鐵路橋隧工程技術接口風險因素分析

鮑學英,趙金霞,班新林,許見超

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730070; 2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081; 3. 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室,北京 100081)

0 引 言

鐵路工程建設具有橋隧占比高[1]、技術接口數量浩繁、參與方眾多、技術復雜、施工難度高等特點;且沿途地形起伏劇烈、地勢復雜、環境惡劣,使得橋隧工程技術接口存在著較大風險。若技術接口風險管理不當,則可能會造成工期拖延、返工、費用增加、質量缺陷等問題,繼而會引發更為嚴重的風險事故。因此,為加強重點風險防控,減少事故發生率,有必要對鐵路橋隧工程施工過程中存在的技術接口風險進行深入研究。

近年來,國內外學者已對接口風險進行了大量研究。如:朱啟超等[2]運用霍爾三維模型對接口管理進行了分析,并將接口風險分為結構性接口風險、信息傳遞接口風險和管理者能動接口風險這3類;W.NESREEN等[3]運用多元回歸分析模型對接口問題因素和項目績效指標之間的關系進行了分析,開發了一種新的接口風險分析模型;M.H.A.MOUSLI等[4]和K.Z.SHAAR等[5]分別對建設項目中的設計-施工接口風險進行了系統地識別和分類,并實證分析了這些風險;JU Qianqian等[6]分析了業主和多個總承包商之間的接口關系,提出了通過價值優化策略和綜合交付項目模式來解決接口沖突問題,從而降低了項目交付延遲和成本超支的潛在接口風險;S.SHOKRI等[7]將關鍵IP與接口里程碑連接起來,用來識別與進度相關的風險并減輕其不利的影響;何曉源[8]為提高橋梁接口管理水平,對橋梁工程接口進行了風險評價,從而得出伸縮縫、擋砟墻、施工預留等接口風險較高的結論,并制定了相應策略;謝飛等[9]通過對接口風險影響因素進行了科學系統的識別,采用ISM法對因素之間的關系進行了充分分析,并運用Fuzzy-ANP方法對因素指標進行評價。綜上所述,現有研究主要是集中在對接口風險識別和分類上,且大多是對單一接口風險因素進行分析,只能得到單一風險因素的權重信息,沒有深入挖掘風險因素之間的關系,不能充分體現出風險因素及相互作用的內在機制,對橋隧技術接口風險研究更是鮮見。

筆者基于相關分析和接口風險管理理論,結合艱險山區鐵路橋隧工程項目特點,通過識別橋隧工程技術接口風險因素,運用決策驗室(DEMATEL)法和解釋結構模型(ISM)對接口風險因素之間的相互作用進行分析,并構建了分層網絡模型;運用貝葉斯網絡模型(BN)來量化各因素間相互作用強度,從而系統、深入的理解接口風險信息,有效減少或預防風險發生,提高技術接口風險管理水平。

1 技術接口風險因素識別

接口風險本質上是來源于接口的邊界屬性,正是由于接口的屬性會導致風險。琚倩茜[10]認為:工程接口通常具有技術、責任、時間和空間屬性,在各個接口屬性共同作用下,接口屬性的匹配問題就顯化為各類接口問題;王琳等[11]以物理、事理、人理(WRS)系統方法論為基礎,對鐵路施工技術接口沖突影響因素進行了全面識別;張精忠[12]對大型工程項目的19個具體施工接口風險進行了識別,并將這些風險歸納為物理接口風險、管理者能動接口風險和環境接口風險這3類。基于此,筆者從物理風險、管理者能動風險、環境風險這3個維度出發,對技術接口的風險因素進行了識別。

1.1 物理風險

物理風險是由各個流程和實體之間協調不當而產生的風險,這些因素都與施工階段的客觀因素密不可分。由于技術接口之間存在功能上和空間位置上的交叉銜接,接口之間有一定的邏輯關系,即只有前一個接口完成后,才能執行下一個任務。但若不同的施工單位只關注自己的物理部分,而忽略與其他流程的交接,就會出現前道工序預留的孔、洞、溝、槽位置誤差偏大等問題,導致工程實體在空間銜接上產生沖突;當其中一個技術接口發生問題或需要變更時,就會導致其他技術接口出現停滯、沖突或返工現象,從而引發連鎖反應,引起整個項目工期延誤等。

1.2 管理者能動風險

管理者能動風險是由人的管理造成的風險。鐵路工程實施過程中參與方眾多,各個接口參與主體之間由于缺乏協調合作和溝通,甚至相互提防、敵視,這使得相關方往往不能全面了解與其關聯專業的需求,導致各專業及施工活動間缺乏搭接的連續性,在接口上產生爭端和沖突,從而延長了工期和增加了質量風險。相關施工單位因沖突變更反饋處理能力和接口施工技術水平高低也會影響相關接口的實施,從而導致了接口風險的發生。此外,合同期間施工組織設計搭接、工作范圍劃分和資源分配等因素若未能有效管理,都會增加接口風險的可能性。

1.3 環境風險

長期正常的建設活動需要比較穩定的外部環境,環境因素會直接或間接影響接口交互的復雜性,從而提高了接口風險。比如:在不良地質災害、高寒缺氧、地震頻發等環境下極易影響接口施工的質量,接口施工好壞將直接影響工程整體;同時這些不利情況發生可能會造成新接口產生,從而擾亂了已經計劃好的相關接口,這也就意味著技術接口活動的變更、誤工和返工的風險。同時,除了考慮施工現場惡劣天氣和復雜地質問題等常見的環境因素外,政策環境和經濟環境也不容忽略。

通過以上對技術接口風險分析識別出影響技術接口的風險因素,如表1。

表1 技術接口風險因素

2 技術接口風險因素分析

DEMATEL法是確定風險因素之間相互關系的有力工具,但它無法確定復雜系統的層次結構;在揭示因素之間邏輯層次方面,ISM法優于其他方法,正可填補DEMATEL法的不足之處;但這兩種方法是定性分析各因素之間的相互作用,無法預測這種關系的強弱。BN法是一種用于處理不確定復雜問題的推理和數據分析方法,基于概率統計通過量化關系強度來進行風險控制[13]。

由于接口風險本身具有復雜多變的特性及各因素之間存在著錯綜復雜的相互關系,故筆者采用DEMATEL、ISM和BN相結合的方法,從定性和定量角度出發,分析了各接口風險因素之間的依存關系。為避免專家評分的主觀性,筆者引入了三角模糊數(TFN)概念,該概念使用文字對變量進行描述(也稱為語言變量),將專家模糊數據的評估結果量化為清晰分數(CFCS)[14]。具體步驟為:

Step 1：計算初始直接影響矩陣。根據專家打分法,評估各個影響因素間關系的強弱,得到初始直接影響矩陣。筆者將各風險因素影響程度分為:0(沒有影響),1(影響很小),2(影響較小),3(影響較大),4(影響很大)這5個等級。

表2 評價語言術語與三角模糊數轉化

Step 3：去模糊化處理。具體操作如下:

1)標準化處理

(1)

(2)

(3)

2)計算右標準值

(4)

(5)

3)計算總標準精確值

(6)

4)計算清晰值

(7)

5)計算p位專家意見總清晰值

(8)

Step 4：建立綜合影響矩陣

根據式(1)～式(8)進行去模糊化處理得到直接影響矩陣X′,再根據式(9)進行歸一化處理,得到矩陣M(M=[mij]n×n),利用式(10)計算綜合影響矩陣T(T=[tij]n×n)。

(9)

T=M(E-M)-1

(10)

Step 5：各因素之間影響程度

在建立綜合影響矩陣基礎上,通過式(11)計算出各因素影響度Ai、被影響度Bi、中心度Zi和原因度Yi。其中:若Yi>0,則表明示原因因素;Yi<0,則表示結果因素。

(11)

Step 6：建立總體影響矩陣

利用式(12)計算整體影響矩陣,其中I為單位矩陣。

H=T+I

(12)

Step 7：確定可達矩陣

根據總體影響矩陣H確定閾值λ,λ的目的是消除影響較小因素,簡化影響因素的系統結構。可根據式(13)計算可達矩陣X(X=[dij]n×n)。

(13)

式中:λ=α+β。

α、β為矩陣T中元素的均值和標準差[15]。

Step 8：構造層次模型

根據可達矩陣X和式(14),可得到技術接口風險因素的可達集R、先行集S和公共集Ri,從而建立層次網絡模型。

(14)

Step 9：將上述因果關系圖映射到Netica進行結構建模轉換,建立BN結構,如圖1[16]。

圖1 貝葉斯網絡結構轉換

Step 10：BN參數學習

基于專家經驗確定父節點的先驗概率和各層節點之間的連接概率。利用noisy-OR gate模型可得到整個網絡的條件概率表(conditional probability table, CPT),用來表示變量間數字邏輯轉換,其中包含了每個變量在給定其父節點的條件下可能取值及對應概率。通過計算CPT,可從數據中推斷出變量之間的潛在關系,從而更好地理解系統行為并進行預測。

3 案例分析

3.1 工程概況

筆者選取拉林鐵路LLZQ-7標段工程作為研究對象。該標段線路始發于橫跨桑加峽谷的藏木雅魯藏布江雙線大橋大里程橋臺,通過安拉隧道穿越山脈,橋梁共12座,特長隧道共3座。該區域位于青藏高原東南部,具有山勢險峻、溝谷縱橫狹窄、氣候類型復雜等特點,所產生的技術接口多、安全風險高、施工難度大,故技術接口風險因素也多。通過分析各個風險因素之間的依存關系,可增強管理者對復雜事故致因系統理解,減少風險發生。

3.2 DEMATEL建模

基于DEMATEL分析計算風險因素值,考慮指標之間關系,邀請10位專家用語言量表描述因素之間關系。基于式(1)～式(10)確定綜合影響關系矩陣T(表3),這為構建ISM模型提供了依據。

表3 技術接口風險因素綜合矩陣

利用式(11)得到各因素的影響度、被影響度、中心程度、原因度(表4),并基于上述求解結果創建了接口風險因素的因果圖,如圖2。

圖2 風險因素原因-結果

表4 技術接口風險因素測算結果

中心值越大,則該因素在評價因素體系中的重要性越大。圖2中:因素X4、X5、X8、X11、X13的中心值相對較大,這表明它們在接口風險系統中更為重要;因素X5、X8、X11、X13、X20是容易影響系統中其他風險的原因因素,在控制此類風險時,需要重點切斷其傳導過程;因素X2、X3、X4、X7、X10是容易受其他風險影響的結果因素,在系統中需要避免其受到其他因素干擾,減少系統風險出現。

3.3 ISM建模

基于構建的技術接口風險ISM模型,如圖3。由圖3可知:因素X2、X3、X7、X17位于頂層,不會影響其他因素,且在風險分析中很容易被察覺,故被稱為直接因素;其中:因素X2、X3與其他因素關系最為密切,因素X2中心度最高,是橋隧工程技術接口一個重要的風險因素。鐵路工程接口實施是一個典型的協同過程,各技術接口任務活動之間存在著緊密關聯,一旦出現工期和質量問題、銜接沖突和缺乏及時處理措施就會增加事故風險。因此,通過管控此類風險因素,并采取有效措施,能極大的降低該工程的整體風險。

圖3 技術接口風險因素解釋結構模型

因素X1、X4、X6、X8、X9、X10、X12、X13、X14、X15、X18、X20、X21處于網絡模型中間,既能影響其他因素,又能受到其他因素影響,故定義為過渡原因。其中:因素X6、X8、X11、X13、X14、X15、X20、X21為原因因素,這些因素很容易影響其他風險因素,其余為結果因素;因素X4、X8、X10的中心位于過渡層前端,屬于關鍵因素,對橋隧工程技術接口風險有著重要影響。鐵路工程這種信息密集型項目保持暢通的溝通渠道是良好協作的基礎,通過有效溝通可解決信息在各方之間的有效傳遞。設備采購信息、技術參數、尺寸規范、設計圖紙等都屬于信息,一旦溝通渠道不暢就會導致實體接口處尺寸存在差異、技術參數不匹配、施工預留有誤等風險的產生或增加。雖然這些因素不是橋隧工程技術接口風險的直接原因,但它們之間復雜的線性作用將導致系統處于不穩定的風險狀態。

因素X5、X11、X16、X19位于最底層,且僅對其他因素產生影響,不受其他因素影響,這些因素在橋隧工程技術接口風險管理中非常重要,但并不十分明顯,故定義為本質原因。其中:因素X11、X16的原因度比較高,表明該因素對其他風險因素影響最大,是橋隧工程技術接口風險控制過程中需要考慮的最重要因素。

由于接口風險管理目標的實現是依賴于其他系統或專業間的協調與配合,而設計過程是循環和迭代的,施工過程是線性和順序的,一旦出現施工組織設計不協調,就會引發工程變更、返工和延誤等風險。本質原因是系統中低水平風險因素,控制這些風險因素雖不會立竿見影,但對橋隧工程接口風險具有根本影響,是根本因素。

3.4 BN建模

BN模型通過集成DEMATEL-ISM方法,并映射到Netica進行結構建模轉換。由專家組定義各因素狀態,將目標節點Z(橋隧技術接口風險)分配給分層網絡模型。目標節點Z有4個直接因素,分別為X2、X3、X7、X17,其中:Z和它們有發生(Y)和不發生(N)這2種狀態,其他因素則有高(H)、中(M)、低(L)這3種狀態。借助專家知識及歷史經驗確定父節點初始概率和各節點間條件概率,得到節點間依賴關系概率(CPT)。以子節點因素X7為例,X7發生(Y)和不發生(N)這2種狀態與父節點X11、X14之間的依賴關系CPT如表5。

表5 子節點因素X7與父節點因素X11、X14的依賴關系

通過這種方式,可計算出其他節點的概率,并將其條件概率表CPT導入Netica軟件轉化為條件概率分布,通過概率更新計算得到橋隧技術接口風險因素的BN拓撲,如圖4。

圖4 BN模型的分析結果

3.5 結果分析

3.5.1 利用正向因果推理

由圖4可知:拉林LLZQ-7技術接口風險Z的發生概率為51.4%,表明未來總體風險水平可能很高。不同情況下技術接口風險的發生概率如表6。

表6 不同情況下技術接口風險的發生概率

由表6可知:當每個節點處于高風險狀態時,接口風險發生概率水平增加;當處于低風險狀態時,該工程整體接口風險發生的概率水平降低,并根據每個父節點的初始概率,變化范圍也不同,該結論也符合實際情況。因此,在工程施工中可提前建立項目的BN模型,并結合風險因素實際情況及時輸入到模型中,提前了解風險發生概率并及時采取措施,降低風險的發生。

3.5.2 BN逆向推理

根據BN逆向推理,將目標節點Z概率設置為100%,即發生技術接口風險,通過BN診斷功能推斷出各風險因素的后邊緣概率,如圖5。由圖5可知:最近似的原因鏈為團隊間協作程度→溝通渠道不合理,信息傳遞不暢→不同專業工種之間缺乏配合→程交接預留、預埋等有誤→工程實體無法銜接或空間位置沖突→Z。其中,團隊間協作程度和溝通渠道不合理,則信息傳遞不暢發生的概率越大,對接口風險發生影響也越大,故應對此類風險進行重點監控與防范,必要時進行風險減輕、風險轉移等策略,從根本上降低風險發生概率。

圖5 貝葉斯網絡逆推結果

4 結 語

筆者基于相關分析和接口風險管理理論,從物理風險、管理者能動風險、環境風險這3個維度系統識別了技術接口的風險因素,運用DEMATEL和ISM相結合方法,研究了風險因素的相互作用和層次關系,得到了風險因素因果圖和層次網絡圖,這有助于提高對橋隧接口復雜系統的理解,識別關鍵風險因素,并幫助管理者做出正確決策。

通過BN模型量化目標事件風險因素之間耦合關系強度,確定導致橋隧工程技術接口風險發生的最接近原因路徑為:X16→X8→X1→X4→X2→Z。結果表明:團隊間協作程度是拉林鐵路技術接口風險的最常見來源;施工組織設計銜接不協調、工程交接預留、預埋等有誤和溝通渠道不合理信息傳遞不暢等是導致橋隧工程技術接口風險發生的關鍵因素,與其他風險因素之間存在密切關系。