土木工程施工系统的优化决策方法探讨

摘要：通过对现有优化决策理论以及土木工程施工系统的深入分析，提出了适用于土木工程施工的综合模拟与优化决策研究方法，并结合土木工程施工特点进行可行性分析。

关键词：土木工程，施工，系统，优化决策

引言

奥地利著名生物学家L・贝塔兰菲（Ludwig Von Bertalanffy）在《一般系统论中》首次提出了“系统”的概念，我国著名科学家钱学森教授，在其著作《论系统工程》一书中对系统进行了定义：“把极其复杂的研制对象称为‘系统’，即由相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大的系统的组成部分”。土木工程具有多种功能，由多种建筑物组成，结构复杂，涉及因素多，影响范围广，后果影响大，建设周期长，投资额大，是一个非常复杂的人造大系统。土木工程施工是一种创造性的生产活动，它是设计的概念系统向实体系统转变的过程，是改变自然系统的原有状态为人类所需状态的过程；是一个复杂的生产系统。组织、管理、运行这一生产系统是一项系统工程，怎样更好的组织、管理、运行这一生产系统既是研究施工活动的优化决策问题。

常用优化决策的理论及方法

大系统理论

大系统理论是研究复杂系统的一项重要理论。大系统分解协调方法是基于此理论的主要方法之一，它是将复杂的大系统分解为若干简单的子系统，实现子系统局部最优化，然后根据大系统的总任务和总目标，使各子系统互相配合，实现全局最优化。

模拟技术

模拟也叫仿真（Simulation），是将所研究的对象简化成数学模型或逻辑模型，通过计算机加以模仿的技术。只要提供系统的必要输入，即可生成系统对输入的响应，从而揭示系统的运行规律。模拟技术可以通过对系统时间的推进，模拟模型的运行过程，计算出不同条件下的模拟结果，但是它不是优化方法，不能直接产生模拟对象的最优成果。

最优化方法

最优化方法是使用一个包括目标函数和约束条件的简化的数学模型，可以直接求解最优决策。目前常采用的优化方法有线性规划法、非线性规划法、动态规划法、随机规划法、多目标决策技术等。

其它新兴方法

随着各方面科学的发展，近年来在最优决策领域有形成了一些新的方法。包括：模糊决策方法、人工神经网络法、模糊神经网络法、遗传算法、遗传规划法、网络流规划法、耦合法、对策论、存贮论、排队论、灰色理论等等。

无论什么方法都有自己的优点和长处，同时有自己的缺点和不足。对于研究不同系统的最优决策问题，首先要研究被研究系统的特性，然后才能决定采用什么样的方法。一般来说复杂的系统选用单一的方法很难解决问题，或者需要对系统进行很大的简化才能实现使用单一方法进行优化决策，然而得出的结论往往不尽如人意。

土木工程施工系统的特性

土木工程都是建造在特定的空间地理位置上的，其建筑物、构筑物都是固定的，而施工中的物流、人流、资金流就必然是围绕土木工程进行流动的，包括时间和空间的流动；任何两个土木工程可能在某些方面有相同之处，但不可能是完全相同的，每个项目都有其特殊性，所以土木工程的生产过程不可能是重复的和批量的，管理上也不可能有一个统一的标准模式；土木工程的实施都是分阶段的，各个阶段的工作内容也不尽相同；土木工程施工都在天然地基上露天作业，受自然因素影响和制约，也受材料供应、机械设备供应、资金的周转和供应，以及设计变更、施工中发现新问题等等诸多因素的影响和制约。

土木工程施工系统一般为离散的随机性系统。离散型系统是指：系统状态在有限的时间点发生跳跃性的变化，即符合有限状态机原理。随机性系统是指：在给定的条件和活动下，整个施工系统从一个状态转换到下一个状态的时间和结果往往是不确定的，带有很大的随机性。但是，可以遵循某种统计规律，运用数理统计和随机过程理论进行研究。有时为研究方便，在特定条件下可以把随机系统经一定的处理后当作确定性系统来研究。

土木工程施工系统优化决策方法探讨

优化决策方法分析

针对土木工程施工系统，应用某一单一的方法来研究是行不通的，需要寻找和组合一系列的理论和方法来研究才能取得和好的效果。

通过对土木工程施工系统特性和优化决策方法的研究，针对系统的庞大和复杂性应该应用大系统的理论来从总体上着眼，用分解协调的方法来分解优化整体协调寻求最优；针对系统的随机性应该引入概率论与数理统计理论、随机过程理论进行研究；针对系统的离散性和复杂性很难直接建立优化的数学模型的特点应该引入模拟的方法，模拟出不同条件下的不同结果，对模拟的结果和小的容易建模的子系统运用系统工程的最优方法来寻优；针对系统运行中的排队现象，应该引入排队理论来解决；针对系统中需要循环施工特性应该引入循环模拟的方法；针对需要实时控制系统的运行要引入控制理论来实现。

多种理论耦合的优化决策方法

模拟方法选用结合循环运行网络理论、排队理论、概率论与数理统计理论、随机过程理论的随机循环运行网络模拟技术；优化方法选用多目标决策进行优化。优化决策研究方法如下：

应用大系统的理论来从总体上着眼，运用分解协调方法建立循环运行网络模拟模型，在计算机上模拟所有可能条件下的系统结果，对结果进行灵敏度分析寻找出可行的有限个相对较优的施工方案，用多目标决策方法优化出最优的决策方案。在系统运行中需要进行实时控制和优化，要运用控制理论编制随机循环运行网络模拟的模拟程序，来控制模拟和施工过程，实时调整实际施工方案，以使实际施工接近实时最优的理想目标。运用现代项目管理的方法对优化的工程施工方案的实施进行管理。

模拟实验方案

根据具体土木工程施工系统的组成，用分解协调的方法建立起随机循环运行网络模拟模型后要进行模拟实验。模拟不同的方案分析模拟结果，根据结果分析，以保证模拟结果的正确性和方便对结果进行分析为原则，来改进模型，改进算法。反复试验分析最终确定模拟模型和模拟算法。模型和算法确定后要对不同方案进行模拟试验，并分别进行灵敏度分析，实现初步优化，得到待选方案组。

可行性分析

循环运行网络理论是应用于处理复杂循环过程的一项先进的技术。模拟技术是一种把实际复杂系统抽象成数理模型或逻辑模型模拟整个系统过程的技术。大系统理论和系统工程优化方法是解决系统最优问题的具体理论和方法。这三种理论各自都有悠久的历史，并且有很多成熟的应用，但是他们又都有着各自的不可克服的缺点。

循环运行网络的研究起始于对图论的研究，通过图示可以建立循环过程的模型，但不能控制模型的运行，很难得出模型的运行结果。计算机模拟技术可以通过对系统时间的推进，模拟模型的运行过程，计算出不同条件下的模拟结果，但是它不是优化方法，不能寻优。大系统理论是解决复杂问题的思想方法，但是解决具体问题还需要具体的求解方法。系统工程优化方法是数学优化方法，但是遇到复杂的循环往复的实际工程系统它很难做出模型去寻优，即使做出了模型也不能很好的反映实际系统。

然而，这几种理论和技术结合到一起，取长补短就可以很好的应用于工程实际，解决复杂循环施工系统的优化问题。并且可以对实际施工进行实时的和可视化的控制。从而解决了应用单一理论的不可行性。

随着计算机软硬件技术的飞速发展，计算机的功能和运算速度有了长足的发展，这对模拟技术的小步长、大规模的模拟运算提供了保证。计算机的数据库技术、矩阵运算技术解决了大规模数据的存储和运算的难题。计算机图形学提供了对科学计算的可视化技术，它可以对整个系统的模拟过程进行动态可视化仿真，对模型的模拟试验提供了有力的支持。先进的软件系统减轻了编写底层程序代码的大量工作。

综合以上对理论和技术的具体分析，多种理论耦合的优化决策方法是可行的，也是有效的。

结束语

针对不同施工系统选定优化决策方案时要根据具体的工程实际情况分析研究，本文所提到的多种理论相互耦合取长补短的优化决策思想是目前土木工程施工系统优化决策研究的先进的思想方法。三峡工程二期混凝土大坝浇筑开发了计算机模拟系统，可以对各种技术措施进行定量分析，快速比较多种浇筑方案，对混凝土施工进行各种因素的敏感性分析，对工程进度进行实时控制，还可对浇筑过程进行三维动态显示。近年来在全国一些重点工程如龙滩、二滩、三峡、溪洛渡、糯扎渡、拉西瓦等土木工程的坝体工程、地下隧洞工程的施工方案进行过模拟优化的研究，并提出了大量有益的建议和指导。本课题组将本文所提及的该理论，应用于辽宁省某大型引水工程，对施工系统进行了模拟优化，取得了很好的效益。如果工程中能真正的把多种理论耦合到一起，在工程的各个阶段都进行相应的优化决策研究，将会大大提高工程建设领域决策和管理的科学性。

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