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              面向安全管理的工程項目施工期多目標優化探討

              來源: www.halxjx.net 發布時間:2021-09-28 16:02
              論文地區:中國 論文語言:中文 論文類型:工程碩士
              這篇論文是本站精選的工程碩士論文范文,主要從面向安全管理的工程項目施工期多目標優化展開詳細的探討,因此在后續探索中,可以對四個目標圖形求解展開進一步的探索和研究,不斷完善工程項目多目標優化模型的求解方法
                  這篇論文是本站精選的工程碩士論文范文,主要從面向安全管理的工程項目施工期多目標優化展開詳細的探討,因此在后續探索中,可以對四個目標圖形求解展開進一步的探索和研究,不斷完善工程項目多目標優化模型的求解方法。

                  摘要:本文在前人的理論基礎上,將安全目標加入工程項目多目標優化體系,取得了些許成果,但由于作者理論水平以及研究時間受限,加之四個目標圖形求解的復雜性,在四個目標圖形求解中采用了簡化思路,分別得到了假定安全目標定值條件下工期-成本-質量的多目標圖形優化解、假定質量水平定值條件下的工期-成本-安全多目標圖形優化解。因此在后續探索中,可以對四個目標圖形求解展開進一步的探索和研究,不斷完善工程項目多目標優化模型的求解方法。

              1 緒論

              1.1 研究背景及意義
              1.1.1 研究背景
              近幾年來,建筑業一直處于穩中有增的發展趨勢,且有力拉動國內生產總值增長。據國家統計局網站數據顯示,2018 年建筑總產值為 225816.86 億元,同比增長 5.5%,對國內生產總值(GDP)增加貢獻率為 13.6%。2019 年建筑總產值為 248445.77 億元,同比增長 10%,對國內生產總值(GDP)增加貢獻率為 33.7%。2020 年建筑總產值為 263947,同比增長 6.2%,對國內生產總值(GDP)增加貢獻率為 52.61[1]。可見,建筑業在國內經濟發展中具有重要地位。
              在建筑業發展過程中,大型化、復雜化、系統化的工程項目越來越常見,如大型建筑群以及超高層建筑等,這些復雜工程的建設不僅要求工程施工技術的改革創新,更是要求工程項目管理者進行多目標整體化管理。所謂的工程項目多目標整體化管理,就是要求項目管理者具備項目全局觀,立足項目整體,在項目管理過程中始終以項目最大化效益為導向,綜合考量工期、成本、質量、安全甚至環境等多個目標,開展工程項目的管理活動。工程項目整體化的管理要求項目管理者以整體效益為核心,用恰當的方法在多個目標之間進行權衡,結合實際進行綜合考慮,最終以實現項目整體效益最優為落腳點。
              值得注意的是,隨著工程項目管理水平的不斷提升以及工程安全問題的頻繁發生,工程項目安全問題倍受重視。國家頒布工程項目安全施工的規章、施工單位投入安全成本并完善安全管理制度、社會輿論進行安全施工監督,這些措施都表明工程項目安全管理勢在必行。然而一直以來,在工程項目管理領域,工期、成本、質量是工程項目管理體系的重要組成部分,是工程項目所涉及的利益各方開展項目管理工作的重要依據。面對層出不窮且不容忽視的工程安全問題,人們的安全意識不斷提高,工程項目管理體系迎來了巨大的挑戰。在此大背景下,項目管理者必須重視工程項目的安全問題,以此來更好的開展、管理工程項目。由此,工程項目多目標管理體系不再局限于原有的體系,而是擴展到包含安全目標的多目標管理體系。
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              1.2 國內外研究現狀
              1.2.1 工程項目多目標優化
              經過幾十年的研究,工程項目多目標綜合優化已經取得了豐碩的研究成果。根據相關文獻發現,隨著工程項目管理水平的提升,人們對工程項目建設的關注維度越來越多。相應的學者對于工程項目多目標優化的研究范圍由成本、工期的研究到成本、工期、質量的研究,進而到工期、成本、質量、安全、環境等多方面的權衡研究。
              在對于工程項目多目標管理的研究中,國外學者們率先展開相關的研究并取得一定的成果:Prem Vrat 在限制相關條件的基礎上,用分段線性函數來表示各工序持續時間與成本的關系,從而構造工程項目總工期與總成本的關系[2]。Deckro 認為成本與各工序持續時間之間是二次函數關系并據此建立工期-成本優化模型,同時運用實例驗證求解[3]。Feng CW 基于線性規劃的凸包理論,在只考慮直接成本的情況下,針對大型工程建立了工期-成本優化模型[4]。Love C E 基于損失成本最大值等于預鑒成本最大值,以正切函數來表示質量保證成本,并對其進行求解[5]。Badu 等首次將質量納入工程項目多目標優化模型中來,形成工期-成本-質量三大目標的優化體系[6]。Hamed 建立了離散型的工期-成本-質量多目標優化模型并采用電磁散射理論就該類問題求解進行討論[7]。在考慮每一個工序所有時間成本組合質量水平的基礎上,Bruce 和 Matthew 采用層次分析法進行質量量化,進而建立整數線性規劃的多目標模型[8]。Antonio C. Caputo 等對工業廠房的安全-成本優化進行分析,以投入安全成本最小為前提,研究提出了安全-成本優化模型并采用遺傳算法進行模型求解,最終運用實例進行驗證[9]。Ozcan-Deniz 將環境因素引入建筑工程項目多目標優化體系,采用生命周期評價(LCA)的方法衡量整個施工過程環境影響因素的情況,并充分考慮時間、成本和環境影響之間的關系建立優化模型[10]。Khalili-Damghan 等采用混合整數規劃的思路建立了廣義優先關系下的多模式時間-成本-質量權衡項目調度問題,并利用多目標粒子群算法進行模型的求解[11]。Elbeltagi E 等將資源限制與動態現金流加入多目標優化模型中,建立了時間-成本-資源-現金流的多目標項目進度計劃整體優化模型[12]。Alothaimeen 引入能源與環境設計(LEED)評價系統,構建了建筑工程項目相關環境因素與成本之間的關系模型并進行求解,取得較好的最優解[13]。Panwar 構建了綜合工期-成本-質量-安全的多目標優化模型并采用非支配排序的遺傳算法進行模型求解,最后通過工程實例驗證模型可行性[14]。
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              2 相關理論基礎

              2.1 工程項目多目標管理
              工程項目是指具有明確建設目標,并且在限定的資源條件下創造的一次性活動產物。所謂的工程項目目標就是在實施項目過程中,項目所涉及的利益各方期望達到的綜合效益。通俗來說,就是工期、成本、質量、安全以及環境等方面的效益。這些目標即是期望效益又是約束條件。工程項目的目標決定了項目的組織、計劃與控制方法,項目管理目標要素如圖 2-1 所示。
              圖 2-1 工程項目目標要素
              圖 2-1 工程項目目標要素
              在工程實施過程中,這些目標都可以被細化為有量化標準和可操作性的具體工作,通過控制這些細化后的工作就可以實現工程項目的落地。也就是說,工程項目往往通過對項目目標要素進行科學的管理來獲得最大效益,其成功之處就在于“以目標指揮行動”。本文主要是從工期、成本、質量、安全這四個目標來進行工程項目多目標管理。
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              2.2 系統可靠性理論
              2.2.1 系統可靠性概念
              (1)可靠性理論
              可靠性是指在規定的條件和時間下,產品完成規定功能的能力[46],它的任務就是用來衡量產品的質量、安全等可靠程度。可靠度是可靠性的概率度量,其定義為:在規定的條件和時間下,產品不發生失效的概率。
              (2)系統可靠性理論
              系統可靠性理論是在系統工程方法的基礎上研究可靠性工程,它的目的是對產品進行可靠性分析和設計,主要通過采用數理統計和現場使用反饋信息等手段建立起能收集復雜產品可靠性的管理體系[48]。也就是說,系統可靠性理論是將系統工程的思想和可靠性理論進行融合,形成一套完整體系來衡量功能多樣、結構復雜的產品的可靠程度。
              2.2.2 系統可靠性模型分類
              系統可靠性理論復雜,從而導致系統可靠度模型種類繁多。目前常見的系統可靠度模型主要包括串聯、并聯、混聯、表決及復雜結構等形式。本文選擇串聯系統和并聯系統兩種結構形式展開質量、安全量化模型的研究,故僅對串聯、并聯這兩種系統可靠度結構形式進行詳細展開。
              (1)串聯系統可靠度模型
              若存在 n 個子系統組成一個串聯系統,那么只有當所有子系統都不發生故障時,該系統才能正常工作。這種結構類似于串聯電路的工作模式,若任何一個子系統出現故障均會使得該系統不能正常工作。
              (2)并聯系統可靠度模型在一個并聯系統中,當所有的子系統均發生故障時,該系統才會發生失效。這種結構類似于并聯電路的工作模式,即只要其中任意存在一個子系統能夠正常工作。
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              3 工期-成本-質量-安全多目標優化模型的構建................................21
              3.1 基本假設................................................21
              3.2 成本-工期關系模型........................................21
              3.2.1 成本-工期關系分析.....................................21
              3.2.2 成本-工期關系模型的建立.....................22
              4 工程項目實例各目標的確定..............................37
              4.1 項目簡介.............................37
              4.2 工期目標分析.....................................37
              4.3 成本目標分析.............................39
              4.4 質量目標分析.......................................40
              5 工程項目實例多目標優化研究........................................49
              5.1 優化模型的建立...................................49
              5.1.1 相關參數的確定...................................49
              5.1.2 優化模型的建立....................................50

              5 工程項目實例多目標優化研究

              5.1 優化模型的建立
              5.1.1 相關參數的確定
              本文所選工程實例為 QD 住宅項目,然而由于該工程量大、實際情況復雜,故選取16#住宅樓單位工程進行分析研究來展開模型應用。經前文分析確定 16#住宅樓單位工程的計劃工期為 285 天,計劃成本為 45503766.48 元,質量水平為 0.91,安全水平為 0.88。理論上,綜合優化時要求工期合理縮短、成本合理降低、質量水平合理提高、安全水平合理提高。結合本文選取的 QD 住宅項目是以打造高端、優質住宅項目為核心目標,因此管理者對該項目的質量、安全水平相對更加看重。基于此,可以有的放矢的進行最優解集的選取,以指導工程項目的管理。
              依據前文分析,通過向專業施工人員學習,考慮工程實際確定了各項工序單元的正常持續時間nit 、壓縮后持續時間sit 、正常情況下成本耗費niC 、壓縮后成本耗費siC 。同時,將上文得到質量目標、安全目標相關參數進行整理。結果如表 5-1 所示。
              表 5-1 16#住宅樓項目各工序單元相關參數
              表 5-1 16#住宅樓項目各工序單元相關參數
              通過上述數據可知,在 16#住宅樓施工過程中,正常情況下工期為 295 天,對應的成本為 43676870 元;極限情況下工期為 244 天,對應的成本為 44634380 元。
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              6 結論與展望

              6.1 研究結論
              為了更好的開展工程項目管理工作,本文針對面向安全管理的工程項目多目標優化問題展開研究,將安全目標進行量化并引入工程項目多目標體系,以幫助項目管理者站在全局的高度來協調工期、成本、質量、安全這四個目標,使項目總體效益最大化。主要運用系統可靠性理論、遺傳算法理論和多目標優化理論,以實現工程項目工期、成本、質量、安全多目標優化為研究宗旨,以工期為決策變量,建立了工期-成本-質量-安全多目標優化模型。同時,運用基于 Pareto 排序的多目標遺傳算法為模型求解提供方法。最后,以 QD住宅項目 16#住宅樓單位項目進行了實例應用分析,得到了符合項目最大效益的實施方案。本文的主要研究結論如下:
              (1)通過考慮激勵因素修正間接成本改進了傳統成本-工期模型。在考慮間接成本時,考慮提前合同工期完工獎勵會減少間接成本和延期完工懲罰增加間接成本,構建了折線型的間接成本-工期關系曲線,進而建立了改進的成本-工期的函數模型。
              (2)基于系統可靠性理論,分別建立了工程項目的質量-工期、安全-成本模型并進行質量、安全目標的量化。首先論證系統可靠性理論進行質量、安全量化的可行性,分別構建了工程項目質量、安全量化模型,以層次分析法分別確定質量、安全水平各個影響因素的權重,結合專家評估法收集質量、安全水平相關數據,從而建立了項目質量、安全水平的量化模型。在一定程度上,本模型能改進通過線性加權求取項目質量、安全的傳統質量、安全量化模型的不足,使項目質量、安全水平得到合理量化。
              (3)構建了工期-成本-質量-安全多目標優化模型并進行模型求解。以工期為決策變量,以項目整體效益最優為宗旨,建立了由成本-工期、質量-工期、成本-安全綜合而成的工期-成本-質量-安全多目標優化模型。模型求解方法采用基于 Pareto 排序和多目標遺傳原理。
              (4)模型實際應用。將模型應用于 QD 住宅項目 16#住宅樓單位工程建設中,并運用基于 Pareto 排序的多目標遺傳算法求解,得到了符合項目最大化效益的實施方案。采用 MATLAB 軟件編程實現模型求解,輸出安全目標恒定下工期-成本-質量、質量目標恒定下工期-成本-安全多目標優化的收斂曲線以及 Pareto 最優解集,求解結果表明算法具有較好的收斂性。優化后的施工方案可以將項目工期控制在 275~279 天,相比合同工期縮短了 6~10 天,成本相應減少了 226131~465701 元,質量和安全水平分別在原有水平基礎上提高了 3.3%和 6%,為實際工程項目管理提供了可參考的理論決策依據。
              參考文獻(略)
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