艱險山區鐵路某標段為研究對象，該標段全長42.68 km，主要為隧道工程，沿線地質條件復雜、工程施工難度大。且該標段處于高海拔嚴寒地區，高原缺氧時刻威脅著施工人員的生命健康安全，人員設備施工效率因此也大大降低，同時有交通條件差，地材匱乏，電力供應不足等問題，給技術接口管理帶來十分嚴峻的挑戰。

該標段施工技術接口涉及站前站后工程施工技術接口，站前專業施工技術接口以及各標段間施工技術接口，包括路基、橋梁、站房、四電工程、排水、地方道路銜接等系統內外部技術接口工程，施工技術接口工程貫穿于整個工程施工過程中。為對施工技術接口沖突實施差異化管理，有效遏制施工技術接口沖突事前的產生以及事中的發育，基于圖1中識別的80個施工技術接口沖突影響因素，進行了研究。

4.1 確定專家權重及評分

邀請12位該項目施工技術接口管理研究的專家對施工技術接口沖突影響因素的四維屬性隸屬程度進行量化處理，專家的可信度從專家的工齡、學歷、專業、經歷和職稱5個方面來評判，具體權重標準見表4。

表4 專家評分權重標準

專家可信度的計算公式為:

(4)

式中：i為專家評判因素；ri為專家評判因素i的權重；si為專家評判因素i的分值。例如：一位副高級隧道工程專家，學位為碩士，45歲，在工程建設中有評估經歷，則他的可信度為：

12位專家對80個施工技術接口沖突影響因素的四維屬性隸屬程度評分，得到的80×48矩陣，每組評分中剔除2組專家數據，得到80×40矩陣。根據表4計算其余10位專家的權重，由于篇幅有限，具體計算過程省略，經計算各專家的權重均為0.1，計算綜合得分矩陣并轉置，得4×80矩陣為：

4.2 艱險山區鐵路施工技術接口沖突因素K-Means++聚類分析

基于上述評分矩陣建立一個Excel文件，并根據K-Means++聚類算法的步驟在MATLAB軟件中編寫程序，將Excel文件輸入到程序中，挖掘數據的聚類關系。基于項目實際情況，把施工技術接口沖突影響因素分為4個層次，K值取4。取施工技術接口沖突技術、責任、時間屬性的評分值對應X、Y、Z軸的值，構成三維空間坐標系，將施工技術接口空間屬性評分值S用氣泡的大小表示，構成的四維坐標系表示各接口屬性之間的聯系。K-Means++算法第1個聚類中心的選取是隨機的，因此每次聚類結果都不同，從中選擇4次典型的實驗進行分析，由MATLAB軟件繪制的四維屬性坐標系結構散點聚類圖，見圖3。圖3中圓形的大小代表S空間屬性的數值0～100。

圖3 散點聚類分析

4.3 數據分析

通過觀察，發現施工技術接口多屬性是相互獨立的。實驗1～4散點聚類圖中從X、Y、Z軸(技術-責任-時間)三維屬性的角度分析，4次實驗中各聚類中心的空間距離均較遠，耦合度較低。但綜合考慮第四維坐標-空間屬性(氣泡的大小)，實驗1～4聚類中心耦合度明顯增大，證明空間屬性獨立于前三者。用同樣的方式測量施工技術接口沖突影響因素技術屬性、責任屬性、時間屬性，發現彼此間都相互獨立，驗證了所取的4個屬性互不干擾，符合獨立性原則。

表5給出了4次實驗MATLAB計算的具體數據，表中SUMD表示聚類集合中所有因素到聚類中心歐式距離的和，經檢驗4次實驗結果都滿足聚類條件。

聚類中心四維坐標對應四維屬性，坐標值越大反映其與對應屬性的關聯性越強。若與多個屬性關聯性強，則該聚類中心的4種屬性關系越復雜，管理難度越大，因此，聚類中心到原點的歐式距離越大表示該聚類集合中各接口沖突影響因素管理難度越大。根據大量重復運行MATLAB得到的聚類中心C的聚集程度，把艱險山區鐵路施工技術接口沖突影響因素管理由易到難劃分為1～4等級，即：1級(60～89)、2級(90～109)、3級(110～129)、4級(130～149)。根據4次實驗的具體數值，將每次實驗的施工技術接口沖突影響因素聚類的等級量化，實驗數據見表5。

表5 接口沖突聚類分析實驗數據

由于實驗1中的C1和C2，實驗2中的C1和C3，實驗3中的C1和C4到原點的距離相當，對應的聚類集合都為2級。實驗4中各聚類中心到原點距離較分散，表明該實驗中各類別的施工技術接口沖突影響因素集合的管理難度有明顯的區別。為了合理分配該項目施工技術接口沖突影響因素，取實驗4的施工技術接口沖突影響因素聚類集合為該項目施工技術接口沖突影響因素管理難度等級。分別用集合A1、A2、A3、A4表示1～4等級的施工技術接口沖突影響因素，根據圖1編碼，從MATLAB導出各個等級的施工技術接口沖突影響因素集合如下：

A1={A11,A12,B13,B21,C14,C15,C21,C32,C33,C42,C43,D11,D12,D13,D21,D23,D24,D25,D33,D51,D52,D58,E24,E41,E42}

A2={A41,A42,B12,B22,B23,B41,B42,C11,C12,C31,C44,C45,D32,D43,D44,D53,D54,D55,D56,D57,E11,E12,E13,E14,E26,E31,E32,E33,E43}

A3={A21,A22,A24,B11,B31,C13,C41,D22,D31,D41,E21,E22,E23}

A4={A23,A31,A32,A33,A43,A44,B32,C22,D14,D34,D42,E25,E27}

由于A3、A4等級高，隸屬于該集合的施工技術接口沖突影響因素管理相對困難，其中，A3集合施工技術接口沖突影響因素應適當加大關注的力度，A4集合施工技術接口沖突影響因素應重點關注。

5 結 論

為了預防控制艱險山區鐵路施工技術接口沖突，采用WSR-K-Means++模型識別、分析了艱險山區鐵路施工技術接口沖突影響因素，得出如下結論：

1)利用WSR系統方法論，從物理-事理-人理3個維度出發，提取了21個接口沖突產生的原因，并對21項原因進一步細化得到了80個接口沖突影響因素，為艱險山區鐵路施工技術接口沖突應對措施的制定提供了一定的依據。

2)通過MATLAB軟件模擬K-Means++聚類算法，得出技術-責任-時間-空間屬性相互獨立，驗證了艱難山區鐵路施工技術接口沖突影響因素屬性選取的合理性。

3)采用WSR-K-Means++模型從定性和定量的角度實現艱險山區鐵路施工技術接口沖突影響因素的分解-聚類，并根據項目實際情況劃分沖突影響因素的等級，為接口沖突管理提供了一定的理論支撐。

4)依據沖突影響因素等級，加大對高等級沖突影響因素的管理力度，從多屬性的角度分析其對施工技術接口產生的影響，并采取合理的控制手段，達到提高技術接口管理效率和艱險山區鐵路施工技術接口沖突及時預防控制的目的。