4 Введение
Актуальность темы. В условиях динамичности современного строительного производства, применения новых прогрессивных технологий, значительно возросли требования к организации проектных работ.
Было выявлено первостепенное влияние на деятельность строительных предприятий качества проектных решений, которые во многом предопределяют возможность применения эффективных технологических процессов. Наряду с себестоимостью строительно-монтажных работ и продолжительностью строительства на стадии проектирования формируется основной показатель деятельности строительных предприятий — уровень производительности труда.
Исследования, проведенные А.А. Русаковым и его школой, показывают, что до 85 % затрат на выполнение строительно-монтажных работ по возведению объекта формируются в процессе проектирования. В тоже время анализ структуры сметной стоимости строительно-монтажных работ показал, что около 60 % затрат зависят от принимаемых проектных решений.
Таким образом, на стадии проектирования закладываются реальные предпосылки успешной реализации планов по возведению конкретного объекта и его стоимостные характеристики.
Вопросы формирования планов проектных работ относятся к сфере организационно-технологического управления, включающий технологию проектирования, состав проектируемых элементов, формирование нормативной базы на элементы этой технологии и применение информационных технологий для автоматизации и оптимизации соответствующих расчетов. В то же время проблемы мотивации (стимулирование сокращения сроков работ), обеспечение достоверности представляемых данных и т.д. относятся к сфере экономических механизмов управления.
Следовательно, актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью разработки эффективных моделей оптимизации пла-
5
нов проектных работ, позволяющих сократить сроки и, как следствие этого, повысить качество проектирования.
Основные исследования, получившие отражение в диссертации, выполнялись по планам научно-исследовательских работ:
- МНТП «Архитектура и строительство» 2001 -2002 г.г.- №5.15;
- федеральная комплексная программа «Исследование и разработки по приоритетным направлениям науки и техники гражданского назначения»;
- грант РФФИ «Гуманитарные науки» «Разработка оптимизационных моделей управления распределением инвестиций на предприятии по видам деятельности» № Г00-3.3-306.
Цель и постановка задач исследования. Целью диссертации является разработка
Достижение цели работы потребовало решения следующих основных задач:
1. Найти оптимальное размещение единиц проектирование во времени.
2. Определение набора работ, передаваемых субподрядным организациям.
3. Оптимальное размещение работ между подразделениями проектной организации
4. Задача совмещения проектных работ при различных свойствах функции продолжительности и различных критериев оптимизации.
5. Разработать алгоритм определения минимальной продолжительности проекта, обобщающий известный алгоритм определения критического пути в случае жестких зависимостей
6. Построить алгоритм решения задача минимизации стоимости проекта при сокращении его продолжительности за счет совмещения работ.
Методы исследования. В работы использованы методы моделирования организационных систем управления, системного анализа, математического программирования, теории игр.
6
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. модель оптимального размещения единиц проектирование во времени.
2. модель определения набора работ, передаваемых субподрядным организациям.
3. модель оптимального размещения работ между подразделениями проектной организации
4. модели совмещения проектных работ при различных свойствах функции продолжительности и различных критериев оптимизации.
5. алгоритм определения минимальной продолжительности проекта, обобщающий известный алгоритм определения критического пути в случае жестких зависимостей
6. алгоритм решения задача минимизации стоимости проекта при сокращении его продолжительности за счет совмещения работ.
Достоверность научных результатов. Научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, включенные в диссертацию, обоснованы математическими доказательствами. Они подтверждены расчетами на примерах, производственными экспериментами и многократной проверкой при внедрении в практику управления.
Практическая значимость и результаты внедрения. На основании выполненных автором исследований разработаны модели и алгоритмы позволяющие получать оптимальное распределение объемов проектных работ с минимизацией перегрузки задействованных ресурсов.
Использование разработанных в диссертации моделей и механизмов позволяет многократно применять разработки, тиражировать их и осуществлять их массовое внедрение с существенным сокращением продолжительности трудозатрат и средств.
Разработанные модели используются в практике реализации строительных проектов в корпорации «Воронеж-Дом» и Воронежском домостроительном комбинате.
7
Модели и алгоритмы, разработанные в диссертационной работе, включены в состав учебных курсов и дисциплин: «Управление проектами», «Организационно-технологическое проектирование», читаемых в Воронежском государственном архитектурно - строительном университете.
На защиту выносятся;
1. модель оптимального размещения единиц проектирование во времени.
2. модель определения набора работ, передаваемых субподрядным организациям.
3. модель оптимального размещения работ между подразделениями проектной организации
4. модели совмещения проектных работ при различных свойствах функции продолжительности и различных критериев оптимизации.
5. алгоритм определения минимальной продолжительности проекта, обобщающий известный алгоритм определения критического пути в случае жестких зависимостей
6. алгоритм решения задача минимизации стоимости проекта при сокращении его продолжительности за счет совмещения работ.
Апробация работы.
Материалы диссертации, ее основные положения и результаты доложены и обсуждены на международных и республиканских конференциях, симпозиумах и научных совещаниях в 2002-2005гг, в том числе: 1-й Международной конференции по проблемам строительства и энергетики (Тула, 2002 г), Международной научно-технической конференции по теории активных систем (ИПУ РАН, г. Москва 2003 г), Научно-технической отраслевой конференции «Системы автоматизированного управления производствами, предприятиями и организациями горнометаллургического комплекса (Старый Оскол, 2003 г), Международной конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий» (Москва-Сочи, 2003 г.), Международной конференции «Совре-
менные сложные системы управления» (Воронеж, 2003 г.; Тверь, 2004 г.; Тула, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, состоит в следующем: В работах [5], [8], [11] автору принадлежит модель опти-мального размещения единиц проектирование во времени; в работах [6], [8], [9] автору принадлежит модель определения набора работ, передаваемых субподрядным организациям; в работах [1], [8], [12] автору принадлежит модель оптимального размещения работ между подразделениями проектной организации; в работе [2], [3], [8] автору принадлежит модели совмещения проектных работ при различных свойствах функции продолжительности и различных критериев оптимизации; в работах [7], [8], [10] автору принадлежит алгоритм определения минимальной продолжительности проекта, обобщающий известный алгоритм определения критического пути в случае жестких зависимостей; в работах [4], [8] автору принадлежат алгоритм решения зада- ча минимизации стоимости проекта при сокращении его продолжительности за счет совмещения работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 149 страниц основного текста, 61 рисунков, 11 таблиц и 3 приложения. Библиография включает 195 наименований.
Во введении обосновывается актуальность, описывается цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость.
В первой главе дается описание методологии и основных понятий планирования проектных работ. Организационно-технологическое управле- ние проектными работами осуществляется на основе следующих исходных материалов: нормативно-справочная информация и нормативная база, представление списком подразделений и специальностей, классификатором проектных работ, описание нормативных технологических моделей, кодами и наименованиями классов работ, функциями зависимости оптимальной дли-
9
тельности работ от их объемов; исходная информация представленная перечнем позиций (объектов), по каждому заказу, индивидуальные наименования работ, описание планового периода (год, квартал, месяц), данные о состоянии выполнения работ. В результате формирующиеся планы на год и квартал, распределенные по головным исполнителям проекта, планы отделов на квартал, план загрузки подразделений и специальностей, отчет о выполнении, диспетчерские графики.
Традиционное управление технологией и организацией проектирования использует укрупненные нормативы и нормативные расчеты.
В качестве укрупненных нормативов обычно используют «Сборник цен на проектно-изыскательские работы» и «Временные нормы продолжительности проектирования». Их используют двояко: в качестве укрупненных классификаторов выполняемых работ и в качестве нормативной основы оценки объемов работ и их распределения между подразделениями организации.
Поддержание нормативной базы предлагают осуществлять экспертной проверкой, либо путем учета фактических трудозатрат.
При первом способе каждый раз при подборе модели и привязке ее к объекту эксперты оценивают ее пригодность и при необходимости корректируют модель.
При втором подходе в процессе учета хода проектных работ учитываются и фактические трудозатраты на работы. По этим фактическим трудозатратам и фактическим продолжительностям уточняются параметры работ.
По истечении периода существенной длительности (например года) по каждому часто встретившемуся виду для всех работ решают задачу проверки гипотез: принадлежат ли все встретившиеся работы генеральной совокупности с одним средним и дисперсией или имеет место сочетание двух таких совокупностей или более.
Если статистические критерии показывают на значимую вероятность второй гипотезы, эксперты рассматривают фактические данные и делают
10
окончательный вывод о количестве типов работ. Если их два, то исходная модель расщепляется на две, в каждой из которых присутствует лишь один тип оцениваемой работы. Одновременно пополняется номенклатура работ и результатов.
Такой процесс обеспечивает сохранение адекватности системы моделей структуре проектных работ организации.
Рассмотрим ряд постановок задач оптимального планирования проектных работ. Задача 1. Оптимальное размещение единиц проектирования во времени
Примем, что проект состоит из п единиц проектирования (проектных работ или далее, просто работ). Технология проектирования (необходимая очередность выполнения работ) задана сетевым графиком, вершины которого соответствуют работам, а дуги - зависимостям между работами. Для каждой работы определены ранние допустимые сроки начала, поздние допустимые сроки окончания и продолжительность работы. Кроме того, для каждой работы задан график потребности в ресурсах относительно начала работы. Предполагая также, что задан вектор наличия ресурсов, определяемый на всем горизонте планирования. Требуется определить календарный план выполнения проектных работ в заданные сроки так, чтобы минимизировать перегрузку ресурсов. В такой постановке задача относится к классу NP - трудных задач и не имеет эффективных методов решения. Задача 2. Оптимальная передача на субподряд.
Если перегрузка ресурсов недопустимо велика, то естественно снизить ее за счет передачи части работ на субподряд. Задача заключается в определении множества работ, передаваемых на субподряд, такого, что стоимость субподрядных работ, была минимальной. Другими слова, требуется минимизировать затраты на субподрядные работы при условии что остальные работы могут быть выполнены своими силами без перегрузки ресурсов (либо при допустимой перегрузке ресурсов).
11
Задача 3. Оптимальное распределение работ между подразделениями проектной организации
Данная задача возникает в том случае, когда в организации имеется несколько подразделений, располагающих мощностями ресурсов одного вида. Требуется распределить проектные работы одного вида между подразделениями, так чтобы обеспечить максимально равномерную загрузку всех подразделений. Задача 4. Совмещение проектных и строительных работ
Совмещение работ, то есть параллельное выполнение работ, связанных технологической зависимостью, производятся с целью сокращения продолжительности всего проекта. Однако такое совмещение приводит как правило к увеличению продолжительности совмещаемой работы, поскольку зачастую приходится переделывать проект, либо к увеличению затрат по той же причине. Частным случаем совмещения работ является так называемые мягкие зависимости между работами (зависимость рекомендательного типа) исследованные в работах Буркова В.Н., Колпачева В.Н, Перелыгина А.Л. и др. Такие зависимости могут нарушаться, но их нарушение приводит к росту продолжительности и (или) затрат. В общем случае совмещение может быть частичным (например, 0,5 объема работы выполняются параллельно с другой работы).
Во второй главе рассмотрены постановки задач распределения ресурсов, следуя работе [1]. При этом предполагается, что проект описан в виде комплекса работ в определенными зависимостями между ними. Зависимости между работами отображаются в виде сетевого графика (сети).
Существуют два способа изображения работ в сетевом графике. В первом способе работы изображаются в виде вершин сети, а зависимости между работами - в виде дуг сети. Во втором способе вершины сети соответствуют событиям сети, то есть моментам завершения одной или нескольких работ, а дуги - работам сети, при этом, для отображения всех требуемых взаимосвязей иногда приходится вводить дуги специального вида - фиктивные работы
12
(можно считать, что такие дуги соответствуют работам нулевой продолжительности, не требующим ресурсов).
В третьей главе рассматриваются возможные методы решения поставленных задач оптимального планирования проектных работ.
Рассмотрим сначала случай независимых проектных работ. В этом случае задача решается отдельно для каждого вида проектных работ. Пусть ограничение отсутствует, то есть при наличии ресурсов каждая работа может быть выполнена в одном интервале. В этом случае существует простое правило оптимального распределения ресурсов:
Правило Л. В первую очередь начинаются работы с минимальными поздними сроками окончания.
Рассматривается обобщение алгоритма на случай произвольного сетевого графика и определение рационального объема работ, передаваемых на субподряд.
Совмещение проектных работ, то есть их частично параллельное выполнение позволяет в ряде случаев сократить продолжительность проектирования. Однако, имеются и отрицательные последствия совмещения работ. Во-первых, уменьшение срока завершения работы за счет более раннего ее начала может не дать эффекта, и может привести даже к увеличению срока завершения по причине увеличения продолжительности работы.
Действительно, нарушение технологии проектирования может привести к необходимости вносить изменения в уже проделанную работу, не позволят в полной мере воспользоваться результатами предыдущих работ. Во-вторых, совмещение работ может привести к росту стоимости проектных работ. Рассмотрим ряд задач оптимального совмещения проектных работ.
В четвертой главе рассматривается методы интенсификации проектных работ в строительстве. На основе результатов главы 3 решена задача оптимизации распределения усилий проектной организации, определены объемы работ, которые целесообразно передавать на субподряд.
13
ГЛАВА I
ЗАДАЧИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ ПРИ
ВЫПОЛНЕНИИ ПРОЕКТНЫХ РАБОТ
1.1. Основные понятия и определения
Вопросы формирования планов проектных работ относятся в сфере организационно-технологического управления, включающий технологию проектирования, состав проектируемых элементов, формирование нормативной базы на элементы этой технологии и применение информационных технологий для автоматизации и оптимизации соответствующих расчетов. В то же время проблемы мотивации (стимулирование сокращения сроков работ), обеспечение достоверности представляемых данных и т.д. относятся к сфере экономических механизмов управления [27].
Организационно-технологическое управление происходит на основе следующих исходных материалов [22]: нормативно-справочная информация и нормативная база, представление списком подразделений и специальностей, классификатором проектных работ, описание нормативных технологических моделей, кодами и наименованиями классов работ, функциями зависимости оптимальной длительности работ от их объемов; исходная информация представленная перечнем позиций (объектов), по каждому заказу, индивидуальные наименования работ, описание планового периода (год, квартал, месяц), данные о состоянии выполнения работ.
В результате формирующиеся планы на год и квартал, распределенные по головным исполнителям проекта, планы отделов на квартал, план загрузки подразделений и специальностей, отчет о выполнении, диспетчерские графики.
Традиционное управление технологией и организацией проектирования используют укрупненные нормативы и нормативные расчеты.
В качестве укрупненных нормативов обычно используют «Сборник цен на проектно-изыскательские работы» и «Временные нормы продолжительности проектирования». Их используют двояко: в качестве укрупненных
14
классификаторов выполняемых работ и в качестве нормативной основы оценки объемов работ и их распределения между подразделениями организации.
При традиционном планировании проектных работ для нормативных расчетов используют обычно приближенные зависимости вида
Cjk=ctjk-Ck
С =В -М
где Ck - сметная стоимость проектирования единицы проектирования категории к;
а .к - доля ресурса j в стоимости проектирования категории к;
Cjk - объем (в стоимостном выражении), выполняемый ресурсом j по
единице проектирования к;
Мj - затраты труда ресурса j;
Bj - выработка ресурса j, измеряемая отношением объема работ в стоимостном выражении к соответствующим трудозатратам;
Cj - объем работ (в стоимостном выражении), выполняемый ресурсом j.
Совершенствование нормативной базы и нормативных расчетов является одним из определяющих факторов экономической эффективности проектных организаций, поскольку они определяют уровень технологической проработок проектирования.
Можно выделить следующие системы нормирования: построение типовых номенклатур и структуризация единиц проектирования и единиц ресурса, построение норм затрат видов ресурса на единицу продукции и построение нормативного описания технологии проектирования.
Понятие нормы включает измерение затрат ресурса на единицу продукции. Нормированию предшествует обычно та или иная классификация и определенная система понятий и терминов. Ниже будет использоваться общие термины [27].
15
Термины для результатов. К результатам здесь относятся единица проектирования на верхнем уровне, часть раздела проекта и передел на нижнем.
Под единицей проектирования понимается выделяемая по инженерно-техническим, планово-экономическим, организационно-технологическим и функциональным критериям единица, проектирование которой осуществляется по установленной в проектной организации технологии.
Более мелкими единицами являются разделы проекта, части проекта, переделы, характеризуемые марками и их комплектами.
При автоматизации управления необходима разработка типовой номенклатуры ЧАСТЕЙ разделов проекта, которая может быть основана либо на выделении типовых комплектов марок проектной документации, разрабатываемых без обмена информацией одним исполнителем или целиком передаваемым на субподряд, либо на выделении работ, выполняемых единицами ресурса (специальностями).
'^ Номенклатура частей проекта соответствует основным типовым ком-
плектам марок проектной продукции, характерной для данной организации.
Передел - этап в процессе проектирования, характеризуемый передачей результата работ одной группы исполнителей другой.
Типовая номенклатура событий (технологических переделов) в отдельных проектных организациях регламентирована нормами технологии проектирования, которые определяют форму и состав заданий на проектирование.
Примерами единиц проектирования являются предприятие, проект, производство (составные), объект (элементарная единица).
Четкого определения классов единиц обычно не приводится, и едва ли •' это возможно. Однако специфика отрасли и сложившаяся практика планиро-
вания проектных работ делают содержательные определения разработчиков понятными для пользователей.
Единицы ресурса. Среди единиц ресурса выделяют подразделение, специальность и исполнителя.
16
Подразделение - структурно выделенная в пределах организации единица, относительно самостоятельно осуществляющая планирование и управление выполняемыми работами. Такими единицами являются отделы, мастерские и иные подразделения.
Специальность - группа исполнителей, специализирующаяся на вы-полнении определенного вида работ.
Исполнитель - отдельный работник.
Единицы процесса. Единица процесса обычно именуется работой.
Работа - часть процесса проектирования, выполняемая единым составом исполнителей и имеющая фиксируемые во времени начало и конец.
Поддержание нормативной базы
Поддержание нормативной базы предлагают осуществлять экспертной проверкой, либо путем учета фактических трудозатрат.
При первом способе каждый раз при подборе модели и привязке ее к объекту эксперты оценивают ее пригодность и при необходимости корректи-{? руют модель.
При втором подходе в процессе учета хода проектных работ учитываются и фактические трудозатраты на работы. По этим фактическим трудозатратам и фактическим продолжительностям уточняются параметры работ.
По истечении периода существенной длительности (например года) по каждому часто встретившемуся виду для всех работ решают задачу проверки гипотез: принадлежат ли все встретившиеся работы генеральной совокупности с одним средним и дисперсией или имеет место сочетание двух таких совокупностей или более.
Если статистические критерии показывают на значимую вероятность '•' второй гипотезы, эксперты рассматривают фактические данные и делают
окончательный вывод о количестве типов работ. Если их два, то исходная модель расщепляется на две, в каждой из которых присутствует лишь один тип оцениваемой работы. Одновременно пополняется номенклатура работ и результатов.
17
Такой процесс обеспечивает сохранение адекватности системы моделей структуре проектных работ организации.
1.2. Постановка проблемно-ориентированных задач
Рассмотрим ряд постановок задач оптимального планирования проектных работ [27]. Задача 1. Оптимальное размещение единиц проектирования во времени
Примем, что проект состоит из п единиц проектирования (проектных работ или далее, просто работ). Технология проектирования (необходимая очередность выполнения работ) задана сетевым графиком, вершины которого соответствуют работам, а дуги - зависимостям между работами. Для каждой работы определены ранние допустимые сроки начала а,, поздние допустимые сроки окончания Ь, и продолжительность работы т,. Очевидно,
т.^Ь.-а,
Кроме того, для каждой работы задан график {qj.} потребности в ресурсах относительно начала работы, то есть t" <>tш (m - число видов ресурсов) определяемый на всем горизонте планирования. Требуется определить календарный план выполнения проектных работ в заданные сроки так, чтобы минимизировать перегрузку ресурсов. В такой постановке задача относится к классу NP - трудных задач и не имеет эффективных методов решения.
Мы представили эту задачу в более простом виде, учитывая определенную гибкость назначения исполнителей на работы. А именно, примем, что плановый период разбит на Т интервалов определенной длины А (недели, месяцы, кварталы и т.д.)
Обозначим R, - множество интервалов в которых может выполняться работа i, P8 - множество работ, которые могут выполняться в s-ом интервале. Заданы ограничения Qtj на объем проектных работ каждого вида в каждом |
