Nghiên cứu ứng dụng thuật toán ago (ant colony optimization) tối ưu thời gian và chi phí cho dự án xây dựng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.26 MB, 137 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
\\^^
DƯƠNG THÀNH NHÂN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ACO
(ANT COLONY OPTIMIZATION) TỐI ƯU THỜI GIAN
VÀ CHI PHÍ CHO DỰ ÁN XÂY DỰNG
CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ VÀ QUẢN LÝ XÂY DỰNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2009
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. PHẠM HỒNG LUÂN
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS. NGUYỄN THỐNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. NGÔ QUANG TƯỜNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 17 tháng 09 năm 2009.
ii
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
----------------
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2009
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên : DƯƠNG THÀNH NHÂN
Phái : Nam
Ngày sinh : 01 / 07 / 1981
Nơi sinh : Bến Tre
Chuyên ngành : Công nghệ và Quản lý xây dựng
MSHV : 00805176
1- TÊN ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ACO (ANT COLONY
OPTIMIZATION) TỐI ƯU THỜI GIAN VÀ CHI PHÍ CHO DỰ ÁN XÂY DỰNG
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN :
Chương 1 : Giới thiệu - Đặt vấn đề
Chương 2 : Tổng quan về bài toán tối ưu thời gian – chi phí TCO (time-cost
optimization) và các kỹ thuật giải quyết bài toán trước đây.
Chương 3 : Phương pháp luận giải quyết vấn đề : Giới thiệu thuật toán ACO (ANT
COLONY OPTIMIZATION) và phương pháp trọng số thích ứng sửa đổi MAWA
Chương 4 : Mơ hình hóa bài tốn : Ứng dụng thuật toán ACO, kết hợp cùng phương
pháp MAWA vào việc mơ hình hóa bài tốn tối ưu thời gian – chi phí.
Chương 5 : Giới thiệu chương trình ACO-TCO và các ví dụ minh họa
Chương 6 : Kết luận và kiến nghị
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
: 02 / 02 / 2009
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ
: 03 / 07 / 2009
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. PHẠM HỒNG LUÂN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QUẢN LÝ CHUN NGÀNH
TS. PHẠM HỒNG LUÂN
TS. NGÔ QUANG TƯỜNG
iii
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được Luận văn thạc sĩ này, tôi đã nhận được rất nhiều sự
giúp đỡ của Q Thầy Cơ, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp.
Đặc biệt, Quý Thầy Cô trong ban giảng dạy ngành Công nghệ và Quản lý
xây dựng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập, đã
truyền đạt những kiến thức chuyên môn và những kinh nghiệm hết sức q giá giúp
tơi hồn thành đề tài tốt nghiệp này.
Với tất cả tấm lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn Thầy TS.
Phạm Hồng Luân đã tận tình hướng dẫn, đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể, hỗ trợ
nhiều kiến thức quý báu giúp em hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng, con xin cảm ơn Ba và Mẹ đã luôn động viên, quan tâm giúp đỡ
con trong suốt thời gian vừa qua ; cảm ơn em Nga, người bạn đời lúc nào cũng ở
bên cạnh, động viên cổ vũ giúp anh hoàn thành đề tài tốt nghiệp này.
Một lần nữa, xin gửi đến Quý Thầy Cơ, Gia đình và bạn bè lịng biết ơn sâu
sắc nhất.
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2009
Tác giả
DƯƠNG THÀNH NHÂN
iv
TĨM TẮT
Bài tốn tối ưu thời gian - chi phí là một trong những khía cạnh quan trọng
nhất của quản lý dự án xây dựng. Để cực đại hóa lợi nhuận, các nhà lập kế hoạch
xây dựng phải cố gắng tìm cách tối ưu đồng thời thời gian và chi phí. Trong nhiều
năm qua, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm nghiên cứu mối quan hệ thời
gian - chi phí, các kỹ thuật được ứng dụng từ phương pháp tìm kiếm, phương pháp
tốn học cho đến thuật giải di truyền.
Trong luận văn này, một thuật toán tối ưu dựa trên nền tảng của sự tiến hóa,
với tên gọi tối ưu đàn kiến (ACO) được ứng dụng để giải quyết bài toán tối ưu đa
mục tiêu thời gian - chi phí. Bằng cách kết hợp với phương pháp trọng số thích ứng
sửa đổi (MAWA), mơ hình sẽ tìm ra các lời giải tối ưu. Mơ hình ACO-TCO sẽ
được pháp triển bằng một chương trình máy tính trên nền Visual Basic. Một vài ví
dụ sẽ được phân tích để minh họa khả năng của mơ hình cũng như so sánh với các
phương pháp trước đây. Kết quả chỉ ra rằng phương pháp này có khả năng tìm ra
những kết quả tốt hơn mà không cần sử dụng quá nhiều đến máy điện tốn, từ đó
cung cấp một phương tiện hữu hiệu để hỗ trợ các nhà lập kế hoạch và quản lý trong
việc lựa chọn những quyết định về thời gian – chi phí một cách hiệu quả.
___________________________________________________________________
ABSTRACT
Time-cost optimization problem is one of the most important aspects of
construction project management. In order to maximize the return, construction
planners would strive to optimize the project duration and cost concurrently. Over
the years, many research studies have been conducted to model the time-cost
relationships, the modeling techniques range from the heuristic method and
mathematical approach to genetic algorithm.
In this thesis, an evolutionary-based optimization algorithm known as ant
colony optimization (ACO) is applied to solve the multiobjective time-cost
problem. By incorporating with the modified adaptive weight approach (MAWA),
the proposed model finds out the optimal solutions. The concept of the ACO-TCO
model is developed by a computer program in the Visual Basic platforms. Some
examples are analyzed to illustrate the capabilities of the proposed model and to
compare against other previous methods. The results indicate that ant colony system
approach is able to generate better solutions without utilizing much computational
resources which provides a useful means to support construction planners and
manager in making better time-cost decisions efficiently.
v
MỤC LỤC
Chương 1 : GIỚI THIỆU
1
1.1 Giới thiệu ……………………………………………………………… 1
1.2 Đặt vấn đề ……………………………………………………………… 2
1.3 Mục tiêu nghiên cứu …………………………………………………… 4
1.4 Phạm vi nghiên cứu …………………………………………………… 5
1.5 Phương pháp nghiên cứu ……………………………………………… 5
1.6 Nội dung luận văn ……………………………………………………… 5
Chương 2 : TỔNG QUAN
8
2.1 Tổng quan về quản lý dự án ……………………………………………. 8
2.1.1 Khái niệm chung ………………………………………………… 8
2.1.2 Mục tiêu của quản lý dự án ……………………………………… 9
2.1.3 Các lĩnh vực kiến thức trong quá trình quản lý dự án ………… 10
2.2 Quản lý chi phí dự án …………………………………………………. 12
2.3 Quản lý tiến độ dự án …………………………………………………. 13
2.3.1 Khái niệm về tiến độ dự án xây dựng …………………………. 13
2.3.2 Các bước lập tiến độ dự án ……………………………………. 14
2.3.3 Các kỹ thuật quản lý tiến độ dự án ……………………………. 14
2.4 Bài toán tối ưu thời gian – chi phí ……………………………………. 17
2.4.1 Giới thiệu ……………………………………………………… 17
2.4.2 Mơ hình mối quan hệ thời gian – chi phí ……………………… 18
2.5 Các kỹ thuật giải quyết bài tốn tối ưu thời gian – chi phí …………… 21
2.5.1 Phương pháp tìm kiếm ………………………………………… 21
2.5.2 Phương pháp quy hoạch toán học ……………………………… 21
2.5.3 Các thuật toán tối ưu dựa trên cơ sở của sự tiến hóa …………… 22
Chương 3 : PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐỂ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
25
3.1 Thuật toán đàn kiến ACO …………………………………………….. 25
3.1.1 Giới thiệu ……………………………………………………… 25
3.1.1.1 Nguồn cảm hứng của thuật toán : Đàn kiến ………….. 26
3.1.1.2 Thí nghiệm chiếc cầu đơi …………………………….. 28
vi
3.1.1.3 Từ kiến sinh học đến kiến nhân tạo ………………….. 31
3.1.1.4 Chất dẫn dụ mùi (Pheromones) ………………………. 33
3.1.2 Phương pháp ACO ……………………………………………. 37
3.1.2.1 ACO Metaheuristic …………………………………… 37
3.1.2.2 Điểm giống và khác giữa kiến thực và kiến nhân tạo … 37
3.1.3 Các thuật toán tối ưu đàn kiến (ACO Algorithms) …………… 40
3.1.3.1 Hệ kiến (Ant System) ………………………………… 40
3.1.3.2 Hệ đàn kiến (Ant Colony System) …………………… 45
3.1.3.3 Hệ kiến MAX-MIN …………………………………… 47
3.1.4 Các ứng dụng của thuật toán đàn kiến ………………………… 48
3.2 Phương pháp trọng số thích ứng sửa đổi (MAWA) …………………… 51
3.2.1 Phương pháp trọng số thích ứng (AWA) ……………………… 52
3.2.2 Phương pháp trọng số thích ứng sửa đổi (MAWA) ……………. 53
3.3 Tính khả thi của việc áp dụng ACO để giải quyết vấn đề …………….. 56
Chương 4 : MƠ HÌNH HĨA BÀI TỐN
58
4.1 Giới thiệu bài tốn tối ưu thời gian chi phí TCO ……………………… 58
4.1.1 Phát biểu bài tốn ……………………………………………… 58
4.1.2 Yêu cầu của bài toán …………………………………………… 58
4.1.3 Hàm mục tiêu của bài tốn …………………………………… 58
4.2 Mơ hình hóa bài tốn ………………………………………………… 59
4.2.1 Mơ tả bài tốn ………………………………………………… 59
4.2.2 Mơ hình ACO cho bài tốn TCO ……………………………… 61
4.2.2.1 Phương pháp trọng số thích ứng sửa đổi ……………… 61
4.2.2.2 Mơ hình ACO-TCO …………………………………… 63
4.3 Kết luận ………………………………………………………………… 70
Chương 5 : GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH VÀ VÍ DỤ MINH HỌA
71
5.1 Giới thiệu chương trình ACO-TCO …………………………………… 71
5.1.1 Giao diện của chương trình ACO-TCO ………………………... 71
5.1.2 Trình tự thực hiện một bài tốn bằng chương trình ACO-TCO… 75
5.2 Các ví dụ minh họa …………………………………………………… 76
5.2.1 Ví dụ 1 ………………………………………………………… 76
vii
5.2.2 Ví dụ 2 ………………………………………………………… 80
5.2.3 Ví dụ 3 ………………………………………………………… 85
5.3 Kết luận ………………………………………………………………… 89
Chương 6 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
90
6.1 Kết luận ………………………………………………………………… 90
6.2 Kiến nghị ………………………………………………………………. 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO
92
PHỤ LỤC
97
viii
DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Mục tiêu thời gian, chi phí & chất lượng của dự án …………………… 9
Hình 2.2 Quan hệ tuyến tính giữa thời gian – chi phí …………………………… 19
Hình 2.3 Một số quan hệ khác giữa thời gian – chi phí ………………………… 20
Hình 3.1 Nguồn cảm hứng của thuật tốn - Những con kiến …………………… 26
Hình 3.2 Kiến và vệt mùi ………………………………………………………… 28
Hình 3.3 Thí nghiệm chiếc cầu đơi (Double Bridge Experiment) ……………… 29
Hình 3.4 Kiến di chuyển trên chiếc cầu đơi ……………………………………… 29
Hình 3.5 Kiến quay trở về tổ …………………………………………………… 30
Hình 3.6 Kiến …………………………………………………………………… 36
Hình 3.7 Marco Dorigo – Cha đẻ của Thuật toán kiến …………………………. 40
Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của thuật tốn Hệ kiến ……………………… 45
Hình 4.1 Biểu diễn bài tốn TCO dưới dạng TSP ……………………………… 59
Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc tổng qt của mơ hình ACO-TCO …………………… 69
Hình 5.1 Giao diện chương trình ACO-TCO …………………………………… 72
Hình 5.2 Menu dùng để nhập các thơng số của ACO …………………………… 73
Hình 5.3 Menu xuất ra kết quả của chương trình ………………………………. 74
Hình 5.4 Dữ liệu dự án được nhập vào chương trình (ví dụ 1) ………………… 77
Hình 5.5 Kết quả tối ưu ví dụ 1 ………………………………………………… 78
Hình 5.6 Chi tiết lời giải sơ đồ mạng ứng với T=62 & C=233000 ……………… 79
Hình 5.7 Dữ liệu dự án được nhập vào chương trình (ví dụ 2) ………………… 82
Hình 5.8 Kết quả tối ưu ví dụ 2 ………………………………………………… 83
Hình 5.9 Chi tiết lời giải sơ đồ mạng ứng với T=100 & C=283370 ……………. 84
Hình 5.10 Kết quả tối ưu ví dụ 3 ………………………………………………… 88
ix
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Các ứng dụng của thuật tốn ACO …………………………………… 50
Bảng 5.1 Các số liệu của ví dụ 1 ………………………………………………… 76
Bảng 5.2 Lựa chọn các thông số cho thuật tốn ACO (ví dụ 1) ………………… 78
Bảng 5.3 So sánh kết quả giữa ACO và GA (ví dụ 1) …………………………… 79
Bảng 5.4 Các số liệu của ví dụ 2 ………………………………………………… 80
Bảng 5.5 Lựa chọn các thông số cho thuật tốn ACO (ví dụ 2) ………………… 82
Bảng 5.6 So sánh kết quả giữa ACO và GA (ví dụ 2) …………………………… 83
Bảng 5.7 Thơng tin về dự án trong ví dụ 3 ……………………………………… 85
Bảng 5.8 Các số liệu của ví dụ 3 ………………………………………………… 86
Bảng 5.9 Lựa chọn các thông số cho thuật tốn ACO (ví dụ 3) ………………… 87
x
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
Năm 2007, Việt Nam chính thức gia nhập tổ chức thương mại thế giới WTO.
Nguồn vốn FDI ồ ạt đổ vào nước ta đã đem lại nhiều cơ hội mới cũng như nhiều
thách thức to lớn cho sự phát triển của thị trường xây dựng nước ta trong giai đoạn
sắp tới. Việc mở cửa thị trường sẽ tạo ra áp lực cạnh tranh rất lớn cho tất cả các
doanh nghiệp đang hoạt động trong lĩnh vực xây dựng. Các doanh nghiệp có vốn
đầu tư nước ngồi, với tiềm lực tài chính mạnh và phong cách quản lý hiện đại, sẽ
trở thành những đối thủ cạnh tranh thực sự đối với các doanh nghiệp xây dựng trong
nước. Do vậy đòi hỏi ngành xây dựng trong nước cần phải nâng cao năng lực cạnh
tranh, phát triển phù hợp với tiêu chuẩn và thông lệ Quốc tế. Một trong số những
vấn đề mấu chốt để tạo nên năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp xây dựng chính
là việc rút ngắn thời gian thi công trong điều kiện chi phí ít nhất nhằm tạo ra hiệu
quả kinh tế cao khi sớm đưa cơng trình vào khai thác sử dụng.
1.1 GIỚI THIỆU
Việc tổ chức cũng như quản lý một cách có hiệu quả các nguồn tài nguyên
trong xây dựng là cốt lõi của sự thành công trong bất kỳ dự án xây dựng nào. Các
nhà nghiên cứu đã định nghĩa năm loại tài ngun chính trong xây dựng, đó là : thời
gian (time), chi phí (cost), nhân lực (labour), thiết bị (equipment) và vật tư
(materials). Trong số đó, thời gian và chi phí là những nhân tố quan trọng nhất
được xem xét trong bất kỳ một dự án xây dựng nào. Để cực đại hóa lợi nhuận, cả
chủ đầu tư và nhà thầu đều cố gắng tìm mọi cách tối ưu đồng thời thời gian và chi
phí xây dựng.
Với sự ra đời của các sáng kiến cũng như các kỹ thuật xây dựng hiệu quả, thiết
bị, nguyên vật liệu, các sáng kiến trong quản lý và các phương pháp phân phát, thời
gian xây dựng đã được cải thiện một cách rõ rệt trong vòng vài thập kỷ gần đây.
Cho đến bây giờ, khơng có dấu hiệu nào cho thấy chậm lại việc tối ưu hơn nữa việc
1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
lập kế hoạch cho dự án xây dựng. Trên quan điểm của chủ đầu tư, một dự án kết
thúc sớm sẽ giúp giảm bớt khoản nợ về tài chính và cho phép họ thu lại nguồn vốn
đầu tư sớm hơn. Mặt khác, các nhà thầu sẽ tiết kiệm được chi phí gián tiếp và giảm
thiểu được nguy cơ lạm phát cũng như số lượng nhân công nếu thời gian của dự án
có thể được rút ngắn. Trên cơ sở này, các nhà lập kế hoạch và quản lý dự án đều cố
gắng bảo đảm rằng tất cả các hoạt động xây dựng đều phải hồn thành khơng những
kịp mà tốt nhất là trước phải vượt tiến độ đề ra.
1.2 ĐẶT VẤN ĐỀ
Bài toán tối ưu thời gian – chi phí (time-cost optimization – TCO) là một trong
những khía cạnh quan trọng nhất của việc lập và quản lý dự án. Các nhà quản lý dự
án phải lựa chọn những nguồn tài nguyên thích hợp, bao gồm: kích cỡ tổ đội, vật tư
thiết bị, máy móc… cũng như phương pháp và kỹ thuật thi công để thực hiện các
cơng tác của dự án. Nói chung, có một mối quan hệ thỏa hiệp giữa thời gian và chi
phí để hồn thành một cơng tác; chi phí thấp thì thời gian thực hiện công tác sẽ kéo
dài, và ngược lại. Những bài tốn loại này thường rất khó giải quyết bởi vì chúng
khơng có một đáp án duy nhất. Vì vậy, nhiệm vụ của các nhà quản lý dự án là nhất
thiết phải xem xét, đánh giá một cách kỹ lưỡng nhiều phương pháp khác nhau nhằm
đạt được một kết quả cân bằng tối ưu giữa thời gian và chi phí.
Các phương pháp để giải quyết bài tốn TCO hiện tại có thể được chia thành
ba nhóm: phương pháp tìm kiếm (heuristic methods), phương pháp quy hoạch toán
học (mathematical programming models) và các thuật toán tối ưu dựa trên nền tảng
của sự tiến hóa (evolutionary-based optimization algorithms_EOAs).
Phương pháp tìm kiếm là một kỹ thuật tìm kiếm dựa trên ý kiến chủ quan của
của người ra quyết định. Các phương pháp tìm kiếm tiêu biểu dùng để giải quyết bài
tốn TCO gồm : phương pháp Fondahl (1963), phương pháp khung (Prager 1963),
phương pháp độ dốc chi phí hiệu quả (Siemens 1971),… Phương pháp quy hoạch
toán học đã nhận được nhiều sự chú ý rộng rãi và nó được xem là hiệu quả và chính
xác hơn phương pháp tìm kiếm trong việc tối ưu. Phương pháp này sử dụng các
2
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
chương trình tốn học như quy hoạch tuyến tính (linear programming_LP), được
giới thiệu bởi Kelly (1961), Hendrickson and Au (1989) và Pagnoni (1990) để mơ
hình hóa mối quan hệ tuyến tính giữa thời gian – chi phí. Ngoài ra, quy hoạch số
nguyên (integer programming_IP) được giới thiệu bởi Meyer & Shaffer (1963) để
giải quyết cả mối quan hệ tuyến tính và rời rạc giữa thời gian – chi phí. Gần đây,
Burns cùng các cộng sự (1996) đã phát triển một mơ hình lai ghép LP/IP nhằm thiết
lập đáp án chính xác cho bất kỳ khoảng thời gian mong muốn nào.
Cả hai phương pháp tìm kiếm và quy hoạch tốn học đều có những điểm mạnh
cũng như nhược điểm riêng trong việc giải quyết bài toán TCO. Phương pháp tìm
kiếm (heuristic methods) thì lựa chọn một quá trình tính tốn để rút ngắn hay kéo
dài dựa trên những tiêu chí lựa chọn được đưa ra bởi người ra quyết định. Tuy
nhiên, kết quả thu được không đảm bảo là đáp án tối ưu. Trong khi đó, phương
pháp tốn học (mathematical programming models) địi hỏi một khối lượng tính
tốn lớn, cho ra những lời giải chính xác, nhưng đơi khi kết quả thu được vẫn chưa
phải là giải pháp tối ưu. Hơn nữa, đối với các dự án lớn với sơ đồ mạng lớn, thì cả
phương pháp tìm kiếm cũng như phương pháp quy hoạch tốn học đều khơng thể
đạt được lời giải tối ưu một cách hiệu quả.
Với mục tiêu đạt được lời giải tối ưu cho bài toán TCO, nhiều nhà nghiên cứu
đã bắt đầu khám phá khả năng sử dụng các phương pháp tiên tiến, như là EOAs.
EOAs (evolutionary-based optimization algorithms) là phương pháp nghiên cứu dựa
trên việc mơ phỏng q trình tiến hố của thế giới tự nhiên hoặc hành vi xã hội của
các loài. Trong số các EOAs, GAs (genetic algorithms) - thuật giải di truyền - được
sử dụng rộng rãi nhất nhằm thu được lời giải tối ưu cho các bài toán tối ưu đa mục
tiêu trong nhiều lĩnh vực.
Được giới thiệu lần đầu tiên bởi Holland (1992), thuật giải di truyền là thuật
tốn tìm kiếm lời giải tối ưu mơ phỏng theo thuyết tiến hóa Darwin dựa trên cơ chế
chọn lọc và di truyền tự nhiên. Sức mạnh của thuật giải di truyền trong việc xác
định một kết quả gần tối ưu cho bài toán TCO đã được ghi nhận. Chẳng hạn, Feng
3
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
và các cộng sự (1997) đã phát triển một mơ hình GA mà về cơ bản là sự cải thiện
mơ hình lai ghép được phát minh bởi Liu và các cộng sự (1995). Feng và các cộng
sự (2000) phát triển một mơ hình GA cho bài tốn cân bằng thời gian-chi phí trong
xây dựng. Bên cạnh thuật giải di truyền, nhiều kỹ thuật EOA khác lấy cảm hứng từ
nhiều tiến trình khác nhau trong tự nhiên cũng đã được phát triển như thuật toán
memetic (Moscato 1989), tối ưu bầy đàn (Kenedy và Eberhart 1995)…
Vào đầu thập niên 90, một thuật toán với tên gọi Tối ưu đàn kiến (Ant
Colony Optimization_ACO) được đề xuất như là một phương pháp mới trong việc
tìm kiếm lời giải tối ưu cho những bài toán tối ưu đa mục tiêu. ACO lần tiên được
ứng dụng để giải quyết bài toán người thương gia TSP (Traveling Salesmen
Problem), và gần đây nó đã được mở rộng và cải tiến để áp dụng cho nhiều bài toán
tối ưu khác nhau.
Luận văn này sẽ đi sâu nghiên cứu và ứng dụng thuật toán ACO để giải quyết
bài toán tối ưu đa mục tiêu TCO trong một dự án xây dựng. Việc phát triển một
chương trình máy tính dựa trên mơ hình thuật tốn được nghiên cứu, nhằm kiểm tra
kết quả dựa trên số liệu của một dự án xây dựng thực tế, cũng như so sánh với
những phương pháp trước đây, cũng sẽ được xem xét trong luận văn này.
1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu ứng dụng thuật toán ACO (Ant
Colony Optimization) vào việc tối ưu hóa thời gian và chi phí cho một dự án xây
dựng, từ đó xây dựng nên một mơ hình nhằm giúp các kỹ sư xây dựng cũng như các
nhà quản lý dự án xây dựng lựa được những phương án tốt nhất trong quá trình lập
kế hoạch cho dự án. Nội dung cụ thể như sau :
1.
Tổng quan về công tác quản lý dự án cũng như quản lý tiến độ và quản lý
chi phí dự án ; tổng quan về tình hình nghiên cứu bài tốn tối ưu thời gian
– chi phí và các kỹ thuật giải quyết bài toán tối ưu thời gian – chi phí
(Chương 2).
4
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
2.
Nghiên cứu thuật toán tối ưu đàn kiến ACO và phương pháp trọng số
thích ứng sửa đổi MAWA (Chương 3)
3.
Ứng dụng ACO, kết hợp với MAWA để xây dựng một mơ hình cho bài
tốn tối ưu đa mục tiêu thời gian – chi phí trong xây dựng : Mơ hình
ACO-TCO. Từ đó, phát triển một chương trình máy tính dựa trên mơ
hình đã được xây dựng (Chương 4).
4.
Kiểm tra tính hiệu quả của mơ hình bằng các ví dụ thực tế (Chương 5).
5.
So sánh, đánh giá với các mơ hình trước đây.
1.4 PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
-
Phạm vi nghiên cứu cơ bản của luận văn là giai đoạn lập kế hoạch tổ
chức thi công xây dựng.
-
Đối tượng nghiên cứu là bài toán tối ưu thời gian – chi phí. Cách giải
quyết bài tốn xuất phát từ quan điểm của nhà thầu. Nội dung nghiên cứu
liên quan đến hai yếu tố : thời gian và chi phí.
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
-
Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong luận văn này là thuật toán
tối ưu đàn kiến ACO, kết hợp với phương pháp trọng số thích ứng sửa đổi
MAWA trong việc giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu rời rạc TCO.
-
Sau khi phân tích bài toán, sẽ chọn một phần mềm phù hợp để mơ hình
hóa: chương trình tự lập, được viết bằng ngơn ngữ lập trình Visual Basic.
-
Kiểm tra tính khả thi của chương trình thơng qua các ví dụ ; so sánh với
các mơ hình trước đây. Đưa ra kết luận và kiến nghị.
1.6 NỘI DUNG LUẬN VĂN
Nội dung của luận văn được chia thành 6 chương :
Chương 1 : Giới thiệu
5
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.
Giới thiệu
2.
Đặt vấn đề
3.
Mục tiêu nghiên cứu
4.
Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
5.
Phương pháp nghiên cứu
6.
Nội dung luận văn
Chương 2 : Tổng quan
1.
Khái niệm chung về quản lý dự án xây dựng
2.
Quản lý chi phí dự án xây dựng
3.
Quản lý tiến độ dự án xây dựng
4.
Tổng quan về bài tốn tối ưu thời gian – chi phí
5.
Các kỹ thuật giải quyết bài toán tối ưu thời gian – chi phí
Chương 3 : Phương pháp luận để giải quyết vấn đề
1.
Trình bày kiến thức nền tảng về thuật tốn tối ưu đàn kiến ACO
2.
Trình bày phương pháp trọng số thích ứng sửa đổi MAWA
Chương 4 : Mơ hình hóa bài tốn
1.
Trình bày chi tiết các thành phần của mơ hình.
2.
Trình bày chi tiết cách áp dụng thuật tốn tối ưu đàn kiến ACO để giải
quyết bài toán TCO.
Chương 5 : Xử lý dữ liệu và phân tích kết quả
1.
Giới thiệu và trình bày cách sử dụng chương trình
2.
Ví dụ minh họa.
Chương 6 : Kết luận và kiến nghị
6
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
SƠ ĐỒ QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU
Chương 2
Chương 3
Chương 4
Chương 5
Tổng quan về bài toán TCO và các kỹ
thuật giải quyết bài toán TCO
Nghiên cứu thuật toán ACO
Tổng quan về ACO
Các dạng của ACO
- Ant System
- Ant Colony System
- MAX-MIN Ant System
Các ứng dụng của ACO
Ứng dụng ACO, kết hợp cùng MAWA
vào xây dựng mô hình giải quyết bài tốn
TCO : mơ hình ACO-TCO
Nhập thơng số ban đầu của bài tốn
Nhập thơng số của ACO
Xây dựng mơ hình (vịng lặp)
→ Kết quả
Từ mơ hình đã xây dựng, phát triển một
chương trình tin học viết bằng ngơn ngữ
lập trình Visual Basic 6.0 để xử lý bài
tốn
Giới thiệu chương trình
Tính các ví dụ minh họa
Chương 6
Nghiên cứu phương pháp
trọng số thích ứng sửa đổi
MAWA trong việc xác định
trọng số cho mục tiêu thời
gian - chi phí, từ đó tính
được giá trị kết hợp của mục
tiêu thời gian và chi phí.
-
So sánh đáp án thu được với các kết
quả của các mơ hình khác.
Rút ra kết luận và kiến nghị.
7
(Sơ đồ cấu trúc
chi tiết của mơ
hình được trình
bày ở chương 4)
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN
2.1 TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ DỰ ÁN
2.1.1 Khái niệm chung
Dự án là một quá trình gồm nhiều cơng tác có liên quan với nhau, được thực
hiện nhằm đạt được mục tiêu đã đề ra, trong điều kiện ràng buộc về thời gian,
nguồn nhân lực và ngân sách.
Mỗi dự án đều có một chu kỳ hoạt động. Chu kỳ hoạt động của dự án gồm 3
giai đoạn : khởi đầu dự án, triển khai dự án và kết thúc dự án.
Bất kỳ một dự án nào cũng đều có các đặc điểm sau :
¾ Có mục tiêu rõ ràng.
¾ Có thời hạn nhất định (khởi đầu - triển khai - kết thúc).
¾ Có nguồn lực hạn chế (kinh phí, nhân cơng, vật tư).
¾ Duy nhất.
¾ Luôn luôn tồn tại mâu thuẫn.
Lập dự án là quá trình chuẩn bị, sắp xếp và quản lý các cơng tác theo đúng tiến
độ đề ra nhằm hoàn thành mục tiêu của dự án. Mục đích chung của việc lập dự án là
sắp xếp thực hiện các công tác một cách hợp lý cũng như chuẩn bị nguồn lực cần
thiết để thực hiện dự án. Đồng thời, lập dự án cũng là cơ sở để theo dõi, kiểm soát
và đánh giá quá trình thực hiện dự án.
Theo Lê Văn Kiểm và Ngơ Quang Tường (2001), q trình quản lý dự án gồm
3 giai đoạn :
¾ Giải trình dự án : trình bày mục tiêu, đặc điểm và kết quả cần đạt được
của dự án.
8
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
¾ Lập kế hoạch : xác định các cơng việc cần làm, tính thời gian, nhân vật
lực cần thiết cho mỗi cơng việc; lập trình tự thực hiện trước sau giữa
các cơng việc.
¾ Thực thi kế hoạch và điều hành các công việc theo thời gian ấn định.
2.1.2 Mục tiêu của quản lý dự án
Bất cứ một dự án xây dựng nào cũng đều hướng đến 3 mục tiêu : chất lượng –
thời gian – chi phí. Một dự án thành công khi thỏa các yêu cầu sau :
¾ Hồn thành trong thời gian quy định (Due date)
¾ Hồn thành trong chi phí cho phép (Budget limit)
¾ Đạt được chất lượng như mong muốn (Required performance)
¾ Sử dụng nguồn lực được giao một cách :
• Hiệu quả (Effective)
• Hữu hiệu (Efficiency)
Chất lượng
Chất lượng đạt yêu cầu
Mục tiêu
Chi phí
Ngân sách
cho phép
Thời gian quy định
Thời gian
Hình 2.1 Mục tiêu thời gian, chi phí & chất lượng của dự án
9
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1.3 Các lĩnh vực kiến thức trong quá trình quản lý dự án
Theo Lưu Trường Văn (Bài giảng cao học ngành CNQLXD – 2005), quá trình
quản lý dự án bao gồm các lĩnh vực kiến thức sau :
2.1.3.1 Quản lý quy mơ dự án (Project scope management)
¾ Giấy phép
¾ Hoạch định quy mơ
¾ Định nghĩa quy mơ
¾ Kiểm sốt sự thay đổi của quy mơ
¾ Kiểm tra quy mô
2.1.3.2 Quản lý thời gian (tiến độ) dự án (Project time management)
¾ Xác định các cơng tác
¾ Trình tự các cơng tác
¾ Ước lượng thời gian hồn thành các cơng tác
¾ Lập tiến độ / kế hoạch
¾ Kiểm sốt thời gian
2.1.3.3 Quản lý chi phí dự án (Project cost management)
¾ Hoạch định tài ngun
¾ Ước lượng chi phí
¾ Thiết lập ngân sách cho dự án
¾ Kiểm sốt chi phí
2.1.3.4 Quản lý chất lượng dự án (Project quality management)
¾ Hoạch định chất lượng
¾ Kiểm sốt chất lượng
10
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
¾ Bảo hiểm chất lượng
2.1.3.5 Quản lý nguồn nhân lực của dự án (Project human resource
management)
¾ Hoạch định tổ chức
¾ Tìm kiếm, tuyển mộ nhân viên
¾ Thành lập và duy trì Ban QLDA
2.1.3.6 Quản lý thơng tin dự án (Project communications management)
¾ Hoạch định thơng tin
¾ Phân phối thơng tin
¾ Báo cáo tiến trình
¾ Kết thúc quản lý
2.1.3.7 Quản lý rủi ro của dự án (Project risk management)
¾ Nhận dạng rủi ro
¾ Định lượng rủi ro
¾ Phân tích rủi ro
¾ Phản ứng với rủi ro
2.1.3.8 Quản lý cung ứng của dự án (Project procurement management)
¾ Hoạch định cung ứng
¾ Hoạch định sự mặc cả
¾ Sự mặc cả
¾ Lựa chọn tài nguyên, nguồn lực
¾ Quản lý hợp đồng
¾ Kết thúc hợp đồng
11
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.2 QUẢN LÝ CHI PHÍ DỰ ÁN
Mục tiêu chính của việc quản lý chi phí là làm giảm chi phí cũng như kiểm
sốt được chi phí trong quá trình thực hiện dự án. Những nghiên cứu đầu tiên trong
việc làm giảm chi phí liên quan tới các phương pháp năng suất lao động được đề
xuất bởi các thành viên của trường Taylor. Kỹ thuật giảm chi phí đầu tiên làm sáng
tỏ mối quan hệ giữa chức năng và chi phí là phương pháp VE (Value Engineering)
được đề xuất bởi L.D. Miles (1974). Miles nghiên cứu các yêu cầu cần thiết để tạo
ra một sản phẩm cũng như chi phí của các u cầu đó, và đề xuất VE như là một
phương tiện nhằm giảm chi phí. VE được áp dụng không những trong các ngành
công nghiệp sản xuất nói chung mà cịn trong ngành cơng nghiệp xây dựng, trong
quy trình thiết kế cũng như thi cơng xây dựng.
Nghiên cứu đầu tiên cho mục tiêu thứ nhì của quản lý chi phí: kiểm sốt chi
phí, được thực hiện bởi Harrison và Fish, những người đã phê bình khái niệm chi
phí thực tế (actual costing) ban đầu và thay thế bằng chi phí tiêu chuẩn (standard
costing). Và cả khái niệm chi phí thực tế cũng như chi phí tiêu chuẩn đều được tiếp
tục phát triển hơn nữa trong các hệ thống thanh tốn cơng nghiệp.
Vấn đề của việc quản lý chi phí trong dự án xây dựng có thể được chia thành
hai phần : hoạch định ngân sách trước khi bắt đầu các cơng việc và kiểm sốt chi
phí sau khi cơng việc được bắt đầu. Mục tiêu chính của việc hoạch định ngân sách
là xác định chi phí tiêu chuẩn và giảm chi phí. Cịn mục tiêu của việc kiểm sốt chi
phí gồm ba phần :
¾ phân tích tiến triển của dự án trên phương diện tổng khối lượng cơng
việc thực sự hồn thành và ước lượng phần chưa hồn thành;
¾ kiểm sốt chi phí bằng cách xác định các vấn đề thơng qua phân tích;
¾ xem xét biện pháp để giải quyết vấn đề đó.
Vấn đề về sự tiến triển của dự án được khắc phục bởi việc nghiên cứu
PERT/COST, mà đã làm rõ mối quan hệ giữa chi phí và tiến độ của dự án và cơ cấu
12
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
phân chia công việc WBS (Work Breakdown Structure), một phương pháp thể hiện
mối quan hệ giữa chi phí xây dựng và sự tổ chức phân cơng cơng việc theo một cấu
trúc ma trận có thứ bậc. Tuy nhiên, nghiên cứu này ít liên quan đến chiến lược kinh
doanh của các công ty, thường chú trọng vào việc xác định vấn đề trong phân tích
tiến trình và phương pháp kiểm sốt hay giảm chi phí. Một ngoại lệ của phương
pháp này là nghiên cứu theo phương pháp tài chính và kế tốn, nhưng lại có nhiều
đặc điểm khác nhau. Mặt khác, mặc dù mục tiêu đầu tiên của việc quản lý chi phí
trong suốt q trình xây dựng là giữ cho chi phí của các cơng tác nằm trong phạm vi
kiểm sốt, nhưng khơng có nhiều nghiên cứu chú trọng vào việc làm thế nào để lựa
chọn các công tác nào cần được chú trọng hay là thế nào để thực sự giảm chi phí.
Trong thế giới thực, việc quản lý chi phí thường dựa vào kinh nghiệm và khả năng
của người kỹ sư quản lý trên công trường.
2.3 QUẢN LÝ TIẾN ĐỘ DỰ ÁN
2.3.1 Khái niệm về tiến độ dự án xây dựng
Tiến độ dự án xây dựng chính là kế hoạch thời gian thi cơng xây dựng của dự
án xây dựng. Tiến độ được thành lập trên cơ sở biện pháp tổ chức thi công đã xác
định và phải đảm bảo các yêu cầu sau :
¾ Trình tự tiến hành các cơng tác.
¾ Quan hệ ràng buộc giữa các cơng tác với nhau.
¾ Thời gian hồn thành từng hạng mục, từng cơng tác cũng như tồn bộ
cơng trình.
¾ Nhu cầu về nhân vật lực cần thiết cho thi công tại thời điểm nhất định.
Tuy nhiên, tùy theo từng góc độ nhìn nhận khác nhau của chủ đầu tư (client),
tư vấn thiết kế (consultant), nhà thầu (contractor) mà tiến độ có thể được hiểu theo
nhiều cách khác nhau. Theo Ngô Quang Tường (Bài giảng cao học ngành
CNQLXD – 2006) thì :
13
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
¾ Tiến độ là thời gian hồn thành được nói rõ trong hợp đồng hay thời
gian hồn thành tạm thời được yêu cầu cho các giai đoạn cơng việc.
¾ Tiến độ là các q trình liên tục, các giai đoạn thực hiện riêng lẻ đối với
việc hoàn thành dự án.
¾ Tiến độ xây dựng là bảng kế hoạch công việc xây dựng diễn ra trong
từng đơn vị thời gian.
¾ Tiến độ thi cơng là mơ hình khoa học mà mơ hình này được gắn liền
với trục thời gian theo niên lịch.
2.3.2 Các bước lập tiến độ dự án
Theo Lưu Trường Văn (Bài giảng cao học ngành CNQLXD – 2005), việc lập
tiến độ cho dự án được tiến hành theo các bước sau :
¾ Xác định các mục tiêu của dự án.
¾ Thiết lập cơ cấu phân chia cơng việc (Work Breakdown Structure WBS).
¾ Tạo ra danh sách các cơng tác.
¾ Nhận dạng mối quan hệ giữa các cơng tác.
¾ Xác định các u cầu về nguồn lực và kiểm tra sự có sẵn của chúng.
¾ Xác định thời gian hồn thành của từng cơng tác.
¾ Thiết lập tiến độ của dự án.
¾ Hiệu chỉnh tiến độ của dự án.
¾ Chú ý đến các cơng tác Gantt (critical activities).
¾ Thực hiện theo tiến độ đã lập.
2.3.3 Các kỹ thuật quản lý tiến độ dự án
Phương pháp lập tiến độ cho dự án xây dựng phụ thuộc vào 03 yếu tố : kích
thước dự án, mức độ phức tạp của dự án và thời gian hoàn thành dự án.
14
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
Có tất cả bốn loại tiến độ :
¾ Sơ đồ ngang ( hay cịn gọi là sơ đồ Gantt)
¾ Tiến độ xiên
¾ Tiến độ ma trận
¾ Sơ đồ mạng
• Xác định – CPM
• Bất định – PERT
• Song lặp
Phương pháp quản lý tiến độ đầu tiên áp dụng cho ngành xây dựng là sơ đồ
ngang, hay còn gọi là sơ đồ Gantt (Gantt Chart). Phương pháp này được đề xuất bởi
Henry Gantt, một thành viên của trường Taylor và cũng là một học trò của Taylor.
Được xem là người tiên phong trong khoa học quản lý, ông đã pháp triển kỹ thuật
này trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất. Theo đó, các cơng tác trong dự án, thời
gian thực hiện và các thông số khác được biểu diễn bằng các thanh công tác dưới
dạng biểu đồ ngang. Sơ đồ ngang phản ánh mối tương quan về thời gian giữa các
cơng tác của một dự án, nó có một số ưu nhược điểm như sau :
¾ Ưu điểm :
• Một bảng sắp xếp cơng việc dễ hiểu đối với mọi cán bộ quản lý
có trình độ khác nhau.
• Một kế hoạch cơng tác ít địi hỏi phải iu chnh v cp nht.
ắ Nhc im :
ã Khụng th hiện rõ ràng mối quan hệ trước sau giữa các cơng việc
và các ràng buộc khác.
• Khơng chỉ ra được những cơng việc nào có tầm quan trọng lớn,
ảnh hưởng đến sự hoàn thành dự án đúng thời hạn.
15
