黃保斌， 汪恭書， 趙任， 盧春房

（1. 智能工業(yè)數(shù)據(jù)解析與優(yōu)化教育部重點實驗室（東北大學），遼寧沈陽 110819；2. 遼寧省制造系統(tǒng)與物流優(yōu)化重點實驗室，遼寧沈陽 110819；3. 東北大學工業(yè)與系統(tǒng)工程研究所，遼寧沈陽 110819；4. 中國工程院，北京 100088）

我國高鐵的發(fā)展，從20 世紀末艱難起步，通過對既有線路的改進提速為高鐵的建設積累了初步經(jīng)驗，并通過對國外先進技術的引進學習與自主創(chuàng)新［1］，在2003 年建成秦沈客運專線。此后，我國高鐵進入高速發(fā)展階段，基于“四縱四橫”以及“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的規(guī)劃與建設，形成了中國高速鐵路建設的技術標準體系，實現(xiàn)了高速鐵路核心技術的全面掌握與自主研發(fā)。隨著“一帶一路”倡議的展開，我國高鐵走向世界的步伐越來越快［2］。高鐵工程的建設與運行質量關系到我國高鐵能否在世界市場具有強大的市場競爭力。

1 高鐵工程質量管理研究現(xiàn)狀

目前，國內外鐵路工程質量管理的研究主要集中在建設質量管理［3-5］。Grün［6］基于高鐵等大型項目案例研究，確定大型項目管理的4個成功因素：目標的制定和變更、基本配置、社會政治環(huán)境以及管理結構和能力。Basu［7］分析質量在“成本、時間和質量”鐵三角中的關鍵作用。Rumane［8］對工程項目中的各類質量標準、質量管理系統(tǒng)以及影響工程項目成敗的各類質量因素進行總結，并介紹了工程項目全生命周期質量與風險管理方法。Jaafari［9］對工程項目管理全生命周期的重要性進行了研究。Fewings 等［10］研究建設項目管理的綜合方法，并論述全生命周期與工程項目成功的關系。何清華等［11］提出建設項目全生命周期集成化管理的概念，并對全生命周期集成化管理信息系統(tǒng)的信息模型、系統(tǒng)集成的層次和方法進行了分析和探討。付延冰等［12］提出高速鐵路生命周期碳排放計算方法，分析高速鐵路建設運營對環(huán)境的影響。盧春房［13］針對鐵路建設項目的投資問題，提出全方位、全過程控制投資的新理念與新方法。劉冬等［14］基于全生命周期理念，對高鐵項目投資控制進行了研究。郭毅先等［15］對國內外高速鐵路工程質量管理現(xiàn)狀進行分析，提出中國高鐵工程的質量管理關鍵要素。王孟鈞等［16］對我國高速鐵路工程建設的質量管理模式進行了研究。孫永福［17］對高原、寒冷地帶的鐵路建設與管理進行研究，為高原多年凍土地區(qū)的鐵路建設，以及北方寒冷地帶的鐵路建設管理提供依據(jù)。盧春房［18-20］在質量、工期、投資三大傳統(tǒng)目標的基礎上，納入“職業(yè)健康安全、生態(tài)環(huán)境、科技創(chuàng)新”3 項內容形成了“六位一體”目標控制體系；在此基礎上，結合我國國情、路情以及時代要求，積極探索適應我國高鐵快速發(fā)展的組織方式、管理模式、質量體系和過程控制等管理要素，進一步構建了確保高鐵質量可控的組織管理和質量管理體系；針對我國高速鐵路建設項目標準化管理，構建了綜合建設與運營并強化內部外部協(xié)調運作的高速鐵路建設項目一體化管理模式。

綜上所述，目前我國針對高鐵工程質量管理體系的研究較少，對工程全生命周期的研究主要集中在成本控制、環(huán)境影響等方面。以下從系統(tǒng)協(xié)調一致的角度，分析系統(tǒng)功能協(xié)調一致、系統(tǒng)全生命周期協(xié)調一致以及系統(tǒng)組織協(xié)調一致3個方面的具體內涵、三者之間的耦合關系以及具體的實現(xiàn)策略，對高鐵工程質量管理系統(tǒng)的最優(yōu)運行機制進行探討。

2 高鐵工程質量管理系統(tǒng)協(xié)調一致的內容

高鐵工程是復雜而龐大的工程項目，高鐵工程建設具有投資巨大、施工技術復雜、施工周期長、運營要求高等特點。從建設內容來看，涉及路基、橋隧、房屋、四電（電力、通信、信號、電氣化）等多個專業(yè)及接口；從時間維度來看涉及項目決策、工程設計、工程施工、竣工驗收、運營維護等全生命周期過程；從組織結構來看，涉及設計單位、施工單位、監(jiān)理單位、咨詢單位以及各個材料設備供應商等多個參與主體。高鐵工程的質量達標，不僅是各專業(yè)、接口建設質量達標，還需要整個高鐵系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，這也是系統(tǒng)協(xié)調一致的目標。系統(tǒng)協(xié)調一致的具體內容包括：系統(tǒng)功能協(xié)調一致，系統(tǒng)全生命周期協(xié)調一致，系統(tǒng)組織協(xié)調一致。各部分內容既有其自身特征，又與其他部分相互耦合與支撐（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)協(xié)調一致示意圖

高鐵工程項目建設的質量是系統(tǒng)功能協(xié)調一致的基礎，同時系統(tǒng)功能協(xié)調一致為高鐵工程建設提出了一系列的質量標準。系統(tǒng)全生命周期的質量管理保證了高鐵項目從策劃籌備直到運營維護的總體最優(yōu)性。系統(tǒng)組織的協(xié)調一致，保證了高鐵工程項目建設的計劃性、可實施性與魯棒性，是系統(tǒng)全生命周期質量最優(yōu)實現(xiàn)的基礎。

3 系統(tǒng)功能協(xié)調一致

高速鐵路是涵蓋眾多專業(yè)，包括路基、橋梁、隧道、軌道、電力牽引、動車組等，以及如過渡段、道岔等各專業(yè)間的接口的大規(guī)模集成系統(tǒng)。高鐵工程的質量是否符合標準的重要依據(jù)就是建設完成后，整個系統(tǒng)能否正常運行。而系統(tǒng)正常運行的基礎是系統(tǒng)功能的協(xié)調一致。系統(tǒng)的功能協(xié)調一致，包括：專業(yè)功能協(xié)調一致和接口協(xié)調一致（見圖2）。

圖2 系統(tǒng)功能協(xié)調一致示意圖

（1）專業(yè)功能協(xié)調一致。高鐵系統(tǒng)正常平穩(wěn)運行，需要系統(tǒng)內各專業(yè)提供支撐，并且各專業(yè)為系統(tǒng)提供的功能質量與系統(tǒng)需求協(xié)調一致。主要包括：供變電、接觸網(wǎng)系統(tǒng)內各專業(yè)的設計參數(shù)和設備選型與動車組行車質量需求相一致；通信、信號、客服、防災等系統(tǒng)內各專業(yè)的功能、性能、安全性與動車組行車質量需求相一致；路基、軌道、道岔、橋梁、隧道等結構工程，其動力性能、振動噪聲、電磁環(huán)境、綜合接地等的安全性和適用性的質量水平與動車組行車和環(huán)境管理等質量需求相一致。如通信專業(yè)的無線通信質量與行車控制要求的質量相一致，具體指標有：網(wǎng)絡注冊時延不大于30.0 s，最大端到端傳遞時延不大于0.5 s，數(shù)據(jù)傳輸頻率為4.8 kbit/s；信息化專業(yè)與網(wǎng)上售票、刷臉進站等客運服務專業(yè)的功能也要一致等。同時高速鐵路系統(tǒng)內各專業(yè)是相對孤立的單元，但作為整體系統(tǒng)的組成部分，各專業(yè)間有著緊密的聯(lián)系，需要通過各專業(yè)間的接口，如過渡段、道岔等，才能實現(xiàn)相互協(xié)作，使整個系統(tǒng)正常運行。

（2）接口協(xié)調一致。接口協(xié)調一致主要包括3 類：管理接口協(xié)調一致、站前站后工程接口協(xié)調一致以及專業(yè)接口功能協(xié)調一致。①管理接口協(xié)調一致：相鄰標段要進行施工控制網(wǎng)、精測網(wǎng)的貫通測量，架梁、鋪軌、四電等的銜接要順暢，保證工程建設的整體性。②站前站后工程接口協(xié)調一致：站前各專業(yè)的施工過程中，要預留部分結構與相應站后各專業(yè)銜接，如與通信、信號、電力、接觸網(wǎng)、牽引變電、環(huán)境工程等進行銜接，銜接的結構和部位稱為工程接口。工程接口的承載主體主要包括路基、橋梁、隧道、站場和軌道。專業(yè)接口的建設內容主要包括：路基綜合接地、過軌、接觸網(wǎng)支柱基礎、電纜溝槽；橋梁綜合接地、鋸齒形孔及爬架、梁體接觸網(wǎng)支柱基礎、橋上電纜槽；隧道綜合接地、隧道內過軌、接觸網(wǎng)預埋槽道、隧道內電纜槽；無砟軌道絕緣處理、接地連接等。站前站后工程接口的協(xié)調一致要求銜接站前、站后工程的工程接口設計，不僅要考慮站后工程對接口的技術要求，還要考慮工程接口的施工對站前工程施工質量的影響，通過對兩者進行協(xié)調，確保接口工程的施工精度，使之符合機車牽引動力、行車速度等的質量要求，保證高速鐵路的可靠運營。③專業(yè)接口功能協(xié)調一致：高鐵系統(tǒng)內各專業(yè)接口在系統(tǒng)運行過程中保證各專業(yè)過渡順接的平穩(wěn)漸變。例如，橋梁或隧道與路基的剛度不一致，若直接相連就會出現(xiàn)“跳車”現(xiàn)象。為此，設置過渡段，使剛度在一定長度范圍內均勻變化，避免突變。此外，區(qū)間軌道與道岔剛度也有較大差別，需要通過調整道岔墊板剛度使其趨于一致。

4 系統(tǒng)全生命周期協(xié)調一致

4.1 概述

高鐵工程項目整體質量的形成經(jīng)歷立項決策、工程設計、工程施工、運營維護4 個階段（見圖3）。立項決策階段：基于項目建設目的和意義，確定高鐵工程項目建設標準，分析論證高鐵工程項目在技術層面與經(jīng)濟層面上的可行性與合理性，從而確定高鐵建設總體質量要求。工程設計階段：將工程項目質量要求具體化，確定總體項目建成后的功能和使用價值，細化各子項目質量目標，形成設計方案與施工圖紙。工程施工階段：具體形成項目實體質量的階段，是實現(xiàn)合同要求和設計方案的階段，同時也是設計方案的實證以及反饋調整的階段。運營維護階段：運營維護階段既能檢驗建設工程質量的優(yōu)劣，又能提升質量水平，在高鐵工程項目的全生命周期中是時間最長的環(huán)節(jié)。

圖3 系統(tǒng)全生命周期協(xié)調一致示意圖

高鐵工程項目建設質量具有“繼承性”“牛鞭效應”以及“木桶效應”。“繼承性”是指建設優(yōu)先級較高的工程子項目會對后期建設項目質量以及整體項目質量造成影響。“牛鞭效應”是指隨著建設的推進，前期工作的質量缺陷會被逐漸放大?！澳就靶笔侵妇植抗こ藤|量標準降低會導致整體質量的降低。例如，如果路基的排水工程的建設質量過低會降低路基的整體抗災能力，并導致使用年限縮短，最后影響整個高鐵系統(tǒng)的正常運營并增加維護成本與難度，甚至導致整個高鐵系統(tǒng)使用壽命縮短，因此要保證系統(tǒng)全生命周期的協(xié)調一致。

系統(tǒng)全生命周期的協(xié)調一致目的是：貫穿立項決策直到運營維護階段的質量管理，以各階段之間的相互影響關系為根據(jù)，對各階段工作進行協(xié)調控制，保證高鐵工程項目各階段的工作均圍繞整體質量最優(yōu)的目標。

4.2 實現(xiàn)步驟

系統(tǒng)全生命周期協(xié)調一致作為總目標是難以定量描述的，這里提出利用層次分析法建立全生命周期質量管理的數(shù)學模型，篩選各類影響協(xié)調一致的主要因素，并分析各類因素變化時對總體質量目標的影響。

4．2．1 確定主要影響因素

工程建設投入、難易度，與日常運營維護成本、難易度呈負相關，與建設質量呈正相關；日常運營維護成本、難易度，與建設質量呈負相關。影響系統(tǒng)全生命周期中協(xié)調一致的主要因素包括建設投入（B1）和運營投入（B2）。影響建設投入主要因素包括：建設標準（C1）、工程設計（C2）、施工作業(yè)（C3）、安全質量（C4）、物資供應與管理（C5）、咨詢服務（C6）、投資管理（C7）、征地拆遷（C8）、環(huán)境影響Ⅰ（C9）；影響運營投入主要因素包括：線路日常維護（C10）、運載量（C11）、運營管理（C12）、車輛購買與養(yǎng)護（C13）、設施設備折舊（C14）、運輸服務（C15）、環(huán)境影響Ⅱ（C16）、安全性（C17）。根據(jù)上述影響因素構建指標層，其中，環(huán)境影響Ⅰ（C9）主要指建設期間對環(huán)境造成的影響，如廢棄物填埋或堆放、植被破壞等；環(huán)境影響Ⅱ（C16）主要指運營期間對環(huán)境造成的影響，如各類有害氣體排放、噪聲污染等。

4．2．2 設定總目標

設定系統(tǒng)全生命周期協(xié)調一致為總目標，即作為目標層A，基于包括最小化建設投入偏好、最小化運營投入偏好、平衡考慮運營與建設3種情況，給出B層影響因素的重要性及具體重要性數(shù)值，然后分別比較C層影響因素兩兩之間的重要性，并給出重要性賦值。

4．2．3 確定層次結構

方案層為m種備選建設方案。確定高鐵系統(tǒng)全生命周期協(xié)調一致的AHP層次結構見圖4。

4．2．4 建立影響因素重要性兩兩比對判斷矩陣

根據(jù)遞階層次構造判斷矩陣，每個具有向下隸屬關系的元素作為判斷矩陣的第1個元素（位于左上角），隸屬于它的各個元素依次排列在其后的第1 行和第1 列。影響因素間的相對重要性根據(jù)1—9 標度法取值，用bij表示指標層B某因素的隸屬影響因素i與j之間的比較 結 果 ，B1=(bi，j)9×9、B2=(bi，j)8×8為 判 斷 矩 陣 ； 用表示指標層 C 的某影響因素i下方案h、k之間的比較結果，為判斷矩陣，i= 1，…，17。

圖4 高鐵系統(tǒng)全生命周期協(xié)調一致的AHP層次結構

4．2．5 計算指標權值

4．2．6 執(zhí)行一致性檢驗和確定層次總排序向量

逐層進行一致性檢驗，針對第k-1層第j個元素為準則的第k層的一致性指標、比率，以及隨機一致性指標然后根據(jù)公式進行層次總排序一致性檢驗，調整一致性比率高的矩陣中的元素值，直到CRk＜0.1。

4.3 案例分析

以某段高鐵建設為例，有2 種備選方案：方案I、方案Ⅱ。分別對運營投入與建設投入重要性比較賦值（4，1/4，1），2 種情況對應的目標的權向量分別為（0.166 7，0.833 3）、（0.833 3，0.166 7） 且滿足一致性；或者去掉第2層表示兩者重要性相同。然后，根據(jù)偏好進行影響因素重要性賦值，以環(huán)境影響Ⅰ為基準對建設投入隸屬影響因素重要性賦值（9，6，8，6，2，7，3，8，1），以安全性為基準對運營投入隸屬影響因素重要性賦值（8，8，2，9，9，3，6，1），以此為依據(jù)，繼續(xù)比較其他因素間的重要性，并構造判斷矩陣。針對方案I、方案Ⅱ，兩者相對上一層影響因素的重要性比較依次為： （3，1/5，1/1.2，2，1/2，1/1.2，1.1，1/9，1/4，1/7，1/1.5，1/1.1，1/1.3，1/2，1/1.5，1/4，1/6），進行一致性檢驗，然后計算得出方案I、方案Ⅱ，對應總目標的權重分別為（0.379，0.621），（0.478，0.522），（0.414，0.586）。因此無論從前期建設投入考慮，還是從后期運營維護考慮，或者兩者兼顧，方案Ⅱ都要比方案I更能滿足全生命周期協(xié)調一致的目標。

通過不同偏好下方案的選擇，分析各類影響因素對協(xié)調一致目標的影響，進而實行保障高鐵工程項目系統(tǒng)全生命周期協(xié)調一致的具體實施措施：

（1）立項決策階段?？紤]整體最優(yōu)的問題，確定總體目標，在該階段要分析后續(xù)階段建設和運營的成本、難度等因素，制定包括質量、工期、投入、安全管理等要素的建設目標，加強功能需求的分析，使得后續(xù)設計工作能夠更加具有針對性。

（2）工程設計階段。做好經(jīng)濟技術方案比選，減少不合理的設計，提高設計質量，避免返工、誤工等現(xiàn)象；同時需要協(xié)調好施工質量標準與運營維護階段質量要求，避免出現(xiàn)為了降低施工成本與難度而導致系統(tǒng)壽命縮減，運營維護成本上升及難度增加的情況。

（3）工程施工階段。不僅僅嚴格按照施工圖紙、合同等一系列規(guī)章制度與質量標準保障各類物資的供應并完成建設工作，還需要根據(jù)施工條件及時進行信息反饋，以便優(yōu)化設計。

（4）工程運營維護階段。提前介入可為工程設計與建設過程提供了一定的指導意見；同時，運營反饋制度能夠為高鐵后續(xù)建設提供需要改進和優(yōu)化的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。另外，在該階段各類維護工作嚴格按照各類標準執(zhí)行，防止因維護保養(yǎng)不利導致設施、設備使用壽命縮短甚至損毀的情況出現(xiàn)。

5 系統(tǒng)組織協(xié)調一致

高鐵工程質量管理橫向貫穿參與項目建設所有參與主體單位，縱向貫穿包括項目決策、工程設計、工程施工、運營維護等全生命周期的綜合性活動。高鐵工程的質量管理不是在某建設階段時間，依靠某個部門實現(xiàn)，也不能僅通過成立一個專門的質量管理機構、指定（委托）專門的質量管理機構（人員）或完全依賴工程監(jiān)理部門就能解決。必須構建合理的質量管理組織體系，明確并落實各參與主體的質量責任，做好各參與主體間的協(xié)調工作，為高鐵工程項目建設穩(wěn)步推進、系統(tǒng)整體質量最優(yōu)提供保障。系統(tǒng)組織的協(xié)調一致是指高鐵項目質量管理涉及的業(yè)主單位、設計單位、監(jiān)理單位、咨詢單位、施工單位、供貨單位、運營維護單位等各參與主體之間的利益沖突最小化，大、小業(yè)主發(fā)揮其主導作用，其他各參與單位發(fā)揮其在建設、運營階段的針對性作用，做到?jīng)Q策、執(zhí)行、反饋等各類信息的傳遞準確及時、響應迅速。高鐵項目質量管理涉及單位之間所起作用及相互關系見圖5。

為確保系統(tǒng)組織協(xié)調一致，高鐵系統(tǒng)全生命周期不同階段需要關注的要點如下：

（1）立項決策階段。業(yè)主應充分考慮高速鐵路工程項目的可施工性、運營維護的難易程度、成本可控性、運行的可靠性與安全性等因素，綜合各參與主體的意見如運營單位等的提前的介入。

（2）工程設計階段。業(yè)主積極介入并協(xié)同設計單位完成設計方案的論證，監(jiān)理單位有效監(jiān)控地質勘察工作，進而合理確定線路方案、建設規(guī)模以及投資目標；然后由業(yè)主、咨詢單位合作對設計單位的設計工作進行協(xié)助，并對設計方案與施工圖進行初審，避免后期設計頻繁更改。

圖5 系統(tǒng)組織的協(xié)調一致示意圖

（3）工程施工階段。業(yè)主單位發(fā)揮主導作用，做好各項施工準備工作，組織各方參與保證各方溝通順利，如各類物資供應的招標工作；協(xié)調咨詢單位、監(jiān)理單位、設計單位、施工單位，對施工圖進行核對，完善設計保證設計的可實施性，在施工過程中發(fā)揮監(jiān)理單位的監(jiān)督功能的同時避免因為對質量的過高要求，導致施工單位不必要的返工，合理協(xié)調質量與進度，保證施工方案的順利執(zhí)行；針對實際建設需求需要對設計做出變更時，嚴格遵守“先批準，后變更；先設計，后施工”的原則，堅持充分論證與集體決策，在符合工程質量標準與合同要求的條件下，一次變更到位；在驗收階段，做好靜態(tài)與動態(tài)驗收工作，保證運營階段的平穩(wěn)進行。

（4）運營維護階段。業(yè)主、設計、施工單位安排一定數(shù)量的管理和技術人員幫助運營單位人員進一步熟悉設備性能、操作規(guī)程和維修技術，及時處理設備故障，以確保運輸安全和秩序。運營維護的同時，根據(jù)實際運營狀況積累數(shù)據(jù)，為新的建設項目積累經(jīng)驗。

6 結束語

高鐵工程各分項、單位工程質量最優(yōu)，各專業(yè)工程質量最優(yōu)，并不能代表整體工程質量最優(yōu)。整體工程質量最優(yōu)除各項工程質量合格外，還應體現(xiàn)在系統(tǒng)的協(xié)調一致。從系統(tǒng)功能協(xié)調一致、系統(tǒng)全生命周期協(xié)調一致以及系統(tǒng)組織協(xié)調一致方面，開展高鐵工程質量管理系統(tǒng)最優(yōu)運行機制的探討，有利于更好地改進高鐵工程質量管理模式，實現(xiàn)我國高鐵高質量發(fā)展。