引入安全因素的工程项目多目标优化研究

来源: www.cskelong2738.top 作者:vicky 发布时间:2019-10-12 论文字数:35855字
论文编号: sb2019091616012927813 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇工程硕士论文,笔者通过查找文献,学习理论知识的过程,对安全风险的管理和多目标管理优化问题有了一定的认知。再结合抽水蓄能电站上水库工程的实际情况,对其施工过程中的
本文是一篇工程硕士论文,在论文研究过程中,首先利用多目标优化理论,分从工期和安全风险之间的关系出发,再分别研究工期—成本、成本—安全风险之间的关系,以工期目标为自变量,建立工期、成本和安全风险的均衡优化模型;然后以镇安抽水蓄能电站的上水库工程为例,对三个目标进行分析和确定;最后确定所建立的模型需要的各个参数,基于实例构建优化模型,使用粒子群算法进行求解。

1.绪论

1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
(1)建筑业发展平稳迅速,项目管理水平日益提高
近年来,建筑业仍处于平稳快速的发展阶段,其总产值也在逐年上升:2016 年建筑行业总产值为 193566.78 亿元,2017 年突破 20 万亿元,达到 213943.56 亿元,2018 年的总产值则为 235086.00 亿元。建筑业仍属于国民经济支柱之一。
相对应的,就是建筑工程项目趋于大型化和复杂化,如大型水利工程、超高层建筑、高速铁路等,这些工程均具备内部结构复杂、外部联系广泛的特点,项目管理的难度变大。为保证各项工程项目的顺利实施,[1]工程项目管理水平日益提高,相关理论研究更加深入,其中,多目标协调优化成为工程项目管理研究的热点。
在工程施工项目管理过程中,最主要的是对各项管理目标的协调控制。各个目标之间的是相互关联、相互影响的,不能为了满足其中某个目标,而不顾忌其他目标,应对多个目标进行均衡优化,从而提高项目的整体管理效率,实现项目整体最优。
(2)建筑业施工安全风险压力大,安全事故频发
在各类工程项目的施工过程中,会受到工程原材料、施工方法、组织管理、人员组成、工程投资、施工环境等因素的影响,使得项目相关各方,诸如投资者和工程承包方等在保证施工现场和人员的安全方面承受很大的风险[2]。
建筑业是安全事故频发的行业,安全形势不容乐观,尤其在一些大型工程项目中,发生安全事故对各方造成的损失都不可估量[3]。现如今,施工过程中的安全风险管理越来越成为项目管理中不可忽视的一部分,好多项目部都专设有质量安全部,并对建筑生产过程中的安全进行重点管理。在工程项目管理中,三大目标为工期、成本和质量,将安全风险管理的研究加入之后,发现工期—安全风险、成本—安全风险之间存在对立统一的关系,而质量与安全风险之间的关系是相互促进的。因此,可将质量目标作为一个既定条件,对工期、成本和安全风险这三个管理目标进行优化研究。
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1.2 国内外研究进展
1.2.1 多目标优化研究进展
多目标优化问题及优化模型建立早在 19 世纪就已提出。国内外的研究主要可以分为两个方面,一是各目标间的相关关系及协调问题研究,另一方面则是建立多目标优化综合模型并求解。经过多年的发展历程,该领域取得了丰富的研究成果。
国外关于多目标优化问题的发展比较早。通过分析文献可知,多目标优化问题的发展起源于对进度目标的控制,主要体现为网络计划技术的发展。二十世纪中期,网络计划技术得到了快速发展,为工程管理的研究和创新创造了条件。该技术既能够对施工进度计划进行合理的安排,还能够按照工程管理目标(例如成本、质量、资源、安全以及工期等)的需求,及时对目标计划进行优化和调整。
学者们对工期—成本间的关系研究比较成熟,普遍认为二者之间的关系为凸型曲线。随着研究的深入,Prem Vrat[5]在考虑各个工序持续时间与成本的关系的基础上,首次提出用分段函数代替传统的凸型曲线,简化了工期成本之间的关系,且更加贴合实际情况。Eshtehardian[6]通过引入模糊数学的概念,用模糊数来表示工序持续时间和成本,提出了在不确定因素影响的情况下,工期成本的优化方法。Azaron[7]借助排队网络的方法,结合动态网络计划评审技术,建立了基于交互式规划算法的工程项目进度成本双目标规划模型。Hazir O[8]等学者针对离散型的工期成本优化问题,构建了 3 个鲁棒优化模型,为离散型工程项目的工期成本鲁棒优化模型的研究奠定了良好的基础。
Babu、Suresh[9]首次对质量目标加以考虑,对工序直接成本、质量、时间三者间呈线性关系的角度进行模型设计,从三大目标的综合优化出发,构建了工期—成本—质量综合优化模型。Khaled 将前人所研究的进度、成本和质量平衡模型应用于实际建设项目中,
对模型进行求解并验证模型的适用性和可靠性。ElRayes K[11]等学者在考虑时间、成本和质量三个目标的多模式均衡优化的情况下,假设工序的质量、成本、工期由施工方法、工人数量、加班时间 3 个因素决定,将 3 种因素进行不同搭配,从而形成了不同的工序施工方案。Bruce、Matthew[12]提出一种混合规划模型,通过层次分析法确定了各个工序对于工程整体的的质量权重比,对质量目标综合评价,并对模型的优越性进行了实例验证。
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2.相关理论研究

2.1 工程项目多目标优化
在工程项目的施工管理过程中,多个管理目标之间一般存在相互对立的关系,即一个目标的改善和优化,往往会影响到其他目标的实现。因此,现如今的工程项目管理一般会与多目标优化理论结合起来,将多个管理目标进行均衡协调优化。多目标优化问题中,主要考虑到的就是多目标优化模型的建立和求解[38]。
2.1.1 多目标优化基本理论
现实生产生活中的各个领域都存在多目标优化问题。在工业生产中,人们倾向于在追求资源最大化利用和资金投入最小的同时实现产量最大化;在工程项目的施工过程中,则是在工期一定的情况下,追求成本最低和质量最佳。
与传统的单目标优化问题相比,多目标优化问题需要考虑到每一个目标,多目标优化问题往往不存在唯一最优解,而是存在一组最优解组成的最优解集[39]。向量的半有序性决定了备选方案之间不能直接进行比较,需要根据决策者的偏好及客观要求确定备选方案的评价值,从而进行比选。多目标优化模型的一般形式如公式(2-1)所示:

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2.2 工程项目施工管理
工程项目施工管理的主体是施工企业,施工企业运用系统的思想、理论和科学的方法,对工程项目全过程进行计划、组织、监督、控制和协调。目标控制是建设项目管理的核心内容。施工阶段的目标包括阶段目标和最终目标。因此,施工项目目标管理应坚持以目标控制理论为指导,对整个施工过程进行科学的控制。在项目施工管理过程中,管理和控制的目标主要包括进度、成本、质量和安全等。论文研究了进度目标、成本目标与安全风险的关系。因此,在本节中,对施工期间的进度目标和成本目标的相关理论进行研究。
2.2.1 工程项目施工进度管理
工程项目施工阶段进度管理的目的是保证工程项目按期规定期限建成并交付,以期实现更好的效益。在施工进度管理过程中,主要可分为以下三个阶段:
(1)施工项目目标工期的确定
从不同角度层层分解施工进度总目标,形成合理的施工进度管理体系,作为进度管理的实施依据。在确定施工进度的分解目标时,主要考虑工程项目总进度目标对施工工期的要求、工期定额、类似工程项目的实际进度、工程难易程度和各项资源配备情况等。除此之外,还要考虑外部协作配合的各项条件,以及工程所处地区的地形地貌、水文气象等方面的限制条件。工程项目施工进度管理的成效是由控制目标工期的有效程度来体现的。因此,在对施工进度目标进行分解后,必须将施工工期这一概念进行界定。在提及施工工期时,需对相关几个工期的概念一同进行确定,如下所示:
1)建设工期:指建设项目或单项工程从设计文件所列工程正式破土动工到建成投产或交付使用为止所需要的时间,包括建筑、安装、验收、交付使用等所需要的时间,但不包括施工准备时间。
2)合同工期:通常情况下,业主单位都会与承包商协商一致后,在承包合同书中对项目的建设期限作出明确要求,即合同工期。
3)指令工期:一般由国家或政府投资兴建的工程项目,会对工程建设期限以指令的方式作出明确规定,也就是指令工期。
4)施工工期:施工工期指建设项目或单项工程从正式开工至按设计规定的全部工程内容建成,并达到竣工验收标准所用的实际施工天数,是构成建设工期的基础,工程项目管理往往需要通过对施工工期的控制来实现对建设工期的控制。
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3.工期—成本—安全风险综合优化模型构建...............................19
3.1 工期—安全风险优化模型.................................19
3.1.1 工期—安全风险关系分析.................................19
3.1.2 工期—安全风险优化模型的建立..............................20
4.工程项目优化目标的分析确定..............................................28
4.1 项目概况..........................................28
4.1.1 工程位置及规模.................................28
4.1.2 枢纽布置....................................28
5.工程项目多目标优化模型的实证分析..................................43
5.1 模型建立.....................................43
5.1.1 相关参数确定.........................................43
5.1.2 结合实际构建模型...........................44

5.工程项目多目标优化模型的实证分析

5.1 模型建立
5.1.1 相关参数确定
镇安抽水蓄能电站项目是一个庞大复杂的工程项目,本文选取其上水库工程进行研究。上水库工程的计划工期为 49 个月,计划成本为 89413.31 万元,施工安全风险值约为84.10,危险等级为 3 级。在进行优化时,应均衡优化,在工期最短、成本最低的条件下,使得安全风险值尽可能的降低,项目安全水平达到最优。
依据前文分析,模型的建立需要确定各工作单元的工序持续时间、消耗成本和安全风险值等相关参数。在确定工期时,根据各工序间的逻辑关系,将其分为 6 条工作线路,其中,时间最长的工作线路为项目的关键线路,其时间就是该工程的工期。通过估算和统计,各工作线路的工序相关参数见下表 5-1。

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6.结论与展望

6.1 研究结论
安全风险管理是近些年工程建设管理中的热点问题,本文将其与工期、成本的优化控制相结合,站在全局的高度,使得这三个目标均衡优化,项目总体目标达到最优。由于研究发现工程管理三大目标中的质量目标与安全风险目标之间是相互促进的关系,因此在研究的过程中单单考虑工期和成本目标的影响。
在论文研究过程中,首先利用多目标优化理论,分从工期和安全风险之间的关系出发,再分别研究工期—成本、成本—安全风险之间的关系,以工期目标为自变量,建立工期、成本和安全风险的均衡优化模型;然后以镇安抽水蓄能电站的上水库工程为例,对三个目标进行分析和确定;最后确定所建立的模型需要的各个参数,基于实例构建优化模型,使用粒子群算法进行求解。
本文的主要研究结论和成果如下:
(1)建立工期—安全风险优化模型。由于发生安全事故后对工期的影响具有不可控性,在只考虑事前控制的前提下,研究工期和安全风险之间定性关系,画出二者的关系曲线,通过研究工序持续时间和工序安全风险的关系,然后考虑总工期和工程项目整体安全风险的关系,建立二者之间的优化模型。
(2)对安全风险目标进行定量化。在分析上水库工程的安全风险目标时,采用工作—风险分解(WBS—RBS)法识别安全风险,结合作业条件危险性评价(LEC)法,对上水库工程中分解出的 15 项工作的安全风险分别进行量化,并确定了各项工作的风险权重,进而确定了上水库工程的整体安全风险值。
(3)模型实际应用。将建立的模型应用于镇安抽水蓄能电站上水库工程建设项目中,采用粒子群算法求取最优解,求解过程中,设置种群为 50,迭代次数为 200 次,得到了工期—成本—安全风险优化模型求解的收敛过程图和最优决策向量,算法表现出良好的收敛性。优化后达到的结果为:上水库工程的工期为 48 个月,相较计划工期缩短了约 30天,成本减少了 9512.67 万元,安全风险从中度风险(3 级)降为一般风险(4 级),整体结果较为理想。
参考文献(略)

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