铁路工程接口工序工期匹配研究

黄成峰，鲍学英，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)

铁路工程建设过程中需要不同专业配合,不同参与方协作,在此过程中各主体之间会形成物理或者功能边界,便产生了工程接口。接口实体以及功能的精确匹配和接口信息及时高效的传递是确保接口功能实现的关键。

在接口管理关键影响因素研究方面,现有研究已经比较深入。Chen等[1]从人员/参与者、方法/过程、资源、文档、项目管理和环境这六个相互关联角度出发,以结构化的方式确定并呈现导致接口问题的因素。该研究有助于全面了解接口问题原因,为从业者和研究人员寻求全面的接口管理解决方案提供理论基础。喻茗雪[2]从工程供应链的角度展开分析研究,以工程、技术、组织、责任等四个维度作为划分依据对接口进行分类,将工程建设各阶段的利益相关者及其相互关系进行识别,运用AHP法量化分析提取出接口管理的关键影响因素,并给出实施建议。张兴凯[3]在识别并筛选出影响接口管理效果因素的基础上,构建了接口管理效果影响因素分析理论模型。基于因素分析,结合全过程控制、PDCA循环、精细化管理和组织管理等理论和方法,论证了加强关键因素管理的必要性和可行性,同时对如何加强关键因素管理给出了执行路径和实施方法,提出了以事前控制为核心的精细化接口管理策略组合。

在解决接口冲突问题方面,学者们也做了大量研究。Ju等[4]通过调整和重新分配相关承包商之间的接口责任,提出在现有交付方式下的价值优化策略,同时对集成项目交付(IPD)在消除接口冲突方面的前景进行了论述。价值优化策略和基于IPD的方法有望消除复杂建设项目的接口冲突,整合复杂的供应链,降低项目交付延迟和成本超支的潜在风险。Lin[5]使用集成于建筑信息建模(BIM)中的三维接口映射来跟踪和管理界面事件。BIM方法用于以数字格式保存接口信息,三维接口模型为用户提供接口事件的概述,用户可以虚拟地跟踪并管理接口,以此指导接口的实施,减少接口冲突的发生。Eray等[6]从循环经济的角度出发,基于建设项目中最常见的接口问题,定义了一种适用于自适应重建项目的接口管理本体,总结了接口管理系统(IMS)在适应性重建项目中的实施建议。Yeh等[7]提出一系列接口设计标准,以指导最新的地铁项目设计,通过对施工接口问题进行彻底审查,确定了用于概括接口设计标准的接口依赖类型。

目前国内外学者们对接口管理的研究已有了基本框架,在此基础上本文细化到接口工序工期上,提出解决接口工期不匹配问题的方法。在传统的铁路工程接口管理中,不会特别强调接口工序对工期匹配的需求,将接口工序和普通工序不加以区分,在工期计划中不考虑接口交换时间,因此经常会导致参与方之间接口信息难以对接,造成工程接口匹配不当的严重后果。本文基于接口交换概念建立影响效果矩阵,利用Shapley值法将接口信息发送时间、接口信息传输时间、接口信息接收时间和接口信息反馈时间等因素相互作用对接口工序工期的影响进行量化分析,构建铁路工程接口工序工期预测模型。在此基础上,根据接口工序工期匹配的需求给出相应的接口工序工期匹配方式。最后,在实例研究中具体运用本文提出的方法调整工序工期,使得各组接口信息及时交换,减少接口冲突的发生。

1 接口交换

1.1 接口交换的概念

在接口管理实践过程中,从业人员普遍依据《接口控制手册》(Interface Control Manual, ICM)的指导原则。针对具体项目的特点,确立接口实施的明确标准,并制定相应的管理要求。通过这种方式,对接口工程实施有效监控,确保项目按照预定目标和标准得以顺利推进。ICM是工程接口资料的汇编,主要包含接口编码、接口特征描述、接口类型、接口属性、计划交换时间、实际提交情况,以及接口更新等信息[8]。

接口交换是指在接口活动中上游方提出接口请求,并按照《接口控制手册》中规定的执行时间和任务内容用接口信息传送单(ⅡTF)向下游的接收方提交接口信息,之后接口双方通过接口信息意见单(ⅡCS)交流意见,直到接收方确认已经得到了所需要的全部信息,回文同意,接口参与方执行相关的接口工作内容后最终将接口关闭的整个过程[9]。

在铁路工程建设过程中,为全面高效地对接口进行监测管控,通常会成立接口管理小组。接口管理小组通过接口信息传送单(ⅡTF)和接口信息意见单(ⅡCS)了解接口上游方和下游方对接口问题处理的意见及建议,及时协调安排各方处理接口问题。对接口问题的处理方案经过接口管理小组的同意和批准,以文件的形式分发到各单位及部门[10]。接口管理小组通过合同条款约束接口上游方和下游方按时提交接口信息和反馈意见,以及追究接口交换出错的相关责任。接口管理小组在接口交换中是主要的组织方和协调方,是接口信息沟通的中介,居于指挥和决策的中心位置[11]。

根据接口交换概念以及接口上、下游方和接口管理小组的工作内容,铁路工程接口交换过程见图1。

图1 接口交换过程

1.2 接口交换状态

基于文献综述和对接口活动参与方的调研结果,Lin等[12]提出一种接口管理程序,该程序包括接口查找(interface finding)、接口识别(interface identification)、接口沟通(interface communication)、接口记录及跟踪(interface recording and tracking)和接口关闭(interface closing),见表1。

表1 接口管理程序

同时,Ju等[13]提出接口管理任务可分为接口识别、接口定义和表达、接口实现、接口测试、接口关闭等5个基本过程。

结合接口管理程序描述以及接口管理任务过程,接口交换存在接口打开和接口关闭这两种基本状态。

1)接口打开:接口上游方严格按照ICM中接口交换的相关规定准时、准确地向接口下游方提交接口请求,并开放接口界面。

2)接口关闭:接口下游接收并解码理解相关信息,与接口上游方沟通协调,最后双方达成一致意见,在规定的时间内关闭接口界面[14]。

1.3 接口交换时间

以接口打开的时间点作为接口交换过程的起始点,以接口关闭的时间点作为接口交换过程的终止点,从始至终这一段时间即接口交换时间。在铁路工程建设过程中,《接口控制手册》及相关合同中对各主体之间接口交换时间的管控提出了要求。接口交换的进度控制是铁路工程进度控制的重要部分,接口打开时间、关闭时间以及交换时间这三个时间参数是接口交换进度的主要控制点[9]。

2 考虑接口交换时间的接口工序工期

接口工序是指参与接口活动的两组施工队在接口界面对接口实施对象连续完成的各项制造与生产活动的总和。同一接口工序的参与者、实施界面与实施对象一般是固定不变的,任何一个要素改变,就会产生(转变为)另一道新的接口工序。接口工序工期即为开展接口工序从开始实施到接口工序全部完成并交付产品所经历的时间。

从信息传递的角度来看,接口信息发送时间、接口信息传输时间、接口信息接收时间和接口信息反馈时间是影响接口交换时间的主要因素[9]。其中,接口信息发送时间是指接口请求发出方,编码接口信息和发送信息的时间。接口信息传输时间是指由于信息通道中运行传输的时间,例如文件资料递送时间,网络通信时间等。接口信息接收时间是指接收及解码理解接口信息的时间。接口信息反馈时间是指收到接口信息后,分析确认,并返回接口信息意见单(ⅡCS)的时间。在实际工程项目中,接口交换时间会对项目整体工期造成影响,同时也会影响接口工序在时间上的匹配。

2.1 影响效果矩阵

考虑接口交换时间后,各影响因素对接口交换时间的影响可能导致接口工序的工期延长。专家根据以往相关工程的工期数据分析得到预测结果的概率分布。

根据研究[15],工期受到多种因素影响,呈现出对数正态分布特征。通过计算机生成位于(0,1)区间内且符合对数正态分布的随机数,以模拟各种影响因素出现的概率P1×n=[P1,P2,…,Pn]。将P1×n与预期的概率分布进行对比,若P1×n处于“与预期结果相同”的范围内,则表示工期保持不变;若P1×n处于“比预期结果延长”的范围内,则表明工期有所延长。对照区间范围后可得到影响因素随机数产生的预期结果ri表达式为

(1)

则受接口交换时间影响组成的影响效果矩阵为Rn×1=[r1,r2,…,rn]T。

2.2 基于Shapley值的影响因素权重

Shapley值法是Shapley于1953年提出的一种数学方法,主要用于解决多人合作对策问题[16]。在该方法中,使用G(N,R)表示N人参与的合作博弈,其中N人集合内的任意子集s都与一个最大收益值v(s)相对应,并满足

v(φ)=0

(2)

v(s1∩s2)≥v(s1)+v(s2)s1∩s2=φ

(3)

式中:s1、s2为不同的联盟。

用v(s|{i})表示剔除成员i之后的收益,则成员i对联盟s的贡献为

v(s)-v(s|{i})

(4)

假设有k个成员参与联盟s,即联盟s的规模为|s|=k,则成员i对所有规模为k的联盟的贡献之和为

(5)

(6)

成员i在全部规模下的平均贡献为

(7)

(8)

因此,式(7)可化为

(9)

式(9)中的平均贡献被称作Shapley值,即成员i在N人合作博弈中的收益[17]。

本文将其推广运用于对影响接口交换时间的因素进行权重分配,该方法考虑了多影响因素之间的相互作用,能够更好反映各种因素对接口交换时间的综合影响。

式中:φi(v)为在其他因素影响下的第i个影响因素的权重;|s|为在联盟s中的影响因素数量;v(s)为联盟s所产生的效益;v(s|{i})为在排除成员i后,联盟s所能获得的效益;w(|s|)为对该贡献的加权因子;v(s)-v(s|{i})为因素i在所有包含因素i的联盟s中的边际贡献率。式(10)得出的φi(v)组成的权重矩阵为

式中:ψn×n为在权衡影响因素的不确定性和多元因素间的相互关联性的基础上,得出的影响因素权重。该权重构成了模型中的影响程度矩阵,用以替代传统工期预测方法中仅关注两种因素间关联性的相关系数矩阵与影响度矩阵的乘积。

2.3 接口工序工期预测模型

本研究首先设定一个理想化的目标工期TD,假设在此情况下不考虑接口交换时间。然后,采用Shapley值法计算各种因素在其他因素影响下的权重,以反映它们在多因素相互作用中的相对重要性。将结果与随机数仿真得到的工期影响因素相结合,从而得出影响接口工序工期的各因素综合影响系数。最后,在理想化目标工期TD的基础上进行调整,考虑接口交换时间的影响,进而计算出接口工序预测工期TF。理想化目标工期具有计划性质,指在工期计划里的目标工期;预测工期具有预测性质,指通过分析求解后得到的预计的工期。接口工序工期匹配一般是在接口工序实施之前进行,对接口工序的工期计划进行调整。由于还未开展接口实施,无法精确获知接口交换时间,只能通过预测的方式给出考虑接口交换时间后预计的接口工序工期。根据上述思路,参考文献[18]建立工期预测模型为

TF=TD(1+P1×nψn×nRn×1)

(12)

式中:TF为预测工期;TD为在不考虑接口交换时间情况下的理想化目标工期。

本文模型采用随机数仿真方法对工期影响因素进行模拟,并充分考虑接口信息发送、传输、接收与反馈过程中各影响因素之间的关联性,使得预测的接口工序工期更加贴近实际情况。

3 接口工序工期匹配

3.1 接口工序工期匹配的内涵

根据基建项目管理程序,铁路工程项目的建设由项目规划、项目分析、项目设计、装备制造、施工安装、静态调试、联调联试、运行试验等阶段组成[19]。在项目执行过程中,各个阶段需根据任务之间的逻辑关系以及项目资源的合理分配等因素,将其划分为多个层级的子任务。这些子任务在时间上通过设置里程碑和节点工期等方式相互关联,以确保项目按计划进行[20]。接口工序工期匹配是指不同子系统关联任务之间,依据任务的前后逻辑关系、项目资源调配等限制因素进行时间搭接。特别要注意的是接口工序工期匹配概念中的工期不仅指施工时长,还包括接口界面开放的时长。

当接口上、下游方的接口工序工期完全没有重合时,那么该接口系统的工期不匹配;当接口上、下游方的接口工序工期只有一部分重合时,那么该接口系统的工期部分匹配;只有当其中一个接口交换参与方的接口工序工期完全覆盖接口另一方的接口工序工期或者两者的接口工序工期完全重合时,那么该接口系统的工期匹配。

由于接口工序工期未完全覆盖,施工面的使用可能会产生冲突,接口信息也不能完整的及时反馈,接口系统的工期不匹配和工期部分匹配这两种情况通常会导致返工和重复做工等问题。只有接口工序工期匹配时,施工面的调配才能更好地满足接口上、下游方的需求,同时接口信息才能及时完整地进行传输反馈。

根据接口工序的工作内容和任务需求,接口工序工期匹配的状态可分为一般覆盖、同始覆盖、同终覆盖和完全重合,见图2。

图2 接口交换过程

3.2 接口工序工期匹配方式

根据接口工序工期匹配的需求,同时考虑到接口工序的施工顺序较为固定,并且铁路工程接口一般不存在提前开放的情况。可由以下3种基础手段与任务要求的接口匹配状态进行组合,最终形成13种接口工序工期匹配方式,见图3。

图3 接口工序工期匹配方式

接口打开状态延长。上游方接口工序施工完成后,其接口界面不关闭,延长接口打开状态至接口任务要求的时点。接口打开状态延长的是接口界面的开放时间,而不是工序的施工时间,因此接口状态延长对后续工序的开展时间不造成影响。相应地,此工期匹配方式适用于接口上、下游方不需要同时进行施工,接口上游方在施工结束后仍能开放接口施工界面且对后续工序没有影响的接口工序。

接口关闭再打开。上游方接口工序施工完成并关闭接口界面后,在下游方接口工序需要其配合施工时再次开放接口界面。此工期匹配方式适用于接口上、下游方的工序开始施工的时间间隔较长,接口上游方施工结束后如果继续开放接口界面会对后续工序造成影响且接口上、下游方不需要同时进行施工的接口工序。

接口工序延后。上游方接口工序延后至下游方接口工序处于接口打开状态时才开始施工。此工期匹配方式适用于接口上、下游方必须同时进行施工的接口工序。

各接口工序工期匹配方式的约束条件以及时点工期计算的方法如下所述。

打开状态延长至同终:

一般关闭再打开(一般工序延后):

关闭再打开并同始(工序延后并同始):

关闭再打开并同终(工序延后并同终):

关闭再打开并跟上游方同步(工序延后并跟上游方同步):

关闭再打开并跟下游方同步(工序延后并跟下游方同步):

关闭再打开并同始同终(工序延后并同始同终):

式中:ti、ti′分别为调整前、后的接口上游方工序工期;Ti、Ti′分别为调整前、后的接口下游方工序工期;si、si′分别为调整前、后的接口上游方接口打开时间;ei、ei′分别为调整前、后的接口上游方接口关闭时间;Si、Si′分别为调整前、后的接口下游方接口打开时间;Ei、Ei′分别为调整前、后的接口下游方接口关闭时间。

关闭再打开系列匹配方式与对应工序延后系列匹配方式的工期与时点的计算方法一样。但是从整体项目工期来看,接口工序的关闭再打开操作是在接口上游方施工已经完成的基础上,在接口下游方开始施工时再次开放施工界面,不影响后续工序的开展,不会使项目总工期延长。而接口工序的延后操作是直接将接口上游方该工序开始施工的时点推迟到接口下游方该工序开始施工的时点,会影响接口上游方后续工序的开展。

4 实例研究

4.1 工程概况

以铁路工程桥隧接口作为研究对象,其不考虑接口交换时间的工序工期及计划安排情况,见表2。表2中,工序代码后加*的工序表示接口工序。

表2 铁路工程桥隧接口工期计划安排

4.2 接口工序工期

基于各工序的具体状况,专家参考过往工程历史数据,总结出在不同概率分布范围内,各影响因素可能产生的影响结果。用随机数量化结果后具体数据见表3。

表3 影响因素概率分布范围

以4个(影响因素的数量)为一组,利用计算机生成在(0,1)区间内符合对数正态分布的随机数。例如,计算机生成的第一组随机数为:P1×4=[0.195,0.261,0.109,0.303],将本组随机数与表3中的数据进行比较,并依据公式(1)计算,得到第一组影响效果矩阵为:R4×1=[0,0,0,1]T。研究中,采用5 000组数据进行仿真模拟,相应的随机数和影响效果矩阵见表4。

表4 随机数和影响效果矩阵

本文采用专家调查法向从事铁路工程接口管理工作和研究的设计人员、施工人员、管理人员和高校学者发放50份调查问卷。相关从业人员根据相关资料,对接口工序施工过程中可能遇到的影响因素进行权重评分。评分结果包括单一因素影响程度的大小,以及在多种因素相互影响下的接口工序权重。在此过程中,遵循的原则为四种影响因素的权重和等于1,即v1(s)+v2(s)+v3(s)+v4(s)=1。如果多因素间存在相关性,则此多因素的权重和将大于本身之和,即v123(s)>v1(s)+v2(s)+v3(s),见表5。表5中,{1}、{2}、{3}、{4}分别表示接口信息发送时间、接口信息传输时间、接口信息接收时间、接口信息反馈时间对接口工序工期的影响,大括号内有多个数字则表示多种影响因素相互作用下对工期的影响度大小。

表5 因素影响度

将表5中的数据代入式(10),计算出各影响因素在接口工序中的作用程度(即权重),得到因素影响度矩阵为

根据以上数据,结合表4、式(12)得出的接口工序预测工期TF见表6。

表6 工序预测工期

根据上述预测结果,绘制出接口工序预测工期直方图,见图4。

图4 接口工序预测工期直方图

经计算得到截水天沟工序预测工期为13.43 d。结果表明结合Shapley值法预测的接口工序工期更加符合对数正态分布。

通过采用上述方法,计算出其他接口工序的预测工期,并据此编制工期计划横道图,见图5。图5中,颜色相同的条目为两个接口专业的一组接口工序。

图5 预测工期计划横道图(单位:d)

4.3 工期匹配

从图5中可以看出桥隧接口中隧道工程专业的接口工序与桥梁工程专业对应的接口工序的工期安排并不完全匹配,这将会导致其中一方的施工活动对另一方造成干扰,甚至会出现各自完成施工后发现接口界面无法衔接的情况。

根据3.2节中接口工序工期的匹配方式对桥隧接口各专业工序的工期进行调整。隧道工程专业的截水天沟与桥梁工程专业的边坡排水工序,在工艺上接口上下游方不需要同时施工,隧道工程专业施作完截水天沟后仍能开放施工界面且对后续工序不造成影响,两个专业的施工时间间隔较短,因此这一对接口工序的工期通过延长截水天沟的接口打开时间的方式进行调整。

桥梁工程专业的边仰坡防护工序施工完成并关闭接口界面后,隧道工程专业的隧道口清理工序需要其再次开放接口界面配合施工。由于接口上下游方的工序开始施工的时间间隔较长,桥梁工程专业完成边仰坡防护施工后如果继续开放接口界面会对后续工序造成影响且边仰坡防护不需要与隧道口清理工序同时施工,同时接口下游方的隧道口清理工序对接口上游方边仰坡防护工序的接口界面开放需求是单向的,因此选择通过接口关闭再打开并与下游方同步的方式进行工期调整。

隧道工程专业的隧道仰拱与桥台桩基础相接工序与桥梁工程专业的基坑分块开挖和桩头破除及承台施工工序,接口上下游方必须同时进行施工,且这一对接口工序必须同时开始并同时进行施工,因此选择通过延后超前工序(基坑分块开挖)并使两个工程专业的施工时间同始同终的方式进行工期调整。

隧道口防护栅栏封闭与桥台防护栅栏封闭作为桥隧接口的最后一道工序,隧道工程专业与桥梁工程专业同时施工可以避免出现连接处出现错位的情况发生,确保防护栅栏衔接处平顺过度,因此通过延后工序并使两个工程专业同时完成施工的方式进行工期调整。

对所有接口工序进行工期调整后的工期计划横道图见图6。

图6 调整后的工期计划横道图(单位:d)

5 结论

1)对接口工序工期进行模拟,其能够较好地服从对数正态分布,用本文提出的方法进行接口工序工期预测,在理论上具有较强的合理性。

2)通过Shapley值法对各影响因素进行赋权,建立了接口工序工期预测模型。本文考虑了接口信息发送时间、接口信息传输时间、接口信息接收时间和接口信息反馈时间等影响因素的相互作用,使得预测的接口工序工期更加符合实际情况。

3)提出了接口工序工期的匹配方式。结合工程实际情况选择相应的工期调整方式,在对总工期影响较小的情况下使得接口信息交换更加高效流畅,接口施工各专业配合更加协调,能够减少返工和重复做工的情况发生,达到节约资源、提升工程质量的目的。