基于网络计划的施工组织智能优化研究——以DH建设项目为例

笔者认为施工组织设计是用来规划和指导拟建工程实施综合性技术经济文件，包括项目质量控制、进度控制、成本控制等多个方面。对其进行优化，可以保证在综合考虑项目人力、物力、财力等资源的前提下，细化项目的实施细节、统筹项目的资源配置、合理组织项目施工环节，形成项目的合理部署、有效实施，在质量、进度、安全、经济等方面取得良好的效果。

1 绪论

1.1 论文选题背景及意义
建筑业是我国国民经济发展的支柱产业之一，以建筑物和构筑物作为生产产品；该类产品不同于日常消费品，具有产品体积庞大、实施过程复杂、所需人力物力资源繁多等特点[1]。社会的进步使得对建筑物的需求日益增加，因此带来其规模以及功能上的复杂，为项目施工增加了困难性。为了进一步保证建设项目高质量、低成本、短工期、保安全等施工目标，良好高效的施工组织设计尤为重要。这是因为施工组织计划应首先满足建筑项目施工的一般规律，其次应体现当前具体的建筑工程的结构特点和使用要求，以便对施工全过程起到指导的作用[2]。基于建筑工程的特性，施工组织设计需要根据所考虑工程的类型及其具体要求，编制出经济、合理、有效的施工方案和组织措施，优化配置以节约劳动力成本，以及材料、机械设备、资金的使用情况，为施工的准备、工程的招投标以及施工过程的决策提供依据。可以说，施工组织设计的优化有效地影响了工程项目的完成水平，是影响工程项目成功与否的重要因素之一[3]。
1.1.1 选题背景
施工组织设计是用来规划和指导拟建工程从投标、签订施工合同、施工准备到竣工验收全过程的综合性技术经济文件[4]，包括项目的质量控制、进度控制、成本控制等三个方面。施工组织设计编制于施工之前，是对整个施工过程实行有效管理的科学手段，它可以科学计划项目中各个施工工序的具体安排，为项目提供有效的进度控制，从而避免因为工期延误、质量下降所带来的经济和社会损失。
可见，施工组织设计对施工单位的重要性不言而喻，而进度控制则是其中最为重要的一个环节。基于上述背景，本文拟以中国农业科学院某研究所拟建的 DH 试验基地建设项目为例，对其施工组织设计中的进度优化问题展开研究。
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1.2 国内外研究概况
1.2.1 国外研究概况
施工组织设计由国外大型施工项目的先进技术和项目经验衍生出来的，随着技术的进步而发展。国内外普遍认可的首个施工组织设计来自于上世纪 20~30 年代前苏联建设第聂伯尔水电站的过程，当时的工程师为该项目设计了一个全面且完善的施工方案，很好地指导了水电站项目的建设工作。1956 年，美国杜邦公司在对企业不同部门进行系统规划时，借助网络明确各项工作所需花费时间、以及各项工作间的先后序关系，编制出了第一套网络计划；进而，他们提出了关键路径法，并将该方法应用于化工厂的实际建设之中，显著地缩短了项目进度、有效地节约了项目资金，经济效益相当显著[5]。此外，美国海军在“潜艇远程导弹”项目开发过程中也使用了关键路径方法——通过对项目实施各环节的持续时间估算，有效地计算了各个事件的发生时机及机动事件完善地解决了项目中组织、协调、管理等一系列问题，节约了大量的投资资金，还使得整个项目的工期缩短了将近 25%[5]。
进入 21 世纪以来，随着信息科技特别是计算机技术的发展，针对工程建设项目进行调度研究、从而优化施工进度，已成为工程管理领域的研究热点之一，研究成果层出不穷[6,7]。一方面，研究人员将数学建模技术、算法设计思想融入到项目调度的理论模型之上，丰富了理论层面的研究成果；另一方面，将这些理论结果应用到实际工程之中，很好地指导了实际工程建设项目的施工过程。例如：2015 年，Ksi ek 等人（2015）关注了复杂工程所带来的决策复杂且耗时的问题，并揭示了领域专家制定决策所带来的主观性和不准确性。针对这一问题，他们提出了一套适当的标准通过数学方法对其进行表达，进而开发了一套名为“ESORD”的计算软件。该软件通过数学方法分析不同方案的优化等级，辅助生产者制定决策[8]。同年，Kellenbrink 和 Helber（2015）以机场飞机中转过程为例，考虑了资源受限、且活动间含有先后续约束关系的项目调度问题。他们为该类问题构建了数学模型，并设计了一个遗传算法对模型进行求解。通过数值实验，他们验证了所提算法能够很好的解决该类问题，为飞机中转提供质量可靠的可行方案[9]。2016 年，Dhurup 等人（2016）分析了发达国家建筑行业对国民生产总值（GDP）的影响，讨论了劳动力市场在行业发展中的贡献，并说明了这个过程中团队合作的重要性。因此，他们通过了一系列调查，分析了 178 名员工的工作数据，形成了一系列有关人员组织优化的结论[10]。Elbeltagi 等人（2016）研究了考虑施工工期、建设成本、资源均衡、现金流量等多个目标的施工进度优化问题，为该问题构造了属性模型，并设计了一个基于帕累托前沿折衷方案进化策略的粒子群优化算法对模型进行求解。最后，他们将所提方案应用于实际建筑项目的施工过程，为施工经理提供了良好的决策支持[11]。
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2 施工组织优化的相关理论

2.1 施工组织优化的基本概念与内容
对于施工组织设计来说，费用、工期、质量等均是评价设计是否优化的重要指标；然而大部分情况下，这些指标要素之间互相影响、相互制约，因此可以经过分析，得到一系列满意解供施工者选用，最终使得工程项目的效益最大。
2.1.1 优化的涵义与原则
施工组织设计优化是指各单位的技术人员在施工过程中，综合考虑自身的技术特点、资金情况、设备配置等因素参与工程，基于人力、物力、财力等条件，研究项目施工各方面的细节，协调各种技术、配置多种资源进行项目组织、部署和管理，形成进度、质量、安全、成本等方面的综合优化。
评估施工组织设计是否合理包括工程质量、安全管理、进度控制、项目成本等多个指标因素，一般来说，这些因素是相互影响、相互制约的；如果仅仅从单方面强调某一个因素，则可能会影响到其他指标、从而使得项目评估整体受损。例如：在保证施工质量和工期安全的前提下，过分强调成本控制，可能会使得项目的工期延迟，从而影响项目的正常交付；而如果为了单方面追求工期上的优化，则可能放松对项目质量的监控、忽略施工过程中的安全，造成严重后果；如果为了控制成本而盲目减少资金投入，更是容易造成项目的质量、安全等多方面的影响。因此，施工者应该综合把握各个指标间的关系，注重这些指标之间的均衡，实现对施工组织设计的综合优化。
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2.2 基于网络计划的施工组织优化
网络计划技术（network planning technology）是用于工程项目计划与控制的一项管理技术，其通过网络的形式将一项工程的各个活动间的逻辑关系予以表示，并通过时间参数计算、关键路线分析、计划方案优化等手段形成项目施工的具体方案。
如图 2.1 所示，一项具体的施工项目可以通过网络计划图 G = (V, E)来表示（本文使用双代号网络图表示施工项目）。其中 V 为图 G 的节点集合，表示该工程各道工序的开始或结束事件。E 为 G 的边集合，表示需要消耗一定施工时间的某个环节（即工序）；若有边 Ei-j∈E（即 Vi Vj），则说明工程中具有一道工序(i, j)（在不影响理解的前提下，用 Ei-j表示这道工序），其开始事件为 Vi，结束事件为 Vj；同时，Vi和 Vj也可能是其他工序的开始或结束事件，通过这种形式就能够表示工序之间的先后序约束关系。

可见，网络计划可以提供施工所需的多种信息，辅助决策者制定出适合的施工方案进而进行优化，例如：可以根据关键路径和合同规定调整工期，从而均衡使用项目所需的各项资源；可以通过对关键路径的分析，辅助施工者关注项目施工的重要环节；可以通过对施工环节（人员及物资）的灵活调配，降低施工运营成本；等等。也就是说，在满足主客观约束的前提下，可以通过工期、资源、成本之间的相互联系，实现对网络计划的优化从而制定出合理的施工安排。
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3 DH 建设项目施工组织分析 ...................... 21
3.1 项目概况...................................... 21
3.2 施工总体部署............................. 22
4 基于粒子群算法的施工组织智能优化................................... 35
4.1 基于“工期-费用-资源”的多目标施工组织优化问题 ................. 35
4.2 资源约束分析......................... 35
5 优化方案及保障措施...................... 45
5.1 施工组织优化方案及评估.......................... 45
5.2 施工组织实施的保障措施......................... 48

5 优化方案及保障措施

5.1 施工组织优化方案及评估
针对本文考虑的 DH 建设项目“工期-费用-资源”多目标施工组织优化问题，PSO算法给出的可行方案及其指标项得分如表 5.1 所示。算法运行过程中，30 个粒子分别以某一具体目标为主目标、其余目标为次目标进行迭代，最后得到了 11 个帕累托最优方案，算法的平均运行时间为 19.23 秒。

为了对比各个方案的区别，将表 5.1 中的各项指标得分通过图 5.1 进一步显示。可以看出，工期和项目费用两项指标基本上呈反比趋势，即工期短的项目往往需要消耗更多的成本，而工期长的项目往往可以节约一定的费用；此外，资源均衡度指标与项目工期也普遍存在反比趋势，即工期紧张的方案对资源的利用往往比较紧迫，因此会造成资源使用的不均衡。
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6 结论与展望

6.1 结论
施工组织设计是用来规划和指导拟建工程实施综合性技术经济文件，包括项目质量控制、进度控制、成本控制等多个方面。对其进行优化，可以保证在综合考虑项目人力、物力、财力等资源的前提下，细化项目的实施细节、统筹项目的资源配置、合理组织项目施工环节，形成项目的合理部署、有效实施，在质量、进度、安全、经济等方面取得良好的效果。
对施工组织的优化不能仅仅从某个单方面的目标予以考虑，而是应综合项目有关的各项指标统筹考虑，达到全面优化的目的——从运筹学的角度来讲，这是一个 NP 难问题，无法在有限时间内对其精确求解。然而，随着计算机技术、特别是智能计算技术的发展，可以利用智能算法对该类问题进行求解。
本文在分析了研究背景、国内外研究情况、相关理论的基础之上，针对中国农业科学院某研究所拟建的 DH 试验基地建设项目的施工组织展开研究，并取得了如下成果：（1）分析了 DH 建设项目的施工流程，通过双代号网络计划图予以表示，并通过计算图中各节点（代表工序开始或结束事件）的最早、最晚发生时间，获得理想状态下项目工期的理论上界，即计算工期 Tc。
（2）考虑现实施工过程中的资源约束、以及与施工项目有关的其他优化目标，将上述问题表示为带资源约束的“工期-费用-资源”多目标施工组织优化问题，并通过数学模型予以表达。
（3）设计了一个粒子群优化算法对问题进行求解：首先，根据问题特性确定粒子位置和速度的编码方式；其次，将粒子群算法框架中的运算符进行重载，使之能够支持本文研究的问题；最后，通过算法中其他参数及条件的设置，完成算法的整体设计。
（4）分析算法的运行结果，总结出三种有效的施工方案（工期最短-费用最高、工期最长-费用最低、工期平均-费用平均）供施工方选择。并定义一系列保障措施，保证施工的顺利进行和项目的安全竣工。
参考文献（略）