鐵路施工組織優化設計系統研究與開發

王樹杰，楊新安，張業煒，凌保林

（同濟大學城市軌道與鐵道工程系，上海200092）

鐵路建設項目涉及專業多、工序銜接復雜，是一項十分復雜的生產活動[1]。鐵路施工組織設計作為指導施工的綱領性文件，是鐵路項目建設管理的重要依據。施工組織設計編制中，方案必須經過比選優化；施工過程中，施工組織方案還應根據實際工況進行優化調整。但在鐵路建設項目施工組織設計中，長期以來沒有一套比較科學、實用的方法進行方案的比選和優化，阻礙了鐵路施工組織設計水平的提高以及對施工工期和投資的有效控制。

近年來，鐵路施工組織設計與管理系統的研究與開發已有一定發展。中南大學李昌友、周繼祖[2]建立了用一般層次分析法等決策分析方法進行鐵路施工組織設計方案選優的數學模型，研制開發了施工組織設計的輔助決策和設計系統。北京交通大學崔德山和西南交通大學李玉括等[3-4]分別建立了基于B/S的鐵路施工方案管理信息系統，實現鐵路施工方案的申報、輔助決策等功能。北京鐵路局邯鄲車務段吳朝輝[5]對開發鐵路施工組織管理信息系統需實現的功能、系統的基本模塊等進行了研究。

本文提出了層次分析法、網絡計劃優化與實施中的優化調整相結合的鐵路施工組織優化設計方法，采用VB程序語言開發了鐵路施工組織優化設計系統，實現了整個優化流程，并應用于工程實際。

1 系統結構和功能

系統主要由三個基本功能模塊組成，總體功能框架見圖1。各功能模塊具有相對獨立性，同時又緊密聯系。

1）數據管理模塊。該模塊針對鐵路施工涉及的工程和專業，把已有的知識、經驗、方法等按專業分類，建立知識數據庫，利用關鍵詞進行檢索查詢，便于編制施工組織設計時隨時查閱和調用。

2）方案比選優化模塊。該模塊首先利用層次分析法對針對項目提出的多個方案進行比選，選擇最佳方案；之后利用網絡圖進行計劃優化和實施過程中的調整優化，實現鐵路施工組織優化設計過程。

圖1 系統總體功能框架圖Fig.1 Frame diagram of general functions of the system

3）文件編制模塊。施工組織設計文件是由文字和圖表組成，要求系統應具備較強的圖文混排功能。該模塊調用Office中的Word作為主編輯器，通過知識數據庫管理控件和調用Word內部函數，選擇調用相應的施工組織設計模板、施工方案和相應的規范與指南，輔助施工組織設計文件編寫。系統實現了對施工組織設計的快速編輯和打印功能。

2 施工組織優化方法

鐵路施工要滿足質量、安全、工期、投資效益、環境保護和技術創新“六位一體”的要求，其組織設計優化是個典型的多目標優化問題。系統采用層次分析法、網絡計劃優化與實施中的優化調整相結合的方法對鐵路施工組織設計進行優化。首先利用層次分析法對針對項目提出的多個方案進行比選，選擇最佳方案；之后利用網絡圖優化對施工方案進行優化；最后在方案實施過程中，利用實際監測結果，對方案進行優化調整。

2.1 施工方案比選優化（層次分析法）

系統采用層次分析法進行施工方案比選優化，方案比選界面見圖2。

圖2 施工方案比選界面Fig.2 Selecting interface of construction plan

2.1.1 建立影響施工組織方案各因素之間的層次結構

鐵路施工組織方案受諸多因素的影響和制約，方案比選時，首先應針對建設項目具體情況和有關要求確定比選的指標[6]，構成方案比選的指標一般可歸納為工期、成本、安全等，而一些指標又可進一步分為若干子因素。圖3給出了考慮各影響因素的AHP（層次分析法）層次結構模型。

圖3 影響施工組織方案各因素AHP層次結構模型Fig.3 APH gradational structure of several factors affecting the construction organization plan

2.1.2 構造判斷矩陣

層次結構反映了不同因素之間的關系，但準則層中的各項準則在目標衡量中所占的比重并不一定相同，因此需要構造一個判斷矩陣，給出不同層次因素的相對重要程度，也稱標度。判斷矩陣是以上一層元素作準則將下一層支配元素兩兩比較所得，見表1。比較的結果用1～9標度法表示。其中1～9標度定義如表2所示[7]。

表1 判斷矩陣模式Tab.1 Model of the judgment matrix

表2 標度的含義Tab.2 Meaning of the mark

2.1.3 層次單排序

層次單排序是指根據判斷矩陣，計算針對上一層而言，本層次與之有聯系的各單元之間重要次序的權重，它是對層次中所有單元針對上一層次而言的重要性進行排序的基礎，可以歸納為計算判斷矩陣特征根和特征向量的問題。

計算矩陣特征值和特征向量的方法很多，一般情況下，可以用近似方法計算λmax和W。最常用的有和法與根法兩種，系統采用和法。其步驟如下：

1）將A中元素按列歸一化得矩陣A0；

2）將A0中元素按列相加；

3）所得到的行向量歸一化得排序權向量W=(W1，W2，…，W3)；

4）按下列公式計算判斷矩陣最大特征根λmax。

2.1.4 檢驗一致性

在構造判斷矩陣時，主觀判斷與實際情況不一定要完全一致，但當它偏離一致性較大時，排序結果就不能反映客觀實際，因此需對其一致性進行檢驗。一致性檢驗的步驟如下：

1）計算一致性指標C.I.

式中：n為判斷矩陣的階數。

當λmax=n，C.I.=0，為完全一致；當λmax＞n，判斷矩陣不具有一致性，需要引入一致性指標，C.I.值越大，判斷矩陣的一致性越差，一般只要C.I.≥0.1就認為判斷矩陣的一致性可以接受。判斷矩陣的維數（n≥4）越大，判斷的一致性將越差，故應放寬對高維判斷矩陣一致性的要求，于是引入平均隨機一致性指標R.I.進行修正。

2）平均隨機一致性指標R.I.。平均隨機一致性指標是多次（500次以上）重復進行隨機判斷矩陣特征值的計算之后取算數平均數得到的。前人得出的1～15階重復計算1 000次的平均隨機一致性指標如表3。

表3 平均隨機一致性指標R.I.Tab.3 Average random consistency indexR.I.

3）計算一致性比例C.R.

當判斷完全一致時，C.R.=0，一般只要C.R.＜0.1，就認為這個判斷矩陣的一致性可以接受。

2.1.5 層次總排序

利用同一層次中所有層次單排序的結果，就可計算針對上一層而言，本層次所有單元重要性的數值，該數值即為層次總排序。這一步驟是由上而下逐層進行的，最終計算得到方案層的總排序，即為方案的優劣排序。

2.2 施工組織網絡計劃優化

網絡計劃是一種利用網絡圖來表示各項工作的先后順序和相互關系的統籌計劃方法，又是一種有效的生產管理方法[8]，在鐵路建設領域得到了廣泛應用。但在應用網絡圖的過程中特別是網絡計劃的優化與控制時有大量繁重的計算，利用人工計算實現較為困難，這在很大程度上阻礙了網絡計劃優化的推廣。

系統利用VB與Project聯合編程技術，將Office中的Project組件作為網絡圖優化的工具箱，解決了網絡圖的自動生成，并通過利用計算機技術來完成那些大量而繁重的計算，實現網絡圖優化。系統建立良好的用戶界面，通過VB語言調用Project內部函數，實現系統對Project的控制與操作，更加簡化了網絡計劃與優化過程，提高了施工管理水平。

1）工期優化。系統先利用Project完成好網絡圖，當計算工期不滿足要求工期時，可根據每項工作的最短持續時間及關鍵線路，調整關鍵線路上相關工作的持續時間[9]。系統計算出網絡計劃的時間參數、關鍵線路后，通過不斷調整直到任務的工期滿足規定的要求，便得到滿足規定工期優化后的網絡計劃。

2）資源優化。網絡資源優化一般分為資源有限—工期最短優化和工期規定—資源均衡優化兩種。前者要求在物資供應有限制的條件下，保持預先規定的施工工藝順序，尋求工期最短方案。后者要求在滿足工期不變的條件下，通過利用非關鍵工作的總時差，調整其工作的最早開始和結束時間，使資源動態曲線盡可能地均衡。系統中主要通過在資源調配中對“僅在有效時差中調配”和“調配操作可在剩余工時中創建分隔”的選擇來分別實現網絡圖的兩種資源優化方法。

3）成本優化。利用網絡圖進行成本優化首先在于不斷地從工作的持續時間和費用的關系中，找出能使計劃工期縮短而又能使直接費用增加額最少的工作，然后考慮間接費用隨著工期縮短而減少的影響，把不同工期的直接費用和間接費用分別疊加，即可求出工程成本最低時對應的最優工期和工期指定時對應的最低工程成本[10]。優化過程始終在網絡計劃的關鍵線路上選擇費用率最低的工作，縮短其持續時間，達到縮短工期的目的。系統能快速地計算出關鍵線路及關鍵工作，并及時計算出項目的總成本，在縮短關鍵工作的持續時間時，可以提示此工作是否變為非關鍵工作，最后可快速生成費用最優的網絡計劃。

4）施工計劃實施中的優化調整。在鐵路建設項目實施進度監測過程中，一旦發現實際進度偏離計劃進度，即出現進度偏差時，系統可以通過網絡圖分析產生偏差的原因及其對后續工作和總工期的影響，必要時采取合理、有效的進度計劃調整措施，確保進度總目標的實現。進度調整的系統過程如圖4。

圖4 進度調整的系統過程Fig.4 Systematic process of schedule adjustment

3 系統應用

該系統已作為上海鐵路局《鐵路建設項目施工組織設計系統優化》項目中的科研成果得到了應用，并作為《鐵路營業線實施性施工組織設計指南》（建議稿）的附件得到推廣。系統在寧啟鐵路以及寧安鐵路各標段施工組織設計應用中顯示，決策優化效果良好，并可以很好地輔助編制，系統功能完善。

4 結語

1）根據鐵路建設項目施工組織的復雜性和動態性開發了鐵路施工組織優化設計系統，系統具有輔助決策和優化、輔助編制等功能。

2）系統采用層次分析法、網絡計劃優化與實施中的優化調整相結合的優化方法對鐵路施工組織設計進行優化。

3）系統已在部分線路施工建設中得到了應用，并在應用的基礎上進行了改進和完善。

[1]路仲希.鐵路工程施工組織設計[M].北京：中國鐵道出版社，1985.

[2]李昌友，周繼祖.建設項目施工組織設計的輔助決策和設計系統[J].國防科技大學學報，2001，23（4）：73-77.

[3]崔德山.基于Web的鐵路施工方案管理信息系統研究[J].鐵路計算機應用，2003，12（11）：7-9.

[4]李玉括，呂紅霞，陳韜，等.鐵路施工方案管理信息系統設計[J].鐵路計算機應用，2006，15（2）：17-19.

[5]吳朝輝.開發鐵路施工組織管理信息系統的探討[J].科技資訊，2009（16）：186.

[6]候學淵，廖少明.鐵路施工組織方案比選的層次分析法[J].地下工程與隧道，1993（4）：24-32.

[7]許樹柏，鄭金淼.實用決策方法：層次分析法原理[M].天津：天津大學出版社，1988.

[8]徐江，李敏.項目管理軟件Project2000的使用[J].四川建筑科學研究，2001，27（2）：26-27，73.

[9]中華人民共和國建設部.建標[1999]198號 工程網絡計劃技術規程[S].

[10]王宏劍.鐵路施工組織相關問題的探討[D].成都：西南交通大學，2007.