一种高速铁路建设工程质量风险控制系统及方法

摘要

本发明提供一种高速铁路建设工程质量风险控制系统及控制方法，本发明通过制定质量风险控制表和质量风险信息时空分布专题图数据标准，构建高速铁路建设工程质量风险识别模型、高速铁路建设工程质量风险跟踪模型和高速铁路建设工程质量风险预警模型，实现了对高速铁路建设工程质量风险全过程的动态控制。

说明书

技术领域

本发明涉及质量风险控制，特别是涉及的一种高速铁路建设工程质量风 险控制系统及方法。

背景技术

近年来，随着我国高速铁路建设不断向前发展，高速铁路建设规模越来 越大，大量新技术、新工艺、新材料、新设备、新标准的出现与运用，给我 国高速铁路建设工程的风险管理理念与方法带来新的冲击和挑战，使得高速 铁路建设工程发生质量安全事故的概率有所上升。

建设工程质量风险具有客观性和普遍性、可变性、可转移性、可控性等 一般特点。高速铁路建设工程质量风险除具有上述建设工程质量风险一般特 点外，还有潜伏期长、隐蔽性强、难以测度等特殊特点和职责划分不清晰、 缺乏定量评价、把控难度高等难点。

针对高铁建设工程质量风险的特点和难点，在现有高速铁路建设工程质 量风险控制方法的基础上，我国高速铁路建设在不断的改进和提高质量风险 控制方法，主要管理思想与发展趋势包括：

（1）提高全面质量风险管理的意识；

（2）建立质量风险数据库；

（3）重视质量风险管理的过程控制；

（4）不断改进质量风险管理的方法与技术；

（5）加强信息化应用的普及深入；

（6）注重可视化在高铁建设工程质量风险管理中的应用；

（7）引入系统工程思想和动态管理方法；

（8）增设质量风险事件预判环节。

目前我国高速铁路建设工程质量风险控制主要包括质量风险识别、质量 风险分析、质量风险处置和质量风险监控。

（1）质量风险识别。在设计资料和施工资料的基础上，运用特定的方 法，通过感知、判断或归类的方式对现实和潜在风险事件或因素进行鉴别， 找出可能对工程目标有影响的因素、风险性质、风险发生的条件，初步识别 风险发生的后果。

（2）质量风险分析。在风险识别的基础上，运用特定的方法对项目中 各种质量风险产生的原因及它们之间的因果关系等进行分析，辨析各种因素 的主次，为质量风险评估等提供依据。

（3）质量风险处置。在进行识别、分析和评价后，把质量风险发生的 概率、损失严重程度和其它因素进行综合考虑，得出高速铁路建设项目发生 各种质量风险的可能性及其危害度，确定高速铁路建设项目的危险等级，选 择行之有效的策略，制定质量风险处置计划，使质量风险所造成的负面效应 能够降低到最低的程度。

（4）质量风险监控。质量风险监控包括质量风险监视和控制两大环节。 质量风险监视是在采取质量风险应对措施的基础上，定期地对已识别的质量 风险进行跟踪检查，监测残余质量风险，观察并记录其发展变化情况；质量 风险控制则是在质量风险监视的基础上，采取相应的技术、合同、经济或组 织等手段，对原有的质量风险处置计划进行调整，以便使制定的质量风险处 置策略更加符合实际。

在国内外的其它领域有一些质量风险控制相关的成功方法，主要包括风 险识别技术、风险估计与评价技术、风险处置技术和风险监控技术。

（1）质量风险识别技术。质量风险识别主要通过表格问卷调查法、流 程图分析法、环境分析法、事件树分析法、头脑风暴法、德尔菲法和经验分 析法等。

（2）质量风险估计与评价技术。质量风险估计与评价技术主要包括专 家会议法、疑因假设法、风险优先度（RPN）方法和风险矩阵法等。

（3）质量风险处置技术。质量风险处置主要包括风险规避、风险转移、 风险减轻和风险自留等方式。

（4）质量风险监控技术。质量风险监控主要包括审核法、监视单法、 质量风险检查法、质量风险预警系统等方式。

但是以上所述高速铁路建设工程进行风险控制的方法还停留在定性分 析阶段，不能全面详细的对建设工程质量风险进行分析，因此需要一种新的 高速铁路建设工程质量风险控制系统。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供一种种高速铁路建设工程质量风 险控制系统。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种高速铁路建设工程质量风险控制系统包括：

数据采集单元，采集高速铁路建设工程设计数据、施工数据和质量风险 控制表数据；

质量风险基础数据库管理单元，对质量风险基础数据进行初始化，并根 据质量风险控制情况对质量风险基础数据进行调整；

质量风险知识库管理单元，用于存放经过标准化处理的质量风险历史数 据，为现有的质量风险控制模型提供数据支持；

应用系统单元，用于对质量风险进行识别，展示，预警，处置，跟踪和 处置考核评定。

一种高速铁路建设工程质量风险控制方法包括：

1）制定高速铁路建设工程质量风险控制数据标准；

2）构建质量风险基础数据库和质量风险知识库；

3）对工程基础信息数据和质量风险控制数据进行采集；

4）基于设计数据、施工数据和质量风险知识库，运用因素分析法对质 量风险事件和因素进行分析，初步识别质量风险源；

5）通过构建高速铁路建设工程质量风险预警模型，进行质量风险预警 分析，并向用户发布质量风险预警信息及图形化展示；

6）根据质量风险等级，辅助制定质量风险处置计划；

7）通过构建高速铁路建设工程质量风险跟踪模型，实现质量风险的动 态跟踪。

本发明的优点在于：

（1）提前识别高速铁路建设工程项目质量风险。质量风险被认识得越 早，就越容易控制。项目实施前，本系统根据设计数据、施工数据和历史风 险知识等数据，利用风险识别技术，辅助管理人员提前识别项目中存在的质 量风险。

（2）实现高速铁路建设工程质量风险信息时空分布动态可视化表达。 质量风险源被识别后，本系统根据所识别到的项目质量风险，利用风险表达 与可视化技术，动态生成质量风险信息时空分布专题图。质量风险信息时空 分布专题图不仅包括质量风险可能出现的时间和地点，还包括可能出现的质 量风险详情、出现质量风险后的应对计划、质量风险动态监控情况等内容。

（3）降低高速铁路建设工程质量风险事件发生概率。质量风险源被识 别后，本系统辅助相关人员编制详细的质量风险处置计划，把质量风险责任 和质量风险措施落到各层级、各专业、各工种、各岗位。各级质量风险责任 单位需要将质量风险控制措施落实情况提交到本系统中，使管理人员能随时 确定质量风险事件是否处于受控状态。

（4）减少高速铁路建设工程质量风险造成的损害。当质量风险已经发 生时，各级管理人员可以根据质量风险处置计划中的应急预案进行快速响 应。本系统利用动态跟踪技术，根据应急预案中的处理流程对质量风险处置 过程进行全面跟踪控制，最大限度地减少质量风险的危害性和负面效应。

（5）有助于高速铁路建设工程质量风险控制知识积累。质量风险管理 必须适应发展变化要求，不断改进完善。对质量风险管理过程中出现的新情 况，本系统可以自动将质量风险源概况、质量风险评估方法、质量风险应对 措施、质量风险教训等信息补充到质量风险知识库中，有助于高速铁路建设 工程质量风险控制知识的发现和积累。

附图说明

图1:高速铁路建设工程质量风险控制图表技术系统组成结构图；

图2:高速铁路建设工程质量风险控制图表技术系统功能结构图；

图3:高速铁路建设工程质量风险控制图表技术系统工作流程图；

图4:质量风险识别流程图；

图5:质量风险展示流程图；

图6:质量风险处置计划流程图；

图7:质量风险动态跟踪流程图；

图8:上海铁路局高速铁路建设工程质量风险识别列表；

图9:上海铁路局高速铁路建设工程质量风险信息时空分布专题图；

图10:上海铁路局高速铁路建设工程质量风险处置计划列表；

图11:上海铁路局高速铁路建设工程质量风险动态跟踪列表；

图12:上海铁路局高速铁路建设工程质量风险处置考核评定列表。

具体实施方式

以下结合附图和实施例来详细说明本发明的具体实施方式：

本系统适用于铁路局和高速铁路建设指挥部、施工、监理、设计等参建 单位，贯穿于高速铁路建设全过程。可以辅助用户识别质量风险，编制质量 风险处置计划，并对质量风险控制全过程进行跟踪处理，是降低工程质量风 险、提高建设工程质量，保证建设目标顺利实现的有力工具。本系统的主要 技术特点包括以下几点。

（1）高速铁路建设工程质量风险控制数据标准化。在对高速铁路建设 工程质量控制体系和方法进行深入研究的基础上，设计了《质量风险识别 表》、《质量风险处置计划表》、《质量风险动态跟踪表》和《质量风险处 置考核评定表》（上述四张表简称为“质量风险控制表”）。通过上述四张 表对高速铁路建设工程质量风险控制全过程的静态属性和动态属性进行了 标准化描述。设计了质量风险信息时空分布专题图，对风险源的可视化表达 进行了标准化，包括分层标准、图例标准和图符标准等。

（2）高速铁路建设工程质量风险控制图表可视化。为了提高质量风险 识别分析和评估、质量风险处置、质量风险动态跟踪和质量风险处置考核评 定的管理效率和表达效率，通过建立空间布局模型和定位模型，利用风险源 的时空数据属性，实现质量风险控制表内容的可视化表达，实现质量风险信 息时空分布专题图的自动生成。

（3）高速铁路建设工程质量风险识别模型。基于高速铁路建设工程质 量风险控制数据标准，建立详尽的质量风险知识库，依据设计数据、施工数 据等前置条件，构建高速铁路建设工程质量风险识别模型，辅助识别分析质 量风险事件和因素，对其产生的可能性、危害性进行判别，对高速铁路建设 工程质量风险等级进行评估。

（4）高速铁路建设工程质量风险跟踪模型。针对每一个质量风险源， 依据高速铁路建设工程质量风险跟踪模型，实时采集质量风险处置数据，对 质量风险处置过程中每个环节进行跟踪，确保质量风险源的状态能被动态掌 握。

（5）高速铁路建设工程质量风险预警模型。根据质量风险事件、处置 方案、处置结果等信息构建高速铁路建设工程质量风险预警模型，对高等级 的质量风险进行预警。

本系统主要实现质量风险识别、质量风险预警、质量风险展示、质量风 险处置计划管理、质量风险动态跟踪、质量风险处置考核评定等功能。

如图1所示,本发明控制系统主要包括硬件环境、软件环境、数据采集、 基础数据管理和知识库管理、应用系统五部分，组成结构。

本发明系统硬件环境包括网络环境、服务器端、客户端三部分。

（1）网络环境为铁路建设指挥部、施工标段、项目部、监理单位、设 计单位通过VPN方式组成的铁路建设指挥部办公网络；

（2）服务器端硬件包括数据库服务器、应用服务器和磁盘阵列；

（3）客户端硬件为接入铁路建设指挥部办公网络的PC机或笔记本电 脑。

本发明控制系统主要包括数据采集单元，质量风险基础数据库管理单 元，质量风险知识库管理单元，应用系统单元，以下分别详细介绍。

数据采集

数据采集单元模块要采集高速铁路建设工程设计数据、施工数据和质量 风险控制表数据。

设计数据包括水文、地质、气象等自然环境资料、政治、经济、文化等 社会环境资料、项目建议书、审查批复意见、可行性研究报告、遥感影像、 航拍图像、基础地图、工程/水文地质图、线路平面/纵断面图、设计/施工/ 竣工图和工点分布坐标等。

施工数据包括工作结构分解（WBS）、变更记录、施工日志、技术交底 报告、施工图会审记录、开工报告、施工计划/进度、指导性施工组织设计、 实施性施工组织设计、质量安全检查记录等。

质量风险控制数据包括质量风险识别数据、质量风险分析记录、质量风 险动态跟踪信息和质量风险处置考核评定信息等。

质量风险基础数据库管理单元

质量风险基础数据库指与质量风险控制直接相关的原始数据，包括设计 数据库、施工数据库和质量风险控制数据库三部分。在项目管理初期由管理 人员对质量风险基础数据进行初始化，在质量风险控制过程中根据质量风险 控制情况对质量风险基础数据进行适时修改。

质量风险知识库管理单元

质量风险知识库是本系统的核心，包括质量风险历史知识库和质量风险 模型库，其内容相对稳定。

质量风险历史知识库存放的是经过标准化处理的质量风险历史数据，可 以为现有的质量风险控制模型提供数据支持。主要包括质量风险源概况、质 量风险评估方法、质量风险应对措施、质量风险教训等历史信息。

质量风险模型库存放的是进行质量风险控制计算的模型，包括质量风险 识别模型、质量风险动态跟踪模型和质量风险预警模型。

高速铁路建设工程质量风险控制图表技术系统应用系统单元

应用系统包括质量风险识别、质量风险展示、质量风险预警、质量风险 处置计划、质量风险动态跟踪、质量风险处置考核评定等功能，其结构如图 2所示。

质量风险识别功能包括质量风险识别，质量风险分析，质量风险评估， 质量风险识别信息发布等。

质量风险展示功能包括质量风险信息时空分布专题图绘制、质量风险信 息时空分布专题图查询等。

质量风险预警功能包括质量风险预警分析、质量风险预警信息发布等。

质量风险处置计划功能包括质量风险处置计划编制、质量风险处置计划 发布、质量风险处置计划调整等。

质量风险动态跟踪功能包括质量风险处置实施分析、质量风险动态跟踪 信息发布等。

质量风险处置考核评定功能包括质量风险处置考核评定、质量风险处置 考核评定信息发布等。

本发明还提供一种高速铁路建设工程质量风险控制方法，方法流程如图 3所示。具体方法如下。

（1）制定高速铁路建设工程质量风险控制数据标准，包括质量风险控 制表和质量风险信息时空分布专题图等数据。《质量风险识别表》主要包含 包括质量风险因素、原因、筛选方法、可能性、可检测性和危害性，质量风 险源的内容、等级、类别、时空属性、责任人等；《质量风险处置计划表》 主要包含质量风险事件、编号、质量风险等级、防控措施、责任人和责任部 门等；《质量风险动态跟踪表》主要包含质量风险事件、编号、已采取的措 施、责任人、责任部门、残余风险、处置措施等；《质量风险处置考核评定 表》主要包含质量风险事件、编号、处置方案、处置时间、责任人、责任部 门、处置结果、重点关注问题；质量风险信息时空分布专题图的数据标准包 含分层标准、图例标准和图符标准。

（2）系统建库，本系统构建的数据库分为质量风险基础数据库和质量 风险知识库两部分。质量风险基础数据库包括设计数据库、施工数据库和质 量风险控制数据库。质量风险知识库包括质量风险历史知识库和质量风险模 型库。

（3）数据采集和管理。本系统数据采集包括两类数据，第一类是基础 信息数据，包括设计资料、施工资料；第二类是质量风险控制数据，包括质 量风险识别数据、质量风险处置计划数据、质量风险动态跟踪数据和质量风 险处置考核评定数据。这些资料需要按照标准进行数据处理，然后存入对应 的主题数据库中。

（4）质量风险识别。基于设计数据、施工数据和质量风险知识库，运 用因素分析法对质量风险事件和因素进行分析，初步识别质量风险源；对质 量风险进行确认，形成高速铁路建设工程质量风险识别模型。质量风险识别 流程如图4。

（5）质量风险展示。本系统可以自动生成质量风险信息时空分布专题 图，从而将质量风险控制表运用图形化的方式展示出来。该图以线路走向图 为基础，叠加遥感影像图、施工标段信息、工作结构分解（WBS）信息，动 态标记质量风险相关信息。质量风险可视化流程表达如图5。

图像化展示中，风险源的坐标是采用铁路线路一维里程坐标进行表示 的，而绘制时作为底图的基础地形图采用的是二维经纬度坐标系，因此，图 像自动生成的核心算法采用线路一维里程坐标与二维经纬度坐标的转换算 法。

该算法首先建立铁路线路中心线控制点二维经纬度坐标与一维里程坐 标的对应关系，形成铁路线路中心线控制点的里程坐标与经纬度坐标对照数 据库，简称线路控制点数据库。建库时，先采集设计图资料，进行矢量化， 通过读取控制点图层信息，获取控制点数据库。

对线路上任意一个点K，若已知其一维里程坐标为L，可以从线路控制点 数据库中查出与点K左右相邻的控制点K1和K2，从控制点数据库中读出K1 的里程为L1，经纬度坐标为（x1,y1），K2的里程为L2，经纬度坐标为 （x2,y2），则点K的经纬度坐标计算公式如下：

$\left(\begin{array}{c}x=x1+\frac{(x2-x1)(L-L1)}{L2-L1}\\ y=y1+\frac{(y2-y1)(L-L1)}{L2-L1}\end{array}\right)---\left(1\right)$

（6）质量风险预警。通过构建高速铁路建设工程质量风险预警模型， 本系统自动进行质量风险预警分析，并向用户发布质量风险预警信息。用户 登录本系统应用系统后，在质量风险动态图上可以看到高亮显示的预警信 息。如果预警信息等级较高，本系统会通过手机短信的方式自动向相关责任 人推送预警信息。

质量风险预警模型的基本原理是建立某一质量风险关键指标（KPI）K_i的 时间序列{K₀，K₁，K₂，…K_n}，及K_i的时间变化率的时间序列 {υ₁，υ₂，…υ_n}，采用趋势外推法，建立n时刻的K_i和υ_i的趋势模型，预测n+1 时刻的状态指标和

根据高速铁路建设工程质量风险控制业务特点，对K_i、υ_i进行分级管理， 设定多个阈值，每个阈值对应不同的质量风险等级，根据和进行质 量风险预警。以为例，计算方法如下：

第1步：选取四种常用时间序列趋势预测模型，进行参数拟合，分别建 立预测模型：

1）m次多项式（m次抛物线）预测模型

${\hat{y}}_t=b_0+b_{1}t+b_2{t}^2+...+b_m{t}^m---\left(2\right)$

2）指数曲线预测模型

${\hat{y}}_t=\alpha e^{\mathrm{bt}}---\left(2\right)$

3）对数曲线预测模型

${\hat{y}}_t=\alpha +b\ln t---\left(4\right)$

4）生长曲线预测模型

${\hat{y}}_t=\frac{L}{1+{\mathrm{\alpha e}}^{-\mathrm{bt}}}---\left(5\right)$

第2步：计算每个模型的估计标准误差，选取估计标准误差最小的模型 作为趋势模型。

第3步：利用选定的趋势模型，预测n+1时刻的状态指标

第4步：对判定质量风险等级，进行质量风险预警。

（7）制定质量风险处置计划。本系统基于风险识别信息、风险工点施工 计划、风险管理计划、施工进度计划和可供选择的风险应对措施，针对质量 风险分析中找出的可能原因，根据质量风险等级，辅助制定质量风险处置计 划。质量风险处置计划流程如图6。

（8）质量风险动态跟踪。本系统实现《质量风险动态跟踪表》的管理， 通过构建高速铁路建设工程质量风险跟踪模型，实现质量风险的动态跟踪。 质量风险动态跟踪流程如图7。

质量风险跟踪模型的基本原理是建立某一质量风险关键指标（KPI）K_i的 时间序列{K₀，K₁，K₂，…K_n}，及K_i的时间变化率的时间序列 {υ₁，υ₂，…υ_n}，分别计算两个时间序列的均值和均方差，用于反映历史上质 量风险的总体波动及变化趋势情况，分析风险变化历史轨迹。计算公式如下：

$\bar{K}=\frac{{\Sigma }_{i=0}^n{K}_i}{n+1}---\left(6\right)$

${\delta }_1=\sqrt{\frac{{\Sigma }_{i=0}^n{(K_i-K)}^2}{n+1}}---\left(7\right)$

$\bar{\upsilon }=\frac{{\Sigma }_{i=0}^n{\upsilon }_i}{n}---\left(8\right)$

${\delta }_2=\sqrt{\frac{{\Sigma }_{i=0}^n{(K_i-K)}^2}{n}}---\left(9\right)$

其中

的大小反应质量风险的平均风险水平。

δ₁的大小反映历史上质量风险的总体波动情况，δ₁的值小，说明历史上 质量风险变化平稳，δ₁的值大，说明历史上质量风险变化有跳跃。

的大小反应质量风险的平均变化速率。

δ₂的大小反映历史上质量风险时间变化率的总体波动情况，δ₂的值小， 说明历史上质量风险时间变化率的变化速度平稳，δ₂的值大，说明历史上质 量风险变化加速度大。

（9）质量风险处置考核评定。本系统实现《质量风险处置考核评定表》 的录入、存储、查询和分析等功能。

本发明系统在上海铁路局高速铁路建设工程质量风险控制过程中得到 实际应用，并取得良好效果。本系统在上海铁路局高速铁路建设过程中的应 用主要包括质量风险识别、质量风险展示、辅助编制质量风险处置计划、质 量风险跟踪管理、质量风险处置考核评定等。

（1）质量风险识别示例

本系统在上海铁路局高速铁路建设过程中通过建立质量风险识别模型， 对质量风险进行识别，图8是识别出的部分质量风险列表。

（2）质量风险图形化展示示例

本系统在上海铁路局高速铁路建设过程中通过建立空间布局模型和定 位模型，实现了质量风险控制表的自动布局，进而生成了质量风险信息时空 分布专题图。图9是上海铁路局高速铁路质量风险信息时空分布专题图。

（3）质量风险处置计划示例

本系统在上海铁路局高速铁路建设过程中实现了辅助制定质量风险处 置计划，图10为制定的部分工程质量风险处置计划列表。

（4）质量风险动态跟踪示例

本系统在上海铁路局高速铁路建设过程中通过建立高速铁路建设工程 质量风险跟踪模型，实现了质量风险的动态跟踪。图11为部分质量风险的 动态跟踪列表。

（5）质量风险处置考核评定示例

本系统在上海铁路局高速铁路建设过程中实现了质量风险处置评定考 核的录入、存储、查询和分析等功能，图12为部分质量风险的处置考核评 定列表。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是 示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础 上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进 行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明 各实施例技术方案的精神和范围。