地铁机电安装工程施工虚拟优化管理技术研究

段晓晨，代鹏飞，汪 辉

(1. 石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043；2. 铁道第二勘察设计院集团有限公司 杭州分院，浙江 杭州 310000)

地铁机电安装工程施工虚拟优化管理技术研究

段晓晨1，代鹏飞1，汪 辉2

(1. 石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043；2. 铁道第二勘察设计院集团有限公司 杭州分院，浙江 杭州 310000)

在总结地铁机电系统工程施工特点的基础上，针对津滨地铁中山门西段机电安装工程的实际，将复杂系统理论挣值理论(EVM)、显著性成本理论(CS)、BP神经网络(BPNN)、灰色预测，虚拟现实技术和动态优化管理技术运用到施工管理的过程中，开发和利用相应的虚拟动态优化管理系统，进行工程的虚拟可视化的管理。首先在施工之前，建立各工种、各专业接口、协同、立体交叉作业的虚拟静态优化管理系统；其次，在施工过程中建立动态的优化管理系统，以重点控制施工项目进行EVM分析和PDCA循环控制，分析存在的问题，建立控制措施数据资料库，方便进行施工管理和做出决策，从而实现管理的科学化、信息化。

机电工程；地铁机电安装；虚拟优化技术；复杂系统施工管理

0 引 言

津滨轻轨中山门站西段地铁施工包括盾构机开挖、衬砌、给排水工程、车站设备安装、通信、电力、信号工程、路基、轨道工程、临时工程等多工种、多专业工程，协同、交叉、平行、立体作业多、干扰大，施工管理具有显著的复杂系统的特点。笔者以中山门站西段机电安装工程的施工为主要研究对象，结合虚拟现实技术，运用复杂系统理论挣值理论(EVM)、显著性成本理论(CS)、BP神经网络、灰色预测和模糊判断技术等，开发和利用相应的虚拟动态优化管理系统软件进行虚拟可视化管理，对施工过程进行虚拟优化管理方法的研究[1]。虚拟现实技术作为一种综合多种科学技术而发展起来的新技术，国外对其研究比较成熟，已经将其应用于许多领域[2]。国外学者提出了很多动态管理技术的思想方法，可以为我们从事虚拟动态优化管理技术的研究提供有益的借鉴[3-4]。而我国动态管理的理论和方法还未应用于实际中，运用动态控制原理控制项目的目标尚未得到普及。随着越来越多的项目采用动态控制的方法，同时也使我国工程项目管理动态控制理论有了很大发展。挣值理论是目前项目管理中比较流行的方法，国内已经将挣值理论用于工程项目的施工管理，进行项目的工期进度、成本、质量的多目标研究中，可以很好地进行目标管理和控制[5-6]。将虚拟可视化技术与动态优化管理技术结合，进行地铁机电安装工程虚拟优化管理技术研究的还比较少。

1 虚拟优化管理技术模型介绍

模型介绍见图1。

图1 虚拟优化管理技术模型Fig.1 Virtual optimization management technical model

2 地铁机电安装工程施工静态优化管理系统的建立

2.1 工程分解和划分工序并确定最优施工方案

津滨轻轨西段供电系统工程包含接触网施工工程、电缆及光缆工程、变电所工程、监控系统、杂散电流防护工程及全系统调试等项目。根据本工程的施工组织设计和实际特点，将施工过程划分为60个工序。其中接触网施工工程分解为19个施工工序，电缆及光缆工程分解为6个施工工序，变电所工程分解为18个施工工序，监控系统分解为10个施工工序，杂散电流防护工程分解为7个施工工序。对机电安装工程的施工方案和相关工序，进行虚拟可视化演示，确定最优的施工方案。虚拟漫游演示如图2。

图2 三维可视化管理和虚拟演示示意Fig.2 Three-dimensional visualization management and virtual presentation schematic diagram

2.2 确定各工序消耗的标准工时

1) 在拥有合适的地铁施工定额数据资料基础上，按定额规定的工时消耗指标，确定各专业、各工种消耗的标准工时[7]。

2) 在拥有大量以往类似地铁施工资料数据基础上，运用BP神经网络技术估算各专业、各工种消耗的标准工时。

用BPNN技术对本工程中的隧道打孔安装锚栓每百米工天消耗、变电所设备安装项目和电缆敷设工程进行估算，以接触网施工中隧道打孔安装锚栓每百米工天消耗估算为例，阐述其在地铁施工静态优化管理中的应用。接触网施工中隧道打孔安装锚栓是供电系统工程的一项关键工作，对完成该项工作所需的时间资源消耗进行科学估算有助于施工计划的合理安排，同时也是工程项目静态优化施工管理的需要。用BPNN技术进行估算分为两个步骤[8-9]：

第1步，定量化描述工程特征因素。

工程特征的选取，参照历史工程资料的统计和分析，根据专家的经验确定，如表1。

通过对竣工地铁项目历史数据的收集、整理，从中选取18个典型工程，第1～16个工程数据作为学习样本，第17～18作为检验样本，建立3层BP神经网络，对隧道打孔安装锚栓每百米的工时消耗建立估算模型，见表2。

表1 隧道打孔安装锚栓的工时消耗类目量化

表2 基础数据

第2步，建立工时消耗估算模型进行预测分析。

本模型采用3层BP网络模型，选择Sigmoid函数为节点输出函数，模型的输入单元为8个，地铁长度、箱体混凝土类型、钻杆直径、钻孔深度、工时利用率、锚栓规格、锚栓加固、锚栓破坏力，分别用I1～I8表示；输出单元1个，为每百米工天消耗，用O1表示。隐层单元为2×8+1=17个，初始权值是(-1，1)之间的随机数[10]。

通过模型运算20次，求其平均值作为预测值，同实际值进行比较，得到结果分析表，见表3。

表3 结果分析

尽管构建的BP网络每次给出的预测各不相同，具有一定随机性。但多次运算之后，通过求均值可以极大消除这种随机性[11]。从表3可见，求均值之后的预测值与实际值相对误差很小，能够满足施工计划工作的精度要求。从单次神经网络运行结果来看，有些预测的误差较大，但是通过多次运行网络而后求均值，就可以保持很高预测精确度[12]。故应用BPNN技术可以对工程实际中的关键工序时间消耗定额进行精确预测，为科学的计划管理提供依据。

3)在拥有少量以往类似地铁施工资料数据基础上，运用GM(1,1)灰色预测系统估算各专业、各工种消耗的标准工时。

本工程中主要是电缆支座安装、室内接地网敷设工程需要进行灰色预测，利用东兴站，中山门站，一号桥站，二号桥站，大王庄站这些已完成工程的少量的历史数据。

第1步，以电缆支座安装为例，检索到的上述5个站，平均每个电缆支座安装所需工天分别为：2.874，3.278，3.337，3.390，3.679工天。

设原始序列，建立GM(1,1)模型，并进行检验。

X(0)={x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),x(0)(4),x(0)(5)}=(2.874,3,728,3.337,3.390,3.679)

第2步，建立电缆支座安装所需工天的消耗预测模型，如式(1)：

dx(1)/dt-0.037 156x(1)=3.065 318

(1)

及时间响应式：

85.372 8e0.037 156k-82.498 6

(2)

第3步，进行误差的检验。误差值为0.990 2﹥0.90，精度为一级，可以依据进行预测：

(3)

(4)

预测本站电缆支座的工时消耗为3.316工天，根据实际情况取3.5工天。

4) 在缺乏以往类似地铁施工资料数据基础上，运用FIS模糊判断技术确定各专业、各工种消耗的标准工时。

2.3 绘制网络图找出关键工序

根据各工序的施工顺序及相关时间参数，绘制出网络图(见图3)，经计算分析找出网络图的关键路线，并确定总工期。得到的关键线路为：施工测量(A1)→隧道内打孔安装(A4)→低净空隧道悬挂安装(A5)→隧道内锚结安装(A8)→非绝缘关节、道岔处电连接安装(A9)→隧道内电动隔离开关及引线安装(A12)→接触线架设(A14) →架空架设及调整(A16)→接触网冷滑试验(A18)→接触网冷滑试验后调整(A19)，总工期为106天。

图3 机电安装工程施工网络计划Fig.3 Network planning diagram of electromechanical installation construction

2.4 计算分析显著性项目并确定重点控制施工项目

通过对机电工程60个分项工程进行预算成本计算，通过均值理论计算可知，隧道内打孔安装、低净空隧道悬挂安装、汇流排安装、接触线架设、架空架设及调整、电力电缆敷设、电缆支座安装、电缆桥架安装、电力电缆敷设、室内接地网敷设、变电所设备安装，主变电所视频设备安装、主变电所视频低压控制电缆敷设，控制电缆制作及敷设。它们占总工程的35%，造价为3 145.966元，占78.5%，不满足CS理论中显著性项目CSIs数目占总项目数目的30%以内，并且费用占到总成本的70%的要求，所以需要再进行二次平均。再次运用CS理论可得：上述项目经计算占总工程的31%，造价为2 889.48元，占72.1%，满足CS理论中显著性项目CSIs数目占总项目数目的30%以内，并且费用占到总成本的70%的要求，不需要二次平均。

通过对显著性项目和关键工序的比较可知，既是工期控制重点又是成本控制重点的“双控”重点项目是：隧道内打孔安装，低净空隧道悬挂安装，接触线架设，这3个项目是以后施工工程中的控制的重中之重。

3 地铁机电安装工程施工虚拟动态优化系统的建立

3.1 确定控制周期和控制项目

用挣值理论对工程进行动态管理首先要确定控制周期，制定循环周期，定期对工程进行数据收集。中山门站西段供电系统工程是一个规模巨大、施工工艺特别复杂的工程，为了降低数据收集的难度，决定收集数据的周期和业主单位验工计价的周期一致，将控制周期定为每月一次。

施工过程中，以关键工序和显著性项目作为主要控制重点进行动态循环控制。

3.2 以重点控制施工项目进行EVM分析和PDCA循环控制

拟控制周期时间段定为4月1—30日这个时间段，控制对象为在这一段时间内施工的所有显著性项目和关键线路上的项目。

3.2.1 已完工程的进度成本分析

在这个控制周期内，收集到的该项目的施工现场数据如表4。对表4进行挣值分析，结果见表5。

表4 4月施工管理信息

出现进度偏差的显著性项目有隧道内打孔安装和隧道内锚结；出现成本偏差的项目有低净空隧道悬挂安装电力电缆敷设、变电所设备安装、电力电缆敷设和主变电所视频低压控制电缆敷设。

隧道内打孔安装项目进度偏差为-84 768元，表示进度延后，主要原因是由于设计单位未按合同及时的送交图纸。隧道内锚结出现进度偏差主要是由于工作支与非工作支线索的绝缘间距不符合要求，直接影响了隧道内锚结的正常进行和项目进度。

低净空隧道悬挂安装等项目，出现造价偏差的主要原因是由于国外提供变电所里的部分电子元件，与开关柜等的衔接出现矛盾，因此临时改变设计方案，重新选择设备，影响了施工的按期正常进行，后期为了保证按期交付使用，只能采取加快施工进度，增加夜间施工，导致增加了施工的措施费，夜间的施工费等费用导致成本增加；但从表中可知进度偏差为0，表示进度得到了保证，有利于工程的按期完工。

根据挣值估计决算造价(Estimate At Completion，EAC)，是一种估计项目最终造价的方法，主要有挣值(ACWP)，项目最初预算造价(Budget At Completion，BAC)和已完工程预算成本和造价绩效指标决定，具体计算方法如式(5)：

EAC=ACWP+(BAC-BCWP)/CPI

(5)

式中：BCWP为实际完成工作的预算成本；CPI为成本执行指标。由公式(5)对表5进行处理，得到如表6。

表5 挣值分析

表6 四月份的决算造价估计

根据挣值理论，从表6中可知，如果按照这种施工进度及消耗，低净空隧道悬挂安装，电力电缆敷设，变电所设备安装，电力电缆敷设(变电所)，主变电所视频低压控制电缆敷设，这些项目将超过预算完工，其中电缆及光缆工程电力电缆敷设，变电所工程电力电缆敷设，主变电所视频低压控制电缆敷设的预算估计造价EAC>1.05BAC，必须进行重点的分析，找出问题的原因，制定控制的措施，否则将大大影响工程的最终造价。在下一个循环中对这些将要超预算的项目进行重点的控制，这样在以后的施工中就会有重点，有目标，便于管理人员对后续工程进行控制管理。对一些比如低净空隧道悬挂安装，变电所设备安装虽然没有超过1.05BAC，但也要引起足够的重视，否则都将引起最终的造价的上升。

3.2.2 成本和进度偏差原因分析

偏差分析的一个重要目标就是要找出引起偏差的原因，从而有可能采取有针对性的措施，减少或避免相同原因的再次发生。通过分析，造成进度和造价偏差的主要原因包括内部管理因素、设计方面因素、施工因素、物价因素和设备因素。

3.3 下阶段采取相应措施

在下一个循环中，对影响进度和造价偏差的因素，进行重点的控制，采取以下预控措施：

1) 加强内部管理，尽量做好事前控制，参建单位多进行沟通和交流。

2) 在设计环节要求设计单位在设计的同时进行有效的碰撞试验，在交图纸的同时，对施工的顺序，施工环节进行必要的说明。

3) 重新选择供应商，应选择那些有资质、信誉好，供货能力强，并且产品的兼容性比较好的供应商。

4) 与材料或产品的供应商签订长期的供货合同，尽可能的将原材料的价格固定在一个水平上。

3.4 总结存在问题建立控制措施数据资料库

在施工过程中，及时总结存在的问题，并建立相应的措施数据资料库，不断增加新的数据。当在下一个循环中出现类似的问题时，管理者可直接在数据库里找出相应的对策，具有很好的可操作性，便于进行管理，数据库的基本信息如表7。

表7 问题及对策数据

3.5 通过虚拟优化软件系统直观真实反映各工序动态管理情况

在施工循环过程中，及时将每个循环各工序的动态管理情况，通过虚拟动态管理软件系统中的施工动态管理信息表反馈给项目管理者，以便及时动态掌控施工各工序进度和成本情况。

4 结 论

基于当前我国施工企业现场管理水平比较低以及项目管理中对成本、进度、质量等多重进行控制的复杂性，在借鉴了相关理论和方法的基础上，并结合工程实际进行了预测。通过理论联系实际，在施工的过程中可以得出如下结论：

1) 通过使用CS理论挖掘工程的关键数据，同时结合关键路径法(CPM)，在减少了计算工作量的同时，有更加全面的反应项目的进展情况，能更好的及时对项目进行动态控制，同时也为提高预测准确度打下了坚实基础。

2) 通过将虚拟动态管理技术应用于施工中，动态管理软件的使用，可以提高项目管理的信息化水平，更好的实现集成化管理。

3) 采用挣值理论对项目进行进度、质量、成本的联合监控，在实践应用中证明是成功的。

4) 项目运行指标的跟踪和监控对施工管理来说非常重要，运行过程中出现的任何细小偏差都应该分析原因，发现问题及时总结分析，找出出现偏差的原因，及时纠偏，防止“因小失大”。

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Virtual Optimization Management Technology in Construction of SubwayElectromechanical Installation Project

DUAN Xiaochen1, DAI Pengfei1, WANG Hui2

(1. Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, Hebei,P.R.China; 2. Hangzhou Branch of 2ndRailway Design Group Company, Hangzhou 310000, Zhejiang,P.R.China)

Based on the summary of construction characteristics of subway electromechanical project, according to the actual problems of the Jinbin subway project of western section of Zhongshanmen, complex system theories (Earned Value Management (EVM), Cost-significant(CS), Back-Propagation Neural Network (BPNN), Gray model (GM) ), virtual reality techniques and dynamic optimized management technique were applied in the process of construction management. The corresponding virtual dynamic optimized management system was developed to realize the virtual visualization management of the project. Before the subway construction, the virtual static optimized management system was set up, which had the characteristics of multi-work, multi-professional, multi-coordination, mutual intercrossing and paralleling, multi-dimension and multi-interference. In the process of subway construction, the dynamic optimized management system was established to focus on the key control project to carry out EVM analysis and PDCA cycle control. The existed problems were analyzed and the data repository of control measures was established, which was convenient for construction management and decision-making, so as to realize the scientific and informatization management.

electromechanical engineering; subway electromechanical installation; virtual optimization techniques; construction management of complex system

2015-03-23；

2015-07-23

河北省高层次人才资助项目(2013429102)；中铁建集团总公司科技计划项目(中铁建科201252)；河北省交通厅科技计划项目(冀交科教2013559-28)；河北省软科学工程建设管理研究基地(冀科教2012567)；河北省教育厅人文社科重点研究基地(工程建设管理)(冀教201426)

段晓晨(1962—)，男，山东招远人，教授，博士，主要从事工程经济与造价管理方面的研究。E-mail：duanxch888@sohu.com。

代鹏飞(1990—)，男，河北邢台人，硕士研究生，主要从事工程经济与造价管理方面的研究。E-mail：daipengfeihappy@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.35

U 231

A

1674-0696(2016)01-184-07