工程多项目下基于关键链技术的多资源均衡研究

第1章 绪论工程进度管理是建筑项目管理的重要目标之一，一直是建筑工程项目管理领域研究和实践的热点。随着建筑市场竞争日趋激烈，如何在较短的工期范围内完成工程项目，减少成本成为项目管理的重要问题[2]。工程项目计划管理应运而生，通过对工程项目的范围、任务分解、资源分析等制定一个科学的计划，能使项目现场的施工工作有序的开展，对项目进行科学管理。本章主要介绍了本文的选题背景以意义，探讨了当前关键链技术与资源均衡理论的研究动态，在此基础上，本章进一步阐述了本文的研究的主要内容、研究方法、技术路线及创新点。1.1 问题提出、背景及意义改革开放以来，建筑业发展日新月异，工程项目管理作为建筑业的重要组成部分，逐步发展成为一个具有强大生命力的新兴的行业。项目管理从进度、成本、质量三个方面对项目进行管理，利用范围、成本、时间、风险、质量、人力资源、沟通、采购及系统九大核心知识领域进行全方位锁定，保障项目计划如期完成[1]。本节主要探讨了当前建筑业项目管理的相关动态，分别阐述了本文的选题背景、意义，最后提出本文研究的主要问题。针对工程项目管理中遇到的难题，网络计划技术，如计划评审技术（ProgramEvaluation and Review Technique，PERT）和关键路线法（Critical Chain Scheduling，CPM）等属于传统的项目管理方法，从任务活动逻辑角度进行计划设计，能够有效缩短工程项目的工期，减少项目成本，自 20 世纪 50 年代末提出以来，一直工程项目进度管理的重要手段，在单个工程项目领域取得可观成果，通过重点管理关键路径上的任务活动，能够有效保证项目的顺利完工。但是，关键路线法（CPM）和计划评审技术（PERT）等网络计划技术在进行计划设计过程中，没有充分考虑到不确定性因素和人的行为因素如行为学中著名的帕金森定律、Goldratt 的学生综合症;[3]、墨菲法则[4]等，以及资源约束，对项目进度计划的影响，计划调度得到的关键路径只是简易的工期最长的路径，脱离了资源约束，容易造成进度计划与实际情况不符。随着多项目并行工程的逐渐增加，多项目工程规模大、建设周期长、施工专业复杂等特点使得资源冲突成为工程项目建设管理中的急需解决的难题[5]，而传统的网络计划技术无法应对工程项目大型化、复杂化带来的一系列项目管理难题，特别是在不确定性较大的工程多项目中，项目管理效率显著降低。因此，需要一种新的项目管理技术突破传统项目管理技术的局限性，满足较为复杂的工程多项目管理的需求。关键链技术自 90 年代由 Goldratt[3]提出以来，逐渐发展成为多个领域项目管理的重要工具。关键链技术同时考虑了项目时间和资源双重约束，依托约束理论，从项目瓶颈、系统思考入手，解决了项目资源冲突问题，并通过设置缓冲减小不确定性因素，如行为学中著名的帕金森定律、学生综合症;[3]、墨菲法则[4]等对项目进度计划的影响。.........1.2 研究现状本节主要探讨了当前关键链技术在关键链的识别与缓冲设置两个方面最新研究动态，并且分析了资源均衡研究的研究现状，为本文研究主要内容的提出做了理论铺垫。关键链调度英文全称为 Critical Chain Scheduling，或者 CCS 是以色列物理学家Eliyahu M.Goldratt 在 1997 才被提出，Goldratt 对 TOC 约束理论[13]的一种具体运用和发展。本文对 SRINGER，EI，EBSCO，INSPECT 等十个外文数据库，以及中国期刊数据库、维普、万方三个中文数据库进行检索，可以发现，已有的关键链的文献主要包括了识别和缓冲设置两个方面，针对关键链技术的实际运用技术的研究相对较少[14][15][16]。目前对于关键链的研究主要集中在以下几个方面：针对关键链的识别，国内外学者从多方面进行了探讨。-B Yang[17]在一个例子中比较了关键链和关键路径两种方法，并指出项目参与者的行为因素能够影响到关键链项目管理的效率；Herroelen 和 Leus[18]通过仿真实验对比分析了由关键链法和分支定界法产生的两种调度计划。Wei 等[19]利用改进的约束理论进一步设计了关键链方法调度模型参数；Tuel 等[20]分析了资源约束下最短项目工期调度方案的特征，通过计算各任务活动的最晚开始时间来识别关键链；Truc 等[21]研究了基于最大加线形系统表示的多项目环境中的关键链项目管理方法。万伟、蔡晨等[22][23]对单种资源约束下的单项目关键链调度和双资源约束下的单项目关键链调度进行了详细而系统的论述；莫巨华[24]通过计算任务活动的最早和最迟时间，识别关键链任务和非关键链任务；李俊亭等[25]在考虑计划网络任务关系是，同时考虑了开始-开始(SS)和结束-开始 (FS 和 SS) 两种任务关系，并通过任务活动自由时差判断关键链与非关键链；林晶晶、周国华等[26]分析了单项目关键链与多项目关键链管理的区别，将任务活动优先级与项目优先级结合，进一步发展了多项目下基于任务优先级的关键链方法...........第 2 章 项目进度管理相关理论基础项目管理是指管理者面对各种条件的限制，根据项目特征，遵循客观规律，采用系统工程相关理论，对项目周期范围内的全部任务活动进行计划安排[55]。工程项目管理是指相关具有从业资格的工程项目管理公司与业主签订合同，确定具体的管理方式、管理内容、管理权限、费用及责任划分等，并根据合同规定组织项目全周期范围内或部分阶段的管理和服务[71]。工程项目管理活动有其不同与其它管理活动的与众不同管理特征。首先，工程项目的一次性特征使得工程项目实际调度过程中往往并没有或较少有经验可以借鉴，而工程项目特别是并行的多项目工程，项目组成部分较多，管理工作跨越多个项目、多个组织，导致不确定性因素增加，风险性较大。其次，工程项目的工期一般都有明确的要求，所以工期是工程项目管理中极为重要的目标。本章主要探讨了工程项目管理现有的管理技术以及项目资源均衡的方法，首先介绍了甘特图法、关键路径法以及技术评审技术的基本概念和优缺点，探讨了这些方法在当前实际运用中存在的不足，紧接着分析了项目管理的新技术关键链技术，将其与传统技术进行比较，探讨其在实际运用过程中的优越性；本文介绍了鲁棒调度的相关理论和方法；最后，本文介绍了资源均衡问题的相关理论与方法，为后章研究做了理论铺垫。2.1 传统项目管理技术计划评审技术（PERT）、甘特图[75]、关键路线法（CPM）等项目管理技术自上世纪 60 年代提出以来就一直是项目管理的重要工具。本章节主要介绍了这几种安排方法，并分析了其中的优缺点[62]。粗横线是甘特图(Gantt Chart，或可称为横道图;)的主要图元，19 世纪初，发明者甘特首次提出，是一种指示图表。这种图表在横轴上表示时间进度，在纵轴上表示项目的计划任务。关键路径法最早由美国杜邦公司在上个世纪五十年发表明，主要的设计原理是采用当时较为先进的网络计划技术(Networ Analysis)，通过节点和箭头构建一个任务活动关系网络图，直观的表现出任务活动之间的紧前紧后任务关系，把不存在任何可利用的缓冲时间;的任务活动所串联组合而成的最长的一条或多条任务活动路径视为计划网络中的关键路径(Critical Path)，而项目管理也将重心聚焦到关键路径上的任务活动中，通过加强关键任务的管理，进而改善项目管理效率[76]。...........2.2 关键链技术的发展关键链技术自提出以来得到各个研究领域的广泛重视，本节在分析关键链的发展脉络的基础上进一步分析了关键链与传统管理技术的区别。二十世纪七十年代末，以色列物理学家Eliyahu M.Goldratt博士基于原有的OPT技术（optimized production technology）进一步提出了约束理论[3]，随后在该理论最先被运用到制造业，经过不断发展，该理论已经在多个领域得到广泛运用。约束理论的核心是鼓缓冲绳子;，即DBR，主要思想是：所有管理组织及管理系统都存在一定的约束条件，这些约束将成为管理目标实现的瓶颈，通过对平静的系统调控可以调高管理的效果[3]。约束理论具体的应用步骤如下图 2.1 所示:与传统的项目管理技术不同，关键链技术以关键链作为决定项目工期的关键，在进行约束分析时，不仅考虑了紧前紧后关系约束，而且也将资源约束提升到同等重要的位置。关键链技术首先考虑任务活动间的紧前紧后约束和资源约束，解决任务活动间的资源冲突，绘制成网络图之后，找出最长的一条链即为关键链。在关键链识别出来的基础上，通过在各个非关键链末尾加入汇入缓冲（Feeding Buffer），将项目缓冲（Project Buffer）设置在关键链末尾，以此来避免压缩任务活动的执行时间后可能导致的项目工期的延误，从未保证项目能如期完成[11]。..........第 3 章 基于二次调度的多项目关键链的识别............323.1 双代号网络图的基本概念 .... 323.2 关键链二次调度问题 ............ 333.3 多项目二次调度鲁棒性优化 ......... 373.3.1 多项目二次调度优化策略 ........... 373.3.2 多项目二次调度鲁棒性指标 ....... 393.4 算法设计 ..... 413.5 算例分析 ..... 443.6 小结 ..... 47第 4 章 基于改进的关键链的多项目资源均衡分析....484.1 资源均衡问题 ...... 494.2 模型构建 ..... 514.3 求解算法设计 ...... 554.4 算例分析 ..... 574.5 小结 .... 58第 5 章 案例分析......595.1 案例介绍 ..... 595.2 多项目关键链识别 ....... 625.3 资源均衡 ..... 685.4 小结 .... 74第5章 案例分析本章采用 3 个项目并行组成的具体的多项目的建设项目案例，多项目网络计划用双代号网络图表示，验证本文所提出指标及多项目目标模型的有效性，以及本文关键链识别以及多资源均衡模型及算法在实际案例中的实用性及可行性。5.1 案例介绍中船集团沪东重机柴油机配套园建设项目中速柴油机能力建设项目（厂房工程）本项目总建筑面积 14960.8 ㎡，主要项目包括了整机试验车间、辅机房、大件加工车间、生产辅助楼。具体情况如下：1 整机试验车间、辅机房，是对已建大缸径试验车间的扩建工程，主要组成部分包括了 3#变电站、油漆间和中间机房及整机试验车间、辅机房，扩建工程项目的建筑面积为 7948 ㎡。其中整机试验车间厂房可配备 1 台Gn = 2t半门式起重机、1 台 Gn = 150t桥式起重机、1 台 Gn = 50t桥式起重机，为钢排架结构，单跨单层厂房，建筑高度为 21.95m，跨度为 39m；辅机房厂房可配备 1 台Gn = 5t双梁起重机，建筑高度为 11.95m，跨度为 4.5+14m，为钢排架结构，两跨单层厂房；油漆间和中间机房建筑高度 10.15m，跨度为 12m，为混凝土排架和钢砼框架结构，为两跨单层厂房；3#变电站的建筑高度为 5.35m，为钢砼框架结构，跨度 4.5m，为单跨单层厂房。2、大件加工车间厂房可配备 1 台 Gn = 50/ 25t桥式起重机、1 台Gn = 75 / 32t桥式起重机，跨度为 39m，单跨单层厂房，建筑高度 19.25m，钢排架结构，新建建筑面积为 4515 ㎡。3、生产辅助楼，规划地上四层，本次先实施地上二层，钢筋混凝土框架结构，建筑高度 13.3m，新建建筑面积 2449.1 ㎡。确定工程项目的任务活动及完工率分别为 60%和 90%的任务预估时间 。这里采用经验法预估任务活动的具体执行时间。由于该公司从事建设项目有数十年时间，相关的建设项目的管理经验十分丰富，该公司已经根据经验建立了任务活动工期统计的相关数据库。根据该数据库中的过往工程数据，可以推得，偏乐观的完工率为 60%的预估时间和偏悲观的任务活动完工率为 90%的预估时间。

.........总结本文对于关键链在多项目环境下的研究工作主要有如下部分：⑴ 本文在分析传统的几种项目管理手段的优缺点的基础上，比较了关键链技术与传统技术手段之间的区别，详细介绍了现有的关键链研究动态；同时，本文也介绍现有的项目资源均衡相关理论、方法，并对资源均衡研究现状进行了概述。⑵ 通过对目前资源受限情况下关键链技术的研究，分析了当前关键链研究中存在的不足，结合关键链法的思想和关键链缓冲区的设置，采用非支配性排序多目标遗传进化算法，并以二次调度下工期最短－鲁棒性最大;为目标，对在多资源约束多项目并行中的关键链识别方法进行改进。⑶ 探讨了基于关键链的资源约束下的并行的多项目下多种资源的均衡问题，分析了单项目的资源均衡优化问题与多项目的资源均衡优化问题的差异性，为了使目标函数符合多项目整体的资源均衡性要求，结合基于资源熵的均衡优化方法，本文建立了多项目多资源均衡优化模型，并采用遗传算法进行求解。⑷ 介绍了实际多项目建筑工程中存在问题，采用实际多项目案例数据，在多项目施工的计划管理中使用本文提出的改进的多项目关键链技术，并在关键链的识别基础上，探讨了该工程多项目中的资源优化问题，进一步解决了多项目多种资源均衡的问题。..........参考文献（略）