海洋工程項(xiàng)目施工資源計(jì)劃優(yōu)化方法研究

宋青武，高本金，馬紅旗，王圣強(qiáng)，李記忠，王凱華

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

在工程項(xiàng)目建設(shè)過程中，資源作為工程實(shí)施的基本要素和必不可少的前提條件，其費(fèi)用占工程總費(fèi)用的80%以上[1]。工程項(xiàng)目所使用的資源種類繁多、需求量巨大，包括勞動(dòng)力、原材料和設(shè)備、施工機(jī)具、技術(shù)、資金、臨時(shí)設(shè)施、周轉(zhuǎn)性材料和必要的后勤供應(yīng)等。資源投入數(shù)量的多少直接決定了項(xiàng)目的工期和成本，資源的質(zhì)量和水平直接決定了工程質(zhì)量和安全系數(shù)，因此必須將資源管理納入到項(xiàng)目管理的重點(diǎn)，作為項(xiàng)目計(jì)劃編制、進(jìn)度控制、成本控制以及制定項(xiàng)目實(shí)施方案、質(zhì)量安全保證的基礎(chǔ)和依據(jù)。在工程項(xiàng)目實(shí)施過程中，應(yīng)持續(xù)對(duì)資源投入進(jìn)行優(yōu)化，以確保項(xiàng)目按既定目標(biāo)實(shí)施。

1 海洋工程施工資源管理

項(xiàng)目資源管理是在保證滿足工程質(zhì)量、工期等合同要求的前提下，通過計(jì)劃、組織、控制和協(xié)調(diào)等活動(dòng)對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過程中所使用的資源進(jìn)行統(tǒng)籌安排，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的工期和成本目標(biāo)，并盡可能降低成本的一種科學(xué)的管理活動(dòng)。通過技術(shù)方案優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)核算、合理調(diào)配以及科學(xué)組織施工管理等措施實(shí)現(xiàn)資源管理目標(biāo)。

1.1 資源類型

由于海洋工程的特殊性，其施工資源除一般類型資源外，往往還包括建造場(chǎng)地資源、船舶資源等。海洋工程設(shè)施包括導(dǎo)管架、組塊、生活樓等，往往是在陸地專門場(chǎng)地建造完成后，由駁船運(yùn)輸至海上進(jìn)行安裝作業(yè)。不同的建造場(chǎng)地其場(chǎng)地面積、承載力、滑道數(shù)量、場(chǎng)地設(shè)施（如吊機(jī)等）能力以及所處的環(huán)境條件均不相同。海洋工程涉及的船舶資源按照其功能劃分一般包括起重船、駁船、鋪管船、DSV、配合拖輪等，且不同功能船舶其性能有很大差異，如起重船有3 000 t級(jí)、4 000 t級(jí)、7 500 t級(jí)，目前世界最大起重船可以達(dá)到12 000 t級(jí)。不同類型的項(xiàng)目、項(xiàng)目的不同階段所需要的資源差別很大，應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目的特點(diǎn)和類型，綜合考慮資源對(duì)各方面影響，選擇適合的資源。

以1 500 t級(jí)海洋平臺(tái)組塊海上吊裝為例，可選擇的浮吊資源較多，但不同的浮吊資源其起重能力、抗風(fēng)性能、航行速度、成本等差異較大，如果只考慮成本選擇起重能力較差的浮吊，則會(huì)增加海上因天氣因素待機(jī)的可能性，同時(shí)起吊過程能否順利完成也存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于施工質(zhì)量和安全的保證性較差；如果選擇起重能力很強(qiáng)的浮吊，施工進(jìn)度、質(zhì)量和安全均能得到保障，但成本會(huì)相應(yīng)增加。因此，對(duì)于資源的選擇要綜合考慮進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全四個(gè)方面的影響，以選擇適合的資源類型和數(shù)量。

1.2 資源計(jì)劃動(dòng)態(tài)管理

對(duì)于工程項(xiàng)目來說，資源的需求和管理可以是單個(gè)項(xiàng)目的，也可以是多個(gè)項(xiàng)目或項(xiàng)目群之間的資源協(xié)調(diào)和平衡。

對(duì)于單個(gè)項(xiàng)目的資源需求計(jì)劃相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)站在本項(xiàng)目的角度進(jìn)行資源規(guī)劃即可，但由于工程項(xiàng)目生產(chǎn)過程的不確定性，使得資源在各個(gè)階段的需求和供應(yīng)不均衡，資源的供應(yīng)受外界影響大，需要?jiǎng)討B(tài)地對(duì)資源計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化與控制。

對(duì)于多項(xiàng)目或項(xiàng)目群的資源管理，則需要施工企業(yè)對(duì)口的資源管理部門根據(jù)各個(gè)工程項(xiàng)目對(duì)資源的需求情況（如人力、施工機(jī)具等），在各項(xiàng)目之間對(duì)已有的和潛在的資源進(jìn)行周密計(jì)劃，有效流動(dòng)，合理調(diào)配，充分調(diào)動(dòng)資源的流動(dòng)性，使資源使用率最大化。如某海洋工程建造場(chǎng)地，可能數(shù)個(gè)項(xiàng)目同期施工，如何在這些項(xiàng)目之間實(shí)現(xiàn)資源平衡是資源管理部門的重點(diǎn)工作。對(duì)于某起重船的使用，如果其緊前項(xiàng)目（海上安裝計(jì)劃）由于天氣原因?qū)е卵舆t，則相應(yīng)的后續(xù)項(xiàng)目海上安裝工作也要推遲，或改用其他浮吊資源，這種調(diào)整需要專門的部門進(jìn)行協(xié)調(diào)與平衡。

1.3 資源與四大控制的關(guān)系

資源的管理與控制對(duì)于工程項(xiàng)目能否按時(shí)甚至提前完工、成本的節(jié)約與否、安全和質(zhì)量管理十分關(guān)鍵。資源不足則項(xiàng)目工期無(wú)法保證，資源的質(zhì)量、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)直接決定工程質(zhì)量，資源投入的多少直接決定項(xiàng)目成本。對(duì)于某項(xiàng)作業(yè)來說，在滿足工作面的前提下，投入的資源越多，所需工期越短，但過量的資源投入又會(huì)造成資源的浪費(fèi)和成本的增加，同時(shí)投入大量的施工人力也會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全管理帶來壓力并需要配備更多的安全管理人員和設(shè)備，增加安全管理成本且不利于施工安全管控。同樣，資源投入的質(zhì)量往往也是項(xiàng)目質(zhì)量保證的關(guān)鍵因素，如技術(shù)嫻熟的焊工焊接質(zhì)量和焊接一次合格率明顯優(yōu)于技術(shù)一般的焊工，各項(xiàng)作業(yè)、各個(gè)工序質(zhì)量合格率的積累將直接影響整個(gè)項(xiàng)目的質(zhì)量。

1.4 資源管理的復(fù)雜性

在使用計(jì)算機(jī)軟件編制資源計(jì)劃時(shí)，往往采用將資源投入總量在工程活動(dòng)持續(xù)時(shí)間上平均分配的模型，沒有考慮在實(shí)際工程施工過程中資源投入的不均衡性，根據(jù)理想化的模型得到的資源投入直方圖不能反映實(shí)際的資源需求情況，資源計(jì)劃僅僅是停留在紙面，難以真正應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。而資源投入的不均衡恰恰是資源管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，由于其存在不確定性，往往難以用某一種資源分配模型真實(shí)反映。

建設(shè)項(xiàng)目的資源管理是一系列系統(tǒng)的、復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的活動(dòng)[2]。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，隨著項(xiàng)目進(jìn)展，需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況及前期投入的資源進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，包括資源效率和效果，動(dòng)態(tài)調(diào)整資源安排。

2 工期-資源優(yōu)化方法

資源費(fèi)用往往在工程項(xiàng)目造價(jià)中占比很大，資源的合理組合、供應(yīng)和使用對(duì)于工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益、進(jìn)度控制等各個(gè)方面都有很大的影響。在工程施工過程中資源的投入種類、數(shù)量、使用方案、投入時(shí)間等有許多種選擇，應(yīng)選擇最優(yōu)組合，在確保工期、質(zhì)量、安全的前提下實(shí)現(xiàn)效益最大化。

資源的優(yōu)化平衡一般僅針對(duì)項(xiàng)目?jī)?yōu)先級(jí)高的幾項(xiàng)關(guān)鍵資源，如影響項(xiàng)目完工時(shí)間、費(fèi)用或?qū)Π踩|(zhì)量有重要影響的資源等，其占比較高。工程項(xiàng)目資源優(yōu)化包括：“工期固定-資源平衡和資源有限-工期最短”兩種模式，即高峰期資源投入量與總資源投入量。“工期固定-資源平衡”是在保證原定工期的前提下，通過合理安排，使資源的分布、使用大致均衡連續(xù)，不大起大落?！百Y源有限-工期最短”是在某種資源有限供應(yīng)的前提下，通過合理分配資源，確保項(xiàng)目按計(jì)劃完工并盡可能縮短工期。

2.1 工期固定-資源平衡

在工期不變的前提下，通過利用非關(guān)鍵工作的浮時(shí)，調(diào)整工作的開始和結(jié)束時(shí)間，使資源分配在工期范圍內(nèi)盡可能均衡。這種資源優(yōu)化的方法運(yùn)用了香蕉曲線（見圖1）原理，在最早進(jìn)度曲線和最晚進(jìn)度曲線之間對(duì)資源計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)劃完成日期不變。通過對(duì)高峰期人力、設(shè)備投入情況進(jìn)行分析，在滿足關(guān)鍵路徑資源投入的前提下，可以對(duì)某些非關(guān)鍵作業(yè)投入數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，通過資源平衡，使得資源投入計(jì)劃更貼近實(shí)際[3]。

經(jīng)濟(jì)全球化的背景下，發(fā)展綠色金融是順應(yīng)國(guó)際金融市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)、推動(dòng)世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要要求。綠色金融最突出的特點(diǎn)就是，它更強(qiáng)調(diào)人類社會(huì)的生存環(huán)境利益，它將對(duì)環(huán)境保護(hù)和對(duì)資源的有效利用程度作為計(jì)量其活動(dòng)成效的標(biāo)準(zhǔn)之一，通過自身活動(dòng)引導(dǎo)各經(jīng)濟(jì)主體注重自然生態(tài)平衡。它講求金融活動(dòng)與環(huán)境保護(hù)、生態(tài)平衡的協(xié)調(diào)發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 香蕉曲線

對(duì)于大型工程項(xiàng)目來說，由于作業(yè)項(xiàng)數(shù)以千計(jì)，資源平衡往往使用軟件自動(dòng)完成，如使用Primavera P6完成計(jì)劃編制后，通過設(shè)置某項(xiàng)資源最大單位時(shí)間用量，即可使用資源平衡功能對(duì)計(jì)劃中所使用的該資源進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整（見圖2）。Primavera P6在海洋工程項(xiàng)目計(jì)劃編制中應(yīng)用廣泛，可以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)目、多層次的動(dòng)態(tài)計(jì)劃管理，并且將費(fèi)用、資源管理融入其中[4]。

圖2 Primavera P6資源平衡

2.2 資源有限-工期最短

在某項(xiàng)資源單位時(shí)間供應(yīng)有限制的情況下，尋求項(xiàng)目的最短工期，涉及的主要方法為關(guān)鍵路徑法。首先，確定WBS和作業(yè)劃分，根據(jù)作業(yè)持續(xù)時(shí)間估算、邏輯關(guān)系，繪制項(xiàng)目進(jìn)度網(wǎng)絡(luò)圖，然后計(jì)算關(guān)鍵路徑，在確定關(guān)鍵路徑后再考慮資源的可用性，制訂出資源約束型進(jìn)度計(jì)劃。

關(guān)鍵工作優(yōu)先滿足，按其資源需求量大小按從大到小的順序分配資源，這樣可以最快速度縮短關(guān)鍵作業(yè)的工期，繼而縮短關(guān)鍵路徑和項(xiàng)目總工期；對(duì)于非關(guān)鍵工作，按各個(gè)作業(yè)總浮時(shí)由小到大順序安排資源。通過資源調(diào)配后，項(xiàng)目的關(guān)鍵路徑將發(fā)生變化，需要重新計(jì)算關(guān)鍵路徑，并按照上述原則再次進(jìn)行資源調(diào)配，直至資源達(dá)到限制要求，此時(shí)資源優(yōu)化完成，項(xiàng)目工期得到最大程度的壓縮。該方法必須反復(fù)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)時(shí)間參數(shù)，重復(fù)量大且繁瑣[5]。

3 工程實(shí)例

某海洋工程項(xiàng)目，為了使已有老平臺(tái)DPP能滿足鉆機(jī)升級(jí)改造的要求，新建1座4腿導(dǎo)管架輔助平臺(tái)SDPP，通過一座長(zhǎng)30 m雙層棧橋與DPP平臺(tái)相連，鉆機(jī)模塊建造完工后在陸地分塊吊裝至組塊上層甲板，整體裝船運(yùn)輸及海上安裝，整體質(zhì)量約2 500 t。組塊甲板共計(jì)兩層，其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 組塊結(jié)構(gòu)示意

針對(duì)組塊總裝工作，根據(jù)組塊結(jié)構(gòu)預(yù)制和總裝的一般步驟，相關(guān)的作業(yè)劃分、邏輯關(guān)系、預(yù)估工期以及結(jié)構(gòu)人力投入如表1所示?？紤]到本實(shí)例僅對(duì)組塊施工結(jié)構(gòu)人力進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)計(jì)劃模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，未考慮其他專業(yè)工作的計(jì)劃和資源，如甲板片噴涂、管線安裝等。

表1 組塊結(jié)構(gòu)總裝作業(yè)項(xiàng)劃分

根據(jù)施工工序和邏輯關(guān)系，建立雙代號(hào)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，如圖4所示。

根據(jù)時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃可直觀得到該組塊結(jié)構(gòu)總裝計(jì)劃關(guān)鍵路徑為C→F→H→I→J，期望工期為16周，組塊結(jié)構(gòu)總裝人力投入直方圖如圖5所示，計(jì)劃總計(jì)投入5 950人工日，平均每周人力資源使用量為372人，高峰期人力投入為90人/天。從圖中可以看出該計(jì)劃人力分布極其不均衡，前9周人力投入過高，后7周人力投入偏低。

資源均衡是在編制網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃之后進(jìn)行的，在保持完工時(shí)間不變的前提下，對(duì)資源分布進(jìn)行優(yōu)化，通過非關(guān)鍵路徑上的非關(guān)鍵作業(yè)，在時(shí)差范圍內(nèi)按工序的邏輯關(guān)系逆序進(jìn)行調(diào)整。資源優(yōu)化步驟和原則如下：

圖4 組塊結(jié)構(gòu)總裝時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃

圖5 資源優(yōu)化前組塊結(jié)構(gòu)總裝人力投入直方圖

（1）根據(jù)各項(xiàng)作業(yè)的最早開始時(shí)間編制時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，并計(jì)算每個(gè)周期內(nèi)的資源用量。

（2）從網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)開始，按作業(yè)完成節(jié)點(diǎn)編號(hào)值從大到小的順序依次進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)同時(shí)作為多項(xiàng)作業(yè)的完成節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)先調(diào)整開始時(shí)間較晚的作業(yè)。某項(xiàng)作業(yè)能夠右移（即推遲）須同時(shí)滿足兩個(gè)條件：工作具有足夠的機(jī)動(dòng)時(shí)間即總浮時(shí)，右移不會(huì)影響總體工期；該作業(yè)下一周期所對(duì)應(yīng)的資源用量與該作業(yè)的資源用量之和不超過該作業(yè)開始時(shí)間所對(duì)應(yīng)的資源用量。

（3）當(dāng)所有作業(yè)均按上述順序自右向左調(diào)整之后，為使資源更加均衡，可再按上述步驟自右向左進(jìn)行若干次調(diào)整，直至所有作業(yè)不能右移為止。

在總時(shí)差范圍內(nèi)對(duì)該組塊總裝計(jì)劃非關(guān)鍵作業(yè)逐周調(diào)整時(shí)間安排，得到優(yōu)化后組塊結(jié)構(gòu)總裝時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃和人力直方圖，如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后的各周人力投入已明顯趨于均衡，高峰期人力投入為75人/天。

圖6 資源優(yōu)化后組塊結(jié)構(gòu)總裝時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃

圖7 資源優(yōu)化后組塊結(jié)構(gòu)總裝人力直方圖

4 結(jié)束語(yǔ)

如何在有限的資源投入下盡可能縮短工期或盡可能降低高峰期資源投入是資源管理的重點(diǎn)。如果某項(xiàng)資源的需求量超過了資源的可供應(yīng)量，且該資源屬于關(guān)鍵資源，那么就應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施以減少資源的需求，如通過技術(shù)方案優(yōu)化、投入高效率資源替代等。本文通過工程實(shí)例實(shí)踐介紹了海洋工程資源優(yōu)化的方法，對(duì)項(xiàng)目資源管理工作具有一定的借鑒意義。

在海洋工程項(xiàng)目計(jì)劃編制過程中，應(yīng)提前規(guī)劃項(xiàng)目實(shí)施周期所需資源投入計(jì)劃，如人力投入直方圖、機(jī)械臺(tái)班投入直方圖、船舶使用橫道圖等，作為計(jì)劃體系文件的重要組成部分。對(duì)于資源評(píng)估應(yīng)適當(dāng)考慮一定的余量，以應(yīng)對(duì)項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施過程中可能出現(xiàn)的各種不確定因素影響，如工程項(xiàng)目施工經(jīng)常會(huì)受到天氣因素的制約，造成資源待機(jī)，在這種情況下，應(yīng)及時(shí)分析對(duì)關(guān)鍵路徑的影響，對(duì)關(guān)鍵作業(yè)增加備用資源以避免影響項(xiàng)目完工節(jié)點(diǎn)。

海洋工程由于其建造場(chǎng)地的特殊性，往往多個(gè)項(xiàng)目同時(shí)在同一場(chǎng)地建造施工，因此在后續(xù)資源管理方法研究中，應(yīng)著重考慮多項(xiàng)目并行情況下的資源管理方法，引入相應(yīng)的資源管理軟件，高質(zhì)高效進(jìn)行資源管理工作。