交通运输线性工程施工进度计划编制及优化方法研究

摘要

以线性、重复性为本质特征，以铁路、公路、管道等交通运输工程为典型代表的线性工程，在建设工程领域占有相当大的比重。越来越多的研究表明了传统的网络计划方法在线性工程上应用时的不适用性。在这种背景下，线性计划技术凭借其在线性工程上应用时所具有的一系列的独特优势，得到了学术界越来越多的关注，而其中最为重要的一类计划方法则是线性计划方法。
　　虽然线性计划方法自提出至今已有几十年的时间，但受之前网络计划方法广泛应用的影响，线性计划方法近20年才引起学术界足够的重视，这导致了该方法理论体系不够丰满，制约了其在线性工程进度计划编制及优化问题中的应用。当前，线性计划方法自身的缺陷主要体现在以下两点:1）线性计划方法框架下活动间逻辑关系描述方法尚未得到明确提出。而相比于网络计划方法，活动间逻辑关系的描述能力正是使网络计划方法得到广泛应用的核心功能;2）相对于建设工程进度计划编制及优化问题通常所包含的3类经典约束，即逻辑约束、工期约束、资源约束，当前学术界所提出的线性计划方法框架下的进度计划编制及优化约束仅限于逻辑约束及工期约束，且这两类约束尚不够完善。而线性计划方法这种自身的不完善性则导致了基于该方法而展开的线性工程进度计划编制及优化研究均具有比较明显的不足，如对资源约束、多资源优化、处理特殊活动、进度计划调整优化等能力的缺失，以及不能很好的用于解决资源分配、时间-费用权衡优化问题等。
　　为了使线性计划方法能够更好的应用于线性工程进度计划编制及优化问题，本文主要围绕三个方面展开研究:一是针对线性计划方法框架下时速差、活动间逻辑关系以及约束体系等核心问题的研究，二是在线性计划方法的基础上进行的优化模型的构建，三是基于线性计划方法的进度控制模型及进度控制系统的构建以及在此基础上对优化模型的验证。
　　围绕线性计划方法的几个核心问题，首先，本研究提出了线性计划方法框架下时速差的概念，明确了第二类时速差(LFloat-2)的概念、提出了第三类时速差（LFloat-3）的概念，将线性计划方法框架下速率差(Rate Float，本文中记为LFloat-1)这一概念丰富和发展成为了3类时速差。其次，提出了针对线性计划方法的进度计划编制及优化问题（模型）的19个评价指标，并在此基础上对以往基于线性计划方法的进度计划编制及优化研究成果进行了对比分析。第三，本研究分24种情形给出了线性计划方法的框架下活动间逻辑关系的描述方法，可以实现线性计划方法框架下活动间任意时空关系的描述。线性计划方法框架下活动间逻辑关系拙述的实现，是基于线性计划方法的各类优化研究的基础，也使得线性计划方法真正成为了独立于传统网络计划方法的一种全新的、适用于线性工程的进度计划方法。第四，在活动间逻辑约束的基础上，本研究进一步提出了由8类约束所组成的，基于线性计划方法的进度计划编制及优化约束体系。
　　在逻辑关系描述及约束体系的基础上，本研究构建了基于线性计划方法的进度计划编制及优化模型(LSM-SOM)。借助于本研究所构建的线型活动施工模式三元组(LPL-Mode)及块型活动施工模式三元组(LPB-Mode)、约束体系以及决策变量的设置等所具有的灵活性和实用性，该模型能够覆盖本研究所提出的19个优化指标所对应的优化能力，具有较强的实用性和灵活性。例如，LSM-SOM实现了线性计划方法框架下基于变速率的、基于资源约束的以及基于多资源的进度计划编制及优化等。进一步的，由于LPL-Mode、LPB-Mode施工模式三元组所带来的各类优化问题的交叉和融合，使得LSM-SOM可以在一类优化问题中同时考虑多种优化问题的优化目标，实用性大大增强。
　　基于LSM-SOM优化模型以及本研究所提出的三类时速差，在引入不同优化策略的基础上，本研究构建了5个LSM-SOM优化模型的变种，包括基于多目标优化策略的多目标优化模型、基于关键路径的两阶段优化模型、基于变速率优化策略的变速率优化模型等。优化策略的引入及模型变种的构建，进一步增强了LSM-SOM优化模型的实用性和灵活性以及所得解的优越性。
　　最后，本研究构建了基于线性计划方法的线性工程进度控制模型(LPSCM)及进度控制系统(LPSCS)。借助于LPSCS以及以往几个经典研究中采用的三个交通运输建设工程实际案例，通过18个优化场景的设定，将LSM-SOM和以往研究成果在1）采用相同数据及约束、2）采用相同数据及更强约束的条件下进行了对比。对18个场景的优化结果进行所进行的对比分析，充分说明了本研究成果相比于以往研究成果在灵活性、实用性以及解的优越性上所具有的优势。

目录

声明

致谢

摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究内容

1．3 研究意义

1．4 论文组织结构

2 建设工程进度计划研究综述

2．1 建设工程分类

2．2 建设工程进度计划编制及优化的组成要素

2．2．1 资源

2．2．2 活动

2．2．3 目标

2．3 几类经典的建设工程进度计划优化问题

2．3．1 资源分配问题及RCPSP／MRCPSP问题

2．3．2 资源均衡问题及其在MRCPSP之下的表现形式

2．3．3 时间-费用权衡问题及其在MRCPSP之下的表现形式

2．4 建设工程计划技术及优缺点分析

2．4．1 传统计划技术

2．4．2 线性计划技术

2．5 线性计划方法及基于线性计划方法的线性工程进度计划编制及优化研究现状

2．5．1 线性计划图

2．5．2 活动

2．5．3 活动之间的时空间隔及时空约束

2．5．4 关键路径

2．5．5 基于关键路径的时速差概念的完善

2．5．6 线性计划方法的独特优势及其与网络计划方法的本质区别

2．5．7 基于线性计划方法的线性工程进度计划编制及优化研究综述及对比分析

2．6 小结

3 线性工程进度控制模型及进度计划编制优化模型的构建

3．1 线性工程进度控制模型的构建

3．2 约束规划

3．2．1 约束规划简介

3．2．2 约束规划应用在线性工程进度计划编制及优化问题中的优势

3．2．3 基于约束规划技术的解的搜索

3．3 线性工程进度计划编制及优化模型的构建思路及核心问题

3．4 线性工程进度计划编制及优化模型的构建

3．4．1 常量

3．4．2 决策变量

3．4．3 决策表达式

3．4．4 LSM逻辑约束及约束体系的构建

3．4．5 目标函数

3．5 LSM-SOM优化模型可以解决的进度计划编制及优化问题

3．6 小结

4 基于不同优化策略的模型的变种

4．1 基于约束的多目标优化模型

4．2 基于字典排序的多目标优化模型

4．3 基于权重的多目标优化模型

4．3．1 模型的构建

4．3．2 权重的分配

4．4 基于CAP的两阶段优化模型

4．5 基于变速率的优化模型

4．6 小结

5 进度控制系统及实证分析

5．1 线性工程进度控制系统

5．2 实证分析1

5．3 实证分析2

5．4 实证分析3

5．5 小结

6 结论

6．1 主要研究成果

6．2 主要创新点

6．3 研究展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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