基于知識(shí)系統(tǒng)的施工進(jìn)度自動(dòng)安排

基于知識(shí)系統(tǒng)的施工進(jìn)度自動(dòng)安排進(jìn)度計(jì)劃是影響項(xiàng)目實(shí)施的一個(gè)重要因素，合理的進(jìn)度安排為項(xiàng)目進(jìn)度控制提供依據(jù)，并且有利于項(xiàng)目成本控制和質(zhì)量控制。

進(jìn)度安排需要考慮大量的約束條件，如工作面、機(jī)械設(shè)備、勞動(dòng)力、工作方法、工作效率、成本等，在大量的工程進(jìn)度安排實(shí)例中最常用的是經(jīng)驗(yàn)和直覺。

如果進(jìn)度安排不合理，則對(duì)工程的指導(dǎo)作用降低，導(dǎo)致拖期、資源安排不合理和成本增加。

如果要編制比較合理的進(jìn)度計(jì)劃，則必須考慮不同約束條件，進(jìn)行大量的工程量計(jì)算、持續(xù)時(shí)間計(jì)算、資源需求量計(jì)算，導(dǎo)致進(jìn)度計(jì)劃編制周期增加。

近年來，隨著人工智能(Artificial

Intelligent，AI)技術(shù)的迅速發(fā)展，為施工進(jìn)度計(jì)劃的自動(dòng)安排創(chuàng)造了條件。施工進(jìn)度自動(dòng)安排是建筑、工程和施工(Architecture，Engineering，and

Construction，AEC)并行工程技術(shù)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)度安排所需的數(shù)據(jù)可與CAD（computer

aided

design）接口。

施工進(jìn)度自動(dòng)安排一直是研究的熱點(diǎn)，例如，Morad

和Beliveau

提出KNOW－PLAN專家系統(tǒng)，利用三維計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生所需的輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)度安排。

Zozaya2Gorosti2

za

等開發(fā)CONSTRUCION

PLANEX專家系統(tǒng)，計(jì)算項(xiàng)目的成本和進(jìn)度安排。Thabet和Beliveau開發(fā)SCaRC專家系統(tǒng)，對(duì)空間約束和資源約束條件下的項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行自動(dòng)安排。利用計(jì)算機(jī)輔助施工(computer

integrated

construction)

可以加快工程施工進(jìn)度，降低工程施工成本。筆者基于知識(shí)系統(tǒng)(

knowledge2based

system，KBS)，提出適合于施工進(jìn)度自動(dòng)安排的新方法。

轉(zhuǎn)自項(xiàng)目管理者聯(lián)盟1系統(tǒng)模型基于知識(shí)的專家系統(tǒng)(

knowledge－based

expert

system，KBES)

作為人工智能技術(shù)的一個(gè)分支，廣泛應(yīng)用于各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域[4]。使用KBES

技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)度安排自動(dòng)化，使計(jì)劃員從繁雜的工程活動(dòng)分類及其工程量和持續(xù)時(shí)間計(jì)算、工程進(jìn)度計(jì)劃安排和調(diào)整等工作中解脫，可以自動(dòng)生成高質(zhì)量的進(jìn)度計(jì)劃。

本文模型的核心是基于知識(shí)的系統(tǒng)和進(jìn)度生成系統(tǒng)，此外還包括輸入輸出系統(tǒng)。系統(tǒng)模型原理圖見圖1。

本文模型的知識(shí)系統(tǒng)由項(xiàng)目分解、活動(dòng)分類、工期定額庫和工程經(jīng)驗(yàn)等組成。項(xiàng)目分解是將項(xiàng)目自上而下逐層分解，例如一個(gè)建設(shè)項(xiàng)目一般可以分解為單項(xiàng)工程、單位工程、分部工程、分項(xiàng)工程和工序活動(dòng)等幾個(gè)層次。項(xiàng)目分解的層次與進(jìn)度計(jì)劃類型和項(xiàng)目復(fù)雜程度有關(guān)

。對(duì)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)度安排采用子網(wǎng)絡(luò)和子工程進(jìn)度就可以使總進(jìn)度計(jì)劃簡潔、易于理解。

項(xiàng)目經(jīng)理圈子活動(dòng)分類就是以不同的類表示工作活動(dòng)，類的層級(jí)與項(xiàng)目分解的層級(jí)相一致。

同一類和不同類的工作活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系由類與類之間的關(guān)系推導(dǎo)而來。

工期定額庫體現(xiàn)了社會(huì)平均生成水平。勞動(dòng)生成效率主要與生產(chǎn)方式(手工或機(jī)械)

相關(guān)，建筑行業(yè)仍然是勞動(dòng)密集型行業(yè)，手工生產(chǎn)占有較大比重，因此，在計(jì)算工作的持續(xù)時(shí)間時(shí)以手工生產(chǎn)為主。工作的持續(xù)時(shí)間與工程量、勞動(dòng)生產(chǎn)效率和勞動(dòng)力數(shù)量等有關(guān):

Di

=

Qi/

SRi

（1）

式中:Di

為工作活動(dòng)i

的持續(xù)時(shí)間；

Qi

為工作活動(dòng)i的工程量；

S

為每一工作日(或臺(tái)班)的產(chǎn)量；Ri

為工作活動(dòng)i

所需要的勞動(dòng)力數(shù)量(或機(jī)械臺(tái)班數(shù))

。工作持續(xù)時(shí)間計(jì)算的前提條件是工程活動(dòng)的分解和整合，在同一工程項(xiàng)目中建立統(tǒng)一的工程分解原則。因?yàn)榫C合性強(qiáng)的工作可以分解為許多子工作，而子工作也可以使用上式計(jì)算其持續(xù)時(shí)間。工程經(jīng)驗(yàn)是大量工程實(shí)踐的總結(jié)。工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)確定工作活動(dòng)分類、工作活動(dòng)的先后邏輯關(guān)系、勞動(dòng)力數(shù)量和工作的持續(xù)時(shí)間等均具有重要意義，考慮工程經(jīng)驗(yàn)可以減輕進(jìn)度生成系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目詳細(xì)數(shù)據(jù)的過度依賴，可以合理估計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，并且可以編制出更加合理的工程進(jìn)度計(jì)劃。進(jìn)度生成系統(tǒng)由進(jìn)度計(jì)劃安排、資源計(jì)劃和人工調(diào)整等組成。由知識(shí)系統(tǒng)生成的工作活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系和活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間可以自動(dòng)安排進(jìn)度計(jì)劃，以及相應(yīng)的資源需求量計(jì)劃，根據(jù)工程實(shí)際，用戶可對(duì)進(jìn)度計(jì)劃和資源安排進(jìn)行調(diào)整。施工進(jìn)度自動(dòng)安排系統(tǒng)所涉及的大量數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫形式存儲(chǔ)和讀取。

2

知識(shí)系統(tǒng)模型

項(xiàng)目經(jīng)理圈子2.

1項(xiàng)目分解結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目分解結(jié)構(gòu)是分析施工活動(dòng)相互關(guān)系的基礎(chǔ)。系統(tǒng)貯存一些常見工程項(xiàng)目的項(xiàng)目分解結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的施工活動(dòng)分類。一個(gè)典型建筑物的分解結(jié)構(gòu)和層級(jí)關(guān)系如圖2所示。

項(xiàng)目管理者聯(lián)盟文章2.2

施工活動(dòng)邏輯關(guān)系項(xiàng)目管理者聯(lián)盟施工活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系是工程進(jìn)度計(jì)劃安排的核心，受多方面因素的影響，還需要考慮施工計(jì)劃的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。施工活動(dòng)邏輯關(guān)系一般受物理關(guān)系、工藝關(guān)系、組織關(guān)系等約束。

每一施工活動(dòng)均屬于某一類，相同的類具有相同的屬性。類與類之間的關(guān)系主要有物理關(guān)系、工藝關(guān)系和組織關(guān)系。相同的類和不同的類之間的關(guān)系均可由上述三種關(guān)系來表示和推理。

2.2.1

施工活動(dòng)的物理關(guān)系約束施工活動(dòng)的物理關(guān)系主要指工程項(xiàng)目的分部分項(xiàng)工程或構(gòu)件之間的空間關(guān)系。

物理關(guān)系約束主要有三種:結(jié)構(gòu)；植入；附著。例如，不同結(jié)構(gòu)層之間為結(jié)構(gòu)關(guān)系，上一結(jié)構(gòu)層必須依靠下一結(jié)構(gòu)層；基礎(chǔ)工程與主體結(jié)構(gòu)工程之間為結(jié)構(gòu)關(guān)系；門窗、管道安裝與樓層結(jié)構(gòu)之間為植入關(guān)系；裝飾工程與樓層結(jié)構(gòu)之間為附著關(guān)系。

項(xiàng)目經(jīng)理博客2.2.2

施工活動(dòng)的工藝關(guān)系約束

項(xiàng)目經(jīng)理博客施工活動(dòng)的工藝關(guān)系主要指施工活動(dòng)工藝上的前后順序要求。例如在鋼筋混凝土施工中，工藝流程一般為:測(cè)量放線→支撐腳手架→架立模板→鋼筋綁扎→澆筑混凝土→養(yǎng)護(hù)。不同施工段之間的工序活動(dòng)關(guān)系既要考慮工藝關(guān)系約束，又要考慮空間上的物理關(guān)系約束。

項(xiàng)目管理論壇2.2.3

施工活動(dòng)的組織關(guān)系約束

項(xiàng)目管理者聯(lián)盟施工活動(dòng)的組織關(guān)系主要指施工活動(dòng)順序的主觀安排，主要涉及可平行施工的施工段的順序安排。施工活動(dòng)的組織關(guān)系可以采用約翰遜排序法優(yōu)化施工活動(dòng)的主觀順序。

項(xiàng)目管理者聯(lián)盟2.2.4

消除冗余邏輯關(guān)系

項(xiàng)目管理者聯(lián)盟施工活動(dòng)邏輯關(guān)系由上述三種關(guān)系約束推理得到后，可能存在相互矛盾的邏輯和冗余的邏輯。

針對(duì)三種關(guān)系約束，首先滿足物理關(guān)系，然后滿足工藝關(guān)系，最后考慮組織關(guān)系。

2.3施工活動(dòng)持續(xù)時(shí)間

原則上，施工活動(dòng)持續(xù)時(shí)間可按式(1)

計(jì)算。由于工程實(shí)踐經(jīng)常面臨勞動(dòng)力或施工機(jī)械設(shè)備等資源不明確條件下必須事先安排施工進(jìn)度計(jì)劃，因此即使已知工程量也可能無法按公式準(zhǔn)確計(jì)算工作的持續(xù)時(shí)間。如果不能按公式(1)

計(jì)算施工活動(dòng)持續(xù)時(shí)間，則根據(jù)工程量查詢知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫，由工程經(jīng)驗(yàn)調(diào)整。

Di

=QiKili

(2)

轉(zhuǎn)自項(xiàng)目管理者聯(lián)盟式中:

Ki

為知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫查詢得到某類工作的經(jīng)驗(yàn)勞動(dòng)效率(在通常的施工條件下)

；li

為某類工作活動(dòng)的工程量大小對(duì)工作持續(xù)時(shí)間的影響系數(shù)。如果既不能由公式(1)又不能由公式(2)

確定，則該項(xiàng)施工活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間由使用者主觀輸入。

項(xiàng)目管理者聯(lián)盟在本文系統(tǒng)中，工作活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間在總進(jìn)度計(jì)劃安排過程中還必須不斷調(diào)整。工作活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間調(diào)整的原則與工期優(yōu)化的原則類似，總體原則是持續(xù)時(shí)間長的工作，其持續(xù)時(shí)間優(yōu)先調(diào)整，時(shí)間成本較低的優(yōu)先調(diào)整，或者人為調(diào)整。通過調(diào)整工作活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間來滿足工程總工期和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)時(shí)間的要求。如果工程項(xiàng)目沒有總工期和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)時(shí)間要求，則不需要按照公式(3)

調(diào)整工作的持續(xù)時(shí)間。

項(xiàng)目管理培訓(xùn)D

ai

=

Di

J

i

(3)

項(xiàng)目管理論壇式中:

D

ai

為調(diào)整后的工作活動(dòng)i

的持續(xù)時(shí)間；Ji

為工作活動(dòng)i的持續(xù)時(shí)間的調(diào)整系數(shù)，與前后計(jì)劃時(shí)間差和各項(xiàng)工作的可調(diào)程度、經(jīng)驗(yàn)等有關(guān)。

項(xiàng)目管理者聯(lián)盟2.4

知識(shí)系統(tǒng)模型

知識(shí)系統(tǒng)模型采用產(chǎn)生式系統(tǒng)，即基于規(guī)則的系統(tǒng)，知識(shí)庫主要用于存儲(chǔ)規(guī)則，主要規(guī)則包括施工活動(dòng)邏輯關(guān)系相關(guān)規(guī)則和施工活動(dòng)持續(xù)時(shí)間相關(guān)規(guī)則兩類。

項(xiàng)目管理論壇本文系統(tǒng)施工活動(dòng)邏輯關(guān)系推理的控制策略采用正向推理法，系統(tǒng)具有較高的模塊化水平。

每一個(gè)“如果??那么??”規(guī)則相當(dāng)于一個(gè)知識(shí)塊，整個(gè)知識(shí)由許多知識(shí)塊組合而成，知識(shí)塊間的相互作用由數(shù)據(jù)庫控制。

推理的基本過程是:首先檢驗(yàn)下一條規(guī)則，如果所有的規(guī)則都已經(jīng)被試過，則推理過程就結(jié)束；否則檢查這條規(guī)則的結(jié)論是否已儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中，如果是，則跳過這條規(guī)則，否則進(jìn)一步檢查其條件部分是否都能滿足。如果某規(guī)則的所有條件都能滿足，系統(tǒng)將結(jié)論存入數(shù)據(jù)庫。施工活動(dòng)邏輯關(guān)系和持續(xù)時(shí)間推理的知識(shí)系統(tǒng)模型見圖3。項(xiàng)目經(jīng)理圈子3進(jìn)度生成系統(tǒng)進(jìn)度生成系統(tǒng)的主要根據(jù)是工作活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系和工作活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，已知邏輯關(guān)系和持續(xù)時(shí)間就能唯一地確定項(xiàng)目的進(jìn)度安排。前后兩個(gè)施工活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系主要有四種:結(jié)束—開始(finish

to

start，F(xiàn)TS)，結(jié)束—結(jié)束(finish

to

finish，F(xiàn)TF)，開始—開始(

start

to

start，STS)，開始—結(jié)束(

start

to

finish，STF)，其中以FTS

的邏輯關(guān)系最常見。進(jìn)度生成系統(tǒng)所需要的工作活動(dòng)名稱及其持續(xù)時(shí)間主要從數(shù)據(jù)庫讀取，工作活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系也從數(shù)據(jù)庫讀取。進(jìn)度生成系統(tǒng)原理見圖4。施工進(jìn)度生成系統(tǒng)首先對(duì)施工活動(dòng)邏輯關(guān)系進(jìn)行預(yù)處理，找出明顯邏輯關(guān)系錯(cuò)誤，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)庫，生成進(jìn)度安排規(guī)則。然后對(duì)施工活動(dòng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)自動(dòng)編號(hào)，整體布局節(jié)點(diǎn)位置。

根據(jù)邏輯關(guān)系和持續(xù)時(shí)間計(jì)算各施工活動(dòng)的時(shí)間參數(shù)，如最早開始時(shí)間，最早結(jié)束時(shí)間，最遲開始時(shí)間，最遲結(jié)束時(shí)間，總時(shí)差，自由時(shí)差等。工程項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃編制前一般設(shè)有總工期目標(biāo)和一些里程碑界節(jié)點(diǎn)事件的事件目標(biāo)，對(duì)比分析總工期目標(biāo)與各施工活動(dòng)的時(shí)間參數(shù)，如果存在誤差，則調(diào)整施工活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間或調(diào)整施工活動(dòng)之間的搭接時(shí)間或邏輯關(guān)系。

如果施工總工期和部分里程碑節(jié)點(diǎn)時(shí)間與限制條件一致，滿足用戶要求，則輸出結(jié)果。

項(xiàng)目經(jīng)理博客4工程實(shí)例

某高層建筑占地面積2

557

m2

，建筑面積28

110m2

，地下2

層，地上22

層，基礎(chǔ)開挖深10.40m。主要工程量為:挖土量22

862m3

，填土量2

536m3

，混凝土量20

102

m3

，模板量89

061m2

，鋼筋量3

948t。

項(xiàng)目管理者聯(lián)盟進(jìn)度安排所需工程量數(shù)據(jù)主要由相關(guān)建筑CAD

系統(tǒng)自動(dòng)輸入，局部數(shù)據(jù)采用手工輸入。

合同要求該高層建筑施工總工期為540d。根據(jù)同類工程施工經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先設(shè)定幾個(gè)里程節(jié)點(diǎn)時(shí)間:第155d，地下結(jié)構(gòu)施工結(jié)束；第324d，主體結(jié)構(gòu)封頂；第500d，門窗安裝結(jié)束。在進(jìn)度安排時(shí)還應(yīng)考慮流水施工因素，盡量減少不同工種之間的交叉作用，減少大量施工人員和機(jī)械設(shè)備頻繁進(jìn)出施工現(xiàn)場(chǎng)，因此，同一施工過程應(yīng)盡量滿足連續(xù)施工。

項(xiàng)目管理者聯(lián)盟文章本文自動(dòng)生成的施工總進(jìn)度計(jì)劃如圖5

所示。其中，ES和EF分別表示工序的最早開始時(shí)間和最早結(jié)束時(shí)間；LS

和LF

分別表示工序的最遲開始時(shí)間和最遲完成時(shí)間。轉(zhuǎn)自項(xiàng)目管理者聯(lián)盟系統(tǒng)利用人工智能推理自動(dòng)安排施工進(jìn)度計(jì)劃，有利于解決工程項(xiàng)目的施工進(jìn)度計(jì)劃安排的復(fù)雜性和隨意性。該施工總進(jìn)度計(jì)劃基本具備指導(dǎo)工程實(shí)際施工的要求，工程實(shí)際總工期與計(jì)劃總工期基本一致，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)時(shí)間和主要工程施工時(shí)間與進(jìn)度計(jì)劃也基本一致。

但是由于工程施工準(zhǔn)備和前期施工管理不順，導(dǎo)致工程開工后一段時(shí)間施工進(jìn)度拖后于計(jì)劃進(jìn)度，隨著現(xiàn)場(chǎng)溝通和管理能力加強(qiáng)，實(shí)際施工進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度基本能做到一致。當(dāng)然，實(shí)際施工進(jìn)度的管理屬于施工控制的范疇，其影響因素遠(yuǎn)比進(jìn)度計(jì)劃安排復(fù)雜，值得深入研究。

項(xiàng)目經(jīng)理博客5