交通运输建设工程施工线性计划编制方法及优化模型与算法研究

Scheduling is important in assisting the project manager to achieve objectives of construction project management, such as duration, cost, etc. The rationality of the schedule also affects the quality, service life, and maintenance cost of transportation infrastructure. In recent years, many studies have noted the unique advantages of linear schedule-based scheduling methods, represented by the Linear Scheduling Method (LSM) and the Line of Balance Method (LOB), in solving Linear Schedule-based Transportation Construction Project Scheduling Optimization Problems (TPLSOP). However, some shortcomings remain in these methods, resulting in deficiencies in various scheduling optimization models used for solving TPLSOP problems, which are based on them. Thus, this study will 1) propose a new linear schedule-based scheduling method called LSM-LOB, according to the characteristics of transportation construction projects, to overcome the defects of the LSM and LOB; 2) based on the LSM-LOB and considering 9 types of constraints, it will propose a TPLSOP problem constraints description system and build a new Linear Schedule-based Scheduling Optimization Model (LLSOM) for solving the TPLSOP problem while overcoming the deficiencies in the existing models; 3) based on the Constraint Programming technique, it will design an algorithm to solve the TPLSOP problem, which is characterized by large scale construction projects and belongs to the NP-hard Problems; 4) research and develop the Linear Schedule-based Transportation Construction Projects Scheduling Optimization System (LLSS), and validate the effectiveness and superiority of the proposed LLSOM model and algorithm, based on some classical case studies in this field and a Chinese railway construction project, with the help of the LLSS.

施工计划是辅助项目管理者达到工期、费用等目标的重要依据，其合理性还影响着交通基础设施建设质量、使用寿命、维护成本。近年来，诸多研究指出了以线性计划方法（LSM）、平衡线法（LOB）为代表的线性计划编制方法，在交通运输建设工程施工线性计划编制及优化问题（TPLSOP）上的独特优势。然而，此类方法仍存在一定缺陷，使得基于其构建的各类TPLSOP模型存在着较多不足。为此，本研究将提出一种新的交通运输建设工程线性计划编制方法（LSM-LOB），以克服LSM、LOB的缺陷；基于LSM-LOB，围绕9类约束，构建TPLSOP约束体系及新的线性计划编制优化模型，使之克服现有模型的不足；基于约束规划算法，设计TPLSOP这类大规模建设工程施工计划编制优化NP-hard问题求解算法；研发交通运输建设工程施工线性计划编制优化原型系统，结合本领域经典案例及中国铁路建设实例，对模型及算法的有效性、优越性进行验证。

科学合理的施工计划对于建设工程，尤其是在物理形态上具有线性连续性特征在施工过程展现大规模、长工期、高投资属性的交通运输建设工程的项目管理工作，具有至关重要的作用。本项目针对交通运输建设工程施工线性计划编制及优化问题（TPLSOP），从线性计划方法（LSM）改进、优化模型构建、高效算法设计三个方面开展研究。.项目执行期间取得了如下主要成果：1）提出了LSM框架下第三类时速差的概念，是二十世纪中叶LSM方法提出后，对其基本理论的一次重要丰富，可以显著提升LSM方法的优化深度和应用灵活性，为基于该方法所构建的模型灵活性的提升奠定了基础；2）构建了LSM框架下更为全面、准确的TPLSOP问题时空逻辑约束体系；3）面向复杂实际场景，构建了更具灵活性及实用性的TPLSOP问题优化模型，包括：不确定性优化模型、两阶段优化模型等；4）基于约束规划算法（CP）、量子例子群算法（QPSO）、基于QPSO的混合多目标算法（MOQPSO）等算法框架，结合TPLSOP问题特性，设计了用于解决具有NP-hard属性的大规模调度优化问题求解算法。其中，本研究所设计的带有动态约束目标处理机制及粒子搜索范围限制的量子粒子群求解算法，是QPSO算法在建设工程施工计划调度优化领域的首次应用及成功探索；5）此外，针对高速公路建设工程造价预测问题与铁路轨道维修决策问题做了一定的延申研究。.项目执行期间，主要科研成果的展现形式包括：1）发表期刊论文11篇。其中，SCI检索论文6篇，1篇第一标注论文发表于期刊Computer-aided Civil and Infrastructure Engineering（SCI An1，IF：11.775）；2）发表EI检索会议论文1篇；3）申请专利5项。其中，2项已授权；4）参与制定国家标准1项；5）获奖励及荣誉2项：项目主持人获第十四届詹天佑铁道科学技术奖（专项奖）；一篇第一标注论文获交通运输部认定“2021年度交通运输重大科技创新成果库入库成果”。