污水处理厂进度仿真模型的构建及其应用研究 4页

管理论坛器ManagementFOrum污水处理厂进度仿真模型的构建及其应用研究李菲1，谭晓慧2，高爱丽2，李晔1(1．青岛理工大学环境与市政工程学院，山东青岛266033；2．青岛市环境保护科学研究院，山东青岛266000)摘要：阐述了施工进度仿真模型的构建机理，提出将蒙特卡洛仿真与关键路径仿真相结合，并以青岛某污水处理厂实际施工过程进度计划为研究对象，采用具体施工样本数据建立该污水处理厂的施工进度仿真模型，经过一系列的循环试算后确定模型的参数，得到仿真结果，最终通过对仿真结果的验证，表明模型训练成功。关键词：污水处理；进度仿真模型；蒙特卡洛；工期预测中图分类号：TU721文献标志码：B文章编号：1009—7767(2014)03—0175—04ConstructionofScheduleSimulationModelofSewageTreatmentPlantandItsAppliedResearchLiFei，TanXiaohui，GaoAili，LiYe污水处理厂建设项目的施工过程中，建筑物与水工程构筑物交叉作业多、预埋件和预留孑L洞多，给现场组织施工造成一定的难度，为保证污水处理厂建设项目的顺利完工，必须编制切实可行的施工进度计划。对于复杂系统而言．要建立1个既符合基本规律又能应用于任意条件下的机理模型是很困难的。为此，许多学者经过深入的研究发现，通过建立施工过程控制的智能仿真模型能够客观反映施工进度的真实情况。笔者在进行进度仿真模型构建理论研究的基础上，通过建立施工进度仿真模型来预测施工工期，解决施工过程随机性和实时性较强、施工进度难以控制的问题，并验证模型的可行性。1进度仿真模型构建机理的理论研究1．1不确定因素下的工期确定方法施工进度的合理控制关系到工期、费用和质量3大目标的控制。在施工系统中较为常用的工期确定方法为横道图法和网络计划技术。由于横道图法不能清楚地表达各工序之间的逻辑关系．也不能确定计划的关键工作及关键路线，所以对于大型的复杂项目难以适用111。目前在不确定因素下的实际工程中常利用计划评审技术(PERT)来确定工期，其能协调整个计划的各道工序，合理安排人力、物力和时间，控制质量、费用、进度，从系统论的角度对施工各环节进行系统分析。但同时PERT也存在一定的局限性．在PERT中．通常假设各项工作的持续时间服从／3分布，采用加权平均的方法得到活动的持续时间，这种方法计算的工期往往较实际施工工期乐观：并且PERT假设网络计划中只有1条关键线路，自动忽略了其他线路成为关键线路的可能性。而蒙特卡洛仿真(MC)和关键路径仿真(CPM)能够解决这一弊端，因此，笔者将蒙特卡洛仿真和关键路径仿真引入PERT，使蒙特卡洛仿真和关键路径仿真结合，来解决施工T期难以预测、施工进度难以控制的问题。1．2进度仿真模型的基本原理1)蒙特卡洛仿真的基本原理蒙特卡洛仿真以概率论和统计论为理论基础．使用随机数(或伪随机数)来解决实际计算或工程问题。对实际工程进行蒙特卡洛仿真最关键的步骤是构造适合该工程的概率模型，通过一定的逻辑关系或数量关系将所要求解的实际问题与一定的概率模型建立联系。对于本身就具有随机性质的问题，构造过程就是一个正确描述和模拟这个概率的过程：对于本身不具有随机性质的确定性问题，就必须事先构造一个人为的概率过程．将其转化为随机性质的问题【2_引，即利用Matlab在相应概率模型条件下进行随机抽样产生随机数，然后按照给定的概率模型进行仿真．经过大量的模拟计算可以得到多个施工工期的观测值。将工期进行统计，即可预测出在不确定影响因素下的工程进度。2014卑第3期(5一)第32巷啼荭数木175\n器管理论坛ManagementForum2)关键路径仿真的基本原理关键路径仿真是在项目网络图和数学计算的基础上，根据各项工作之间的逻辑关系构造模型。将每个活动的工期用逻辑关系连接并找出控制工期的关键路线，在优化工期、降低成本的原则下，计算出施工总工期及关键度以达到项目计划管理和实时控制的目的【41。1．3进度仿真模型的样本数据确定及结构设计进度仿真模型的质量与样本数量、样本数据的选取密切相关，所以在进行进度仿真模型结构设计之前要做好样本数据的选择与确定工作。根据建设项目的具体情况确定样本数据的数量，剔除可疑和明显错误的样本，并根据需要对不同量纲和数量级的数据进行预处理。进度仿真模型结构主要包括蒙特卡洛仿真和关键路径仿真。蒙特卡洛仿真是根据使用者的需要、所要求解的问题和数据的表示方法进行设计和确定的。关键路径的求解是在蒙特卡洛仿真结果的基础上进行的，寻找关键线路过程中需要设置如下参数：Snode(所有工作的开始节点)，Enode(所有工作的结束节点)，Povertime(对应工作所需时间)。2青岛市某污水厂施工进度仿真模型的建立1)样本数据的确定以青岛市某污水厂施工过程为研究对象，该污水处理厂基本工艺流程是：进水-+粗格栅及进水泵房_+细格栅及曝气沉砂池-+生物池_二沉池_÷高密度沉淀池一微滤机池一÷接触池_÷出水。通过实地调研获得了施工现场的施工组织计划，收集了其施工进度计划等数据样本。根据污水厂的施工组织设计、施工进度计划以及工程的具体情况，得到施工项目的双代号网络图，如图l所示。图1施工进度计划图该项目共有5条路线，路线1为1—2_4一岬．+11—12_13．路线2为1叶2-÷3_4—7_11_12—13，路线176．事荭投木2014No．3(May)V01．323为1_÷2_3_÷8_12_13。路线4为1_÷2-÷5_6—10_÷12_+13．路线5为1_2_3_9—12—13。在双代号网络图的基础上，制定该工程施工组织计划的专家根据以往的相似工程经验及历年的相关资料估算出每个活动的最乐观时间、最可能时间和最悲观时间．对数据进行整理后得到的施工进度计划如表1所示。表1施工进度计划2)施工工期的确定①概率模型的构造根据污水厂建设项目样本的形式和样本估计量的特征描述，选用三角分布(低限为o、众数为c、上限为b的连续概率分布)构造概率模型，如图2所示。概蛊密度最小值最可能值最大值图2三角分布示意图由于一般的仿真软件中没有三角分布，可以利用逆变换法构造三角函数，得到三角分布的概率密度函数为：\nf2(x—a)／(c一口)(6一o)o≤茗≤c八戈)={2(b-x)／(b-a)(b-c)cb通过借助其他函数在Matlab中构造三角分布，构造函数C的语法结构如下：C(i)=S(i)术cdf(、normal、，dl，0，1)一扩X(i)丰caf(、normal"，d2，0，1)。式中：X(i)和s(i)分别为所需构造的三角分布函数和另一符合三角分布的函数；d．和d：分别为函数s(i)和函数X(i)的均值，经过归一化处理后数据均在(0，1)之间；a为函数s(i)和函数X(i)之间的转换系数。②概率模型的参数设置在进行蒙特卡洛仿真时，对各个参数设置不同的数值，观察不同参数设置对仿真结果的影响。X的步长Step1和S的步长Step2分别取0．5、0．8和1．0，仿真次数Ⅳ取1000次和10000次不断进行训练调试。训练结果显示：Step=0．5，N取1000和10000；及Step=1．0，Ⅳ取1000和10000，这4种情况都基本符合构建的三角分布规律。为得出最佳参数，再选取不同的活动从网络的训练性能、精度角度进行训练和调试，根据不同参数下的训练结果得出A～J的10组训练样本的相对误差情况，如图3所示。10864翥z51|《0萎一z—4—6—8—10图3不同参数设置下活动A～J组检验样本的相对误差情况由图3可知，选取N=1000，Step=1．0时，网络误差相较于其他参数较小且较稳定。3)关键路径的确定①函数网络参数的确定管理论坛器ManagementForum在对前期蒙特卡洛仿真的工期进行连接和逻辑线路的仿真．并寻找施工过程的关键线路过程中需要对参数进行设置，根据污水厂施工计划网络图对关键路径仿真的网络参数设置如下：Povertime=[outaoutboutcoutdouteoutgrealminouffouthoutjoutkoutloutioutnoutmouto]；Snode=[1253439687111012】；Enode=[2453687912101211213]。②关键路线及关键度的确定每次仿真都产生1次关键路径，每条路径成为关键路径的次数占总仿真数的概率，即为关键度R，R产V鲁。通过Matlab中函数$ltm对5条路线建立5个数』V组，将5条路径成为关键路径的次数分别计入suml，sum2，sum3，sum4，sum5。因此，R-fsumlsum2sum3sum4sum5]。根据Ⅳ=1000时的仿真结果，对关键度和关键路径进行了统计，统计结果如表2所示。表2关键度仿真结果由表2可知，路径2的关键度达到0．793．关键路径稳定，因此路径2为该项目的关键路径。3进度仿真模型的检验与分析模型仿真结果的检验分为正态分布性检验和精度检验两部分，采用正态分布性检验可以验证抽样结果的有效性：精度检验则是对训练结果的精度进行检验，进一步验证模型是否成珊s1。3．1正态分布性验证由大数定律及中心极限定理可知，当样本充分大时随机数(包括随机数的加和)是符合正态分布的，而经过仿真得到1000个施工工期是在符合三角分布的概率模型下，经随机数产生的观测值。所以，可以通过对观测值的正态分布性检验来实现对模型结果的随机抽样检验。通过卡方检验可知，仿真工期符合抽样的正态分布规律。2014$3搠(5一)第3Z蹇辛荭救求177\n器管理论坛ManagementForum3．2训练精度检验将样本数据按照前述参数设置对模型进行训练，在1000个仿真结果中抽取4组数据作为检验样本(每组30个数据，并且所选取的样本中包含最大值和最小值)，计算其相对误差，如图4所示。数据编号图44组检验样本实测值与模型输出值对比图4组检验样本的相对误差范围为一6．88％～0．98％。预测误差在可接受的范围内。因此，模型训练成功，可以满足实际应用的要求。4模型应用经过验证，施工进度仿真模型可以有效预测该污水厂施工工期，实现实时控制，保证施工系统稳定、高效地运行，其在污水厂建设过程中的其他应用主要体现在以下几个方面：1)招投标工期预测：在招投标前，通过模型预测污水厂施工工期，保障招投标过程中的安全性。为决策初期提供判断依据。2)进度计划的制定及修正：根据模型获得的仿真工期，指导进度计划的制定或者对已经制定好的进度计划进行修正，从而使污水厂建设的进度计划更合理、更符合实际。3)施工进度实时控制：通过模型预测结果检查进度控制是否存在较大偏差，若存在较大偏差则可及时调整进度计划，保证工程正常完工。5结论污水厂建设项目的施工过程是一个规模庞大、结构复杂、风险大、随机性大、集成化、一体化的动态系统。由于人们对复杂施工系统的认识受到条件限制．传统机理模型在实际应用中的效果并不理想。而仿真模型具有适应性强、精度高以及逻辑功能强等特点，因此笔者从系统理论观点出发，采用蒙特卡洛仿真和关键路径仿真相结合的方法构建进度仿真模型，实现工期的合理预测，以保证施工系统的稳定、高效运行。≥参考文献：[1]丁士昭．建设工程施工管理[M】．3版．北京：中国建筑T业出版社．2012：122—145．[2]薛定宇，陈阳泉．基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术与应用『M]．北京：清华大学出版社，2006：283—284．『31王翔．蒙特卡洛仿真在TD—SCDMA数据网管项目进度管理中的应用[D]．上海：上海交通大学，2008：10—21．f4]聂洪磊．基于关键路径挣值法的工程项目进度与成本集成控制研究【D]．西安：西安建筑科技大学，2008：4—17．[5]卞蕾．污水厂建设项目进度仿真模型和进度一费用联合控制模型构建的研究[D】．青岛：青岛理工大学，2013：30_42．收稿日期：2014—01—05作者简介：李菲，女，在读硕士研究生，主要研究方向为水环境系统分析。(上接第174页)但规费、税金不下浮。因此该项目重新组价为80．6元。3．3费率的审核在造价审核中．费率审核的依据主要有当地主管部门颁发的文件和规定，以及施工合同、招投标书等。审核时应注意取费文件的时效性，执行的取费表是否与工程性质相符，费率计算是否正确，材料价差调整是否符合规定等，对于那些费率下浮或总价下浮的工程．则更要注意变更或新增项目是否同比下浮等。4结语市政道路工程在结算阶段，难免会Ⅲ现各种各样的问题，这就需要我们坚持不断地学习、总结，综合运用项目管理、施工技术和工程造价等各种知识，才能178啼荭投术2014No．3(May)V01．32有效地解决这些问题。做好造价的审核工作，同时也为其他工程项目的造价控制积累宝贵的经验。≯蠹蔓参考文献：【1】住房与城乡建设部标准定额研究所，四川省建设工程造价管理总站．GB50500—2008建设工程工程量清单计价规定【S】．北京：中国计划出版社，2008．[2]贾宏俊，袁大祥．建设工程技术与计量【M】．北京：中国计划出版社，2009：296．[3]柯洪．工程造价计价与控制[M]．北京：中国计划出版社，2009：207-208．收稿日期：2014—01—03作者简介：段汉卿，男，工程师，学士，主要从事公路及市政工程预、结算造价的编制和审核工作。