虛擬動態(tài)管理方法在公路工程施工中的應用研究

孟曉靜， 張小平， 王冠一， 段曉晨

（石家莊鐵道大學經濟管理學院，河北石家莊 050043）

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虛擬動態(tài)管理方法在公路工程施工中的應用研究

孟曉靜， 張小平， 王冠一， 段曉晨

（石家莊鐵道大學經濟管理學院，河北石家莊 050043）

摘 要：以石家莊石環(huán)輔道工程施工管理為例，嘗試運用集成的工程施工虛擬動態(tài)管理技術對公路工程施工全過程進行計算機三維立體可視化動態(tài)優(yōu)化管理。施工前，根據施工工序的特點和大量的數據資料，運用虛擬技術、網絡計劃技術、CS理論等建立公路工程施工虛擬靜態(tài)管理系統；施工過程中，運用已獲價值理論（EVM）、PDCA循環(huán)重點控制工程施工中的關鍵顯著性項目，建立工程施工虛擬動態(tài)優(yōu)化管理系統；應用計算機虛擬動態(tài)管理軟件實現對施工過程的實時控制，使管理者全面掌握施工信息，大大提升公路工程施工管理的效率。

關鍵詞：虛擬技術；已獲價值理論；公路工程施工；虛擬動態(tài)管理

本文信息：孟曉靜，張小平，王冠一，等.虛擬動態(tài)管理方法在公路工程施工中的應用研究［J］.石家莊鐵道大學學報：社會科學版，2016，10（1）：50－56.

公路工程施工涉及橋梁工程、道路工程、管網綜合、綠化、照明、交安等多工種、多專業(yè)工程，協同、平行、立體交叉作業(yè)多，容易受各種因素的干擾，使得施工及項目管理具有復雜系統的特點。目前公路工程施工管理的科學化、信息化和規(guī)范化程度還不高，各種數據、信息基本是以圖表、報表等紙質或二維軟件作為媒介展現出來，這樣就很難把施工項目的具體位置與實際的工程直觀的聯系起來。公路工程項目從最初的圖紙設計、工程施工再到竣工驗收、運行管理，每個環(huán)節(jié)都會牽扯到各種各樣的數據，而對工程良好的管理需要各個管理層及時掌握和綜合運用這些不斷變化的數據，既能對公路工程的施工過程發(fā)揮重要作用，也能為正在發(fā)展的公路工程網絡信息化管理打下良好的基礎。

本文擬以石家莊石環(huán)輔道工程建設為研究對象，通過運用虛擬動態(tài)等管理技術進行研究，對工程施工工期、成本、質量、安全、環(huán)保等進行虛擬動態(tài)優(yōu)化管理技術的綜合系統研究，實現施工管理的科學化、信息化和規(guī)范化，從而有效地提升項目施工管理的效率、效益和水平。

一、公路工程施工虛擬動態(tài)管理技術簡介

公路工程施工虛擬動態(tài)管理技術是指將虛擬現實技術和全面動態(tài)優(yōu)化管理技術方法集成應用，綜合運用虛擬技術VR（virtual Reality）［1－2］、BP神經網絡、灰色關聯理論，顯著性理論CS （Cost－significant）［3－4］、已獲價值理論EVM［5－7］、網絡計劃技術等虛擬優(yōu)化技術對施工全過程進行計算機三維立體可視化虛擬動態(tài)施工管理。使項目的管理者能夠對項目的進展情況進行可視化監(jiān)控，及時對工程目標的完成情況進行總結，針對施工管理產生的問題提出解決對策并對下一階段要進行的工作提出預控措施，如此循環(huán)往復從而大大提升公路工程施工管理效率和水平。具體模型建立過程為：

（一）建立公路工程施工虛擬靜態(tài)目標管理系統

在工程施工前，依據工程施工中各個工序的特點，結合大量技術、管理方面的數據資料，建立施工中各工序靜態(tài)優(yōu)化管理系統。

（1）確定工期、成本、質量、安全和環(huán)保目標控制體系。由項目骨干力量，根據該工程的數據資料制定五控總目標和分目標體系。

工期的目標確定及優(yōu)化主要是運用網絡計劃技術的計劃階段來對工期進行計劃，計算出計劃工期，找出關鍵線路。首先，確定工作計劃中所涉及的全部工作，列出各個工作間的先后順序和相互關系。其次，估計每項工作在正常情況下所需的時間。在缺乏企業(yè)施工定額，并擁有大量以往類似公路工程施工資料數據基礎上，運用BPNN模型估算各工序的工作時間消耗；在擁有少量以往類似公路工程施工資料數據基礎上，運用GM （1，1）模型等［8－9］非線性數學方法估算各工序的工作時間消耗。最后，依據工作間相互關系繪制網絡圖，并將計算出的各個工序時間與日歷天數相結合，找出關鍵路線，確定工期目標。

運用“顯著性成本CS”思想（既占項目總造價80%左右的顯著性成本項目在數量上僅占工程總數量的20%左右）和“均值理論”，優(yōu)化確定工程成本目標。在各工序工期、成本目標優(yōu)化確定基礎上，確定整個項目工期、成本、質量、安全、環(huán)?？偰繕?。

（2）確定重點控制工序。通過對項目工期、成本目標的優(yōu)化，可以確定出該項目的關鍵顯著性工序，即關鍵路線上的項目和顯著性項目。并以此作為整個項目工期成本控制的重點。關鍵顯著性項目既可以保證項目工期的順利實現又可以保證造價控制的準確性。

（3）建立問題原因和對策數據資料庫。在工程施工前由項目管理人員收集已完類似工程的工程數據，對其產生的問題原因和解決對策進行總結和歸納，建立相應的問題原因、對策數據資料庫，為施工過程中快速準確地糾正偏差打下堅實的基礎，當遇到新的問題時，管理者可以根據新問題制定的新對策不斷完善到數據資料庫中，這樣不斷循環(huán)以提高項目管理能力，增強競爭力。

（二）建立公路工程施工虛擬動態(tài)管理系統

在施工過程中，管理者需要適時統計和收集已完工程數據資料，及時處理施工過程中產生的問題，并對下一階段施工進行優(yōu)化安排，對可能出現的問題進行預測，制定相應預控措施，動態(tài)地實現對施工過程的控制，盡可能將施工隱患消滅在萌芽狀態(tài)，以達到保證工期、降低成本、優(yōu)化管理最佳狀態(tài)，由此建立工程施工虛擬動態(tài)優(yōu)化管理系統如下：

（1）根據工程的規(guī)模、施工工藝的難易程度以及施工單位的管理水平來決定控制周期，制定循環(huán)周期，定期對工程進行數據收集。

（2）建立動態(tài)施工過程統計分析系統。建立工期成本動態(tài)已獲價值（EVM）統計系統。該系統主要是通過已獲價值理論來監(jiān)控關鍵路線上的項目和顯著性成本項目并進行PDCA循環(huán)控制。及時動態(tài)統計已完工程實際成本ACWP、已完工程預算成本BCWP、計劃工程預算成本BCWS、進度差SV、造價差CV指標情況，并與靜態(tài)優(yōu)化施工技術指標比較，計算節(jié)超情況。

用已獲價值法進行三大目標的綜合分析控制主要有三個基本參數即計劃工作量預算費用（BCWS）、已完成工作量的實際費用（ACWP）、已完成工作量的預算成本（BCWP），兩個偏差指標即進度偏差（Schedule Variance，SV）、造價偏差（Cost Variance，CV）和兩個績效指標進度績效指數（Schedule Performance Index，SPI）、造價績效指數（Cost Performance Index，CPI）［10－11］。已獲價值管理可以在項目某一特定時間點上，通過三個指標之間相互對比，得到有關計劃實施的進度和費用偏差，判斷項目預算和進度計劃的執(zhí)行情況，獲取項目三大目標實現情況，因而可以從范圍、時間、成本三項目標上評價項目所處的狀態(tài)。

（3）針對已獲價值（EVM）統計系統的數據，重點分析施工過程中工期和成本出現的問題，從問題原因、對策數據資料庫中找出解決對策，爭取在下一個循環(huán)周期內縮小與目標的差距；當所遇問題不包含在數據資料庫時，則要及時分析此種新問題產生的原因，制定新對策，并豐富到數據庫中，從而為今后的管理工作提供依據。

（4）在施工過程各個階段，不斷循環(huán)以上優(yōu)化程序，使施工管理始終處于工期、成本、質量、勞動組織、資源配備優(yōu)化狀態(tài)，并運用計算機虛擬管理技術軟件為管理者提供最佳指揮平臺，使各種管理優(yōu)化方案能夠在計算機上直觀形象顯示，為領導正確決策提供先進的決策平臺。

二、案例分析

本文以石環(huán)輔道工程方臺橋施工項目為研究對象，嘗試對方臺橋施工全過程開發(fā)和應用虛擬動態(tài)優(yōu)化管理方法，以達到不斷提升公路建設項目施工管理水平和經濟社會效益的目的。

石環(huán)公路輔道工程主體分為西、南、東環(huán)三個部分，西環(huán)、東環(huán)輔道按規(guī)劃實施，南環(huán)輔道一次規(guī)劃，分期建設。工程起點為北環(huán)輔道終點，終點為開發(fā)區(qū)湘江道，與307東互通輔道銜接。多工種、多專業(yè)工程相互協同、交叉、平行、立體作業(yè)多、干擾大，施工管理復雜、難度大。西環(huán)輔道沿石環(huán)公路東側布設，起點位于北環(huán)輔道終點，終點位于西良政，全長16.3 km。其中舊路加寬段2.8 km；新建段13.5 km，按規(guī)劃24 m寬路基建設，雙向4車道，主輔路間綠化帶10 m。設計標準：城市次干路及三級公路。設計時速為40 km／h，實際采用荷載等級為公路一級，高等級路面。方臺大橋為石家莊三環(huán)輔道南水北調干渠的一座大橋，全長199 m本橋預應力系統采用體內、體外索相結合的方法，以改善結構的受力狀況。橋面鋪裝10 cm瀝青混凝土＋6 cmC50防水混凝土，橋墩采用梁固結，橋臺采用GPZ2.0DX支座，縱橫向必須平置。

（一）確定工程目標控制體系

運用網絡計劃技術繪制施工網絡圖，計算計劃工期，找出關鍵線路；估計每項工作在正常情況下所需的時間。首先以公路工程中橋梁施工的鉆孔灌注樁工時消耗為例運用BPNN模型進行估算：①工程特征因素的選取和定量化描述：本模型選取的特征因素為土質類別、樁徑大小、鉆孔深度、砼坍落度、砼強度、鉆機類型，并進行量化；②建立工時消耗估算模型進行預測分析；③進行結果分析，用收斂后的BP網絡對數據進行預測，以均值作為最終預測值，并與實際值進行比較。其次，由于本項目中鋼箱梁的制作只有少量的歷史數據可以借鑒，所以應用GM（1，1）灰色模型進行估算。其他各個工作技術都比較成熟，用定額便可以很好地估計出工作時間。

運用顯著性理論和均值理論確定工程成本目標。該橋梁工程用于計算顯著性項目成本的總預算成本為2188.3萬元，工序數量32，得出工序平均預算成本68.38萬元。用各工序預算成本分別除以平均工序預算成本，找出比值大于1的工序，共8項，分別是0?！?＃鉆孔灌注樁、0?！?＃蓋梁施工。將比值大于1的工序的預算成本相加，算出該八項工序占所有施工工序數和工序總預算成本的比值分別為25%和77%，滿足CS顯著性成本理論，不需要二次平均。

最終確定出的關鍵顯著性工序為：0?！?＃鉆孔灌注樁、0?！?＃蓋梁施工、0＃樁二次開挖、承臺施工、0＃承臺砼養(yǎng)生及拆模、0?！?＃橋臺施工、3＃橋臺蓋梁養(yǎng)護、梁體安裝、伸縮縫、橋面鋪裝、防撞護欄。

在各工序工期、成本目標優(yōu)化確定基礎上，確定整個項目工期、成本、質量、安全、環(huán)?？偰繕?。

①工期總目標：擬定于2011年1月30日開工，2011年10月30日竣工，總工期9個月。橋梁工程：2011年2月16日至2011年8月30日；路基工程：2011年2月16日至2011年6月10日；附屬工程：2011年5月1日至2011年10月10日；竣工清理與驗收：2011年10月11日至2011年10月30日。

②成本總目標：不斷降低和優(yōu)化成本，力爭實現和達到預算成本目標。

③質量總目標：標段工程交工驗收的質量評定：合格；竣工驗收的質量評定：優(yōu)良。

④安全總目標：嚴格按照GB／T28000職業(yè)健康安全管理體系認證的標準和規(guī)定執(zhí)行，堅持“安全第一，預防為主”的方針，狠抓“六不準”在施工中的落實，確保施工安全。無重大責任事故和職工因工重傷或死亡事故。

⑤環(huán)?？偰繕耍赫麄€工程施工將全面運行ISO14000環(huán)境保護體系標準，嚴格按照《中華人民共和國環(huán)境保護法》、《中華人民共和國水土保持法》和河北省環(huán)保局的有關環(huán)保要求，積極維護當地自然環(huán)境，最大限度地減少施工對自然環(huán)境的破壞，系統地采用和實施一系列環(huán)境保護管理手段，防止水土流失，杜絕環(huán)境污染，爭創(chuàng)文明施工標準化工地，以期得到最優(yōu)化的結果—爭創(chuàng)施工環(huán)保目標：優(yōu)良。

（二）建立石環(huán)工程虛擬動態(tài)優(yōu)化管理模型

根據該工程的特點和施工工藝，將其控制周期定為7天。由于各個控制周期的數據收集和統計分析方法基本一致，選擇其中兩個控制時點和一個控制周期為例來說明對工程項目動態(tài)優(yōu)化管理的過程。本項目的檢查點為5月17日，根據此時工程施工過程的數據資料計算EVM得基本參數，計劃成本BCWS、實際施工成本ACWP、已獲價值BCWP。建立已獲價值統計表，計算相應的偏差指標和績效指標，進行成本—進度評價分析。當指標值大于1的時候，說明處于節(jié)省的狀態(tài)，應該總結好的經驗；在0.95～1之間，應該在繼續(xù)進行項目的同時找出產生偏差的原因，制定對策，進行控制爭取在下一個周期減少偏差；小于0.95，必須引起高度重視，進行重點分析，必要時可以適當調整局部目標以保證總體目標的順利實現。

根據計算結果，截止到5月17日，該工程的進度拖后，成本超支?？冃е笜嗽谠试S的偏差范圍之內，因此在繼續(xù)進行項目的同時應找出偏差原因，制定對策，進行控制爭取在下一個周期減少偏差。

依次循環(huán)優(yōu)化控制。這個周期循環(huán)的過程是一個螺旋式地改進提高過程，所以從項目一開始便進行這種循環(huán)是至關重要的。之后收集方臺橋5月24日的數據并建立已獲價值統計表和指標計算表，計算結果顯示，通過采取一系列的對策，使得所控制的項目進度偏差有了明顯的縮小，成本偏差確有所增大，但是進度偏差縮小的幅度比成本增大的幅度大，這說明整個項目是向著一種好的趨勢發(fā)展，在今后的控制過程中可以制定一些切實的對策來保證進度進一步縮小，同時要積極尋求降低成本的對策，由于有些成本損失是不可逆的，所以在制定成本對策時應該注重加強技術和管理方面的對策，從而達到解決成本的目的。

在進行項目成本分析時，可以預測項目未來完工成本EAC。EAC＝BAC／CPI。其中，BAC為項目的總預算成本，當CPI小于1的時候由上述公式可以看出，項目按照目前的效率繼續(xù)進行一定會超出總預算成本，在應用此指標的時候，我們也可以給出其與BAC的關系，例如BAC＜EAC＜1.05BAC，說明必須引起重視，找出原因，制定對策，進行控制；當EAC＞1.05BAC，說明必須引起高度重視，找出原因，制定對策，必要時可以調整成本計劃，使其符合項目的發(fā)展，對于該指標的計算在此不在贅述。

（三）虛擬動態(tài)管理軟件的應用過程

在施工循環(huán)過程中，及時將每個循環(huán)各工序的動態(tài)管理情況通過虛擬動態(tài)管理軟件系統的施工動態(tài)管理信息表反饋給項目管理者。

應用計算機動態(tài)管理軟件對該工程的整體效果、主要構造（單根開口鋼箱梁、4根鋼箱梁的組焊、0～3號橋墩臺以及橋面鋪設）和施工過程進行虛擬動態(tài)演示（如圖1，圖2所示）。

圖1 橋梁虛擬演示

圖2 橋梁虛擬演示

在施工過程虛擬演示過程中，計算機動態(tài)管理軟件以網頁鏈接的形式彈出相應的施工過程控制表。如表1、表2、表3所示，以便及時動態(tài)掌控施工各工序進度和成本情況。表1中表格為軟件中顯示表，表2、表3為軟件中計算表。

表1 “五控”一張表

表2 施工動態(tài)管理信息表

三、結論

本文主要探討了結合虛擬技術和已獲價值理論、CS理論、GM（1，1）模型等理論集成的虛擬動態(tài)管理技術在公路工程管理中的應用。具體內容為：石環(huán)輔道施工虛擬靜態(tài)管理系統的建立，該系統要求在施工前根據工程的具體情況和合同要求用科學的計算方法建立石環(huán)輔道工程“五控”目標，并以方臺橋為例，論述在施工前應用BPNN，GM（1，1）等方法建立工程工期、成本目標；石環(huán)輔道方臺橋施工虛擬動態(tài)管理系統的建立是在施工過程中將整個工程的施工信息在計算機上動態(tài)地顯示出來，并且與靜態(tài)目標進行對比，使得目標的完成情況一目了然，有利于管理人員對于目標的控制，并且能夠對于出現的偏差迅速糾偏，找出對策，從而保證工程在既定的目標下順利完成；最后對方臺橋虛擬動態(tài)管理軟件進行了簡要介紹。

表3 施工動態(tài)EV分析表

通過該虛擬動態(tài)管理技術在公路工程管理上的應用，可以得到以下結論：

（1）通過BPNN和GM（1，1）的應用可以科學地制定工程的目標，在此基礎上應用網絡計劃技術、CS理論可以挖掘工程的關鍵顯著性工序，對關鍵顯著性工序的控制可以在保證控制精度的同時較少計算的工作量，這對于有大量數據需要計算的工程項目來說具有現實意義。

（2）在實踐中應用已獲價值理論對工程項目工期、成本進行聯合監(jiān)控是有效的。它能統一以貨幣量作為衡量工程進度和成本的單位，方便對工程工期和成本進行綜合控制。在應用已獲價值理論的同時建立問題原因對策數據庫可以及時總結施工過程中的經驗，提高施工管理水平并且可以減少以后施工中同類問題出現的可能性。

（3）通過對施工過程的虛擬演示和動態(tài)管理系統的有效結合可以比較真實的反映現場施工過程和工程整體進展情況，對工程的整體情況有了比較形象和直觀的了解，顯示出傳統管理方式所無法比擬的優(yōu)越性。

虛擬動態(tài)管理技術在工程上的應用雖然有其獨特的優(yōu)越性，但目前也存在其局限性和不足之處。

（1）虛擬動態(tài)管理技術的應用需要結合實際工程，而現實中由于類似工程人員不夠重視、數據靠經驗來記錄等因素的限制致使工程實際數據的收集和分析整理有難度。

（2）建立完整和完善的工程數據資源庫。已完工程必然產生大量的數據，其中也定會存在很多相似的問題，因此可以建立工程來提高管理水平數據資源庫。建立怎樣的工程數據庫和如何建立數據庫是以后可以著重探討的方向。

（3）關于質量、安全和環(huán)保如何虛擬動態(tài)優(yōu)化的問題在本文中并未探討，在今后的研究中可以探討其目標定量化問題，從而保證施工過程的安全性，減少施工過程對環(huán)境的損害，提高工程的整體效益。

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The Application Research on Virtual Dynamic Management Method in Highway Construction

MENG Xiao－jing1，ZHANG Xiao－ping1，WANG Guan－yi1，DUAN Xiao－chen1
（College of Economics and Management，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang，050043，China）

Abstract：This thesis takes the construction management of Shihuan auxiliary road for example，attempting to integrate virtual dynamic management method into highway construction to manage the whole construction process of Shihuan auxiliary road，which can be demonstrated virtually by threedimensional software.Before construction，a virtual static management system is developed by applying virtual techniques，network planning technique and theories such as Cost－significant（CS）based on the characteristics of construction procedures and large number of data.During construction，the virtual dynamic management system is constructed using the EVM and PDCA cycle to control key projects of the construction.Through the virtual dynamic management software，real－time control of the construction process can be achieved and the project manager can be comprehensively informed of the construction process hence to enhance greatly the management efficiency of highway construction.

Key words：virtual techniques，earned value management，highway construction，virtual dynamic management

基金項目：河北省高層次人才資助項目（2013429102），河北省交通廳科技計劃項目（冀交科教2013559－28），河北省軟科學工程建設管理研究基地（冀科教2012567），河北省軟科學人文社科重點研究基地（工程建設管理）（冀教201426）

作者簡介：孟曉靜（1990－），女，碩士研究生，研究方向：工程經濟與造價管理。

收稿日期：2015－03－25

文章編號：2095－0365（2016）01－0050－07

中圖分類號：F407.9

文獻標識碼：A

DOI：10.13319／j.cnki.sjztddxxbskb.2016.01.09