DSM-GA進度優(yōu)化方法在石油工程設(shè)計中的應(yīng)用研究

王 堅，李信龍

（中國石油工程建設(shè)公司，北京 100120）

DSM-GA進度優(yōu)化方法在石油工程設(shè)計中的應(yīng)用研究

王 堅，李信龍

（中國石油工程建設(shè)公司，北京 100120）

傳統(tǒng)的工程項目進度管理方法不能很好地反映設(shè)計活動反復(fù)調(diào)整和耦合的特點，文章提出基于遺傳算法的設(shè)計活動矩陣優(yōu)化方法，彌補傳統(tǒng)項目進度計劃的缺陷，并將其應(yīng)用于工程設(shè)計活動流程優(yōu)化中，優(yōu)化設(shè)計進度編制，減少設(shè)計循環(huán)范圍，從而提高項目設(shè)計效率，達到縮短項目進度和周期的目的。并通過實例說明該方法的具體應(yīng)用及其有效性。

石油工程設(shè)計；進度優(yōu)化；設(shè)計活動矩陣；遺傳算法；設(shè)計管理

0 引言

EPC項目是一個設(shè)計、采購和施工相互協(xié)調(diào)的過程，而設(shè)計是EPC項目管理的龍頭。目前石油工程設(shè)計主要采用關(guān)鍵路線法 （Critical Path Method，CPM）編制進度計劃，實際設(shè)計過程中存在假設(shè)、驗算和反復(fù)調(diào)整的耦合關(guān)系，耦合意味著重做和改進前面所做的設(shè)計工作，甚至返工[1]。但CPM不許出現(xiàn)循環(huán)工作流，若設(shè)計進度管理中忽略了工程設(shè)計活動中的耦合關(guān)系，設(shè)計CPM進度就潛伏進度風(fēng)險，因此CPM不適用耦合的設(shè)計進度管理，非常有必要對傳統(tǒng)的項目進度計劃技術(shù)進行改進，提出新的設(shè)計進度管理方法，降低設(shè)計進度風(fēng)險。

1 石油工程設(shè)計進度風(fēng)險分析

專業(yè)設(shè)計活動不是簡單的串行或并行工作，設(shè)計活動是 “先假設(shè)后驗算，再假設(shè)再驗算”的循環(huán)遞進，同時各個專業(yè)設(shè)計之間存在著緊密的耦合，某專業(yè)設(shè)計的更改都可能造成其他專業(yè)返工，工程設(shè)計是一個典型的協(xié)同過程。深入分析不難發(fā)現(xiàn)設(shè)計活動中存在如下問題：

（1）設(shè)計文件互提是在設(shè)計圖紙和設(shè)計說明書準(zhǔn)備好后進行的，但專業(yè)部門之間互提資料手續(xù)繁雜，等待時間長，結(jié)果設(shè)計工程師常繞開繁瑣的資料互提手續(xù)而直接向設(shè)計工程師索要資料，從而導(dǎo)致設(shè)計文件版本的不一致，造成文件管理混亂[2]。

（2）各專業(yè)任務(wù)量不一致，意味著設(shè)計任務(wù)少時要等待，而早完成的又不得不根據(jù)后完成的設(shè)計參數(shù)進行修改。

（3）經(jīng)常因各個專業(yè)之間互提資料不及時，出現(xiàn)設(shè)計停滯、設(shè)計沖突或返工現(xiàn)象。

2 設(shè)計計劃優(yōu)化方法

1981年Steward提出一種用矩陣來表達設(shè)計活動之間關(guān)系 （信息流）的矩陣，稱為設(shè)計活動矩陣（Design Structure Matrix，DSM），它是一項設(shè)計計劃的管理技術(shù)，通過分解設(shè)計過程，從而建立依賴結(jié)構(gòu)矩陣，清晰地描述項目所有作業(yè)之間的信息流關(guān)系[3]。以前DSM主要應(yīng)用在機械產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)領(lǐng)域中機械產(chǎn)品設(shè)計過程的建模和優(yōu)化[4]，現(xiàn)在石油工程設(shè)計活動耦合的問題可以用DSM矩陣來描述。但DSM并沒有提出具體的設(shè)計活動優(yōu)化方法。筆者提出基于遺傳算法的設(shè)計活動矩陣方法，彌補傳統(tǒng)項目進度計劃的缺陷，并應(yīng)用于石油EPC項目設(shè)計管理中，優(yōu)化設(shè)計進度編制，最終達到縮短項目進度和周期的目的。

2.1 設(shè)計活動關(guān)系建模

設(shè)計項目進度管理的目的是保證按時完成項目，合理分配資源，發(fā)揮最佳設(shè)計工作效率。設(shè)計項目進度管理首先進行設(shè)計工作范圍界定和工作分解，將設(shè)計工作分拆成一個個單獨的、可操作的工作包，該過程被稱作設(shè)計工作分解結(jié)構(gòu)。在設(shè)計活動結(jié)構(gòu)分解基礎(chǔ)上，建立活動相關(guān)矩陣，確定設(shè)計活動的相互邏輯關(guān)系，定義設(shè)計活動交點為設(shè)計信息節(jié)點Xij，i代表行號，j代表列號。i>j表示對角線左下邊的元素，若有信息傳遞關(guān)系，信息順序傳遞；i

為了使計劃得到很好的控制，采用適當(dāng)方法，調(diào)整行 （列）的位置，盡可能減少斜對角線以上的活動或設(shè)計信息耦合范圍。

2.2 GA排序?qū)?yōu)

若設(shè)計活動作業(yè)個數(shù)有n個，就有 （n2-n）個信息節(jié)點X和排列數(shù)為n·（n-1）種設(shè)計活動排序方案。當(dāng)設(shè)計活動數(shù)n增加并設(shè)計關(guān)系復(fù)雜，從而造成很大計算量時，就需要計算機來優(yōu)化調(diào)整。設(shè)計流程優(yōu)化屬于排序優(yōu)化類問題，筆者采用遺傳算法 （Genetic Algorithm，GA）解決優(yōu)化設(shè)計活動排列，提出DSM-GA方法，GA是模擬自然遺傳規(guī)律來搜索最優(yōu)解的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，是非導(dǎo)數(shù)的尋優(yōu)方法，對搜索空間沒有要求，魯棒性強。GA設(shè)計包括5個參數(shù) （編碼方式、適應(yīng)函數(shù)設(shè)計、初始種群設(shè)定、種群規(guī)模和終止條件設(shè)計）和3個遺傳算子（選擇算子、交叉算子和變異算子）。傳統(tǒng)GA設(shè)計不能解決設(shè)計活動排序優(yōu)化的問題，可能產(chǎn)生非法的后代，導(dǎo)致進化失敗。下文主要探討GA的特殊設(shè)計之處，包括交叉算子、變異算子和適應(yīng)度的函數(shù)設(shè)計。

傳統(tǒng)GA的交叉采用單點交叉、雙點交叉、均勻交叉，不能解決本質(zhì)問題，因為傳統(tǒng)方法都造成個體基因不能滿足排序基因唯一性。排序優(yōu)化問題中，生成的后代基因必須滿足基因排序、基因在個體中唯一性的要求[5]，本文設(shè)計排序優(yōu)化的交叉方法見圖1。

同時，傳統(tǒng)變異算子是對某個基因進行變異，這樣導(dǎo)致個體中個別基因重復(fù)而其他基因缺失 （即解釋為含有重復(fù)設(shè)計活動，而缺少其他設(shè)計活動），傳統(tǒng)GA的變異算法不適用排序優(yōu)化問題。因此本文采用基因位交換的變異算子，即在個體基因鏈中進行兩個不同的基因位置的一定概率隨機選擇，交換其位置，變異生成新個體，見圖2。

適應(yīng)度是指個體對環(huán)境適應(yīng)程度的表現(xiàn)，GA算法中，每個個體對應(yīng)于一個適應(yīng)值。因此適應(yīng)度值越大，對環(huán)境的適應(yīng)度就越高，解譯為排列越優(yōu)。適應(yīng)度是設(shè)計活動進度安排優(yōu)劣的評價指標(biāo)，不難發(fā)現(xiàn)適應(yīng)度函數(shù)值與各設(shè)計活動的位置有關(guān)。以DSM的行和列為變量，進行次序變換，尋找適應(yīng)性最好的排序，達到優(yōu)化進度的目的。由此，定義適應(yīng)度函數(shù)F為：

式中R——相關(guān)因子。

矩陣R值表示設(shè)計活動之間的信息相關(guān)關(guān)系，也反映信息關(guān)系的重要性，R取值見表1。當(dāng)R=0時，表示設(shè)計活動不存在信息邏輯關(guān)系或信息不重要，一般在DSM中不表示出來。

表1 R取值

2.3 設(shè)計進度預(yù)測

利用DSM-GA優(yōu)化后的矩陣，繪制成改進型CPM網(wǎng)絡(luò)圖 （允許存在循環(huán)流的CPM網(wǎng)絡(luò)圖）。在改進的網(wǎng)絡(luò)圖中就可能出現(xiàn)設(shè)計活動循環(huán)耦合、搭接，因此，設(shè)計進度工期應(yīng)考慮關(guān)鍵設(shè)計活動持續(xù)時間、設(shè)計信息循環(huán)流持續(xù)時間、緊前設(shè)計活動搭接和緊后設(shè)計活動搭接等[6]。通過對CPM網(wǎng)絡(luò)工期計算的修改，改進CPM工期的計算模型如下：

式中n——設(shè)計活動數(shù)量；

Dcp——設(shè)計活動的持續(xù)時間；Tc——設(shè)計循環(huán)流時間；pc——發(fā)生循環(huán)的概率；

pij——緊前活動的時間搭接；Sij——緊后活動的時間搭接。

為了更實用和易被推廣，根據(jù)實際情況，只考慮一次設(shè)計循環(huán)和不考慮緊前緊后時間搭接，改進CPM工期包括關(guān)鍵活動的持續(xù)時間和一次設(shè)計循環(huán)時間，工期計算簡化為式 （3）：

3 實例研究

本文以某海外煉油廠業(yè)主前期準(zhǔn)備工程設(shè)計為研究案例。該項目采用EPC總承包合同。因篇幅原因，對案例設(shè)計活動進行簡化。通過向相關(guān)專家、項目參與者咨詢、訪談等方式分解項目設(shè)計范圍，具體項目的設(shè)計內(nèi)容見圖3。

圖3 設(shè)計工作分解

3.1 DSM矩陣建立

把設(shè)計活動分解結(jié)果分別列于DSM矩陣第1列和第1行。為了清楚表示設(shè)計活動之間的相關(guān)性和邏輯性，本案例設(shè)計活動經(jīng)過適當(dāng)簡化，將設(shè)計過程分解為13項設(shè)計活動，根據(jù)活動之間的邏輯關(guān)系，建立初始設(shè)計活動矩陣，見表2。

項目經(jīng)理應(yīng)該通過詢問負(fù)責(zé)各專業(yè)的工程師，了解設(shè)計之間的相關(guān)性，以確定作業(yè)活動之間的相關(guān)系數(shù)R。如設(shè)計活動B（廠區(qū)道路設(shè)計）需要給排水、供配電布置和工藝裝置區(qū)、罐區(qū)、總圖設(shè)計的設(shè)計成果；同時設(shè)計活動K（總圖設(shè)計）需要在廠區(qū)道路設(shè)計、給排水設(shè)計、供配電設(shè)計、營地設(shè)計、廠房設(shè)計后才能得到設(shè)計數(shù)據(jù)。于是認(rèn)為以上設(shè)計活動存在設(shè)計信息相關(guān)性。R值由設(shè)計經(jīng)理根據(jù)設(shè)計活動之間相關(guān)性進行評估，將結(jié)果填入設(shè)計活動矩陣中，見表2。

表2 優(yōu)化前DSM

在設(shè)計活動模型中，凡是R≠0，則認(rèn)為設(shè)計活動之間存在設(shè)計信息傳遞關(guān)系，位于矩陣對角線的上方，依賴于未完成的任務(wù)，代表設(shè)計信息流是逆序，存在循環(huán)信息流。很明顯表2的DSM設(shè)計活動還不是優(yōu)化方案，存在大設(shè)計循環(huán)圈 （涉及了12項設(shè)計活動）。

3.2 用遺傳算法對設(shè)計活動矩陣進行優(yōu)化

GA參數(shù)的設(shè)置：編碼采用一維排列的[0、1]二進制編碼；種群規(guī)模參數(shù)為50；初始種群為隨機設(shè)置；計算迭代終止代數(shù)為100；選擇算子采用賭盤選擇法；交叉概率取0.8；變異概率取0.02，交叉算子、變異算子和適應(yīng)性函數(shù)在上文已進行詳細描述。利用Matlab進行設(shè)計活動矩陣的優(yōu)化計算，優(yōu)化后的設(shè)計矩陣見表3，表3適應(yīng)值為0.333（優(yōu)化前適應(yīng)值為0.057）。優(yōu)化后的設(shè)計活動順序為E-J-L-I-D-A-C-B-H-F-G-K-M，在經(jīng)過GA優(yōu)化后，不改變前面設(shè)計活動之間相關(guān)關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計活動次序發(fā)生變化。

從優(yōu)化后設(shè)計活動矩陣表不難發(fā)現(xiàn)：

（1）E、J、L、I這4項活動提到設(shè)計前面，A、C、B調(diào)到設(shè)計中間。

（2）優(yōu)化后的設(shè)計過程存在2個設(shè)計循環(huán)圈，涉及6個設(shè)計活動。

（3）在完成了E、J、L后就可以進行長周期設(shè)備的采購，同時廠家設(shè)備技術(shù)參數(shù)也為后項設(shè)計活動提供信息。

3.3 設(shè)計工期的計算

根據(jù)DSM-GA優(yōu)化后的表3，可以編制出改進CPM網(wǎng)絡(luò)圖，見圖4。

表3 優(yōu)化后DSM

圖4 設(shè)計工作分解

根據(jù)式 （3），可以計算得DSM-GA優(yōu)化后設(shè)計活動工期為53 d，其中循環(huán)設(shè)計活動為19 d。不難發(fā)現(xiàn)，設(shè)計活動未優(yōu)化前，設(shè)計活動循環(huán)圈涉及A-L等12項設(shè)計活動 （見表2），該12項設(shè)計活動都需要假設(shè)或預(yù)估設(shè)計參數(shù)，結(jié)果后期修改工作量大，設(shè)計專業(yè)范圍也很廣。優(yōu)化后，整個設(shè)計活動雖還存在兩個設(shè)計圈，但已有明顯優(yōu)化效果。對于表3中的設(shè)計循環(huán)圈1（設(shè)計活動E和J），采用設(shè)計會審和文件互提就可以解決；對于設(shè)計循環(huán)圈2（設(shè)計活動C、B、H和F），則建議采用會議形式互審。

DSM-GA合理安排了設(shè)計活動執(zhí)行順序，同時設(shè)計活動L（長周期設(shè)備表）原計劃最早只能在大設(shè)計循環(huán)圈活動完成后下定單，優(yōu)化后計劃則提前到第14天 （E和J設(shè)計循環(huán)圈結(jié)束后）就進行長周期設(shè)備技術(shù)文件編制和采購，從而達到提前采購和施工的目的。

4 結(jié)論

在工程設(shè)計階段，各專業(yè)設(shè)計之間相互交流工程量很大，涉及相關(guān)設(shè)計活動的復(fù)雜程度很高。運用DSM-GA的優(yōu)化，可以把大量對角線以上的依賴關(guān)系優(yōu)化至對角線以下，或貼近對角線上方，工作流程都得以優(yōu)化。將DSM-GA應(yīng)用于海外石油工程EPC建設(shè)項目設(shè)計計劃中，可達到優(yōu)化設(shè)計活動的目的。目前大部分進度計劃管理軟件都不具備DSM功能，可以將優(yōu)化后的設(shè)計進度再輸入進度計劃管理軟件，以使得設(shè)計復(fù)雜耦合的問題變得簡單，易于控制，降低進度風(fēng)險。

[1]萬小兵.設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣在項目進度計劃中的應(yīng)用研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

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Study and Application of DSM-GA Schedule Optimization Method in Petroleum Engineering Design

WANG Jian（China Petroleum Engineering&Construction Co.Beijing 100120,China）,LI Xin-long

The traditional project schedule management method cannot describe the features of iterative adjustments and coordination in design activities.The Design Structure Matrix method based on Genetic Algorithm （DSM-GA）is applied in design schedule optimization and design circulation reduction,so as to raise project design efficiency and decrease project schedule period.The concrete application and validity of DSMGA method are illustrated with a practical example.

petroleum engineering design;schedule optimization;Design Structure Matrix;Genetic Algorithm;design management

F403.7 TE4

A

1001－2206（2010）06－0006－04

王 堅 （1975-），男，浙江平陽人，工程師，2008年畢業(yè)于清華大學(xué)，碩士，現(xiàn)主要從事工程管理工作。

2009-09-18