Автоматизация процессов планирования строительного производства промышленных объектов

Объемы строительства промышленных объектов увеличиваются высокими темпами на текущем этапе развития страны. При этом остается не решенным широкий круг вопросов, относящихся к автоматизации подготовки строительства, которые возникают при обработке проектносметной документации, формировании перспективных и годовых планов строительно-монтажных работ, организации материально-технического) снабжения и комплектации. Далека от совершенства организация взаимосвязей бригад, механизмов, автотранспорта и служб, обеспечивающих поставку конструкций, материалов и полуфабрикатов. Важным этапом подготовки строительства является календарное планирование, которое выполняется отдельно для каждого проекта, несмотря на использование типовых схем и конструкций. Это требует серьезных трудозатрат, в том числе от высококвалифицированных кадров. На данный момент в России наблюдается тенденция увеличения спроса на инженеров во всех областях промышленности и в частности строительства. Молодые специалисты, приходящие на предприятия, не обладают достаточным опытом для решения многих ответственных задач. Поэтому важной задачей является поддержка молодых специалистов. Помощь им влиться в производственный процесс оказывают автоматизированные системы управления.

Первоначально разработанные строительные планы обычно не является лучшими по срокам выполнения работ и использованию ресурсов. Поэтому они подвергаются анализу и оптимизации. На данный момент разработано много методов по оптимизации строительных планов и сглаживанию потребности в ресурсах. Как правило, они позволяют проводить оптимизацию по одному параметру, например, по стоимости или продолжительности проекта. Реализация этих методов требует больших трудозатрат, а эффективность их применения остается сравнительно низкой.

В недостаточном объеме применяются методы вероятностного планирования строительного производства промышленных объектов. Это вызвано несовершенством существующего программного обеспечения для управления проектами и его сложностью. Низкая эффективность применяемых методов вызвана отсутствием упорядоченной статистической информации о возникающих непредвиденных ситуациях и связанных с ними потерях.

При оптимизации с привлечением дополнительных ресурсов (материальных, технических, трудовых) требуется учитывать большое количество факторов, влияющих на принятие решения. Эти задачи сложны для человека и в тоже время их нельзя доверить ЭВМ. Системы поддержки принятия решений (СГТПР) позволяют решать такие задачи, они поддерживают, а не заменяют выработку решений, предлагая специалистам возможные варианты решений и указывая на возможные последствия. Современные системы поддержки принятия решений, возникшие, как естественное развитие и продолжение управленческих информационных систем и систем управления базами данных, представляют собой системы, максимально приспособленные к решению задач повседневной управленческой деятельности и являются инструментом, призванным оказать помощь лицам, принимающим решения (ЛПР) [107]. С помощью СППР можно решать неструктурированные и слабоструктурированные многокритериальные задачи.

Важнейшими факторами, оказывающими влияние на повышение темпов строительства, рост производительности труда и ввод объектов в установленные сроки, как показывает практика, является эффективное планирование и использование ресурсов, в том числе и трудовых. Все это и определяет актуальность выбранной темы диссертационной работы.

Целью настоящей работы является повышение эффективности календарного планирования строительного производства промышленных объектов за счет создания автоматизированной системы для оптимизации календарных планов с привлечением дополнительных ресурсов по времени и по затратам.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• анализ методов, моделей и программного обеспечения применяемых для создания и оптимизации строительных планов промышленных объектов;

• исследование методов и подходов по вероятностному планированию и управлению производственными рисками в строительных проектах;

• формализованное представление объектов системы поддержки принятия решений для оптимизации строительных планов;

• создание моделей и алгоритмов системы поддержки принятия решений для оптимизации строительных планов;

• разработка программного инструментария с визуально-графическим интерфейсом для создания и оптимизации строительных планов.

При разработке формальных моделей компонентов автоматизированной системы для оптимизации строительных планов в диссертации использованы методы общей теории систем, теории важности критериев, теории графов, методы оптимизации строительных процессов, имитационное моделирование, теории баз данных и др.

Научная новизна работы состоит в разработке методов, моделей и алгоритмов оптимизации строительных планов по продолжительности и по затратам с учетом стохастического характера производственного процесса, на основе которых проводится оптимизация с изменением количества привлекаемых ресурсов.

Практическая значимость работы заключается в разработке программного комплекса, используемого в технологических процессах подготовки строительства. Он позволяет создавать и оптимизировать календарные планы, а также учитывать и отслеживать производственные риски строительных проектов.

На защиту выносятся:

• метод и алгоритм автоматического построения ускоренной сетевой модели;

• методы вероятностного планирования и управления производственными рисками при создании строительных планов;

• метод и алгоритм оптимизации строительных планов с использованием СППР на основе теории важности критериев;

• программный комплекс для создания и оптимизации строительных планов.

В первой главе диссертации проведен системный анализ моделей и методов, которые применяют в строительстве при календарном планировании. Рассмотрены основные принципы организации командной разработки проектной документации и программные комплексы, используемые для планирования, оценки и управления проектами.

Во второй главе предложено обоснование, методы и алгоритмы построения автоматизированной системы для оптимизации строительных планов. Приведено формализованное описание сетевой модели для оптимизации строительных планов. Предложен алгоритм оптимизации сетевой модели, заключающийся в пошаговом ускорении критических работ и выбора из полученных альтернатив оптимальных (эффективных) решений, на основании теории важности критериев[47]. Разработан алгоритм автоматического построения ускоренной сетевой модели.

В третьей главе диссертации разработаны вероятностные сетевые методы для учета стохастического характера производственных процессов на основе системы управления рисками. Предложен метод классификации объектов, использованный в хранилище данных предприятия для работ и производственных рисков. Проведена интеграция системы управления производственными и экономическими рисками в автоматизированную систему оптимизации строительных планов.

В четвертой главе построена имитационная модель для проверки эффективности разработанного решения. Разработана концептуальная схема данных для автоматизации построения сетевых моделей. На основе разработанных алгоритмов реализован программный комплекс для создания и оптимизация планов строительных работ.

Диссертация содержит 171 страницу текста, 34 таблицы, 53 рисунка, общие выводы по работе, список использованных сокращений, список использованных источников (110 наименований) и 2 приложения.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Анализ моделей и методов представления и оптимизации строительных планов показал, что методы оптимизации должны учитывать возможность привлечения дополнительных, как трудовых, так и материально технических ресурсов. Надежность оптимизированных планов должна учитываться и контролироваться с помощью вероятностных методов, базирующихся, как на экспертных оценках, так и на накопленной статистической информации. Автоматизированная система для планирования строительного производства промышленных объектов должна поддерживать распределенную коллективную работу над проектными планами и проектной документацией.

2. Анализ программного обеспечения, применяемого при планировании и управлении строительными процессами, показал, что существующие крупные проекты не лишены недостатков, таких как отсутствие стандартных средств оптимизации проектных планов и слабые средства вероятностного планирования.

3. Предложены модели, методы и алгоритмы, позволяющие реализовать автоматизированную систему для оптимизации строительных планов с помощью системы поддержки принятия решений на основе теории важности критериев. Эта система дает возможность оптимизировать сетевые модели по двум критериям стоимости и продолжительности проекта на основе предпочтений ЛПР.

4. Разработан метод автоматического построения ускоренной сетевой модели. Это упрощает использование системы и экономит трудозатраты на оптимизацию строительных планов. Для автоматического создания ускоренной сетевой модели требуется построенная пользователем нормальная сетевая модель и заполненная база данных по номенклатуре строительно-монтажных работ, материальным, техническим и трудовым ресурсам, а также накопленная информация о построенных и оптимизированных сетевых моделях.

5. Предложенный метод построения вероятностной сетевой модели для учета стохастического характера производственных процессов позволяет обеспечивать требуемую надежность при планировании строительных проектов. Для каждой работы проекта указывают риски и мероприятия по их минимизации. Вероятности возникновения рисковых событий и связанные с ними потери рассчитываются на основании статистической информации или задаются экспертным методом. На основе этой информации система рассчитывает математические ожидания и дисперсии продолжительности и стоимости работ проекта.

6. Предложен метод классификации информации для системы управления рисками. Метод обеспечивает работу с плохо структурированной информацией и позволяет автоматически определять риски для работ, добавленных в сетевую модель. Предложенная интеграция системы оптимизации строительных планов с системой управления рисками позволяет контролировать проблемы, вызванные увеличением интенсивности работ и привлечением дополнительных ресурсов.

7. Проведена апробация предложенных методов оптимизации строительных планов с помощью имитационной модели оптимизации неритмичного потока с непрерывным использованием ресурсов в среде Simulink платформы Matlab. Разработка и использование этой модели показали, что прежде, чем проводить оптимизацию с привлечением дополнительных ресурсов целесообразно провести оптимизацию за счет совмещения технологических процессов во времени и изменении очередности работ.

8. Разработан программный комплекс для создания и оптимизации строительных планов. Он интегрирован с системой разработки строительной документации и планирования, что дает возможность органично вобрать данные обо всех этапах проектирования. Такое построение позволяет быстрее наполнить базы данных информацией о ресурсах предприятия, что ведет к повышению эффективности системы в целом. Программный комплекс предусматривает коллективную разработку проектов, что повышает эффективность организации работы проектного отдела. Разработанный программный комплекс построен на основе модулей, что обеспечивает его гибкость и расширяемость.

9. Программный комплекс для создания и оптимизации строительных планов внедрен в ряде строительных организаций. Он позволяет повысить эффективность планирования строительного производства промышленных объектов за счет оптимизации сетевых моделей по продолжительности и стоимости. Использование результатов диссертационной работы повышает эффективность планирования строительным производством в среднем на 12ч-15%.