鮑學(xué)英，文圓圓，胡所亭，班新林，許見超

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

0 引 言

艱險山區(qū)地形地勢復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，氣候極端惡劣，鐵路工程橋隧占比高，橋梁與隧道間技術(shù)接口眾多且復(fù)雜，涉及面廣，使得橋隧工程技術(shù)接口實現(xiàn)過程中面臨許多困難[1]。技術(shù)接口作為鐵路工程建造的薄弱環(huán)節(jié)，對工程工期、成本，特別是工程質(zhì)量有著重大影響。因此，對鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量關(guān)鍵影響因素研究分析極其重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對接口質(zhì)量做了大量研究，A.M.Al-HAMMAD[2]主要針對各參與方之間的接口問題進(jìn)行研究，得出項目各參與方之間若協(xié)調(diào)不當(dāng)，會嚴(yán)重影響項目的質(zhì)量；王小明等[3]結(jié)合武廣鐵路項目，闡述了施工中站后預(yù)留接口常出現(xiàn)的質(zhì)量問題；鐘永發(fā)等[4]通過鐵路工程四電接口工程施工中出現(xiàn)的主要問題，從基本思想、施工管理、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面，分析了其形成原因，并提出了相對應(yīng)的質(zhì)量管理措施；孫登攀等[5]從高鐵施工實際出發(fā)，對于鐵路四電系統(tǒng)集成工程中常出現(xiàn)的接口質(zhì)量問題，進(jìn)行了總結(jié)分析，制定了相應(yīng)的解決措施，保證施工質(zhì)量。現(xiàn)有研究大多數(shù)只是闡述了接口問題對質(zhì)量有直接影響，提出要重視工程的質(zhì)量問題，且多為經(jīng)驗性總結(jié)，缺乏對質(zhì)量影響因素的深入分析，特別是對艱險山區(qū)鐵路橋隧工程的技術(shù)接口質(zhì)量影響因素的研究分析鮮有涉及。

筆者基于相關(guān)文獻(xiàn)分析和質(zhì)量管理理論，結(jié)合艱險山區(qū)鐵路橋隧工程項目自身特點，識別橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量影響因素，運用結(jié)構(gòu)方程模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，對技術(shù)接口質(zhì)量影響因素進(jìn)行模擬分析和診斷推理，確定影響技術(shù)接口質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素，有效預(yù)防技術(shù)接口質(zhì)量問題的發(fā)生，進(jìn)而提高技術(shù)接口質(zhì)量的管理水平。

1 技術(shù)接口質(zhì)量影響因素分析

根據(jù)橋隧工程的施工特點，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[6]及國家鐵路局等企業(yè)頒布的規(guī)范，識別出橋隧連接、橋臺與洞身連接、邊坡的銜接、不均勻沉降、錨碇的錨固、防水排水、電纜槽的過渡等技術(shù)接口。

針對上述識別的橋隧工程技術(shù)接口，其質(zhì)量影響因素涉及多方面，這些影響因素在特定環(huán)境條件下作用于技術(shù)接口，造成了技術(shù)接口實施的障礙，進(jìn)而直接或間接影響技術(shù)接口質(zhì)量。

影響鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量的內(nèi)外因素很多，但總結(jié)起來主要有5個方面，即人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境，簡稱4M1E。其中人員的影響因素指參建人員對技術(shù)接口質(zhì)量造成的影響，主要包括人員的素質(zhì)狀況，管理決策是否正確，作業(yè)技能是否熟練等；材料的影響因素是指施工材料對技術(shù)接口質(zhì)量造成的影響，主要包括材料性能是否符合要求，價格是否合理，驗收是否符合標(biāo)準(zhǔn)等；設(shè)備的影響因素是指技術(shù)接口施工過程中所需的設(shè)備對技術(shù)接口質(zhì)量造成的影響，主要包括施工設(shè)備的類型是否符合施工特點，性能是否先進(jìn)穩(wěn)定等；方法的影響因素指設(shè)計圖紙、施工方法等對技術(shù)接口質(zhì)量造成的影響，主要包括施工過程中圖紙是否合理，施工是否規(guī)范，操作是否正確等；環(huán)境的影響因素主要指自然、社會、空間和管理環(huán)境對接口質(zhì)量造成的影響[7]。

以人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境這5個方面作為外生潛變量，以技術(shù)接口質(zhì)量作為內(nèi)生潛變量。但上述潛變量不能直接進(jìn)行計算評估，故擬定23個針對潛變量組成元素或突出屬性相關(guān)因素作為觀測變量進(jìn)行分析。橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量變量劃分見表1。

表1 橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量變量劃分Table 1 Division of technical interface quality variables of bridge and tunnel engineering

2 理論基礎(chǔ)

對于質(zhì)量影響因素的分析，結(jié)構(gòu)方程模型 (structural equations model，SEM)有著較優(yōu)秀的實證表明能力，多進(jìn)行了潛變量分析，但也具有一定缺陷：①SEM的預(yù)測能力存在一定限制，且缺乏診斷能力，進(jìn)而對管理決策的支持也非常有限；②SEM多為模擬變量的線性關(guān)系，對于非線性關(guān)系，外生變量對內(nèi)生變量變化的解釋能力很弱，導(dǎo)致證實和預(yù)測都不準(zhǔn)確。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)正好可以填補SEM的不足之處，特別是對變量之間關(guān)系的預(yù)測、診斷以及非線性關(guān)系的處理。因此，采用結(jié)構(gòu)方程模型與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方法，將鐵路橋隧工程的技術(shù)接口質(zhì)量影響因素間的相互關(guān)系以及因素在整個體系中的作用程度具體描述，識別出關(guān)鍵的影響因素。

SEM主要是基于調(diào)查數(shù)據(jù)通過外生變量預(yù)測內(nèi)生變量，或表明外生變量與內(nèi)生變量之間的因果關(guān)系。SEM通常包含多個量模型和一個結(jié)構(gòu)模型，首先確定潛變量與觀測變量之間，以及潛變量自身之間的作用機理，即構(gòu)建潛變量間的結(jié)構(gòu)模型和潛變量與觀測變量間的測量模型[8]。測量模型一般形式如式(1)、式(2)，結(jié)構(gòu)模型一般形式如式(3)：

x=Λxξ+δ

(1)

y=Λyη+ε

(2)

η=Bη+Γξ+ζ

(3)

式中：x為外生潛變量ξ的觀測變量；y為內(nèi)生潛變量η的觀測變量；Λx為x與ξ間的系數(shù)矩陣；Λy為y與η間的系數(shù)矩陣；δ為外生觀測變量x的測量誤差矩陣；ε為內(nèi)生觀測變量y的測量誤差矩陣；B為η之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系矩陣；Γ為ξ對η的影響矩陣，ζ為潛變量誤差矩陣。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian network，BN)主要是側(cè)重于對先驗信息的獲取、挖掘與處理，從而形成先驗概率分布，并由此增強了數(shù)據(jù)推理的正確性。BN將數(shù)據(jù)結(jié)果以條件概率的方式代入模型，并結(jié)合先驗信息數(shù)據(jù)與后測信息數(shù)據(jù)，加以推理、診斷。

設(shè)變量集為X′={x1,x2,…,xn}，BN主要包含兩個部分，一部分是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)S，另一部分則是變量概率分布P；一般S表示為一個有向無環(huán)圖，包括節(jié)點和有向邊(由父節(jié)點指向其后代子節(jié)點)，節(jié)點代表變量xi，而有向邊代表節(jié)點之間的依賴關(guān)系；如果節(jié)點xi有父節(jié)點，設(shè)節(jié)點xi的父節(jié)點為pa(xi)，其條件概率為P(xi|pa(xi))，將其表示為子節(jié)點和其父節(jié)點的關(guān)聯(lián)關(guān)系；如果節(jié)點xi沒有父節(jié)點，其條件概率可以用其先驗概率P(xi|Φ)=P(xi)表示；當(dāng)父節(jié)點的先驗概率和子節(jié)點的條件概率分布同時存在時，則所有節(jié)點的聯(lián)合概率分布計算為[9]：

(4)

3 假設(shè)與方案設(shè)計

3.1 研究假設(shè)提出

質(zhì)量能夠衡量鐵路橋隧工程技術(shù)接口管理目標(biāo)的實現(xiàn)程度﹐通過影響因素與質(zhì)量之間的作用關(guān)系研究、探尋鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量影響因素的內(nèi)部機理。鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量的關(guān)鍵因素有哪些，因素間是如何作用的，以及作用結(jié)果對質(zhì)量有什么影響？這些都是需要回答的問題。由此提出一個描述人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境因素與技術(shù)接口質(zhì)量關(guān)系的研究假設(shè)，如圖1。

圖1 技術(shù)接口質(zhì)量假設(shè)模型Fig. 1 Hypothesized model of technical interface quality

假設(shè)H1：人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境對技術(shù)接口質(zhì)量有直接影響。

假設(shè)H2：人員對材料、設(shè)備、方法有直接影響。

假設(shè)H3：設(shè)備對材料有直接影響。

假設(shè)H4：方法對材料、設(shè)備有直接影響關(guān)系。

假設(shè)H5：環(huán)境對人員、材料、設(shè)備、方法有直接影響關(guān)系。

3.2 研究方案設(shè)計

通過問卷設(shè)計來驗證鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量影響因素與質(zhì)量關(guān)系的研究假設(shè)。結(jié)合鐵路橋隧工程的特點，確定鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量影響因素人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境及質(zhì)量的相關(guān)測量指標(biāo)，并采用5級李克特量表打分：1為沒有影響；2為有較小影響；3為有中等影響；4為有較大影響；5為有強烈影響。

4 實證研究

4.1 案例背景

以拉林段鐵路為研究對象，因該地區(qū)為艱險山區(qū)，使得橋隧工程的技術(shù)接口施工難度增加，也為其質(zhì)量管理增加了許多困難。因此，有必要對該橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量的影響因素進(jìn)行分析，有助于提高該橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量管理水平。

4.2 數(shù)據(jù)采集

選用電子問卷，問卷調(diào)查對象為艱險山區(qū)橋隧工程技術(shù)接口施工的一線員工、技術(shù)人員、工程管理人員等。調(diào)查問卷共325份，收回307份。其中，有效問卷300份，有效問卷回收率83.33%，滿足調(diào)查樣本需求。

4.3 問卷信度與效度檢驗

采用克朗巴哈系數(shù)(Cronbach’s α)進(jìn)行信度檢驗，克朗巴哈系數(shù)的值一般情況下位于0和1之間。當(dāng)系數(shù)不超過0.6時，其內(nèi)部一致的信度不足；當(dāng)達(dá)到0.7～0.8時，其量表具有相當(dāng)?shù)男哦?；?dāng)達(dá)到0.8～0.9時，則說明其量表的信度非常好[10]。

利用SPSS軟件得出量表中各因子的信度值(表2)。由表2可知，總量表為0.964，潛變量人員、材料、設(shè)備、方法和環(huán)境與技術(shù)接口質(zhì)量克朗巴哈系數(shù)分別為0.884，0.880，0.801，0.849，0.885和0.812，均符合“大于0.8”的信度檢驗標(biāo)準(zhǔn)。綜上，問卷調(diào)查采集數(shù)據(jù)具有較高信度水平，可用于SEM分析。

表2 調(diào)查問卷的信度分析Table 2 Reliability analysis of questionnaire

采用探索性因子分析(exploratory factor analysis，EFA)實行效度檢驗，測度項與因子關(guān)聯(lián)關(guān)系及指標(biāo)體系相符合，未出現(xiàn)測度項混合、因子負(fù)荷低等情況。效度檢驗包含內(nèi)容效度與建構(gòu)效度，該調(diào)查問卷是在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，并參考許多專家意見，經(jīng)過多次修改得出的，使得問卷的內(nèi)容效度較高，符合建構(gòu)效度的分析。在其之前需對問卷進(jìn)行KMO(kaiser-meyer-olkin)度量值和Bartlett球形檢驗(bartlett’s test)，利用SPSS軟件進(jìn)行檢驗(表3)，KMO值為0.911，大于標(biāo)準(zhǔn)KMO值0.7；顯著性為0.000，小于0.001。根據(jù)KMO檢驗標(biāo)準(zhǔn)可知，該問卷數(shù)據(jù)存在相關(guān)性，通過了建構(gòu)效度檢驗，可用于SEM分析。

表3 調(diào)查問卷因子分析檢驗Table 3 Factor analysis test of questionnaire

4.4 結(jié)構(gòu)方程模型擬合分析

模型擬合度檢驗是SEM評價的核心內(nèi)容。采用AMOS24軟件，將符合信度效度檢驗的問卷調(diào)查數(shù)據(jù)輸入橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量影響因素模型，并采用極大似然法擬合。經(jīng)過多次修正模型，使修正模型的各項指標(biāo)均符合普遍接受標(biāo)準(zhǔn)[11]，見表4。由此說明，修正后的模型結(jié)構(gòu)更合理，可以更好反映出各項數(shù)據(jù)間的內(nèi)在關(guān)系。修正后模型如圖2，圖中“箭頭”表示各潛變量之間及潛變量對觀測變量的路徑，“數(shù)字”為各潛變量之間及潛變量對觀測變量的標(biāo)準(zhǔn)化估計。

圖2 技術(shù)接口質(zhì)量影響因素修正模型Fig. 2 Correction model of influencing factors of technical interface quality

表4 模型擬合結(jié)果Table 4 Model fitting results

由AMOS24軟件的輸出結(jié)果可得出潛變量人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境、橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量之間，以及對觀測變量影響因素之間的非標(biāo)準(zhǔn)化估計、標(biāo)準(zhǔn)化估計、標(biāo)準(zhǔn)誤差、T值和顯著性水平，見表5。由表5可知，潛變量人員、材料、設(shè)備、方法、環(huán)境、橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量之間，以及對觀測變量影響因素之間的路徑的標(biāo)準(zhǔn)化估計均為正且顯著(顯著性水平<0.05)。

表5 結(jié)構(gòu)方程模型的路徑系數(shù)Table 5 Path coefficients of structural equation model

4.5 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

由4.4節(jié)分析可知，構(gòu)建的SEM模型是合理的，可知潛變量可以被觀測變量測量，其效果是良好的，對于潛變量之間、潛變量與觀測變量之間的關(guān)系也是真實可信的。在此基礎(chǔ)上，確定出相應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中潛變量的父節(jié)點可由SEM模型中的測量模型來確定，潛變量之間、潛變量與觀測變量之間存在的關(guān)系可由SEM模型中結(jié)構(gòu)模型來確定[12]。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型如圖3。

圖3 貝葉斯模型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig. 3 Bayesian model topology network structure

4.6 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)參數(shù)學(xué)習(xí)

采用GeNIe2.0軟件建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，將外生潛變量和觀測變量的區(qū)間劃分為5個區(qū)間，即R1(沒有影響)、R2(較小影響)、R3(中等影響)、R4(較大影響) 、R5(強烈影響)；內(nèi)生潛變量作為目標(biāo)變量，區(qū)間可劃分為3個，以此表征技術(shù)接口質(zhì)量的優(yōu)良、合格和不合格3個預(yù)測結(jié)果。在選擇參數(shù)學(xué)習(xí)方法時，考慮到所構(gòu)建BN模型中有潛在變量的存在，采用EM算法(expectation-maximization algorithm)來自動計算條件概率表CPT(conditional probability table)的值。因EM算法主要用于解決數(shù)據(jù)集丟失的問題，符合要求[13]。BN模型學(xué)習(xí)結(jié)果如圖4。

圖4 技術(shù)接口質(zhì)量影響因素貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型Fig. 4 Bayesian network model of influencing factors of technical interface quality

4.7 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷推理

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)不僅可以進(jìn)行正向的學(xué)習(xí)，也可進(jìn)行逆向推理。即貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷，主要用來分析“結(jié)果”所導(dǎo)致的“原因”，通過子節(jié)點的學(xué)習(xí)結(jié)果判定父節(jié)點的診斷結(jié)果。例如，假定技術(shù)接口質(zhì)量為優(yōu)良，即貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中將技術(shù)接口質(zhì)量“good”的概率設(shè)定為1.00，運用貝葉斯診斷可反推出其他節(jié)點的后驗概率，結(jié)果如圖5。

圖5 技術(shù)接口質(zhì)量影響因素后驗概率推理結(jié)果Fig. 5 A posteriori probability reasoning results of influencing factors of technical interface quality

4.8 結(jié)果分析

結(jié)合SEM的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)結(jié)果分析，可知貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷推理的結(jié)果與其基本一致，數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示：人員、材料、設(shè)備、方法和環(huán)境會直接影響橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量績效，H1假設(shè)成立；人員對材料、設(shè)備和方法有直接影響，H2假設(shè)成立；設(shè)備對材料有直接影響，H3假設(shè)成立；方法對材料和技術(shù)有直接影響，H4假設(shè)成立；環(huán)境對人員、材料、設(shè)備和方法都有直接影響，H5假設(shè)成立。其中，人員對設(shè)備和材料的影響作用大于方法；方法對設(shè)備的影響作用大于材料；環(huán)境對方法和設(shè)備的影響作用大于人員和材料。

也可得知：人員、材料和環(huán)境對技術(shù)接口的質(zhì)量績效影響較大。在人員因子中，直接從事接口施工的相關(guān)人員的技術(shù)和素質(zhì)以及協(xié)調(diào)性影響作用大于其間接管理人員和維修人員；在材料因子中，接口施工材料的質(zhì)量性能、相關(guān)質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)的完善程度和材料儲存條件影響作用大于材料的運輸條件和價格；在環(huán)境因子中，接口施工的自然環(huán)境、空間環(huán)境和相關(guān)質(zhì)量管理制度影響作用大于接口施工的社會環(huán)境。表明貝葉斯模型變量間的因果關(guān)系是真實可信的，也再次證明研究合理且可靠，可為為以后的質(zhì)量管理決策提供理論基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

1)基于相關(guān)文獻(xiàn)分析和質(zhì)量管理理論，確定了艱險山區(qū)鐵路橋隧工程技術(shù)接口質(zhì)量影響因素，包含5個潛變量及23個觀測變量，并根據(jù)變量間相互關(guān)系提出了研究假設(shè)及方案設(shè)計。

2)通過對SEM的標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷推理結(jié)果的一致性分析：研究假設(shè)是成立的，其中，人員對設(shè)備和材料的影響作用大于方法；方法對設(shè)備的影響作用大于材料；環(huán)境對方法和設(shè)備的影響作用大于人員和材料。

3)也可得知：人員、材料和環(huán)境的影響較大，具體為直接從事接口施工的相關(guān)人員的技術(shù)、素質(zhì)和協(xié)調(diào)性，接口施工材料的質(zhì)量性能、相關(guān)質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)的完善程度和材料儲存條件，技術(shù)接口施工的自然環(huán)境、空間環(huán)境和相關(guān)質(zhì)量管理制度，應(yīng)作為重點管理方面。