Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Управление строительными проектами методами математического моделирования. Монография
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Воронежский государственный технический университет»
Е. А. Серебрякова
УПРАВЛЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫМИ ПРОЕКТАМИ
МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Монография
Воронеж 2024
1
УДК 69.003
С325
Управление строительными проектами методами математического
моделирования: монография / [Электронный ресурс]. Электрон. текстовые и граф. данные
(2,2 Мб) Е. А. Серебрякова. – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный
технический университет», 2024. – 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM): цв. – Сиcтем.
требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows 10; SVGA c разрешением экрана
1024х768; Adobe Acrobat; CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана.
ББК 38
С325
Рецензенты:
С. В. Скрыль, почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации,
лауреат премии Правительства Российской Федерации, д-р техн. наук, профессор Московского
государственного технического университета им. Н. Э. Баумана;
В. В. Цыганов, лауреат премии Правительства Российской Федерации за 2022 год в области науки
и техники, д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник Института проблем управления
им. В. А. Трапезникова РАН (г. Москва);
Г. А. Угольницкий, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой прикладной математики и
программирования Института математики, механики и компьютерных наук им. И. И. Воровича
Южного федерального университета (г. Ростов-на-Дону)
Серебрякова, Е. А.
ISBN 978-5-7731-1155-9
Монография посвящена актуальному научному направлению – управлению строительством
на основе методов математического моделирования. Большинство предлагаемых в работе методов
управления обладают научной новизной и являются оригинальными. Книга состоит из четырех глав.
В первой главе рассматриваются теоретические аспекты методов и методик управления
строительными проектами, обоснована актуальность данного исследования. Во второй главе
описываются методы оценки строительных проектов с точки зрения их соответствия объекту
строительства и степени привлекательности для практической реализации проекта. В третьей главе
рассмотрены задачи эффективного управления процессом реализации строительных проектов, в
частности, рассмотрен вопрос оптимального распределения дефицитных ресурсов между объектами
строительства либо между работами при осуществлении одного проекта. Заключительная четвертая
глава посвящена вопросу мониторинга за процессом управления ходом строительных работ и
своевременному реагированию на возможные риски, которые могут возникнуть при реализации
строительного проекта.
Монография представляет интерес для научных работников, преподавателей, учителей,
аспирантов и студентов старших курсов вузов, задействованных в сфере строительства и управления.
Наличие методических рекомендаций по практической реализации описанных в работе методов и
моделей, а также большого числа подробно рассмотренных примеров позволяет использовать книгу в
качестве учебного пособия в вузах.
Ил. 42. Табл. 19. Библиогр.: 102 назв.
Издается по решению научно-технического совета
Воронежского государственного технического университета
ISBN 978-5-7731-1155-9 © Серебрякова Е. А., 2024
© ФГБОУ ВО «Воронежский
государственный технический
университет», 2024
2
УДК 69.003
ББК 38
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..
5
Глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК ВАЖНЫЙ
ИНСТРУМЕНТ УПРАВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫМИ ПРОЕКТАМИ…..
7
1.1. Направления, позволяющие повысить эффективность реализации
строительных проектов……………………………………………………….
7
1.2. Методы математического моделирования в строительстве……….
12
1.3. Задачи, которые будут рассмотрены в рамках данной работы……
15
1.3.1. Задача оценки строительных проектов……………………….
15
1.3.2. Задача распределения ресурсов при организации
строительства………………………………………………………………….
19
1.3.3. Учет рисков при управлении строительством………………..
20
1.4. Общая схема управления строительными проектами на основе
математического моделирования…………………………………………….
22
Глава 2. ЭФФЕКТИВНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ
ПРОЕКТОВ……………………………………………………………………
27
2.1. Общая постановка задачи……………………………………………
27
2.2. Методика выбора наилучшего проекта на основе объективных
показателей…………………………………………………………………….
30
2.2.1. Модель оценки строительных проектов, основанная на
теориях нечетких множеств и латентных переменных…………………….
30
2.2.2. Виды функций принадлежности для оценки проектов………
33
2.2.3. Обоснование адекватности оценок строительных проектов,
с точки зрения их соответствия объектам строительства………………….
40
2.2.4. Модель распределения строительных проектов по объектам
строительства………………………………………………………………….
47
2.3. Методы экспертного оценивания строительных проектов по
качественным критериям……………………………………………………..
51
2.3.1. Предпосылки и разработка системы экспертного
оценивания строительных проектов по качественным критериям………..
52
2.3.2. Индивидуальное экспертное оценивание строительных
проектов………………………………………………………………………..
57
2.3.3 Групповое экспертное оценивание строительных проектов…
64
2.4. Подведение итогов по главе 2……………………………………….
70
Глава 3. РЕСУРСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБЪЕКТАМИ СТРОИТЕЛЬНОЙ
ИНФРАСТРУКТУРЫ…………………………………………………………
73
3.1. Постановка задачи оптимизации ресурсного управления в
строительстве и направления ее решения…………………………………...
73
3.2. Модель эффективного снабжения ресурсами строительных
объектов………………………………………………………………………..
76
3.3. Математическая модель оптимального распределения ресурсов в
строительной сфере в условиях их дефицита……………………………….
86
3
3.3.1. Математическая модель задачи……………………………….
86
3.3.2. Методика организации вычислительных процедур и
апробация………………………………………………………………………
90
3.3.3. Оценка эффективности модели……………………………….
93
3.4. Модель управления запасами, основанная на марковских
случайных процессах…………………………………………………………
96
3.5. Подведение итогов по главе 3……………………………………….
103
Глава 4. УПРАВЛЕНИЕ РИСКАМИ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ
СТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОЕКТОВ……………………………………………...
106
4.1. Проблема учета рисков при реализации строительных проектов и
направления ее решения………………………………………………………
106
4.2. Модель учета допустимых рисков с минимизацией ущерба………
109
4.3. Модели анализа критических угроз и пути их ликвидации в
строительной сфере…………………………………………………………...
122
4.3.1. Моделирование явных критических угроз на основе
марковских случайных процессов……………………………………………
122
4.3.2. Моделирование скрытых критических угроз на основе
теории массового обслуживания…………………………………………….
130
4.4. Выбор стратегии управления строительными проектами c
минимизацией рисков…………………………………………………………
136
4.5. Подведение итогов по главе 4……………………………………….
149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….
151
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………………..
152
4
ВВЕДЕНИЕ
Строительство является одной из ключевых отраслей экономики многих
стран. Каждый год в этой сфере реализуются миллиардные проекты, которые
требуют не только значительных финансовых вложений, но и тщательного
планирования и оценки.
Одним из инструментов, который может помочь в реализации
строительных проектов на высоком уровне, является математическое
моделирование. Оно позволяет провести комплексный анализ различных
параметров, определить оптимальные решения и минимизировать риски
возможных проблем при строительстве. В данной работе будут рассмотрены
принципы математического моделирования в строительстве, его основные
преимущества и возможности использования на практике. Именно на основе
математических моделей строится структура управления строительными
проектами в представленной работе.
Многие задачи, связанные с повышением эффективности реализации
строительных проектов в современных условиях, могут быть достигнуты
благодаря использованию математического моделирования. Это позволяет
оценить различные варианты проекта на основе цифровых данных и
оптимизировать процесс строительства с точки зрения экономии времени,
денег и ресурсов.
Одной из главных целей при использовании математических моделей
является минимизация рисков. При проектировании строительного объекта
возникают множество неопределенностей, которые могут повлиять на
конечный результат. Моделирование помогает установить параметры проекта,
которые могут стать причиной непредвиденных затрат в будущем.
Другая цель - улучшение качества работы и повышение точности
прогнозирования сроков завершения проекта. С помощью моделирования
можно провести анализ различных факторов, например, условия окружающей
среды, доступность ресурсов и технические характеристики оборудования. Это
позволяет более точно определить сроки завершения работ и предотвратить
возможные задержки.
Еще одна цель - оптимизация затрат на строительство. Использование
моделирования позволяет установить оптимальный набор материалов для
конструкций, а также определить необходимый объем ресурсов, например,
энергии или воды. Также можно провести анализ стоимости различных
вариантов проекта и выбрать наиболее экономичный вариант.
Важной задачей является также повышение безопасности при
строительстве. Моделирование помогает выявить потенциальные проблемы и
устранить их еще до начала строительных работ.
Для достижения этих целей необходимо провести комплексную оценку
проекта на основе различных параметров. Важно учитывать как технические
характеристики объекта, так и экономические и социальные факторы. Только
5
так можно создать оптимальный проект, который будет эффективным как с
точки зрения экономики, так и с точки зрения безопасности и качества.
Использование математических моделей в строительстве уже давно стало
практикой в развитых странах. В России этот подход также начинает получать
все большую популярность. Это связано с тем, что на фоне растущей
конкуренции на рынке строительных услуг важно иметь инструменты для
оптимизации работы и повышения качества продукта.
Однако необходимо помнить, что математическое моделирование - это
только инструмент, который должен быть использован профессионалами с
глубокими знаниями в области строительства и математики. Только при
правильном подходе можно достичь желаемых результатов и создать
оптимальный проект.
6
Глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК ВАЖНЫЙ
ИНСТРУМЕНТ УПРАВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫМИ ПРОЕКТАМИ
Строительство является ведущей отраслью экономики при решении задач
её модернизации и инновационного развития. По некоторым оценкам около
75% инвестиций реализуется в сфере нового строительства, реконструкции и
модернизации. Государство и частные инвесторы вкладывают триллионы
рублей в проекты строительства, идёт процесс усложнения как самих объектов
строительства, так и взаимоотношений участников инвестиционностроительной деятельности. Современным подходом к управлению
строительством в этих условиях стала методология управления проектами,
позволяющая обеспечить высокую степень обоснованности и формализации
принятия решений относительно целевых показателей проекта. При этом
ключевыми управляемыми параметрами проекта являются сроки, стоимость
качество, а основные инструменты управления – ресурсы и технологии. При
этом разработка и реализация строительных проектов требует не только
высокой квалификации специалистов, но и применения новых технологий и
подходов.
Одним из таких подходов является математическое моделирование,
которое позволяет проводить анализ и оптимизацию различных параметров
проектируемых объектов. В данной монографии мы рассмотрим роль
математического моделирования при разработке и реализации строительных
проектов, его основные принципы и методы применения.
1.1. Направления, позволяющие повысить эффективность реализации
строительных проектов
Одно из основных направлений математического моделирования в
строительстве – это оптимизация процессов планирования и управления. С
помощью математических моделей можно прогнозировать возможные риски и
определять наиболее оптимальный путь выполнения задач. Например, при
планировании строительства дорог или мостов можно использовать
математические модели для расчета оптимальной траектории движения
транспорта, что позволяет сократить время и затраты на строительство.
Еще одно важное направление математического моделирования – это
создание 3D-моделей объектов для визуализации будущего проекта. Такие
модели позволяют представить объект в цифровом виде и провести все
необходимые испытания еще до начала строительства. Это может помочь
выявить возможные проблемы в проекте на ранних этапах и избежать ошибок в
будущем.
Также математическое моделирование может быть использовано для
определения оптимальных параметров материалов, используемых при
7
строительстве. Например, с помощью математических моделей можно
определить наиболее эффективную форму кирпича или железобетонной плиты,
что позволяет повысить качество продукции и снизить затраты на ее
производство.
Важным направлением математического моделирования является также
управление ресурсами при строительстве. С помощью математических моделей
можно определить оптимальный размер бригады рабочих, которая будет занята
на объекте, а также расчет времени выполнения работ и потребности в
различных ресурсах. Это позволяет точно спланировать затраты на
строительство и избежать перерасхода как финансовых, так и человеческих
ресурсов.
Наконец, стоит отметить такое направление математического
моделирования, как оптимизация процессов эксплуатации готовых объектов. С
помощью математических моделей можно прогнозировать возможные поломки
и определять необходимые ресурсы для проведения технического
обслуживания. Это позволяет своевременно заметить проблемы и
предотвратить возможные аварии.
Таким образом, использование математического моделирования в
строительстве – это актуальное направление развития отрасли, которое
позволяет повысить эффективность работ по реализации строительных
проектов. Благодаря этому инструменту можно точно спланировать все
процессы строительства, от начала до конца, и избежать ошибок на каждом
этапе работы.
Одним из главных направлений, позволяющих повысить эффективность
реализации строительных проектов на основе математического моделирования,
является использование современных инструментов и технологий. Рассмотрим
некоторые из них.
1. BIM-технологии
BIM (Building Information Modeling) [89] – это комплексная технология
проектирования и управления строительными объектами, основанная на
создании трёхмерной модели здания или сооружения. Она позволяет не только
визуализировать будущий объект, но и проводить анализ его различных
параметров (например, прочности конструкций, энергоэффективности и др.),
оптимизировать процессы строительства и эксплуатации.
Использование BIM-технологий позволяет значительно сократить время
на создание проекта и уменьшить вероятность ошибок в его реализации. Кроме
того, они способствуют более точной оценке затрат на строительство и
поддержание объекта в рабочем состоянии.
2. Моделирование жизненного цикла объекта
Данный подход предполагает создание математических моделей, которые
позволяют оценить затраты на строительство и эксплуатацию объекта за весь
период его существования. Такие модели позволяют определить оптимальные
стратегии по использованию ресурсов и управлению объектом.
8
Одним из наиболее распространенных методов моделирования
жизненного цикла является LCA (Life Cycle Assessment) [81] – анализ
жизненного цикла. Он основан на оценке всех возможных воздействий объекта
на окружающую среду (например, выбросы в атмосферу, загрязнение почвы и
др.), что позволяет определить экологическую эффективность проекта.
3. Использование систем автоматизации управления [35]
Системы автоматизации управления – это комплекс программнотехнических средств, предназначенный для управления различными
процессами на объекте (отопление, кондиционирование, свет и др.). Они
позволяют не только повысить комфортность пребывания людей в здании, но и
значительно сократить потребление электричества и других ресурсов.
Использование таких систем позволяет контролировать работу
оборудования и проводить анализ его эффективности, что позволяет сократить
затраты на эксплуатацию объекта. Кроме того, системы автоматизации
управления могут быть интегрированы с другими системами (например,
системой BIM), что позволяет создать единую информационную модель
объекта.
4. Применение методов оптимизации
Методы оптимизации – это математические алгоритмы, которые
позволяют найти такие значения параметров проекта, при которых достигается
наилучший результат. Например, можно применять методы оптимизации для
выбора оптимальных вариантов конструкций и материалов или для расчета
оптимального расположения оборудования на объекте.
На данный момент существует достаточно много программных
продуктов, позволяющих применять методы оптимизации при разработки и
реализации строительных проектов. В качестве примера приведем программное
обеспечение для определения степени оптимальности строительного проекта –
Decision Support System (DSS). Оно позволяет учитывать множество факторов,
которые влияют на успех или неудачу строительного проекта. DSS выступает в
качестве средства поддержки принятия решений, а также предоставляет
возможность проводить анализы рисков и оптимизировать бюджет.
Важным элементом организации строительства является планирование и
контроль выполнения работ. Для этого используются различные инструменты,
например, Critical Path Method (CPM) [78] – метод планирования работ,
который позволяет определить критический путь в выполнении проекта и дает
возможность своевременно управлять задержками. Еще один инструмент –
Earned Value Management (EVM) [79] – метод управления стоимостью работ на
объекте. EVM помогает контролировать затраты на каждый этап строительства
и предотвращать перерасход бюджета.
Также существует ряд программных продуктов для обеспечения
безопасности на стройке. Например, Safety Management Information System
(SMIS) [82] – система управления информацией о безопасности на объекте. Она
9
автоматизирует многие задачи по оценке рисков и предотвращению несчастных
случаев на стройке.
В заключение, организация строительства с помощью современных
технологий и математического моделирования позволяет повысить
эффективность работы команды и контролировать выполнение работ в
соответствии с бюджетом и графиком. Разнообразные программные продукты
для управления проектами, безопасности на объекте или определения степени
оптимальности строительного проекта значительно упрощают жизнь
инженерам-строителям, а также дают возможность своевременно реагировать
на изменения в процессе строительства.
Далее, рассмотрим немного историю формирования теории организации
строительства, сделаем аспект на вклад ученых, формирующих научную среду
для эффективного управления строительными проектами.
В теорию организации строительства внесли свой значительный вклад
как российские [57, 58, 67, 68, 70], так и зарубежные ученые [77, 78, 79, 81, 82,
89]. Их научные разработки позволяют существенно повышать эффективность
строительных проектов, а также обеспечивать их успешную реализацию.
Революционный скачок в развитии теории и практики управления
строительством произошел в начале XX века в период интенсивного развития
крупного промышленного производства в США, Англии, Германии и Франции.
В это время возникают и широко распространяются различные школы научного
управления, и управление впервые выделяется в самостоятельную сферу
деятельности.
Одной из первых таких школ, возникшей в США, стала школа «Научного
менеджмента» Ф. Тейлора. Основой методологии управления он считал анализ
производственного процесса и разделение его на отдельные операции,
принудительную стандартизацию методов выполнения операций с учетом
использования наилучших условий и орудий труда, разделение труда в сфере
управления строительством и превращение его в научное управление.
Подобную систему управления производством в целом, и
строительством, в частности, разработал Г. Форд. Особое значение он придавал
применению высокопроизводительных станков, совмещающих многие
операции и не требующих квалифицированных рабочих, а также
механизированной (конвейерной) транспортировке изделий в процессе
производства.
Нельзя не отметить Генри Лоренса Ганта – американского инженера и
менеджера, автора первой диаграммы Ганта, которая была разработана им в
1917 году для планирования и контроля за выполнением работ по
строительству кораблей. Диаграмма Ганта представляет собой
структурированный график, на котором отображается временная
последовательность выполнения работ по каждому элементу проекта.
Также нельзя обойти вниманием Фредерика Тейлора - американского
инженера и менеджера, автора теории научного управления. Он разработал
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]