Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса по организационно-технологической надежности систем машин 19
1.1 Организационно-технологическая надёжность строительства. Её роль в повышении качества производства работ 19
1.2 Критерии оценки организационно-технологической надежности. Методики их определения 20
1.3 Методики и программы расчета технико-экономических показателей систем машин 27
1.4 Работы по формированию рациональных систем машин 34
1.5 Задачи и подходы к распределению систем машин по строительным объектам 39
1.6 Методические и программные средства инвестиционных проектов 44
1.7 Цели и задачи исследования 47
2 Теоретические основы работы строительных машин 51
2.1 Критерии оценки состояния организационно-технологической надежности работы машин 51
2.2 Обработка натурных испытаний строительных машин 53
2.3 Модель надежности инвестиционных проектов 61
2.4 Модель надежности календарного планирования 65
2.5 Модель надежности работы гидротранспортных систем 72
2.6 Модель надежности технологических процессов 94
2.7 Выводы 103
3 Прогнозирование и оценка организационно-технологической надежности работы систем машин 104
3.1 Методологические подходы к прогнозированию и оценке систем 104
3.2 Прогнозирование и оценка организационно-технологической надежности инвестиционных проектов 107
3.3 Прогнозирование и оценка организационно-технологической надежности календарных планов строительства 111
3.4 Прогнозирование и оценка организационно-технологической надежности очередности строительства 113
3.5 Прогнозирование и оценка организационно-технологической надежности работы систем машин 119
3.6 Прогнозирование и оценка организационно-технологической надежности работы комплектов машин для производства земляных работ 128
3.7 Прогнозирование и оценка организационно-технологической надежности работы комплектов машин для производства бетонных работ 145
3.8 Прогнозирование и оценка организационно-технологической надежности работы комплектов машин для перевозки грузов 156
3.9 Прогнозирование и оценка организационно-технологической надежности работы монтажных кранов 160
3.10 Выводы 171
4 Оптимизация систем машин 172
4.1 Оптимизация парка машин 172
4.2 Оптимизация комплекса машин 179
4.3 Оптимизация очередности выполнения строительных работ 186
4.4 Оптимизация распределения машин в строительстве 193
4.5 Выводы 201
5 Рекомендации по эффективному использованию систем машин 202
5.1 Возможности математического, алгоритмического и программного обеспечения 202
5.2 Оценка организационно-технологической надежности инвестиционных проектов 205
5.3 Оценка организационно-технологической надежности календарного планирования 209
5.4 Оценка организационно-технологической надежности строи
тельного производства на примере земляных работ 223
5.5 Управление организационно-технической надежностью работы строительно-дорожных машин 243
5.6 Выводы 253
Заключение 254
Список использованной литературы 257
- Методики и программы расчета технико-экономических показателей систем машин
- Модель надежности инвестиционных проектов
- Прогнозирование и оценка организационно-технологической надежности работы комплектов машин для производства земляных работ
- Оптимизация распределения машин в строительстве
Методики и программы расчета технико-экономических показателей систем машин
В 80-е годы прошлого века теория и практика решения задач, связанных с оценкой ОТН строительства получила значительное развитие в трудах многих ученых и практических работников, в десятках кандидатских и ряде докторских диссертаций [78 - 84, 284, 295, 296].
Созданием теории имитационного моделирования в строительстве был завершен переход от вероятностно-статистических методов [189, 190, 229. 341], приемлемых для моделирования сравнительно простых систем (конструкций зданий и сооружений, их функционирование) к вероятностно-имитационным методам, позволяющим моделировать любые по сложности строительные системы (организационно-управленческие, экономические, включающие человека, как звено системы) и реализующим функционально-системный подход, положенный в основу системотехники строительства. Системотехника - это научно-техническая дисциплина, изучающая вопросы проектирования и функционирования больших систем [6 - 8, 32, 61, 63, 295, 296, 359]. При решении этих вопросов в системотехнике используются методы общей теории систем, системный подход и системный анализ.
Качество строительства определяется качеством проектно-сметной документации, качеством конструкций и материалов, из которых возводятся объекты, качеством строительно-монтажных работ, надежностью, долговечностью и эксплуатационными свойствами сооружений [191]. Важная роль в повышении качества строительной продукции принадлежит контролю качества строительно-монтажных работ, а также входному, операционному и приемочному контролю. Надежность строительной продукции на всех стадиях ее создания зависит от решения, принятого в проекте, и от его исполнения, то есть от организационного обеспечения выполнения и собственно исполнения [178, 201, 206 - 208, 221, 227, 261, 262, 264, 265, 285]. Чтобы подчеркнуть данную связь и отличие от технической или иной надежности используется термин организационно-технологической надежности. Повышение организационно-технологической надежности строительства способствует достижению основного результата производственного прогресса - получению продукции с заданными показателями качества, при возведении объектов в установленные сроки.
Критерии оценки организационно-технологической надежности. Методики их определения
Из формулы 1.1 видно, что затраты на ресурсы выражаются через время пребывания ресурса на объекте, а эта величина является стохастической. Выполнение директивного плана задается с каким-то уровнем надежности, который принимается в качестве ограничивающего условия, определяющего вероятность выполнения плана в заданный срок
Е.М. Кудрявцевым предложено осуществлять проектирование и формирование систем машин с исходной информацией в вероятностной форме, оценку среднего ожидаемого эффекта в соответствии с теорией статистических решений следует давать по недостаточно объективному критерию - математическому ожиданию [145- 147].
Е.М. Кудрявцевым для комплексов машин с исходной информацией в неопределенной форме оценка ожидаемого эффекта проводится в соответствии с теорией игр и статистических решений по целому комплексу специальных критериев оптимизации: критерий минимальных потерь, критерий минимального риска, критерий обобщенного минимакса, критерий недостаточного обоснования. Каждый из рекомендуемых критериев дает наилучший результат в определенном отношении.
Критерий минимальных затрат (критерий Валъда). Согласно этому критерию выбирается решение, которое является лучшим при самом неблагоприятном стечении обстоятельств где Wy - затраты при і-ш решении иу-м состоянии среды; і - номер решения (/=1 .. т); т - количество допустимых решений; j - состояние среды (/ = 1 .. п); п - количество состояний среды. Критерий минимальных затрат является наиболее осторожным, консервативным и страхует от неблагоприятных последствий при самых неблагоприятных случайных исходных данных.
Критерий минимального риска (критерии Сэвиджа). Согласно этому критерию выбирается тот вариант сочетания параметров системы машин, для которого наибольший риск меньше, чем наибольший риск для любого другого варианта. При выборе решения по этому критерию сравнивается матрица функции полезности с матрицей сожалений
Критерий минимального риска не допускает чрезмерно высоких потерь (отклонений), к которым могут привести ошибочные решения, хотя у него имеются некоторые преимущества перед критерием минимальных затрат, он также является достаточно осторожным.
Критерий обобщенного минимакса (критерий Гурвица). Согласно этому критерию находится взвешенная комбинация наилучшего и наихудшего сочетания случайных величин с помощью коэффициента оптимизма (пессимизма) а, при котором критерий Гурвица достигает минимума
Критерий недостаточного обоснования (критерий Байеса-Лапласа). Согласно этому критерию выбирается тот вариант сочетания параметров, для которого достигается минимум среднеарифметического значения затрат. По существу, критерий недостаточного обоснования соответствует критерию минимума математического ожидания, если предположить, что вероятности отдельных совокупностей случайных исходных данных одинаковы. Однако это не всегда выполняется.
Окончательное решение после использования всех вышерассмотренных критериев оптимизации в условиях неопределенности принимается исходя из имеющегося опыта, интуиции и различных дополнительных соображений, не учтенных при комплектовании.
При определении показателя ОТН календарного графика строительства и степени риска участников инвестиционного процесса в [23, 24] в качестве примера рассматривался сетевой график строительства 7-этажного жилого дома, для которого и осуществлены все необходимые расчеты. На момент его составления были выполнены следующие виды работ (таблица 1.1).
Модель надежности инвестиционных проектов
Для каждого варианта формируется выборка возможных отклонений показателей конкретного комплекта при различных условиях производства работ (рисунок 2.24) и рассчитываются значение целевой функции. Далее для всех факторов выборки определяется их закон распределения и строятся кривые плотности распределения каждого фактора. Решение задачи заканчивается выбором лучшего варианта комплекта и расчетом для него технико-экономических показателей, с выводом последних на печать. Описанный выше процесс позволяет оценить эффективность любого комплекта машин. Предложенный алгоритм рекомендуется использовать при выборе комплектов для производства строительно-монтажных работ и других технологических процессов.
Без использования базы технических и экономических показателей машин и механизмов, системы управления строительством сложно определить рациональные области применения комплектов машин [90, 92 - 94, 99].
В зависимости от заданной продолжительности, объемов работ и сменной эксплуатационной производительности ведущей машины определяется количество ведущих машин где V- объем работы, м ; п - количество рабочих смен в сутках; Т - заданная продолжительность работ, сут; Пс - сменная эксплуатационная производительность ведущей машины, м /смен. Для расчёта организационно-технологической надёжности экскаваторного комплекта разработан алгоритм выбора ведущих и вспомогательных машин для разработки и транспортировки грунта. 2.4.1 Алгоритм расчета экскаваторного комплекта Сменная
1. Разработан алгоритм оценки организационно-технологической надёжности инвестиционных проектов, календарных планов, технологических процессов, комплектов и отдельных машин с использованием баз данных по результатам натурных испытаний. Алгоритм позволяет обосновать надежность календарных планов и оценить качество организационно-технологических решений.
2. Разработан алгоритм многокритериальной оценки выбора эффективных машин и механизмов при проектировании систем, комплектов, так и для оптимизации проектных и организационно-технологических решений.
3. Предложен способ количественной оценки коэффициента использования рабочего времени систем, комплектов и отдельных машин, позволяющий назначать величину коэффициента использования их рабочего времени с учётом ОТН.
4. Для обоснования организационно-технологической надежности инвестиционных проектов, календарных планов, технологических процессов, систем, комплектов и отдельных строительных машин разработано соответствующее методическое, математическое и программное обеспечение.
Одним из основных факторов повышения рентабельности строительства является формирование ресурсосберегающих систем машин, которые позволят экономить материальные, энергетические и людские ресурсы при выборе систем строительных машин для возведения конкретных объектов [12, 13, 25, 40, 60, 73, 107, 182 - 184, 211, 212, 230, 336, 254, 290].
Проектирование системы машин можно производить по модульному принципу, предложенному СЯ. Луцким в [197 - 199, 321]. Процесс формирования парка машин начинается с проектирования модулей или комплектов (для небольших парков машин) для конкретных условий производства отдельных видов работ, например, земляных, бетонных и так далее. Далее сформируются возможные варианты модулей для производства соответствующих видов работ и рассчитываются технические и экономические показатели каждого варианта. При этом основными показателями являются производительность и себестоимость выполнения заданного объёма работ. Далее определяется рыночная стоимость работ и рассчитывается прибыль от применения каждого варианта модуля. На рисунке 3.1 показана общая схема формирования ресурсосберегающих систем дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин.
Для совершенствования многовариантного проектирования систем, комплектов и парков машин созданы базы показателей строительных машин и механизмов. В последние внесены показатели машин и механизмов применяемых при производстве строительно-монтажных работ. По каждой машине и механизму в таблицах базы данных включены их технические и экономические показатели. Причём все экономические показатели машин и механизмов в базе данных определены по единой методике.
На рисунке 3.1 проиллюстрирована модель формирования ресурсосберегающей системы машин и механизмов из имеющегося парка для использования на строительстве конкретных объектов. Модель позволяет сформировать из машин, показатели которых хранятся в базе данных вариант системы и оценить его эффективность. Универсальность предложенного алгоритма проектирования системы машин и механизмов с учетом их применения в реальном строительстве позволяет использовать его для формирования любых модулей, комплексов и парков строительных машин и механизмов. Чтобы оценить целесообразность приобретения новых машин и механизмов с учётом уже имеющейся в парке номенклатуры достаточно включить их показатели в базу данных, сформировать систему и оценить ее эффективность.
Предусмотрено три пути формирования вариантов системы машин. Путь первый - рассматриваются все возможные для использования варианты машин и механизмов. Путь второй - когда возможные для использования машины и механизмы выбираются только из машинного парка конкретной организации. Путь третий - когда основная часть необходимых машин и механизмов выбирается из конкретного парка и лишь отдельные из них по мере необходимости предусматривается брать в аренду или лизинг.
Все три пути позволяют по единому алгоритму сформировать возможные варианты используемой в строительстве системы машин и оценить эффективность ее использования.
Следует отметить, что резкое колебание цен не дает возможности составить долгосрочные прогнозы на сформированные варианты систем строительных машин. Поэтому для каждого строительного объекта приходится проводить многовариантные расчёты с целью определения оптимального варианта используемой системы машин и механизмов.
Прогнозирование и оценка организационно-технологической надежности работы комплектов машин для производства земляных работ
При оптимизации составов парков машин необходимо подобрать состав так, чтобы при формировании комплексов машин для строительства зданий и сооружений мы всегда получали ресурсосберегающие комплексы. Для этого парк должен быть укомплектован современными машинами и механизмами [136, 137, 142, 333]. При проектировании новых машин невозможно получить оптимальное проектное решение машин при их нерациональном использовании при строительстве объектов [138].
При работе с неполной информацией по инвестиционному проекту необходимо построить многофакторные математические модели и рассчитать показатели инвестиционного проекта на стадии разработки этих решений (до разработки рабочей документации).
Для оценки надёжности инвестиционных проектов соискателем разработана имитационная модель, программа «Invest» и многофакторные математические модели обоснования эффективности строительства объектов в условии неопределенности информации (рисунок 4.1) [165].
В [293] приведена имитационная модель и программа «Setim» оценки календарных планов возведения отдельных зданий и сооружений с учетом организационно-технологической надежности строительства. С помощью имитационных моделей было обосновано распределение сметной стоимости, составлены сетевые графики и определены сроки возведения объектов строительства.
Разработанное соискателем программное обеспечение «Potok» позволяет определить оптимальную очередность возведения объектов по критерию - минимально возможный срок строительства [294]. Для оптимального варианта очередности включения объектов в поток с целью более наглядного представления полученного решения в программе строится циклограмма и график освоения сметной стоимости.
Для автоматизации прогнозирования продолжительности, стоимости и последовательности строительства объектов соискателем разработана также имитационная модель потока и программа «Impotok». В настоящее время с помощью программного обеспечения «Impotok» можно рассчитать не только продолжительность и стоимость строительства, но и организационно-технологическую надёжность календарного планирования, сметную стоимость строительства объектов, прибыль строительной организации и другие показатели.
Проведенные в [178] исследования показали, что в данном конкретном случае во всех выборках с любым процентом максимального отклонения продолжительности строительных работ оптимальная последовательность строительства объектов не изменяется. Данное условие не является обязательным и при оптимизации организационно-технологических решений необходимо каждый раз выполнять соответствующую проверку.
С помощью имитационной модели потока соискателем проанализировано влияние увеличения времени выполнения отдельных работ на общую продолжительность строительства объекта в целом, на изменение стоимости строительства, прибыли строительной организации с учетом организационно-технологической надёжности строительства.
В [157] показан процесс формирования парка машин для конкретных условий производства отдельных видов работ, например, земляных, бетонных и так далее. Затем следует создать выборку показателей всех возможных вариантов комплектов машин для производства соответствующих видов работ и рассчитать технические и экономические показатели каждого варианта. При этом основными показателями должны быть производительность и себестоимость выполнения заданного объёма работ. Далее следует определить рыночную стоимость работ и рассчитать прибыль от применения каждого варианта комплекта при производстве соответствующих видов работ.
В [120, 121, 166, 180] приведен процесс формирования комплекса машин для строительства зданий и сооружений. Процесс начинается с выбора возможных вариантов комплекса машин и механизмов в соответствии с объёмами работ. При этом предусмотрено три пути формирования вариантов комплекса. Первый путь, при котором рассматриваем все возможные варианты машин является более общим. Второй путь, при котором все машины и механизмы выбираем только из машинного парка конкретной организации. Третий путь, когда основную массу машин выбираем из конкретного парка и лишь отдельные машины по мере необходимости берем в аренду или лизинг.
При разработке организационно-технологических решений объектов важно не только подобрать оптимальный комплекс машин для строительства, выбрать ресурсосберегающие комплекты машин для производства отдельных работ [187], но и рассчитать организационно-технологическую надёжность работы отдельных комплектов и комплекса в целом. В [176] приведена модель и программа «Ekskom» расчёта организационно-технологической надёжности производства работ экскаваторными комплектами.
В СГУПСе совместно с ЗАО «Сибгидромехстрой» создано математическое и программное обеспечения «Gidropark» для автоматизации обоснования организационно-технологической надёжности многоступенчатых гидротранспортных систем с помощью имитационных моделей. Имитационная модель позволяет прогнозировать возможные реакции гидротранспортных систем на различные ситуации, возникающие при их использовании [193 — 196].
В [193] приведен метод количественной оценки организационно-технологической надёжности многоступенчатых гидротранспортных систем, позволяющий обоснованно назначать величину коэффициента использования их рабочего времени.
Для создания вероятностной модели работы земснарядов в [194] с помощью базы данных шаговым регрессионным методом были построены следующие модели: простоев земснарядов, часовая производительность земсна-ряда, себестоимость разработки 1 м грунта, заработной платы рабочих, расхода электроэнергии на работу земснаряда, расхода топлива на работу бульдозеров, расхода топлива на работу земснаряда, стоимости текущей эксплуатации земснаряда, стоимости ремонта и обслуживание бульдозеров, стоимости ремкомплектов на земснаряд. Модели позволяют: оценить значимость каждого фактора соответствующей модели, рассчитать при известной стан 177
дартной ошибке основные технико-экономические показатели работы гидротранспортных комплексов и определить диапазон изменения их расчётных параметров.
В [194] предложен метод и программа «Gidropark» для оценки организационно-технологической надёжности работы многоступенчатых гидротранспортных систем, позволяющий прогнозировать основные показатели работы конкретного земснаряда. Этот метод можно использовать для оценки ОТН любых комплектов, систем и отдельных строительных машин.
В [162] приведена схема технико-экономической оценки применения новых машин и механизмов для строительства.
Из машин и механизмов, хранящихся в базе данных, формируется выборка возможных вариантов комплектов машин. Для каждого варианта комплекта рассчитываются показатели его работы. При этом основными показателями являются производительность и себестоимость производства строительно-монтажных работ. Затем определяется прибыль от работы каждого варианта комплекта.
Оптимизация распределения машин в строительстве
Строительство, как отрасль материального производства, имеет свои отличительные аспекты, которые в значительной степени связаны с особенностями строительной продукции и технологиями её получения. Поэтому необходимо перемещать средства механизации и ресурсы через определенный промежуток времени на новую строительную площадку. Это вызывает дополнительные затраты, связанные с уточнением технологии строительства, составов специализированных комплексов, дальности и время доставки строительных материалов, полуфабрикатов и готовых строительных элементов [44].
Кроме того, строительное производство подвержено значительному воздействию природно-климатических факторов, оказывающих значительное влияние на качество выполнения технологических операций, время их выполнения и производительность строительно-дорожных машин, занятых в строительном процессе.
Таким образом, строительное производство, как сложная вероятностная организационно-технологическая система находится в состоянии повышенного риска по обеспечению расчетной скорости потока строительства, срока выполнения работ, стоимости и энергоёмкости производства строительно-монтажных работ. Возникают такие производственные ситуации, которые приводят к незапланированным простоям средств механизации, к отклонениям технологических, технических и температурных параметров от оптимальных значений. В результате будем иметь непроизводительные затраты материальных, трудовых, энергетических и денежных ресурсов.
Примером случайного события является производительность какой-либо машины, выполняющей строительные работы [244]. В следствии влияния многих факторов (погодные условия, техническое состояние машин, квалификация оператора и др.) конкретная производительность в каждом случае будет несколько различной и заранее точно предсказать её значение невозможно. Однако на основе многократного повторения этой работы можно установить долю тех случаев, когда выполняются нормы соответствующих ЕНиРов. Эта доля и будет характеризовать вероятность выполнения нормативов. Она даёт возможность рассчитывать более обоснованно количество строительно-дорожных машин в СКМ, которые выполняют сменный объём работ (скорость строительного потока, однако, при этом нельзя достоверно предсказать результат любого одиночного значения производительности комплекта машин.
В связи с этим ещё на стадии проектирования и разработки проекта производства работ необходимо использовать вероятностные значения производительности машин, входящих в специализированный комплект машин, что позволит исключить опасность снижения производительности средств механизации, их простоев, отклонений параметров выполнения рабочих операций, увеличения сроков выполнения запроектированных работ.
В данной статье рассматривается организационно-технологический аспект надежности проведения строительного процесса, под которым понимается вероятность достижения проектных (расчетных) параметров работы СКМ (производительность комплекта машин, стоимость производства работ, энергоёмкость и трудоёмкость строительного процесса).
ЗАО «Региональный Инновационный Центр» производит земляные ра боты по устройству берегоукрепительных сооружений в п. Ленинское на ле вом берегу реки Обь. Качественно улучшить процесс технико экономического обоснования принимаемых организационно технологических решений при производстве земляных работ возможно лишь с повышением организационно-технологической надежности работы строи тельных машин, что особенно важно при составлении календарных планов строительства.
По просьбе ЗАО «Региональный Инновационный Центр» проведено исследование по повышению организационно-технологической надежности работы строительных машин. Своего парка машин ЗАО РИЦ не имеет и поэтому приходится брать в аренду экскаваторы и автомобили-самосвалы. От бесперебойной работы строительных машин напрямую зависит себестоимость производства работ, а, следовательно, и прибыль предприятия. Особенно сильно сказывается на себестоимости продукции поломки ведущих машин (например, экскаваторов), так как другая часть машин вынуждена простаивать. Поскольку минимальное время аренды автомобилей-самосвалов составляет 8 часов, то при простое экскаваторов из-за поломок в течение рабочего дня ЗАО несет существенные затраты.
Для поддержания организационно-технологической надежности на заданном уровне следует придерживаться следующих рекомендаций [246]: - иметь резерв использован на маловажных вспомогательных работах; - при крупной поломке машины оперативно её заменять резервной или оперативно её заказать в одном из близкорасположенных центров механизации; - целесообразно иметь два комплекта машин производительность равной одному более многочисленному; - рекомендуется придавать специализированным комплектам машин передвижные мастерские по ремонту и сервисному обслуживанию машин.
Замена одного экскаваторного комплекта двумя имеет свои достоинства и недостатки. При отсутствии внезапных отказов в СКМ одним из основных недостатков является некоторое удорожание производства работ. Нами была рассмотрена ситуация, когда была произведена замена экскаватора ЭО-6122А с вместимостью ковша 1,6 м двумя экскаваторами ЭО-4321Б с вме-стимостью ковша 0,8 м . Полученные результаты зависимости стоимости производства земляных работ при разработке 1000 м грунта первой катего-рии экскаваторным комплектом с вместимостью ковша 0,8 м представлена на рисунке 5.18. В расчетах была принята дальность транспортирования грунта автомобилями-самосвалами с вместимостью кузова от 5 до 19 м .
