基于遺傳算法的水利工程進度優(yōu)化模型設(shè)計

孟凡蘭 萬 靜

（青州水建工程建設(shè)有限公司，山東 青州 262500）

0 引言

水利工程項目管理是一項復(fù)雜且系統(tǒng)化程度較高的工作，需要管理單位充分結(jié)合已有的理論和實際的施工情況[1]，科學(xué)合理地對項目建設(shè)過程中各個施工環(huán)節(jié)和活動進行規(guī)劃設(shè)計[2]。進度管理就是在協(xié)調(diào)質(zhì)量和成本目標的基礎(chǔ)上，采用科學(xué)的方法確定進度目標，編制進度計劃和資源供應(yīng)計劃，控制進度，實現(xiàn)工期目標。工期、成本和質(zhì)量構(gòu)成了項目的三大目標。其中，施工進度是極為重要的組成部分之一，其在一定程度上實現(xiàn)了項目整體工期的管控[3]，對于最終工程施工質(zhì)量和投資效益均具有極為重要的影響[4]。而在對工程進度進行計劃時，需要對相關(guān)影響因素進行客觀分析，綜合各因素之間的作用關(guān)系[5]，這也是現(xiàn)階段工程進度規(guī)劃管理面臨的最主要的問題之一。影響因素是動態(tài)的，影響因素之間的關(guān)系也是動態(tài)的，如何實現(xiàn)對動態(tài)下工程進度的設(shè)計成為了專家和學(xué)者研究的重點[6]。其中，文獻[7]利用IFC/IDM/MVD開展了建筑工程項目進度管理研究，并設(shè)計了適用性較高的模型，測試結(jié)果驗證了其在穩(wěn)定環(huán)境下的有效性，但是對于波動因素的分析有待提高。文獻[8]借助BIM技術(shù)的優(yōu)勢，與遺傳算法進行有機結(jié)合，以費用為目標對工程施工進度進行設(shè)計，實現(xiàn)了成本的有效控制，但工期管控效果相對較弱。為此，本文提出基于遺傳算法的水利工程進度優(yōu)化模型設(shè)計，以期為相關(guān)工程管理工作的開展提供有價值的參考。

1 工程因素與施工進度關(guān)系分析

任何一項水利工程由若干個不同的項目組成，因此，各個工程因素都與施工進度之間存在直接或間接的關(guān)系。一般情況下，影響水利工程的施工進度的因素包括資源條件、施工組織和管理能力、成本投入、技術(shù)水平以及自然環(huán)境5個部分[9]。在此基礎(chǔ)上，本文對這5個因素在進度中的作用特點進行分析。

(1)常規(guī)狀態(tài)下的施工進度。此時對應(yīng)的工程因素是以相對的穩(wěn)定和持續(xù)的狀態(tài)存在。假設(shè)其可以表示為

式中：

T0——常規(guī)狀態(tài)下的施工進度；

z0——資源條件；

s0——施工組織和管理能力；

c0——成本投入；

j0——技術(shù)水平；

r0——自然環(huán)境。

從式（1）中可以看出，T0與z0，s0，c0，j0成正比關(guān)系，與r0成反比關(guān)系。但是需要注意到是，z0，s0，c0，j0的變化范圍是相對的，在一定的空間范圍內(nèi)，z0的取值范圍以企業(yè)的實際經(jīng)濟基礎(chǔ)以及施工隊伍建設(shè)程度為基礎(chǔ)，且當(dāng)其達到一定高度時，其對于施工進度的影響將不再變化，且其變化程度的作用效果與s0直接相關(guān)。相比之下，s0是相對固定的。由于水利工程施工團隊構(gòu)成相對固定，因此在本文構(gòu)建的模型中，設(shè)置其為常量。

（2）c0的取值范圍。在大多數(shù)情況下，c0也是定值，但是受客觀施工環(huán)境因素的影響，其出現(xiàn)波動的情況也是存在的，但波動范圍一般以工程最低利潤為上限。

（3）j0的取值范圍。由于技術(shù)水平是最直接影響施工進度的因素之一，在s0滿足技術(shù)支撐的條件下，j0越高，對應(yīng)的施工進度越快，但是當(dāng)j0超過現(xiàn)有s0的范疇時，j0的變化將不再影響T0。同樣地，當(dāng)r0的波動范圍在s0的可控范疇之內(nèi)時，其同樣不會影響T0，當(dāng)r0取值高于s0的可控范疇的上限或低于s0的可控范疇的下限時，都會對T0產(chǎn)生負面影響。

在此基礎(chǔ)上，對于水利工程進度優(yōu)化模型的設(shè)計就可以轉(zhuǎn)換為對上述因素綜合作用下最優(yōu)進度的計算。

2 水利工程進度優(yōu)化模型設(shè)計

2.1 影響因素編碼

為了實現(xiàn)對施工因素作用效果的綜合分析，本文采用遺傳算法實現(xiàn)水利工程進度優(yōu)化模型設(shè)計。在設(shè)計之前，首先需要對上述5個工程因素進行編碼處理，將參數(shù)在對應(yīng)空間中的變量映射到編碼空間范圍內(nèi)，以此為后續(xù)的模型設(shè)計提供便利，提高模型的運行效率。本文在實際的編碼操作中采用實數(shù)作為編碼信息，通過這樣的方式在最大限度上使得編碼后的參數(shù)求解范圍接近最優(yōu)解。最終的編碼結(jié)果如表1所示。

表1 影響因素編碼

按照表1所示的方式，對影響施工進程的因素進行編碼處理。各個因素中的差異化取值結(jié)果通過改變“0”位的編碼參數(shù)進行標記，其中，z0的差異化編碼參數(shù)為“2”，s0的差異化編碼參數(shù)為“3”，c0的差異化編碼參數(shù)為“4”，j0的差異化編碼參數(shù)為“5”，r0的差異化編碼參數(shù)為“6”。

通過這樣的方式，實現(xiàn)對空間因素所有狀態(tài)的編碼。

2.2 生成初始群體

在利用遺傳算法構(gòu)建施工進程優(yōu)化模型的過程中，初始群體的生成和確定都是以水利工程的基礎(chǔ)參數(shù)信息為基礎(chǔ)進行的。需要注意的是，有選擇的操作可能會降低初始群體的可靠性，當(dāng)群體規(guī)模較小時，這種影響并不明顯，但是隨著群體規(guī)模越來越大，模型得到最終結(jié)果需要進行的遺傳操作會越來越多，降低模型的計算效率。為此，本文在構(gòu)建初始群體的階段，將群體規(guī)模約束在0~100之間。在此基礎(chǔ)上，通過將不同的編碼信息集中在一條染色體上，構(gòu)成以染色體為基礎(chǔ)的尋優(yōu)范圍。不僅如此，在染色體上對應(yīng)的不同基因位進行差異化設(shè)置，以此表示不同的水利工程施工工序，具體的基因值表示水利施工項目的實施方式。按照這樣的方式，最終得到的遺傳算法初始群體可以表示為：

式中：

P——構(gòu)建的遺傳算法初始群體；

m——染色體上的基因位；

n——z0，s0，c0，j0，r0的取值規(guī)模。

以此為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對最優(yōu)工程進度的計算。

2.3 適應(yīng)度參數(shù)設(shè)置

在計算最優(yōu)解的過程中，適應(yīng)度函數(shù)是確保最終結(jié)果可靠性的技術(shù)，某種程度上，其也是模型最終輸出最主要的約束。在前面對工程因素與施工進度關(guān)系的分析中已經(jīng)表明，各個因素的波動范圍是有限的，這就意味著模型輸出結(jié)果對應(yīng)的值域經(jīng)過映射變換后也應(yīng)在某空間范圍內(nèi)，本文將其作為適應(yīng)度參數(shù)對模型進行設(shè)計。從本質(zhì)上進行分析，施工進程優(yōu)化的最終目標是在最小投入的前提下實現(xiàn)工期的最短化，因此本文設(shè)置的適應(yīng)度為成本和工期，其表示為：

式中：

c——水利工程的成本投入；

min——最小值。

利用式（3）作為模型設(shè)計的適應(yīng)度參數(shù)，求解工程的最優(yōu)進程。

2.4 工程進度優(yōu)化模型

在上述基礎(chǔ)上，對于水利工程進度優(yōu)化模型的設(shè)計結(jié)果為：

式中：

f(t)——水利工程進度優(yōu)化模型；

T——工期；

best——最優(yōu)解求解函數(shù)，其求解的目標是對應(yīng)的P值無限接近約束函數(shù)。

通過這樣的方式，在適應(yīng)度參數(shù)的約束下，計算得到優(yōu)化后的工程進度數(shù)據(jù)。

3 測試分析

在上述基礎(chǔ)上，為了測試本文設(shè)計模型的應(yīng)用效果，進行了分析測試，并采用文獻[7]和文獻[8]提出的方法同時進行測試，對比三種方法求解施工進程的結(jié)果。

3.1 施工環(huán)境概況

施工環(huán)境對應(yīng)的流域為該工程所在縣境內(nèi)主干河流的一級支流。施工區(qū)域的整體地勢呈現(xiàn)出西南向東北傾斜的趨勢，但整體傾斜角度較小，約為12.4°。水利工程流域覆蓋面積415.92km2，干流總長為49.22km，對應(yīng)的平均坡降為3.26‰。在河流坡降的上游，有較為陡峻的地勢，坡降下游的地勢更加平緩。流域供給周圍4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的基礎(chǔ)用水需求，并涵蓋了20.33萬畝農(nóng)田的澆灌任務(wù)。水利工程的具體實施方案設(shè)計是對所屬河段28.56~30.05km位置設(shè)置堤防加固工程，并在重點位置構(gòu)建岸坡防護工程，預(yù)計全長7.35km，同時在河流上游設(shè)置1座攔河閘，新建3座穿堤涵閘。針對上述施工設(shè)計，在實際的施工過程中涉及的主要施工內(nèi)容包括土方開挖及填筑、漿砌石砌筑及混凝土澆筑。預(yù)期工期為70d，預(yù)期成本投入為120萬元。

在此基礎(chǔ)上，分別采用三種方法對工程進度進行設(shè)計。

3.2 測試結(jié)果與分析

三種方法對測試水利工程進度的設(shè)計結(jié)果如表2所示。

表2 水利工程進度設(shè)計結(jié)果

從表2中可以看出，在三種方法的設(shè)計結(jié)果中，文獻[7]方法在70d時的施工進度為90.15%，且成本投入已經(jīng)達到了145.91萬元，不僅工期超過了預(yù)期，成本投入也遠超預(yù)算。與之相比，文獻[8]方法的進度有所提升，在70d時的施工進度為96.21%，對應(yīng)的成本投入為112.20萬元，雖然現(xiàn)階段的成本投入仍在預(yù)算范圍內(nèi)，但是工程未在70d內(nèi)竣工，后期需要繼續(xù)追加部分資金。本文設(shè)計方法在70d時的施工進度為100%，實現(xiàn)了目標工期內(nèi)的施工任務(wù)，同時成本投入為110.36萬元，遠低于工程設(shè)計初期的預(yù)算。表明本文設(shè)計模型可以實現(xiàn)對施工進度的有效設(shè)計，在滿足施工要求的前提下，確保工程順利竣工。

4 結(jié)束語

水利工程項目的不斷發(fā)展在極大程度上改善了原有的水資源分配不均問題，是一項關(guān)系到社會發(fā)展和人民生活的重要工程項目。如何確保項目施工的科學(xué)性和合理性也成為了企業(yè)管理和工程建設(shè)過程中備受關(guān)注的問題之一。本文提出的基于遺傳算法的水利工程進度優(yōu)化模型設(shè)計，充分考慮了施工資源、成本等因素之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，以目標工期為基礎(chǔ)，對施工進度進行設(shè)計。測試結(jié)果表明，模型設(shè)計的施工進度可以有效降低工程的成本，并在預(yù)期工期內(nèi)完成水利工程的施工。總之，本文的研究，結(jié)合施工環(huán)境的實際情況，實現(xiàn)了對成本和工期的優(yōu)化設(shè)計，希望可以為相關(guān)管理部門相關(guān)工作的開展提供有價值的參考。