鐵路施工組織優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)

王樹(shù)杰，楊新安，張業(yè)煒，凌保林

（同濟(jì)大學(xué)城市軌道與鐵道工程系，上海200092）

鐵路建設(shè)項(xiàng)目涉及專(zhuān)業(yè)多、工序銜接復(fù)雜，是一項(xiàng)十分復(fù)雜的生產(chǎn)活動(dòng)[1]。鐵路施工組織設(shè)計(jì)作為指導(dǎo)施工的綱領(lǐng)性文件，是鐵路項(xiàng)目建設(shè)管理的重要依據(jù)。施工組織設(shè)計(jì)編制中，方案必須經(jīng)過(guò)比選優(yōu)化；施工過(guò)程中，施工組織方案還應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。但在鐵路建設(shè)項(xiàng)目施工組織設(shè)計(jì)中，長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有一套比較科學(xué)、實(shí)用的方法進(jìn)行方案的比選和優(yōu)化，阻礙了鐵路施工組織設(shè)計(jì)水平的提高以及對(duì)施工工期和投資的有效控制。

近年來(lái)，鐵路施工組織設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)已有一定發(fā)展。中南大學(xué)李昌友、周繼祖[2]建立了用一般層次分析法等決策分析方法進(jìn)行鐵路施工組織設(shè)計(jì)方案選優(yōu)的數(shù)學(xué)模型，研制開(kāi)發(fā)了施工組織設(shè)計(jì)的輔助決策和設(shè)計(jì)系統(tǒng)。北京交通大學(xué)崔德山和西南交通大學(xué)李玉括等[3-4]分別建立了基于B/S的鐵路施工方案管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鐵路施工方案的申報(bào)、輔助決策等功能。北京鐵路局邯鄲車(chē)務(wù)段吳朝輝[5]對(duì)開(kāi)發(fā)鐵路施工組織管理信息系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能、系統(tǒng)的基本模塊等進(jìn)行了研究。

本文提出了層次分析法、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃優(yōu)化與實(shí)施中的優(yōu)化調(diào)整相結(jié)合的鐵路施工組織優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用VB程序語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了鐵路施工組織優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)優(yōu)化流程，并應(yīng)用于工程實(shí)際。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)主要由三個(gè)基本功能模塊組成，總體功能框架見(jiàn)圖1。各功能模塊具有相對(duì)獨(dú)立性，同時(shí)又緊密聯(lián)系。

1）數(shù)據(jù)管理模塊。該模塊針對(duì)鐵路施工涉及的工程和專(zhuān)業(yè)，把已有的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、方法等按專(zhuān)業(yè)分類(lèi)，建立知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索查詢，便于編制施工組織設(shè)計(jì)時(shí)隨時(shí)查閱和調(diào)用。

2）方案比選優(yōu)化模塊。該模塊首先利用層次分析法對(duì)針對(duì)項(xiàng)目提出的多個(gè)方案進(jìn)行比選，選擇最佳方案；之后利用網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行計(jì)劃優(yōu)化和實(shí)施過(guò)程中的調(diào)整優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)鐵路施工組織優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

圖1 系統(tǒng)總體功能框架圖Fig.1 Frame diagram of general functions of the system

3）文件編制模塊。施工組織設(shè)計(jì)文件是由文字和圖表組成，要求系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)的圖文混排功能。該模塊調(diào)用Office中的Word作為主編輯器，通過(guò)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理控件和調(diào)用Word內(nèi)部函數(shù)，選擇調(diào)用相應(yīng)的施工組織設(shè)計(jì)模板、施工方案和相應(yīng)的規(guī)范與指南，輔助施工組織設(shè)計(jì)文件編寫(xiě)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工組織設(shè)計(jì)的快速編輯和打印功能。

2 施工組織優(yōu)化方法

鐵路施工要滿足質(zhì)量、安全、工期、投資效益、環(huán)境保護(hù)和技術(shù)創(chuàng)新“六位一體”的要求，其組織設(shè)計(jì)優(yōu)化是個(gè)典型的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。系統(tǒng)采用層次分析法、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃優(yōu)化與實(shí)施中的優(yōu)化調(diào)整相結(jié)合的方法對(duì)鐵路施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。首先利用層次分析法對(duì)針對(duì)項(xiàng)目提出的多個(gè)方案進(jìn)行比選，選擇最佳方案；之后利用網(wǎng)絡(luò)圖優(yōu)化對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化；最后在方案實(shí)施過(guò)程中，利用實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2.1 施工方案比選優(yōu)化（層次分析法）

系統(tǒng)采用層次分析法進(jìn)行施工方案比選優(yōu)化，方案比選界面見(jiàn)圖2。

圖2 施工方案比選界面Fig.2 Selecting interface of construction plan

2.1.1 建立影響施工組織方案各因素之間的層次結(jié)構(gòu)

鐵路施工組織方案受諸多因素的影響和制約，方案比選時(shí)，首先應(yīng)針對(duì)建設(shè)項(xiàng)目具體情況和有關(guān)要求確定比選的指標(biāo)[6]，構(gòu)成方案比選的指標(biāo)一般可歸納為工期、成本、安全等，而一些指標(biāo)又可進(jìn)一步分為若干子因素。圖3給出了考慮各影響因素的AHP（層次分析法）層次結(jié)構(gòu)模型。

圖3 影響施工組織方案各因素AHP層次結(jié)構(gòu)模型Fig.3 APH gradational structure of several factors affecting the construction organization plan

2.1.2 構(gòu)造判斷矩陣

層次結(jié)構(gòu)反映了不同因素之間的關(guān)系，但準(zhǔn)則層中的各項(xiàng)準(zhǔn)則在目標(biāo)衡量中所占的比重并不一定相同，因此需要構(gòu)造一個(gè)判斷矩陣，給出不同層次因素的相對(duì)重要程度，也稱(chēng)標(biāo)度。判斷矩陣是以上一層元素作準(zhǔn)則將下一層支配元素兩兩比較所得，見(jiàn)表1。比較的結(jié)果用1～9標(biāo)度法表示。其中1～9標(biāo)度定義如表2所示[7]。

表1 判斷矩陣模式Tab.1 Model of the judgment matrix

表2 標(biāo)度的含義Tab.2 Meaning of the mark

2.1.3 層次單排序

層次單排序是指根據(jù)判斷矩陣，計(jì)算針對(duì)上一層而言，本層次與之有聯(lián)系的各單元之間重要次序的權(quán)重，它是對(duì)層次中所有單元針對(duì)上一層次而言的重要性進(jìn)行排序的基礎(chǔ)，可以歸納為計(jì)算判斷矩陣特征根和特征向量的問(wèn)題。

計(jì)算矩陣特征值和特征向量的方法很多，一般情況下，可以用近似方法計(jì)算λmax和W。最常用的有和法與根法兩種，系統(tǒng)采用和法。其步驟如下：

1）將A中元素按列歸一化得矩陣A0；

2）將A0中元素按列相加；

3）所得到的行向量歸一化得排序權(quán)向量W=(W1，W2，…，W3)；

4）按下列公式計(jì)算判斷矩陣最大特征根λmax。

2.1.4 檢驗(yàn)一致性

在構(gòu)造判斷矩陣時(shí)，主觀判斷與實(shí)際情況不一定要完全一致，但當(dāng)它偏離一致性較大時(shí)，排序結(jié)果就不能反映客觀實(shí)際，因此需對(duì)其一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。一致性檢驗(yàn)的步驟如下：

1）計(jì)算一致性指標(biāo)C.I.

式中：n為判斷矩陣的階數(shù)。

當(dāng)λmax=n，C.I.=0，為完全一致；當(dāng)λmax＞n，判斷矩陣不具有一致性，需要引入一致性指標(biāo)，C.I.值越大，判斷矩陣的一致性越差，一般只要C.I.≥0.1就認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受。判斷矩陣的維數(shù)（n≥4）越大，判斷的一致性將越差，故應(yīng)放寬對(duì)高維判斷矩陣一致性的要求，于是引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.進(jìn)行修正。

2）平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.。平均隨機(jī)一致性指標(biāo)是多次（500次以上）重復(fù)進(jìn)行隨機(jī)判斷矩陣特征值的計(jì)算之后取算數(shù)平均數(shù)得到的。前人得出的1～15階重復(fù)計(jì)算1 000次的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)如表3。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.Tab.3 Average random consistency indexR.I.

3）計(jì)算一致性比例C.R.

當(dāng)判斷完全一致時(shí)，C.R.=0，一般只要C.R.＜0.1，就認(rèn)為這個(gè)判斷矩陣的一致性可以接受。

2.1.5 層次總排序

利用同一層次中所有層次單排序的結(jié)果，就可計(jì)算針對(duì)上一層而言，本層次所有單元重要性的數(shù)值，該數(shù)值即為層次總排序。這一步驟是由上而下逐層進(jìn)行的，最終計(jì)算得到方案層的總排序，即為方案的優(yōu)劣排序。

2.2 施工組織網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃是一種利用網(wǎng)絡(luò)圖來(lái)表示各項(xiàng)工作的先后順序和相互關(guān)系的統(tǒng)籌計(jì)劃方法，又是一種有效的生產(chǎn)管理方法[8]，在鐵路建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)圖的過(guò)程中特別是網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的優(yōu)化與控制時(shí)有大量繁重的計(jì)算，利用人工計(jì)算實(shí)現(xiàn)較為困難，這在很大程度上阻礙了網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃優(yōu)化的推廣。

系統(tǒng)利用VB與Project聯(lián)合編程技術(shù)，將Office中的Project組件作為網(wǎng)絡(luò)圖優(yōu)化的工具箱，解決了網(wǎng)絡(luò)圖的自動(dòng)生成，并通過(guò)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)完成那些大量而繁重的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖優(yōu)化。系統(tǒng)建立良好的用戶界面，通過(guò)VB語(yǔ)言調(diào)用Project內(nèi)部函數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)Project的控制與操作，更加簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃與優(yōu)化過(guò)程，提高了施工管理水平。

1）工期優(yōu)化。系統(tǒng)先利用Project完成好網(wǎng)絡(luò)圖，當(dāng)計(jì)算工期不滿足要求工期時(shí)，可根據(jù)每項(xiàng)工作的最短持續(xù)時(shí)間及關(guān)鍵線路，調(diào)整關(guān)鍵線路上相關(guān)工作的持續(xù)時(shí)間[9]。系統(tǒng)計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的時(shí)間參數(shù)、關(guān)鍵線路后，通過(guò)不斷調(diào)整直到任務(wù)的工期滿足規(guī)定的要求，便得到滿足規(guī)定工期優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃。

2）資源優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化一般分為資源有限—工期最短優(yōu)化和工期規(guī)定—資源均衡優(yōu)化兩種。前者要求在物資供應(yīng)有限制的條件下，保持預(yù)先規(guī)定的施工工藝順序，尋求工期最短方案。后者要求在滿足工期不變的條件下，通過(guò)利用非關(guān)鍵工作的總時(shí)差，調(diào)整其工作的最早開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間，使資源動(dòng)態(tài)曲線盡可能地均衡。系統(tǒng)中主要通過(guò)在資源調(diào)配中對(duì)“僅在有效時(shí)差中調(diào)配”和“調(diào)配操作可在剩余工時(shí)中創(chuàng)建分隔”的選擇來(lái)分別實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖的兩種資源優(yōu)化方法。

3）成本優(yōu)化。利用網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行成本優(yōu)化首先在于不斷地從工作的持續(xù)時(shí)間和費(fèi)用的關(guān)系中，找出能使計(jì)劃工期縮短而又能使直接費(fèi)用增加額最少的工作，然后考慮間接費(fèi)用隨著工期縮短而減少的影響，把不同工期的直接費(fèi)用和間接費(fèi)用分別疊加，即可求出工程成本最低時(shí)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)工期和工期指定時(shí)對(duì)應(yīng)的最低工程成本[10]。優(yōu)化過(guò)程始終在網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的關(guān)鍵線路上選擇費(fèi)用率最低的工作，縮短其持續(xù)時(shí)間，達(dá)到縮短工期的目的。系統(tǒng)能快速地計(jì)算出關(guān)鍵線路及關(guān)鍵工作，并及時(shí)計(jì)算出項(xiàng)目的總成本，在縮短關(guān)鍵工作的持續(xù)時(shí)間時(shí)，可以提示此工作是否變?yōu)榉顷P(guān)鍵工作，最后可快速生成費(fèi)用最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃。

4）施工計(jì)劃實(shí)施中的優(yōu)化調(diào)整。在鐵路建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度監(jiān)測(cè)過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)實(shí)際進(jìn)度偏離計(jì)劃進(jìn)度，即出現(xiàn)進(jìn)度偏差時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)圖分析產(chǎn)生偏差的原因及其對(duì)后續(xù)工作和總工期的影響，必要時(shí)采取合理、有效的進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整措施，確保進(jìn)度總目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。進(jìn)度調(diào)整的系統(tǒng)過(guò)程如圖4。

圖4 進(jìn)度調(diào)整的系統(tǒng)過(guò)程Fig.4 Systematic process of schedule adjustment

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)已作為上海鐵路局《鐵路建設(shè)項(xiàng)目施工組織設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)化》項(xiàng)目中的科研成果得到了應(yīng)用，并作為《鐵路營(yíng)業(yè)線實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)指南》（建議稿）的附件得到推廣。系統(tǒng)在寧啟鐵路以及寧安鐵路各標(biāo)段施工組織設(shè)計(jì)應(yīng)用中顯示，決策優(yōu)化效果良好，并可以很好地輔助編制，系統(tǒng)功能完善。

4 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)鐵路建設(shè)項(xiàng)目施工組織的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性開(kāi)發(fā)了鐵路施工組織優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，系統(tǒng)具有輔助決策和優(yōu)化、輔助編制等功能。

2）系統(tǒng)采用層次分析法、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃優(yōu)化與實(shí)施中的優(yōu)化調(diào)整相結(jié)合的優(yōu)化方法對(duì)鐵路施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

3）系統(tǒng)已在部分線路施工建設(shè)中得到了應(yīng)用，并在應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和完善。

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