Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Промышленные комплексы и математические методы, применяемые для организации управления их строительством 11
1. Особенности организации строительства промышленных комплексов . 12
2. Моделирование рациональной последовательности возведения объектов комплекса 19
3. Математические методы решения универсальных задач перебора 26
4. Цель и задачи исследования 32
Глава 2. Методология исследования 34
1. Системный подход 34
2. Моделирование и математические методы в строительном производстве 37
3. Современные комплексы вычислительной и организационной техники 45
4. Общая схема проведения исследований 51
Глава 3. Исследование и разработка моделей организации строительства промышленных комплексов и диалоговой системы оптимизации 56
I. Моделирование организации строительства промышленных комплексов 56
2. Декомпозиция общей модели и выделение подзадач 63
3. Разработка алгоритма сокращенного перебора на основе метода ветвей и границ 71
4. Разработка интерактивной схемы решения задачи и программная реализация диалоговой системы 83
5. Формализация критериев оценки организации строительства промышленных комплексов 94
Глава 4. Методика применения диалоговой системы и анализ полученных результатов 102
I. Методические рекомендации по организации управления строительством промышленных комплексов на основе диалоговой системы оптимизации 102
2. Результаты численного эксперимента 108
3. Практическое применение диалоговой системы и расчет экономической эффективности 113
Выводы 118
Заключение 121
Литература 123
Приложение 133
- Особенности организации строительства промышленных комплексов
- Моделирование и математические методы в строительном производстве
- Декомпозиция общей модели и выделение подзадач
- Методические рекомендации по организации управления строительством промышленных комплексов на основе диалоговой системы оптимизации
Особенности организации строительства промышленных комплексов
В данном параграфе перечислены основные типы комплексов и дана их классификация, показаны особенности промышленных узлов и комплексов, выделены их основные параметры и характеристики, сделано предварительное описание исоледуемой задачи и определено ее место среди других задач, связанных с планированием и управлением строительством промышленных комплексов.
Ввиду большого многообразия комплексов и того, что в основу их создания положены долгосрочные программы капитальных вложений, целесообразно классифицировать комплексы в соответствии с инвестиционными программами.
По значению и масштабам инвестиционных программ комплексы могут быть подразделены на следующие группы [29] : - комплексы, строящиеся по интеграционным программам, например, на основе совместного строительства с участием стран-членов СЭВ. - комплексы, строящиеся на основе программ союзного значения. Например, создание Единой энергетической системы СССР; - отраслевые комплексы, создающиеся на основе отраслевых программ. Примером может служить металлургический комплекс на базе руд КМА с использованием коксующихся углей Кузбасса; - территориально-производственные комплексы,например Западно-Сибирский, Восточно-Сибирский и т.д. [97, 98] ; - комплексы типа промышленных узлов. Например, автомобильные заводы ВАЗ, КАМАЗ [34, бі] ;
По организационно-экономическим признакам можно выделить следующие виды комплексов: - моноцентрические, включающие ведущий производственный узел и смежные производства, тесно связанные с ведущей отраслью. Например, энергопромышленные комплексы типа узлов вокруг Братска и Нурека; - полицентрические, организованные часто в виде сравнительно обособленных параллельных потоков. Здесь трудно определить производственный центр и жесткую зависимость отдельных частей; - маятникового типа, где осью всей системы является мощная транспортная магистраль, организующая огромные грузовые потоки между центрами комплекса. Примером может служить Урало-Кузнецкий комбинат; - концентрического расширения, когда первоначально созданные основные производства постепенно обрастают новыми мощностями. Например, Магнитогорский металлургический и Норильский горно-металлургичес кий комбинаты;
Приведенные примерные типы комплексов дают представление об их содержании, организационной структуре, о возможных путях их создания и строительства.
Комплексное развитие экономики тесно связано с концентрацией производства, рациональным размещением производственных сил. Процесс концентрации производства»в настоящее время, развивается преимущественно в двух направлениях: отраслевая интеграция действующих предприятий в производственные объединения; создание и развитие крупных территориально-производственных комплексов (ТПК), а также промышленных и агро-промышленных узлов, как ячеек ТПК. В последние годы получило широкое распространение групповое размещение предприятий на одной компактной территории с общими объектами вспомогательных производств и обслуживающих хозяйств, инженерных сооружений и коммуникаций, с развитыми производственно-экономическими связями - промышленные узлы [62J
Создание промышленных узлов выражает объективную потребность в комплексном развитии хозяйства для повышения эффективности общественного производства. Эта форма территориальной концентрации производства является наиболее перспективной для успешного сочетания отраслевых и территориальных интересов.
По данным, приведенным в [77/ удельный вес затрат по формированию промышленных узлов составил 10% общего объема капитальных вложений на промышленное строительство по стране в целом, а в Белоруссии и Молдавии свыше 30%. Расчеты показывают, что узловой метод размещения предприятий позволяет сократить площади застраиваемых территорий на 9-10%, протяженность подъездных железнодорожных путей на 18-20%, автомобильных дорог на 9-11%, инженерных коммуникаций на 10-15%. Сроки строительства предприятия в составе узлов сокращаются на 10% [63J.
Вместе с тем следует отметить, что потенциальные преимущества группового размещения предприятий не проявляются в полную меру из-за недостатков в планировании, формировании, строительстве и функционировании промышленных узлов [99 J . Рассмотрим вопросы связанные со строительством промышленных узлов.
Строительство промышленных узлов предполагает большие капитальные затраты. Поэтому первостепенную роль играют такие показатели, как: сроки строительства, стоимость строительства, рентабельность капитальных вложений. Немаловажное значение имеет и качество строительства.
Моделирование и математические методы в строительном производстве
Исследование функционирования сложных систем, к каким и относится строительное производство, предполагает применение математического моделирования, согласно которому разбору и анализу подвергается не сам объект исследования, а его математическое описание, представленное в виде модели. Под объектом моделирования здесь могут подразумеваться различные процессы производства и управления, организационные и информационные структуры, строительные объекты и комплексы, отдельные задачи планирования и управления и т.д.
Независимо от моделируемого объекта, модели строительного производства должны отвечать следующим основным требованиям адекватно отражать существенные черты объекта моделирования; отражать динамику строительного производства; быть устойчивыми по отношению к несущественным изменениям объекта моделирования; обладать простотой и удобством анализа.
В отличие от классификации постановок, основанной на содержательных признаках решаемых задач (отраслевое и территориальное планирование, планирование и управление предприятиями, макроэкономическое планирование, годовое, квартальное, оперативное управление), классификация математических моделей основана на свойствах системы ограничений и целевых функций исследуемых задач. К наиболее интересным для организации управления строительством классам задач математического программирования относятся детерминированные, стохастические и игровые модели.
Детерминированные модели наиболее исследованы и имеют важное значение при решении задач в стохастических и игровых постановках. Они, в свою очередь, членятся на линейные и нелинейные, дискретные и непрерывные. Особое место в задачах организации управления строительством занимают задачи теории расписаний (календарного планирования), потоки в сетях и задачи теории оптимального управления, решаемые методами динамического программирования. В условиях многокритериальное целевых функций большое значение приобретает решение проблемы векторной оптимизации, являющейся частые теории игр. В связи с большой трудоемкостью алгоритмов решения массовых задач, особую актуальность приобретает оценка сходимости методов и разработка наиболее экономных алгориомов. Решение этой проблемы оказывает существенное влияние на постановку и формализацию задач. В качестве альтернативы детерминированным алгоритмам для решения универсальных задач выступают методы имитационного моделирования и интерактивные методы. Краткая характеристика и приложения указанных направлений и являются целью данного параграфа.
Наиболее изученными и широко используемыми на практике моделями являются задача линейного программирования и ее частные случаи (например, транспортная задача, задача о назначениях и т.д.)[і8,82,94І . Математическая модель задачи линейного программирования характеризуется линейными ограничениями и целевой функцией. Опыт внедрения реальных задач, сформулированных в виде линейной модели показал, что реальные процессы значительно сложней, и подобные упрощения приводят к потере адекватности. Несмотря на это, задача линейного программирования чрезвычайно важна, т.к. при декомпозиции на различных этапах решения,к ней сводятся самые разнообразные задачи математического программирования.
При отсутствии целевой функции в модели линейного программирования возникает линейная балансовая модель, широко используемая в практике планирования и управления. Для строительства, в условиях большой номенклатуры материалов и механизмов, большое значение приобретает продуктовый баланс, многопродуктовые балансовые соотношения имеют также большое значение при определении объема инвестиций при строительстве крупных территориально -производственных комплексов и последовательности ввода промышленных объектов и их очередей.
К нелинейным относятся задачи, в целевых функциях или ограничениях которых нарушаются условия линейности. Значительные результаты получены для класса выпуклых задач [7ІІ , особенно для квадратичных и линейных целевых функций. Однако, являясь сравнительно трудоемкими в решении, такого рода модели в большой степени неадекватны реальным задачам организации управления.
Подавляющее большинство постановок задач строительного производства, подготовки строительства, календарного планирования описывается дискретными и целочисленными моделями [43]. Основной чертой таких моделей является то, что все или часть переменных моделей являются целыми числами. Другим источником дискретности служит разрывность ограничений и целевых функций, порождаемая 0 - функцией Хевисайда, Ц х и др. [ЗЗІ В некоторых задачах удается сформулировать модель или свести ее к виду, имеющему рекуррентные соотношения по основным переменным. Для решения таких задач,в ряде случаев применимы алгоритмы динамического программирования, имеющие хорошую сходимость.
Декомпозиция общей модели и выделение подзадач
В данном параграфе рассматривается блочная структура общей модели, устанавливается взаимосвязь между выделенными подзадачами ( блоками) и определяются пути решения подзадач.
По количеству основных переменных общую модель можно разбить на четыре подзадачи: выбор вариантов строительства объектов; определение последовательности и времени начала (окончания) строительства объектов; определение объемов поставок складируемых ресурсов и распределение мощностей организаций по объектам комплекса.
Определение вариантов строительства объектов. В этом случае переменная является независимой, поэтому для определения минимального времени строительства комплекса необходимо осуществить перебор всех возможных вариантов.
Для последующих преобразований введем новую переменную: - количество ресурса к, выделяемое объекту j организации л . 2. Определение последовательности и времени начала (окончания) строительства объектов.
Прежде всего следует отметить, что на оптимальное решение не оказывает влияние тот факт, какая именно из организаций выделяет тому или иному объекту ресурсы. Главное, чтобы потребность в ресурсах была удовлетворена. Следовательно, уравнение (3), без потери оптимальности, можно рассматривать не в разрезе отдельной организации, а по всем организациям в целом. Суммируя левую и правую части (3) по neti получаем:
На вход для этой подзадачи поступают & j , 0 j » J » которые определяются в подзадаче I, а так же объем несклади-руемых ресурсов, имеющихся у строительных организаций С , kcR stA/ и директивные сроки ввода объектов «4:tj«!Jf поступающие на вход общей задачи. Выбранные значения переменных X и н используются в других блоках модели.
Специфику данной задачи составляет рекурентное соотношение (22), входящее во все сетевые задачи и ограничения на объем потребляемых нескладируемых ресурсов (23). Нелинейность задачи определяется функцией Vw x и индикаторными функциями Ь и о .
Для иллюстрации сложности решения (21) - (25) можно показать, что задача о коммивояжере [ 92] является ее частным случаем. В качестве коммивояжера выступает ресурс, в качестве городов - объекты Так как коммивояжер один и не может одновременно посещать несколько городов, то I R 1 = 1, PJ - 1 , С = J . При этом любое допустимое расписание представляет собой полностью упорядоченное множество объектов, что в известной формулировке обеспечивается уравнениями:
Нетрудно видеть, что с точностью до целевого функционала, задача (21) - (25) является обобщением задачи о коммивояжере, сходимость алгоритмов которой, как известно, оставляет желать лучшего [ II3J.
Анализ методов и алгоритмов решения (21) - (25 ) проводился в первой главе. Характерной чертой многих просмотренных алгоритмов является то, что выбранное на некотором шаге направление ветвления (т.е. сдвиг одного объекта относительно другого) в дальнейшем не меняется. На примерах [ 95]показано, что указанные критерии ветвления не имеют универсального характера, в результате чего направление ветвления может быть выбрано неудачно и,как следствие этого, полученные в результате решения далеки от оптимальных или даже недопустимы.
Альтернативой подобному подходу является направленный неявный перебор полученных в результате разбиения множеств (выполняемый в рамках метода ветвей и границ). В основе перебора можно, как это сделано в [ 94J,положить лексикографическую упорядоченность некоторых характеристик множеств и упорядоченность множества J по переменной 2; . Подробное изложение данного алгоритма приводится в следующем параграфе.
Выходом из этой подзадачи служит последовательность возведения ОС ij и времена окончания строительства объектов Zj .
В пятом параграфе третьей главы будет рассмотрена возможная оценка получаемых % \ с целью максимизации фондов экономи-ческого стимулирования строительных,монтажных организаций.
Таким образом, в первых двух параграфах построена общая модель задач планирования и управления строительством промышленных комплексов.
В виду сложности и невозможности реализации полученной модели была разработана блочная структура общей модели, которая позволила выделить четыре сравнительно независимые подзадачи. В последующих двух параграфах будут рассматриваться алгоритмы решения как отдельных подзадач, так и всей модели в целом.
Рассмотрим алгоритм решения задачи выбора оптимальной последовательности возведения объектов комплекса при ограниченных ресурсах.
Алгоритм решения задачи (21) - (25) строится в рамках метода ветвей и границ, основная идея которого состоит в следующем. Множество решений задачи,.некоторым образом,разбивается на конечное число непересекающихся подмножеств, которые помещаются в множество, именуемое для определенности списком. Далее из списка выбирается одно подмножество и исследуется с помощью ряда критериев. Одни критерии позволяют установить отсутствие в подмножестве оптимальных и допустимых решений. Другие позволяют найти наилучшее допустимое решение. И в том,и в другом случае подмножество исключается из рассмотрения, из списка выбирается следующее подмножество и исследуется аналогичным образом. Если ничего определенного о подмножестве сказать нельзя, оно разбивается на новые подмножества, которые помещают в список, Далее процедура повторяется до тех пор«пока список не будет пуст. Наилучшее из допустимых решений принимается в качестве оптимального.
Методические рекомендации по организации управления строительством промышленных комплексов на основе диалоговой системы оптимизации
I. Общие положения.
1.1. Общим из средств коренного улучшения строительства, повышения эффективности капитальных вложений и быстрейшего ввода в действие производственных мощностей,является совершенствование планирования и управления строительного производства.
1.2. В целях совершенствования планирования и управления строительного производства необходимо предусмотреть разработку новых методов, позволяющих сочетать опыт специалистов с возможностями вычислительной техники, а именно,интерактивных методов оптимизации.
1.3. Настоящие "Рекомендации" определяют порядок формирования, анализа и оценки плановых решений по организации строительства крупных промышленных комплексов с помощью диалоговой системы оптимизации.
1.4. Предусмотренный "Рекомендациями" порядок расчетов определяет: - рациональную продолжительность строительства объектов и всего комплекса в целом; - рациональную последовательность возведения объектов комплекса и времена начала их строительства; - рациональное распределение капитальных вложений по объектам строительства и во времени; - рациональное закрепление объектов за строительными организациями; - рациональное распределение ресурсов организации по объектам комплекса; - рациональные сроки и объемы поставок ресурсов. 1.5. Реализация интерактивного метода осуществляется в следующей последовательности: - формируется исходный вариант плана; - осуществляется визуальный анализ полученного варианта; - определяются коррективы, вносимые в вариант; - формируется откорректированный вариант; - осуществляется реальный вариант плана. 2. Постановка задачи
2.1. Задача организации строительства промышленного комплекса формулируется следующим образом. Промышленный комплекс включает в себя множество объектов, строительство которых осуществляется рядом организаций. Имеется множество, как складируемых (например, материалы, деньги), так и несклади-руемых (люди, механизмы) ресурсов, которые используются в процессе строительства. Работы на объектах могут вестись по одному из нескольких вариантов, причем каждый вариант характеризуется потребностью в ресурсах и продолжительностью. Объем потребляемых, к некоторому моменту времени, складируемых ресурсов не должен превышать объема поставок. Множество поставок и момент каждой поставки заданы. Объем каждой поставки ограничен. Несклади-руемые ресурсы распределены по организациям, которые и выделяют эти ресурсы для строительства объектов. Для некоторых объектов заданы директивные сроки окончания строительства. Строительство объекта может осуществляться несколькими организациями, одна организация может строить несколько объектов.
Требуется: закрепить объекты за организациями; определить объемы ресурсов, выделяемые организациям ; определить объемы поставок; выбрать варианты и последовательность строительства объектов; определить время начала (окончания) строительства объектов и всего комплекса в целом.
Замечания к постановке .
1. Под объектом строительства понимается не только отдельное здание или сооружение, а также его части в виде этапов, конструктивных элементов или укрупненных работ. 2. Строительные организации подразделяются: в зависимости от подчиненности - на генподрядные и субподрядные; в зависимости от видов выполняемых работ - на общестроительные и специализированные. 3. Объемы поставок лимитированы мощностью поставщиков. 4. Мощность поставщиков и строительных организаций в общем случае есть функция от времени. 5. Состав комплекса и его мощность, состав пусковых очередей, директивные сроки ввода мощностей, допустимость досрочного выпуска дефицитной продукции определяется из задач формирования и размещения промышленного комплекса. 6. Исходная последовательность возведения объектов определяется исходя из технологических ограничений и экспертных оценок важности объекта для выпуска готовой продукции. 7. Стоимость объектов, пусковых очередей определяется исходя из мощностей, а так же по укрупненным показателям. 8. Продолжительность возведения объектов определяется по нормам или экспертным оценкам. 2.-2. В качестве критерия оптимизации выступают: - продолжительность строительства комплекса; - совокупность народнохозяйственных затрат и потерь прибыли с учетом распределения капитальных вложений во времени; - при решении отдельных подзадач может быть использован целый ряд локальных критериев.
