段曉晨，代鵬飛，汪 輝

(1. 石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043；2. 鐵道第二勘察設計院集團有限公司 杭州分院，浙江 杭州 310000)

地鐵機電安裝工程施工虛擬優(yōu)化管理技術研究

段曉晨1，代鵬飛1，汪 輝2

(1. 石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043；2. 鐵道第二勘察設計院集團有限公司 杭州分院，浙江 杭州 310000)

在總結地鐵機電系統(tǒng)工程施工特點的基礎上，針對津濱地鐵中山門西段機電安裝工程的實際，將復雜系統(tǒng)理論掙值理論(EVM)、顯著性成本理論(CS)、BP神經網絡(BPNN)、灰色預測，虛擬現(xiàn)實技術和動態(tài)優(yōu)化管理技術運用到施工管理的過程中，開發(fā)和利用相應的虛擬動態(tài)優(yōu)化管理系統(tǒng)，進行工程的虛擬可視化的管理。首先在施工之前，建立各工種、各專業(yè)接口、協(xié)同、立體交叉作業(yè)的虛擬靜態(tài)優(yōu)化管理系統(tǒng)；其次，在施工過程中建立動態(tài)的優(yōu)化管理系統(tǒng)，以重點控制施工項目進行EVM分析和PDCA循環(huán)控制，分析存在的問題，建立控制措施數(shù)據資料庫，方便進行施工管理和做出決策，從而實現(xiàn)管理的科學化、信息化。

機電工程；地鐵機電安裝；虛擬優(yōu)化技術；復雜系統(tǒng)施工管理

0 引 言

津濱輕軌中山門站西段地鐵施工包括盾構機開挖、襯砌、給排水工程、車站設備安裝、通信、電力、信號工程、路基、軌道工程、臨時工程等多工種、多專業(yè)工程，協(xié)同、交叉、平行、立體作業(yè)多、干擾大，施工管理具有顯著的復雜系統(tǒng)的特點。筆者以中山門站西段機電安裝工程的施工為主要研究對象，結合虛擬現(xiàn)實技術，運用復雜系統(tǒng)理論掙值理論(EVM)、顯著性成本理論(CS)、BP神經網絡、灰色預測和模糊判斷技術等，開發(fā)和利用相應的虛擬動態(tài)優(yōu)化管理系統(tǒng)軟件進行虛擬可視化管理，對施工過程進行虛擬優(yōu)化管理方法的研究[1]。虛擬現(xiàn)實技術作為一種綜合多種科學技術而發(fā)展起來的新技術，國外對其研究比較成熟，已經將其應用于許多領域[2]。國外學者提出了很多動態(tài)管理技術的思想方法，可以為我們從事虛擬動態(tài)優(yōu)化管理技術的研究提供有益的借鑒[3-4]。而我國動態(tài)管理的理論和方法還未應用于實際中，運用動態(tài)控制原理控制項目的目標尚未得到普及。隨著越來越多的項目采用動態(tài)控制的方法，同時也使我國工程項目管理動態(tài)控制理論有了很大發(fā)展。掙值理論是目前項目管理中比較流行的方法，國內已經將掙值理論用于工程項目的施工管理，進行項目的工期進度、成本、質量的多目標研究中，可以很好地進行目標管理和控制[5-6]。將虛擬可視化技術與動態(tài)優(yōu)化管理技術結合，進行地鐵機電安裝工程虛擬優(yōu)化管理技術研究的還比較少。

1 虛擬優(yōu)化管理技術模型介紹

模型介紹見圖1。

圖1 虛擬優(yōu)化管理技術模型Fig.1 Virtual optimization management technical model

2 地鐵機電安裝工程施工靜態(tài)優(yōu)化管理系統(tǒng)的建立

2.1 工程分解和劃分工序并確定最優(yōu)施工方案

津濱輕軌西段供電系統(tǒng)工程包含接觸網施工工程、電纜及光纜工程、變電所工程、監(jiān)控系統(tǒng)、雜散電流防護工程及全系統(tǒng)調試等項目。根據本工程的施工組織設計和實際特點，將施工過程劃分為60個工序。其中接觸網施工工程分解為19個施工工序，電纜及光纜工程分解為6個施工工序，變電所工程分解為18個施工工序，監(jiān)控系統(tǒng)分解為10個施工工序，雜散電流防護工程分解為7個施工工序。對機電安裝工程的施工方案和相關工序，進行虛擬可視化演示，確定最優(yōu)的施工方案。虛擬漫游演示如圖2。

圖2 三維可視化管理和虛擬演示示意Fig.2 Three-dimensional visualization management and virtual presentation schematic diagram

2.2 確定各工序消耗的標準工時

1) 在擁有合適的地鐵施工定額數(shù)據資料基礎上，按定額規(guī)定的工時消耗指標，確定各專業(yè)、各工種消耗的標準工時[7]。

2) 在擁有大量以往類似地鐵施工資料數(shù)據基礎上，運用BP神經網絡技術估算各專業(yè)、各工種消耗的標準工時。

用BPNN技術對本工程中的隧道打孔安裝錨栓每百米工天消耗、變電所設備安裝項目和電纜敷設工程進行估算，以接觸網施工中隧道打孔安裝錨栓每百米工天消耗估算為例，闡述其在地鐵施工靜態(tài)優(yōu)化管理中的應用。接觸網施工中隧道打孔安裝錨栓是供電系統(tǒng)工程的一項關鍵工作，對完成該項工作所需的時間資源消耗進行科學估算有助于施工計劃的合理安排，同時也是工程項目靜態(tài)優(yōu)化施工管理的需要。用BPNN技術進行估算分為兩個步驟[8-9]：

第1步，定量化描述工程特征因素。

工程特征的選取，參照歷史工程資料的統(tǒng)計和分析，根據專家的經驗確定，如表1。

通過對竣工地鐵項目歷史數(shù)據的收集、整理，從中選取18個典型工程，第1～16個工程數(shù)據作為學習樣本，第17～18作為檢驗樣本，建立3層BP神經網絡，對隧道打孔安裝錨栓每百米的工時消耗建立估算模型，見表2。

表1 隧道打孔安裝錨栓的工時消耗類目量化

表2 基礎數(shù)據

第2步，建立工時消耗估算模型進行預測分析。

本模型采用3層BP網絡模型，選擇Sigmoid函數(shù)為節(jié)點輸出函數(shù)，模型的輸入單元為8個，地鐵長度、箱體混凝土類型、鉆桿直徑、鉆孔深度、工時利用率、錨栓規(guī)格、錨栓加固、錨栓破壞力，分別用I1～I8表示；輸出單元1個，為每百米工天消耗，用O1表示。隱層單元為2×8+1=17個，初始權值是(-1，1)之間的隨機數(shù)[10]。

通過模型運算20次，求其平均值作為預測值，同實際值進行比較，得到結果分析表，見表3。

表3 結果分析

盡管構建的BP網絡每次給出的預測各不相同，具有一定隨機性。但多次運算之后，通過求均值可以極大消除這種隨機性[11]。從表3可見，求均值之后的預測值與實際值相對誤差很小，能夠滿足施工計劃工作的精度要求。從單次神經網絡運行結果來看，有些預測的誤差較大，但是通過多次運行網絡而后求均值，就可以保持很高預測精確度[12]。故應用BPNN技術可以對工程實際中的關鍵工序時間消耗定額進行精確預測，為科學的計劃管理提供依據。

3)在擁有少量以往類似地鐵施工資料數(shù)據基礎上，運用GM(1,1)灰色預測系統(tǒng)估算各專業(yè)、各工種消耗的標準工時。

本工程中主要是電纜支座安裝、室內接地網敷設工程需要進行灰色預測，利用東興站，中山門站，一號橋站，二號橋站，大王莊站這些已完成工程的少量的歷史數(shù)據。

第1步，以電纜支座安裝為例，檢索到的上述5個站，平均每個電纜支座安裝所需工天分別為：2.874，3.278，3.337，3.390，3.679工天。

設原始序列，建立GM(1,1)模型，并進行檢驗。

X(0)={x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),x(0)(4),x(0)(5)}=(2.874,3,728,3.337,3.390,3.679)

第2步，建立電纜支座安裝所需工天的消耗預測模型，如式(1)：

dx(1)/dt-0.037 156x(1)=3.065 318

(1)

及時間響應式：

85.372 8e0.037 156k-82.498 6

(2)

第3步，進行誤差的檢驗。誤差值為0.990 2﹥0.90，精度為一級，可以依據進行預測：

(3)

(4)

預測本站電纜支座的工時消耗為3.316工天，根據實際情況取3.5工天。

4) 在缺乏以往類似地鐵施工資料數(shù)據基礎上，運用FIS模糊判斷技術確定各專業(yè)、各工種消耗的標準工時。

2.3 繪制網絡圖找出關鍵工序

根據各工序的施工順序及相關時間參數(shù)，繪制出網絡圖(見圖3)，經計算分析找出網絡圖的關鍵路線，并確定總工期。得到的關鍵線路為：施工測量(A1)→隧道內打孔安裝(A4)→低凈空隧道懸掛安裝(A5)→隧道內錨結安裝(A8)→非絕緣關節(jié)、道岔處電連接安裝(A9)→隧道內電動隔離開關及引線安裝(A12)→接觸線架設(A14) →架空架設及調整(A16)→接觸網冷滑試驗(A18)→接觸網冷滑試驗后調整(A19)，總工期為106天。

圖3 機電安裝工程施工網絡計劃Fig.3 Network planning diagram of electromechanical installation construction

2.4 計算分析顯著性項目并確定重點控制施工項目

通過對機電工程60個分項工程進行預算成本計算，通過均值理論計算可知，隧道內打孔安裝、低凈空隧道懸掛安裝、匯流排安裝、接觸線架設、架空架設及調整、電力電纜敷設、電纜支座安裝、電纜橋架安裝、電力電纜敷設、室內接地網敷設、變電所設備安裝，主變電所視頻設備安裝、主變電所視頻低壓控制電纜敷設，控制電纜制作及敷設。它們占總工程的35%，造價為3 145.966元，占78.5%，不滿足CS理論中顯著性項目CSIs數(shù)目占總項目數(shù)目的30%以內，并且費用占到總成本的70%的要求，所以需要再進行二次平均。再次運用CS理論可得：上述項目經計算占總工程的31%，造價為2 889.48元，占72.1%，滿足CS理論中顯著性項目CSIs數(shù)目占總項目數(shù)目的30%以內，并且費用占到總成本的70%的要求，不需要二次平均。

通過對顯著性項目和關鍵工序的比較可知，既是工期控制重點又是成本控制重點的“雙控”重點項目是：隧道內打孔安裝，低凈空隧道懸掛安裝，接觸線架設，這3個項目是以后施工工程中的控制的重中之重。

3 地鐵機電安裝工程施工虛擬動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)的建立

3.1 確定控制周期和控制項目

用掙值理論對工程進行動態(tài)管理首先要確定控制周期，制定循環(huán)周期，定期對工程進行數(shù)據收集。中山門站西段供電系統(tǒng)工程是一個規(guī)模巨大、施工工藝特別復雜的工程，為了降低數(shù)據收集的難度，決定收集數(shù)據的周期和業(yè)主單位驗工計價的周期一致，將控制周期定為每月一次。

施工過程中，以關鍵工序和顯著性項目作為主要控制重點進行動態(tài)循環(huán)控制。

3.2 以重點控制施工項目進行EVM分析和PDCA循環(huán)控制

擬控制周期時間段定為4月1—30日這個時間段，控制對象為在這一段時間內施工的所有顯著性項目和關鍵線路上的項目。

3.2.1 已完工程的進度成本分析

在這個控制周期內，收集到的該項目的施工現(xiàn)場數(shù)據如表4。對表4進行掙值分析，結果見表5。

表4 4月施工管理信息

出現(xiàn)進度偏差的顯著性項目有隧道內打孔安裝和隧道內錨結；出現(xiàn)成本偏差的項目有低凈空隧道懸掛安裝電力電纜敷設、變電所設備安裝、電力電纜敷設和主變電所視頻低壓控制電纜敷設。

隧道內打孔安裝項目進度偏差為-84 768元，表示進度延后，主要原因是由于設計單位未按合同及時的送交圖紙。隧道內錨結出現(xiàn)進度偏差主要是由于工作支與非工作支線索的絕緣間距不符合要求，直接影響了隧道內錨結的正常進行和項目進度。

低凈空隧道懸掛安裝等項目，出現(xiàn)造價偏差的主要原因是由于國外提供變電所里的部分電子元件，與開關柜等的銜接出現(xiàn)矛盾，因此臨時改變設計方案，重新選擇設備，影響了施工的按期正常進行，后期為了保證按期交付使用，只能采取加快施工進度，增加夜間施工，導致增加了施工的措施費，夜間的施工費等費用導致成本增加；但從表中可知進度偏差為0，表示進度得到了保證，有利于工程的按期完工。

根據掙值估計決算造價(Estimate At Completion，EAC)，是一種估計項目最終造價的方法，主要有掙值(ACWP)，項目最初預算造價(Budget At Completion，BAC)和已完工程預算成本和造價績效指標決定，具體計算方法如式(5)：

EAC=ACWP+(BAC-BCWP)/CPI

(5)

式中：BCWP為實際完成工作的預算成本；CPI為成本執(zhí)行指標。由公式(5)對表5進行處理，得到如表6。

表5 掙值分析

表6 四月份的決算造價估計

根據掙值理論，從表6中可知，如果按照這種施工進度及消耗，低凈空隧道懸掛安裝，電力電纜敷設，變電所設備安裝，電力電纜敷設(變電所)，主變電所視頻低壓控制電纜敷設，這些項目將超過預算完工，其中電纜及光纜工程電力電纜敷設，變電所工程電力電纜敷設，主變電所視頻低壓控制電纜敷設的預算估計造價EAC>1.05BAC，必須進行重點的分析，找出問題的原因，制定控制的措施，否則將大大影響工程的最終造價。在下一個循環(huán)中對這些將要超預算的項目進行重點的控制，這樣在以后的施工中就會有重點，有目標，便于管理人員對后續(xù)工程進行控制管理。對一些比如低凈空隧道懸掛安裝，變電所設備安裝雖然沒有超過1.05BAC，但也要引起足夠的重視，否則都將引起最終的造價的上升。

3.2.2 成本和進度偏差原因分析

偏差分析的一個重要目標就是要找出引起偏差的原因，從而有可能采取有針對性的措施，減少或避免相同原因的再次發(fā)生。通過分析，造成進度和造價偏差的主要原因包括內部管理因素、設計方面因素、施工因素、物價因素和設備因素。

3.3 下階段采取相應措施

在下一個循環(huán)中，對影響進度和造價偏差的因素，進行重點的控制，采取以下預控措施：

1) 加強內部管理，盡量做好事前控制，參建單位多進行溝通和交流。

2) 在設計環(huán)節(jié)要求設計單位在設計的同時進行有效的碰撞試驗，在交圖紙的同時，對施工的順序，施工環(huán)節(jié)進行必要的說明。

3) 重新選擇供應商，應選擇那些有資質、信譽好，供貨能力強，并且產品的兼容性比較好的供應商。

4) 與材料或產品的供應商簽訂長期的供貨合同，盡可能的將原材料的價格固定在一個水平上。

3.4 總結存在問題建立控制措施數(shù)據資料庫

在施工過程中，及時總結存在的問題，并建立相應的措施數(shù)據資料庫，不斷增加新的數(shù)據。當在下一個循環(huán)中出現(xiàn)類似的問題時，管理者可直接在數(shù)據庫里找出相應的對策，具有很好的可操作性，便于進行管理，數(shù)據庫的基本信息如表7。

表7 問題及對策數(shù)據

3.5 通過虛擬優(yōu)化軟件系統(tǒng)直觀真實反映各工序動態(tài)管理情況

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(tǒng)中的施工動態(tài)管理信息表反饋給項目管理者，以便及時動態(tài)掌控施工各工序進度和成本情況。

4 結 論

基于當前我國施工企業(yè)現(xiàn)場管理水平比較低以及項目管理中對成本、進度、質量等多重進行控制的復雜性，在借鑒了相關理論和方法的基礎上，并結合工程實際進行了預測。通過理論聯(lián)系實際，在施工的過程中可以得出如下結論：

1) 通過使用CS理論挖掘工程的關鍵數(shù)據，同時結合關鍵路徑法(CPM)，在減少了計算工作量的同時，有更加全面的反應項目的進展情況，能更好的及時對項目進行動態(tài)控制，同時也為提高預測準確度打下了堅實基礎。

2) 通過將虛擬動態(tài)管理技術應用于施工中，動態(tài)管理軟件的使用，可以提高項目管理的信息化水平，更好的實現(xiàn)集成化管理。

3) 采用掙值理論對項目進行進度、質量、成本的聯(lián)合監(jiān)控，在實踐應用中證明是成功的。

4) 項目運行指標的跟蹤和監(jiān)控對施工管理來說非常重要，運行過程中出現(xiàn)的任何細小偏差都應該分析原因，發(fā)現(xiàn)問題及時總結分析，找出出現(xiàn)偏差的原因，及時糾偏，防止“因小失大”。

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Virtual Optimization Management Technology in Construction of SubwayElectromechanical Installation Project

DUAN Xiaochen1, DAI Pengfei1, WANG Hui2

(1. Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, Hebei,P.R.China; 2. Hangzhou Branch of 2ndRailway Design Group Company, Hangzhou 310000, Zhejiang,P.R.China)

Based on the summary of construction characteristics of subway electromechanical project, according to the actual problems of the Jinbin subway project of western section of Zhongshanmen, complex system theories (Earned Value Management (EVM), Cost-significant(CS), Back-Propagation Neural Network (BPNN), Gray model (GM) ), virtual reality techniques and dynamic optimized management technique were applied in the process of construction management. The corresponding virtual dynamic optimized management system was developed to realize the virtual visualization management of the project. Before the subway construction, the virtual static optimized management system was set up, which had the characteristics of multi-work, multi-professional, multi-coordination, mutual intercrossing and paralleling, multi-dimension and multi-interference. In the process of subway construction, the dynamic optimized management system was established to focus on the key control project to carry out EVM analysis and PDCA cycle control. The existed problems were analyzed and the data repository of control measures was established, which was convenient for construction management and decision-making, so as to realize the scientific and informatization management.

electromechanical engineering; subway electromechanical installation; virtual optimization techniques; construction management of complex system

2015-03-23；

2015-07-23

河北省高層次人才資助項目(2013429102)；中鐵建集團總公司科技計劃項目(中鐵建科201252)；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)；河北省教育廳人文社科重點研究基地(工程建設管理)(冀教201426)

段曉晨(1962—)，男，山東招遠人，教授，博士，主要從事工程經濟與造價管理方面的研究。E-mail：duanxch888@sohu.com。

代鵬飛(1990—)，男，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事工程經濟與造價管理方面的研究。E-mail：daipengfeihappy@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.35

U 231

A

1674-0696(2016)01-184-07