（道路与铁道工程专业论文）统计控制技术在沥青路面施工质量控制中的应用.pdf

摘要 在公路工程施工质量控制中引入统计控制方法，实质上就是将统计学原理与施工实际 相结合，提出并建立更科学的施工质量控制、管理、验收及付款的方法，使得承包商和业 主都能对那些影响施工质量的各项性能指标实施合理有效的控制。 本文研究的重点是采用各种控制图方法实现对施工过程的质量控制，并借鉴国外在施 工质量控制及验收中采用的某些统计控制方法的成功经验，结合江苏省高速公路建设中近 两年积累的旌工数据，进行了有效的分析，分析过程中发现了目前该省高速公路施工中存 在的一些问题。通过编制程序，实现了施工过程中对各种关键指标的程序化控制管理。 文中对一些在施工质量管理中适用的统计学原理做了整理和介绍，并通过比选确定出 最适宜的方法：采用专家调查法确定研究分析中应采用的关键指标以及相应的权重；借鉴 a a s h t or 9 的成功经验，分析了承包商和业主在质量验收中存在的风险，并确定合理的 样本容量和取样频率。 采用统计控制方法对施工质量进行控制，较之以前的控制方法而言，更注重对数据的 采集和分析，并通过数据在统计控制图上所表现出的各项特征，发现内在的联系和施工异 常，进而确定更为合理的控制界限。 将统计控制方法特别是控制图方法引入到施工质量管理中，并结合实体工程进行数据 的分析，在江苏省沥青路面施工中尚属首次，希望这些成果能对高速公路施工质量控制与 管理起到一个推动作用。 关键词 ；统计控制沥青路面施工质量风险分析验收付款 东南大学硕士学位沦文 a b s t r a c t t h em a i ni d e at oa p p l yt h es t a t i s t i c a lc o n t r o lm e t h o do nc o n s t r u c t i o nq u a l i t yc o n t r o li st o c o m b i n et h es t a t i s t i c a lp r i n c i p l ew i t hp r a c t i c eo fc o n s t r u c t i o n ，p u tf o r w a r da n de s t a b l i s hm o r e r e a s o n a b l em e t h o da b o u tq u a l i t yc o n t r o l ，m a n a g e ，a c c e p t a n c ea n dp a y c o n t r a c t o ra n do w n e rc a n e f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ep e r t b m a a n c ei n d e xt h a th a sg r e a ti n f l u e n c et oc o n s t r u c t i o nq u a l i t y t h ek e y s t o n eo ft h i sr e s e a r c hi st oc a r r yo u tt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yc o n t r o lw i t hs h e w h a r t c o n t r o lc h a r ta n ds o m es t a t i s t i c a lm e t h o de f f e c t i v e l yu s e di nf o r e i g nc o u n t r i e s o nt h eo t h e rh a n d ， w ec o l l e c t e dt h ec o n s t r u c t i o nd a t ao fj i a n g s up r o v i n c e ，a n a l y z e dw i t ht h e s em e t h o d s ，a n df o u n d o u ts o m ep r o b l e m si nh i g h w a yc o n s t r u c t i o n t h er e s e a r c h e rr e a l i z e dt h eg o a lt h a tq u a l i t yc o n t r o l t h r o u g hp r o g r a m m e d s o m eu s e f u ls t a t i s t i c a lp r i n c i p l ei n t r o d u c e di ni t t h er e s e a r c h e rc o l l e c t e dt h eo p i n i o no f d i f f e r e n te x p e r tt od e t e r m i n et h ek e yi n d e xa n dp r o p o r t i o n ，a n a l y z e dt h er i s ko fb o t hc o n t r a c t o r a n do w n e r , a n de s t a b l i s h e dt h ea p p r o p r i a t ec a p a b i l i t yo f l o ta n df r e q u e n c yo fs a m p l e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d ，t h es t a t i s t i c a lc o n t r o lm e t h o dm o r ec o n c e n t r a t e s o n c o l l e c t i o na n da n a l y s i so f d a t a t h er e s e a r c h e ra n dm a n a g e rc a nf i n do u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ed a t aa n dt h ep r o b l e m si nc o n s t r u c t i o nt h r o u g ho b s e r v a t i o n st h ea r r a n g e m e n t so f d a t a i t st h ef i r s tt i m et h a tc o m b i n e st h es t a t i s t i c a lc o n t r o lm e t h o dw i t hp r a c t i c eo fh i g h w a y c o n s t r u c t i o n ，t h er e s e a r c h e rh o p et h a ti tc a np u s ht h ec o n s t r u c t i o nm a n a g ea n dc o n t r o lo fj i a n g s u p r o v i n c ef o r w a r d 1 k e y w o r d s 】：s t a t i s t i c a lc o n t r o l ；a s p h a l tp a v e m e n t ；c o n s t r u c t i o nq u a l i t y ；r i s ka n a l y s i s a c c e p t a n c e ；p a y 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 统计控制技术涵盖的内容比较广泛，统计过程控制( s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l ，简称 s p c ) 是其中的一种，其本质是利用样本的统计信息来判断过程状况，采取措施减少异常 因素对过程的影响，以提高过程的效能。 统计过程控制是当今一种最流行和最有效的质量改进方法。统计过程控制技术主要指 运用休哈特( w a s h e w h a r t ) 的过程控制理论即控制图来检测产品在生产过程中的各个阶 段( 工序) 的质量特性，根据控制图上的点子分布和状况，分析质量特性的趋势，采取预 防措施，确保生产过程始终处于统计控制状态，从而达到改进与保证质量的目的。 2 0 世纪8 0 年代以来，统计控制技术已经在很多的行业推广应用，并取得了明显的成 效，例如美国的汽车制造业、钢铁工业；我国的邮电行业质量管理、铁路运输质量管理以 及软件编程的质量管理等。伴随着市场竞争的不断加剧，统计控制技术的应用范围越来越 广，同时，一些行业也都根据自己的实际情况，在原有的统计控制理论基础上开发了一些 适合本行业的控制理论和控制方法。 沥青路面施工质量受到多种因素的影响，各国研究人员已经在施工、管理等各个环节 做了大量的研究和试验，以进一步提高沥青路面施工质量，延长其使用寿命。就我国目前 的沥青路面施工质量而言，在建筑材料、结构、施工工艺、施工设备、施工队伍的水平、 人员的素质等各方面，都已经达到了比较高的水平，而在质量控制与管理方面却不断地暴 露出一些问题，因此，将统计控制技术引入到沥青路面施工管理中来，与其说是一种尝试， 不如说是一种必然。 统计控制技术在沥青路面施工中的应用包括在过程质量控制、预控措施及预控图制定 方面的应用，也包括在事后验收的风险分析以及付款等方面。 1 2 统计控制技术的发展与应用前景 统计过程控制技术伴随着质量管理技术的发展而发展。在2 0 世纪2 0 年代，为了在产 品大量生产的情况下减少由于事后检验信息反馈不及时所造成的生产损失，贝尔电话实验 室成立了以休哈特为学术领导人的过程控制研究小组和以道奇为学术领导人的产品控制研 究小组。经过潜心研究，休哈特提出了过程控制理论以及监视过程的基本工具控制图， 并于1 9 2 4 年5 月公布了世界上第一张控制图。2 0 世纪3 0 年代，道奇和罗米格提出了抽样 检验理论和抽样检验表。这两个小组的研究成果在质量管理与控制领域具有划时代的影 响。 从应用情况来看，统计控制技术的发展可以分为3 个阶段。 第一阶段为s p c 阶段。它利用控制图技术，能科学地区分出生产过程中产品质量的偶 然波动与异常波动，从而对过程的异常及时报警，以便采取措施，消除异常，恢复过程的 稳定。大批量连续生产过程的s p c 比较成熟，小批量牛产过程的s p c 正在不断完善； 第一阶段为s p c d 阶段。s p c d ( s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o la n dd i a g n o s i s ) 即统计过程 控制与诊断，是利用控制图技术诊断出过程发生异常的眨囚、异常发生的地点。目前s p c d 已进入实刚阶段： 东南大学硕士学位论文 第三阶段为s p c d a 阶段。s p c d a ( s t a t i s t i c a l p r o c e s s c o n t r o l ，d i a g n o s i sa n d a d j u s t m e n t ) 即统计过程控制、诊断和调整，是利用控制图技术诊断出过程发生异常的原因、异常发生 的地点，并能自我加以调整，至今无实用性成果。 s p c 技术诞生后，使质量管理从质量检验阶段进入到质量控制阶段。山于s p c 技术是 对产品质量进行主动预防控制，它与事后的被动检验相比，可大大降低质量损失，提高产 品质量的一致性和稳定性。但是在s p c 技术诞生后的前2 0 年并未被生产企业看好，在很 长的一段时间都没有得到较好的应用。主要原因是： ( 1 ) 对s p c 技术理解吖i 全面。一些公司接触s p c 技术以后，并没有认真研究， 认为这种质量控制方法与其他控制方法一样，只是提高产品质量的一种手 段，生产的目的是给客户提供合格的产品，并不一定要采用它。事实上s p c 技术作为在线控制的最有效手段，最关键的作用是发现工序中存在的一些潜 在问题，在尚未出现废品时就能及时发出报警信息，以便采取纠正措施，从 而减少废品，提高工序的一次合格率和质量的一致性。 ( 2 ) 数据的采集繁琐。s p c 技术的核心是利用样本的统计信息来判断过程状况， 换言之就是利用样本的统计数据绘制控制图，根据控制图卜样本点的信息， 判断工序是否存在潜在问题。因此，利用s p c 的过程涉及大量数据的采集、 整理和分析，这些工作既繁琐又枯燥，在计算器和计算机不是很普及的年代， 数据的计算还是一件十分复杂的工作。很多企业就是因为数据采集繁琐以及 计算麻烦，难以推广s p c 技术。 ( 3 ) 不能持之以恒。使用s i c 技术改进质量，是一个渐进的过程，不可能一蹴 而就。在控制图显示异常后，表明工序存在的潜在异常因素已经发生作用， 就必须查找出异常因素，采取措施予以消除，保证这个异常因素今后不再发 生。应用s p c 技术是一个不断查找出异常因素并予以清除的过程。在这个 过程中，只有收集到足够的数据才能进行。要使s p c 成功地运作，要花很 长的时间，甚至数年的时间，有的企业利用控制图控制工序一段时间后认 为效果不理想或没有预料中的理想，就中途而废，也有些企业认为利用控制 图已经取得了成功，就不再需要应用了。 二战中经济遭受严重破坏的日本，经过3 0 年的努力，到1 9 8 0 年跃居世界工业产品质 量与生产率的领先地位。美国质量管理专家认为日本成功的基石之一就是广泛应用了s p c 技术。日本在1 9 5 0 年将s p c 技术引入日本，并广泛推广。面对日本的竞争，从2 0 世纪 8 0 年代开始，s p c 技术在西方工业发达国家开始复兴。面对过程控制方法在1 9 5 0 1 9 8 0 年这段时间内从美国工业界逐渐消失的局面，美国汽车工业首先重新夫规模推行s p c ，美 国汽车业的三巨头广泛使用统计过程控带i 技术，到2 0 世纪9 0 年代其产品竞争能力再次超 过日本同行。美国钢铁工业也大力推行s p c ，加拿大钢铁公司在1 9 8 8 年将s p c 列为该公 司七大高科技方向之一。 随着电子计算机技术的发展，很多生产设备已经有自动的数据采集系统，为s p c 的应 用提供了条件。伴随着市场竞争不断加剧，s p c 技术应用的范围越来越广，除生产领域外， s p c 技术还广泛应用于服务业，如邮电行业的质量管理、医院的质革管理、铁路运输的质 量管理以及软件编程的质量管理，并获得了成功。 1 3 国内外研究及应用现状 统汁控制技术是有效实现过程控制搜预控的j 二具，存：发达国家已绛得到充分的应用。 日酊，统计控制技术在我罔的工j i k 、栅恢阳防、建筑、航宁、航人以及利学研究等备行 第一章绪论 各业中也得到了广泛的应用。 统计控制技术涵盖的内容十分广泛，其中的一项重要内容就是采用控制图实现产品生 产的过程质量控制，这种过程控制方法已经被我国的很多行业采用，并随着技术的成熟相 继制定了相关的国家标准，如g b6 3 8 1 8 6 ( 通用控制图) ；g b t 1 7 9 8 9 2 0 0 0 ( 控制图通则 与索引) ；g b t 4 0 9 1 2 0 0 1 ( 常规控制图) 以及g b t 4 8 8 6 2 0 0 2 ( 带警戒限的均值控制图) 等。标准中对各类控制图的原理及作用进行了较详尽的阐述，其中g b t 4 0 9 1 2 0 0 l ( 常规 控制图) 是针对休哈特控制图的应用而制定的标准：g b t 1 7 9 8 9 2 0 0 0 ( 控制图通则与索 引) 是对各种类型控制图的总概述。 统计过程控制开始于美国休哈特( w a s h e w h a r t ) 博士的第一张质量控制图，因而从 一开始，统计过程控制( s p c ) 就被看作一种提高产品质量和生产效率的技术手段。从质 量控制的角度来看统计过程控制又被称作统计质量控制( s q c ) ，由于产品质量在现代企 业中的重要地位，这种方法的应用已经不局限于产生离散数据的制造业，正在逐渐向间歇 工业和连续制造业渗透。 我国在2 0 世纪6 0 年代初有少数单位试图推行工序控制。7 0 年代，在中国科学院系统 所及有关部委质量管理部门的推动和帮助下，有些工厂作了一些试点，并取得了一些成效。 但由于种种原因，应用效果不理想，未能坚持下来。改革开放后，随着大型跨国公司进入 我国，统计控制技术再次引入到我国企业中，并在一些企业取得了显著效果。随着i s 0 9 0 0 0 标准在我国企业的贯彻，统计控制技术再次受到重视。 最近5 0 年特别是近3 0 年，统计控制技术的应用领域从机械制造业扩大到其他制造业。 随着控制图理论的完善，统计控制技术应用范围从大规模生产过程控制推广到小批量生产 过程的控制，从只对过程的异常发出报警信息发展到对异常进行诊断。不少企业应用s p c 技术获得的效果十分显著。 传统的统计控制采用单变量统计控制方法，随着近年来计算机系统、数据库系统的普 及应用，使工厂拥有了相当丰富的生产数据资源，提出了采用多变量统计分析方法对大量 测量控制数据、产品质量数据等进行处理的应用需求，目的是通过生产数据分析来揭示、 反映过程的内在变化，为提高产品质量提供有用信息。 在国外，统计过程控制在日本的成功应用已经引起了西方国家对这一技术的重新认识。 美国通用电器公司的费根堡姆( a v f e i g e n b a u m ) 和质量专家朱兰( j m j u r a n ) 提出了全 面质量管理t q m ( t o t a lq u a l i t ym a n a g e ) 理论，与s q c ( s t a t i s t i c a lq u a l i t yc o n t r 0 1 ) 一起， 把质量控制推向了新的高度。 美国、加拿大等很多的发达国家已经将统计过程控制方法应用到了沥青路面施工质量 控制中，旱在2 0 世纪7 0 年代，这些发达国家就已经开始了将统计过程控制技术用于沥青 路面的尝试，现行的 n a t i o n a la s p h a l tp a v e m e n ta s s o c i a t i o nq 1 p9 7 中已将这种技术列入 了正常的施工控制。 1 9 9 4 年，我国交通部也将统计过程控制技术列入沥青路面施工技术规范附录，要求有 条件的地区优先推广使用，但该规范对这部分内容仅局限于原理的介绍，而没有提供具体 的实施方法和程序，因而统计过程控制技术并没有在全国的高速公路沥青路面施工质量控 制中真正推广使用。 在广东、河南等省份，公路施工和业主部的研究人员已经着于将统汁控制方法纳入 到公路工程施工质量控制与管理中，但江苏省目前还没有进行这方向的尝试，希望通过本 次研究，能将统计控制方法与江苏省现有的沥青路面施工质量控制有效地结合起来，从而 进一步提高沥肯路商施工质量水平。 东南大学硕士学位论文 1 4 研究目的 随着高速公路建设的飞速发展，各种管理方式、操作方式日趋现代化。但对道路工程 质量检验数据的处理一直停留在原始手工作业水平上，已不能满足如今公路上程建设发展 的要求。由于公路工程试验结果数据的时效性很强，因此试验数据分析和处理程序化已 成为一种趋势。 & 期以来，公路建设者一直在探索各种技术措施以提高沥青路面各方面的使用性能、 延长沥青路面使用寿命，江苏省的沥青路面施工在建筑材料、结构、施工工艺、施工设备、 施工队伍的水平、人员的素质等各方面，都已经达到了比较高的一个水平，但是各种破坏 形式仍然不断出现，特别是未达到设计使用寿命就出现的各种早期破坏已经成为影响高速 公路路面使用质量的一个重要因素。为了解决高速公路的质量问题，江苏省高速公路建设 部门采取了一系列的技术措施，包括推广应用s u p e r p a v e 技术、采用水稳碎石基层代替二 灰碎石基层、提高沥青路面的压实度，减少沥青路面现场空隙率、改善沥青混合料的级配 组成、使各沥青层厚度与最大公称尺寸相匹配、沥青路面厚度由原来的1 6 c m 增加到1 8 c m 等等。通过上述措施的实施，江苏省高速公路沥青路面的早期破损问题，如拥抱、松散、 剥落、推移、坑塘等病害，已得到了初步解决。那么，如何在现有的条件下进一步提高路 面施工质量水平就成了急需解决的问题，采用统计控制技术进行施工质量控n 质量保证的 想法应运而生。 目前，江苏省沥青路面施工质量控制中，尽管也引入了“代表值”的概念，但基本上 还是以“单点控制”为主，统计概念应用的较少。根据统计学理论，沥青路面正常生产过 程中，各个质量特性指标值不可能始终处于某一个单一水平上，其波动应符合一定的统计 学分布，因此，以一种单一的标准来严格区分质量好坏往往存在较大的偏差。科学的控制 方法应该是根据统计学原理，按照合适的保证率对施工质量进行控制，即处于一定范围内 的质量水平都认为是可以被业主接受的。从这一点来看，采用统计学的有关结论对沥青路 面施工过程中的各项质量指标进行控制是合理的。 综上所述，尽管江苏省近几年内，高速公路沥青路面的修建质量不断提高，但仍有必 要加强沥青路面施工质量控制技术的研究。 1 5 研究意义 统计控制技术是一种科学的现代管理技术和质量管理工具，并经世界各国长期实践证 明卓有成效。采用控制图技术，在工程质量控制中实现了质量管理以预防为主的目的。控 制图除了用于分析和控制工序状态外，还可作为管理、监督、榆查以及调节的重要手段。 随着公路质量标准和管理水平的提高，在公路施工质量管理中推广应用控制图具有十分重 要的意义。 在日常生产中，对质量特性数据的使用通常还只是取合计、算术平均、加权平均、偏 差范围，取其共性，而丢掉了个性。虽然实现了对质量指标绝对值的r 解，却忽视了对其 波动情况的掌握。随着施工质量和管理水平的提高，迫切需要在公路施工质量管理中引用 更为有效的方法，因此，业内人士也逐步丌始将控制图引入到公路施工质鼍管理中。控制 图是用于分析和判断工序质量是甜处于稳定状态所使用的带有控制界限的一利折线i 矧是 种数理统计方法。”j 以采用控制图的变化直接对生产过程进行控制，能及时发现异常圊 豢，消除异常波动，使质量处丁l l 三常稳定：淡态。 控制图q 点子分布趟随机、波动越小，则说明材料的均匀性越好，施工工序也越稳 第一章绪论 定，施工水平亦越高。因此，运用控制图不但能有效地控制工程质量和提高工程质量，同 时能科学地评价施工单位的施工水平的高低，提高施工管理水平。 另一方面，采用控制图可以将工作的重点从施工后的事故检验转移到施工前和施工中 的控制，把质量隐患消除在萌芽状态。控制图是对工程质量进行预测和预控的一种行之有 效的质量管理上具，能起到预防为主、稳定工序、保证质量的作用。 统计过程控制技术是运用统计学知识，通过控制图的波动情况判断沥青路面质量控制 过程是否“受控”，这种控制并4 i 是要求施工过程中的所有质量特性指标1 0 0 满足要求， 而是通过这些时效性很强的数据点在控制图上的分布情况来判断施工过程的变异性，并能 及时地做出调整。通过采用这种控制图，不仅仅可以直观的看到阶段施工以来路面质量各 项指标的受控情况，同时也可以看到各项指标的分布。如果在控制图上某指标的点偏向中 心线一侧，或者控制图上的点有明显的上升和下降趋势，则说明系统异常，必须采取措施 解决。例如：如果一个星期以来油石比或关键筛孔通过率一直在期望值( 生产配合比) 的 上方，或者有明显的上升趋势，就说明拌和楼沥青称量系统或者筛板可能有误，必须停下 来对拌和楼进行调整。这对提高施工质量的稳定性和一致性具有重要意义。 从材料准备、到施工过程、再到施工验收的每一个环节的操作都会影响到路面施工质 量，因此，统计控制技术的应用也应该渗入到每一个环节中。借鉴a a s h t o 的统计验收取样 方法，从承包商和业主所要承受的风险角度来分析样本容量和取样频率的合理性，也是统 计方法对验收取样有效性的一次强有力的验证。 根据不同的施工质量水平进行付款调整，这是采用统计控制方法对沥青路面施工质量 进行控制的又一重要措施。通过采用这种付款方法，将进一步明确业主方和承包商的责任， 使业主方的管理工作更多地集中于原材料质量和施工完成后路面的性能，而如何安排生产、 实现沥青路面各项性能是承包商的主要工作，这样有利于进一步调动承包人工作主动性。 通过适当的奖罚措施将促进施工质量进一步提高，对承包商在质量方面的约束得到加强、 进一步促进承包商质量第一的意识，并通过付款系数调整来补偿质量提高带来的成本增加， 而偷工减料则可能受到经济上严厉的处罚。这种付款方法是充分调动各个项目参与方积极 参与到提高路面施工质量中来的有效措施。 综上所述，无论是从材料性能、施工过程还是施工管理方面看，采用统计控制技术对 沥青路面施工过程进行控制都是合理而有效的。 1 6 研究内容 本文研究的重点是如何将控制图技术与路面施工过程控制相结合，特别是用统计过程 控制图来验证过程是否“受控”。堪管统计过程图本身并不能保持过程受控，但控制图提 供了一种肉眼可以判断的警告机制。施工过程中某些指标是始终需要被监控的对象，一旦 发生异常现象，须尽快找出原因，并及时采取有力措施加以消除，使得施工过程纳入正轨。 控制图技术正是起到了这种作用，将其与沥青路而施工实际丰目结合，将为承包商提供一种 有效的质量预警工具。 针对这项工作重点，所作的研究内容主要有： ( 1 ) 统计过程控制技术的理论收集 通过查阅大量的相关文献资料和管理程序，全而地了解国内外的研究成果和研究动态， 为后耐的工作腱开及程序编写提供参考。 ( 2 ) 程序编制 为了便十过程控制技术的推广应闱结合江苏省高速公路婚两施工过程控制实际情 况，开发了洲青路面施工质鼍过程控制技术程宇。程序采用1 ) e o h i 编写，表格处理采h j 东南大学硕士学位论文 d b g r i d 控件，图表处理采用t e e c h a r t 控件。 ( 3 ) 程序的应用和调试 在研究的基础上，采用编制的过程控制程序，在2 0 0 3 和2 0 0 4 年在建高速公路施工单 位进行了应用。应用过程中，要求现场技术人员根据图形反映的情况实时对施工过程出现 的异常进行排查，并对采集的数据进行了分析。为了分析程序的效能，本文中仅采用了一 些目前江苏省沥青路面施 二中常用的关键控制指标进行了分析。 采用统计学控制方法对产品质量进行控制，就不可避免的存在两类风险。因此，如何 使两类风险都处于一个较低的水平也是采用统计学方法必须要解决的问题，也是涉及到这 些方法应用的有效性与否的问题。a a s h t 0 制定的各种规范已得到业内人士盼广泛认可， 并具有了相当了实践基础，我国现有的很多试验方法也都采用了a a s h t o 的相关方法。 a a s h t or 9 就是采用统计学方法进行验收取样的规范，本文借箍了a a s h t or 9 中提供 的方法分析了承包商和业主在验收时所承担的风险，并由此确定了合理的样本大小和取样 频率。 此外，对于交付验收的工程，目前采取的仍然是全额付款或者返工重修的方法。对于 那些具有不同施工质量的工程，业主也希望对其进行一定的奖励和惩罚，而并不是采用简 单的全额付款或返工重修，但目前的施工规范中并没有一个具体的付款奖励或惩罚方法： 对于具体奖励多少，也没有一个硬确的标准可以参考，具体的奖励程度往往只是领导层的 一个宏观的l 临时决定而已。另一方面，具体针对哪些关键的质量性能指标进行奖励，在规 范中也没有统一的规定，如果只是对某个指标实行奖励政策，例如对平整度指标实行奖励 政策，这样就会导致承包商对平整度指标过于重视，而忽略了其它的质量性能指标( 如压 实度等) ，也无法达到提高路面整体质量的目的。针对这种情况。借鉴了美国和加拿大的质 量控n 质量保证规范，采用统计学原理制定了相应的付款方法，这也是针对我国现有的付 款制度提出的一种对策，希望可以对今后的公路工程旌工质量验收付款体系的改革起到一 定的帮助作用。 任何理论的研究都必须以一定的实践为基础，并且最终将应用到实践中去。统计控制 技术在沥青路面施工中的应用研究也必须依托一定的实体工程。在论文的研究工作中，笔 者有幸参与了江苏省高速公路建设指挥部立项的有关沥青路面施工质量控制技术的研究工 作，论文研究的内容是该项研究的重要组成部分。从而，上述理论研究内容也得以采用多 条在建公路的施工数据进行了分析应用，具体的应用情况及结果将在以后的章节中逐一列 出。 6 第二章统计学原理 2 1 概述 第二章统计学原理 将统计学原理应用到沥青路面施工中，就是运用统计学知识，绘制各项性能指标的控 制图，通过控制图上点子的波动及排列情况判断沥青路面质量控制过程是否“受控”，对 于出现异常的情况及时进行调整。统计过程控制并不是要求施工过程控制i o o 满足要求， 而只是希望通过数据的波动来发现施工中存在的偶然因素，提高施工的稳定性和一致性。 本次研究的重点是体哈特控制图在沥青路面施工中的质量过程控制，因此，有必要了 解一些适用的统计学原理以及沥青路面各项指标的实际分布。 2 2 正态分布以及应用 正态分布是统计学中最重要、最基本的一种分布形式。从形态上看，正态分布是一条 单峰、对称、呈钟形的曲线，其对称轴为x = u ，并在x = u 时取最大值。从x = 点开始， 曲线向正负两个方向递减延伸，不断逼近x 轴，但永不与x 轴相交，因此说曲线在正负两 个方向都是以x 轴为渐近线的。u 一定时，曲线的形状由。确定。o 越大，曲线越“矮 胖”，总体分布越分散：o 越小，曲线越“高”，总体分布越集中。 正态分布是由质量控制过程申的平均值( u ) 和标准差( o ) 唯一决定，应该说，平 均值( u ) 和标准差( o ) 是正态分布中最重要的两个概念。 平均值( u ) 即各个样本的试验结果的算数平均值，与统计学中的数学期望( 平均值) 的计算有所不同，但是采用这个均值也很好的反映了试验结果的均匀性或一致性。在很多 情况下，均值就是质量控制的目标值。 平均值通常按照以下进行计算： 标准差是正态分布中另一个重要的概念，其计算公式为 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 标准差反映了试验值与均值的偏离程度，因此，标准差可以很好的来描述事物变异性， 而且对于给定的数值而言，其标准差的计算十分简单。在采用标准差以前，通常采用极差 来表示数值的偏离程度或波动范围，极差这个概念虽然也可以用来描述变异性，但相对标 准差而言，极差是一个远不够精确的估计方法。因此，在质量控制质量保证规范中利用标 准差来控制施工的变异性，从而由标准差来确定各种控制指标的界限值。 无论在什么情况下，都适宜采片j 止态分布。因为这种分布便于理解，并且具有许多好 的性质。采用正态分布的情况f ，通常必须知道生产过程i i 的标准差是多少，如果处理的 是个较大的样本总体，并要求确定其圳范限时，可咀假定标准荠。当样品总体已知时， l d 岢 = ，r 匝 ，j 东南大学硕士学位论文 其标准差就是已知的，确定其规范限时就不可 假定其标准差。 通过对正态分布的研究可以知道，正态分 布有一些很重要的性质：正态分布关于其均值 对称无论均值u 和标准差。取何值，正态 总体落在( i i - 2o ，p + 2o ) 内的概率为9 5 4 、落在( u - 30 ，u + 30 ) 内的概率为9 9 7 ，即f ( u - 2o ，u + 2o ) o 9 5 4 ，f ( u 一3o ， u + 3 0 ) 0 9 9 7 ( 如图2 - 6 所示) 。通常情况 f ，落在( u 一3o ，i i + 30 ) 外的概率为万分 之二十a ，这是一个很小的概率。 前文已经说过，无论控制过程的均值u 和 标准差。如何，试验指标落在u 3o 之间的 概率为9 9 7 3 $ ，由于正态分布的这种性质，人 们通常只在区间( t l 一3o ，u + 3o ) 内研究正 态总体的分布情况，而忽略概率很小的那一部 分分布。要求产品质量特性1 0 0 满足性能要 图2 - 1 概率分布形式 求，在大多数情况下是不可能实现的，只要产品质量特性值落在u + - - 3o 范围内，就认为该 产品是可以接受的。因此，国际上通常采用目标值2o 、目标值3a 来确定几种不同的 控制标准。 统计学应用的前提是假定小概率事件是不可能发生的。对于质量控制，只要控制指标 值满足一定的保证率，就认为质量控制的结果是可以接受的。在美国，沥青路面的质量控 制按照行业的标准差进行。目标值20 是控制过程的警告界限，控制指标超过此范围时， 应对施工过程及时进行调整。同时，目标值3o 是控制过程的拒绝接受界限，如果控制 指标超过此范围时，应立即停工调整，直到恢复正常为止。 在沥青路面最终验收时，基于正态分布，规定合适的保证率，当交付验收项目的施工 质量满足一定的保证率时，业主可以根据施工质量的优劣按照一定的概率分布、在一定范 围内进行支付调整，质量水平超过可接受质量水平，奖励；质量水平低于某个拒绝质量水 平时，业主拒绝接受。 统计学原理在沥青路面施工中的应用主要是指采用均值、标准差、统计分布特征等统 计学方法来确定控制方法和控制指标。 为保证统计控制原理在质量控制中的成功和有效应用，要求控制图使用者对于基本的 统计资料包括计算的意义、标准差、直方图的绘制、连续型概率密度的意义以及分布的标 准化有一定程度的了解。 2 3 沥青路面各项控制指标的分布形式 如果沥青路面质量控制的关键指标的分布符合正态分布，就可以_ f j 正态分布的有关结 论，进行沥青路面施工过程控制，反之，若指标分布无规律可循，则沥青路面各项指标的 控制酷的建立就缺乏根据。 为了解施i ：中部分控制指标( 油_ i 比、孔隙率、v m a 、马氏压实度、理论密度压实度) ， 在施i ：过程中的变异是否符合正态分布形式，文中对收集的2 0 0 3 年江苏省在建高速公路相 关路段关键指标的检测数据进行了汇总和分析。 由丁所取备标段样本数量有限，且标段间控制绝对值存在较人差异，冈此，只能通过 第二章统计学原理 对各数据与相应均值的差异分析( 偏差) 了解各数据的变异性。 分析过程如下：通过对各标段( 施工单位) 所提供的各层、各具体指标与相关指标平 均值的偏差值进行统计分析。得出各指标的标准偏差，如表2 - i 所示。根据偏差值绘出其 频度曲线，并根据频度曲线拟合成正态分布曲线如图2 - 2 图2 - 6 所示。 样本数及标准偏差计算值表2 一l 指标样本数标准偏差 油石比1 7 30 0 6 孔隙率 1 7 2o 2 5 矿料间隙率( v 姒) 1 7 20 2 5 马氏压实度 1 5 50 4 理论密度压实度1 5 l 0 4 2 图2 2 油石比分布频度与理想正态分布曲线 图2 - 3 孔隙率分布频度与理想正态分布曲线 9 东南大学硕士学位论文 图2 4 矿料间隙率( v 姒) 频度分布曲线 图2 5 马氏压实度频度与理想正态分布血线 图2 6 最大理论密度压实度频度与理想正态分布曲线 l o 第二章统计学原理 由图2 2 2 6 可以看出，所取各指标数据在施工控制过程中基本呈现正态分布。此外， 采用编制的程序，用施工单位的数据进行分析，程序中的频度图和正态分布图也显示，沥 青路面施工过程的各项控制指标分布基本呈止态分布。 在美国和加拿大等国，统计控制图在沥青路面施工中的应用已十分成熟，这种技术在 这些国家的广泛应用是建立在对大量数据进行了假设和检验分析基础上的，其结果表明沥 青路面施工中的各项关键控制指标的分布是符合正态分布的；另一方面，考虑到笔者获得 的施工数据的有效性( 施工单位可能剔除r 某些小满足要求的数据) 和数据量的局限性， 因此，本文中不再进行假设和检验分析，而借鉴国外的成功经验，在江苏省高速公路路面 施工质量控制中运用正态分布的相关知识进行控制与分析。 2 4 控制图的概念及原理n 2 4 1 控制图概念 控制图是用来区分质量特性波动是由系统原因引起的异常波动还是由过程固有的随机 原因引起的偶然波动的一种工具。偶然波动一般只会在预计的界限内随机出现，而系统原 因引起的偶然波动则不然。过程存在异常波动表明需要对其影响因素加以判别、调查和剔 除，并使之处于受控状态。控制图是一种用科学方法设计的图，可以对过程质量加| 三l 测定 和记录，从而对其进行控制管理。它建立在数理统计学的基础上，利用有效数据建立控制 界限。图中通常有中心线( c l ：c e n t r a l l i n e ) 、h 控制界限( u c l ：u p p e r c o n t r o ll i m i t ， 也称作上控制线) 和下控制界限c l c l ；l o w e rc o n t r o ll i m i t ，也称作下控制线) ，并有按 顺序抽取的样本统计量数值的描点序列，第i 个样本点的坐标是i ( 对应i 样本的统计量) 。 2 4 2 控制图原理 概率统计理论认为“概率很小的事件在一次试验中实际上是不可b 发生的”，如果概率 很小的事件真的在一次试验中发生了，就认定该事件发生的概率不是很小。控制图就是将 概率论运用于生产实践的抽样，认为从处于稳定状态( 统计受控状态) 的生产过程中抽取 的任一产品，其特征值不符合过程总体分布的事件是一个小概率事件。如果抽样中发生了 此类事件，说明过程不是处于稳定状态。控制图的诊断实质上是一种统计推断，它建立在 生产过程处于稳定状态的基础上，根据抽取的一定数量的产品质量信息，利用概率统计理 论推断全体产品质量状况。正是因为控制图的诊断是统计推断，是根据有限的样本信息来 判断总体分布是否具有指定的特征，是一种假设检验。因此，利用控制图进行诊断存在假 设检验固有的两类错误，即“弃真”的错误和“取伪”的错误。 统计理论表明，产品质量过程控制正常情况下符合正态分布。正态分布有一个对质量 管控制很重要结论：“即无论均值u 和标准差。取何值，产品质量特性值落在u 30 之间的概率为9 9 7 3 ，落在3o 之外的概率为1 0 0 9 9 7 3 = 0 2 7 ，而超过一侧，即 大于p + 3o 或小于u3o 的概率为0 2 7 2 = 0 1 3 5 t 1 。” 鉴于正态分布的这一重要结论，美国贝尔实验室的休哈特博士，于1 9 2 4 年发明了控制 图，为质量控制由传统的质量检验阶段发展到统计质量控制阶段提供了有效的工具。休哈 特认为对质量数据控制实施1 0 0 质量控制是不可能实现的，只要产品质量特性值落在 u 3o 范围内，口j 以认为生产过程是“刈控”的，质量控制过程中只有偶然原因( 承包 商不能控制的变异) 对系统有作用。这就是质量控制理论中著名的“60 ”或“30 ”原理， 如图2 7 所示。 东南大学硕士学位论文 图2 - 73o 原理示意图 控制图的演变过程见图2 - 8 。先把正态分布曲线图按顺时针方向转9 0 。成图2 _ 8 ( a ) ， 由于上下的数值正负不合常规，再把图2 8 ( a ) 上下翻转1 8 0 。成图2 - 8 ( b ) ，这样就得到 一个单值控制图，称u + 3o 为上控制线，记为u c l ，称u 为中心线。记为c l ，称u 一3o 为下控制线。记为l c l ，这三者统称为控制线。 图2 - 8 控制图的演变 综合上述，控制图是基于统计学而形成的，对过程质量数据测定、记录从而进行质量 控制。图上有中心线( c l ) 、上控制限( u c l ) 和下控制限( l c l ) ，见图2 - 9 。 图2 - 9 控制图示意图 i 控制图原理的第一种解释 工序质量控制过程就是利用样本统计量检验总体均值u 和标准差。是否发生显著性 变化的过程。在质量特性为连续值时，最常见的质量特性值分布为正态分布，若抽样得到 的样本均值为x ，n 为样本大小，使得 、 “蛭i - 1 叫 ( 2 - 3 ) 1 2 第二章统计学原理 成立，则认为当显著性水平为口时，总体均值未发生显著变化，即工序处于稳定状 态。上式给出了总体均值没有发生显著变化的样本均值x 的取值范围 ( 一z 云，卢+ z 云 ，显然，扩锄忑和 欲忑是工序总体均值是否 发生显著变化的分界线，如图2 - 1 0 所示 图2 1 0 中： 上控制线： 中心线： 下控制线： 二 么 口2 口，2 7 喝b 哥 “ 图2 一1 0 正态分布示意图 u c l 2 舭意 c l = i t 三c l 2 烨丢 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 对于不同的口值，查正态分布表的z 。，便可计算出相应的控制界限。它是控制图计 7 2 算控制界限的基本公式。 控制图原理的第二种解释 从微观角度来看，引起产品质量波动的原因主要来自六个方面：人( m a n ) 、机器 ( m a c h i n e ) 、材料( m a t e r i a l ) 、方法( m e t h o d ) 、测量( m e a s i l r e ) 和环境( e n v i r o n m e n t ) ， 即“5 m 1 e ”因素。但从统计学的角度及对质量的影响程度来看，引起产品质量波动的因素 可分为偶然因素与异常因素两类。偶然因素是始终存在的，对质量影响微小，但难以除去， 倒如机器开动时的轻微振动等。异常因素则时有时无，存在时对质量的影响较大。但可以 除去，例如混合料级配出现的差异等。 偶然波动与异常波动都是产品质量的波动，对于如何发现异常波动，经验与理论分析 表明，当生产过程中只存在偶然波动时，产品质量将形成某种典型分布。如果除偶然波动 外还有异常波动，则产品质量的分布必然偏离原来的典型分布。因此，根据产品质量是否 偏离典型分布就能判断是否存在异常波动，即异常因素是否发生，而典型分布的偏离可由 控制图检测。控制图上的界限就是区分偶然波动与异常波动的科学界限。控制图的实质性 米南大学硕士学位论文 作用就是区分偶然因素与异常因素。 联系第一种解释，对于不同的d 值，可以计算山相应的摔制界限，通过对控制界限宽 窄的设置，可以调节控制图对异常因素的检出能力，判断出错的两类风险也随之变化。 2 5 控制图的种类 用于过程控制的控制图有很多种，比较重要的有下列几种。 ( 1 ) 休哈特控制图。休哈特控制图也称为常规控制图，分为计量值控制图和计数值 ，_、 控制图两类。汁量