مقاله کاربرد الگوریتم شبیه سازی تبرید در بهینه‌سازی عملیات عمرانی

بخشی از مقاله

چکیده

در شرایط اقتصادی امروزه، توانایی به حداقل رساندن زمان و یا هزینه میتواند در سوددهی یا حتی بقای یک شرکت پیمانکاری نقش تعیینکنندهای داشته باشد. همچنین لزوم برنامهریزی مناسب بهمنظور برآورد صحیح از زمان و هزینه انجام پروژهها و میزان منابع موردنیاز آنها، که تأثیر مستقیم بر اجرا، اداره و بهرهبرداری مناسب از پروژههایی همانند سدها، بزرگراهها، مجتمعهای کاشانهای و غیره دارند، بر کمتر کسی پوشیده بوده و اصل مهمی در موفقیت پروژههای عمرانی مح سوب می شود.

در چند دهه اخیر روشهای مختلفی جهت بهینه سازی توأم زمان، هزینه و کیفیت ساخت در پروژههای عمرانی ارائهشده است. در این روشها الگوریتمهای مختلفی مورد ارزیابی قرار گرفته است. یکی از الگوریتمهایی که کمتر از آن در بهینه سازی عملیات عمرانی ا ستفاده شده ا ست، الگوریتم شبیه سازی شده تبرید ا ست. هدف از انجام این پژوهش بررسی الگوریتم شبیهسازیشده تبرید بهعنوان یکی از الگوریتمهای فرا ابتکاری در بهینهسازی عملیات عمرانی است. یک از مزیتهای استفاده از این الگوریتم سادگی و سرعت بالای آن در مسائل بهینهسازی است. به همین منظور در مسائل بهینهسازی توجه محققین را به خود جلب نموده است.

-1 مقدمه

انجام پروژههای عمرانی بهخصوص پروژههای بزرگ نظیر سد، راه، تونل و موارد دیگر در عصر حاضر با تحولات بیسابقهای مواجه بوده است. در پروژههای بزرگ، قسمت عمده هزینه پروژه، مربوط به ماشینآلات و تجهیزات است. ازاینرو یکی از عوامل مهم در انجام موفق طرحها و پروژهها، نقش ماشینآلات و تجهیزات و بهتبع آن نحوه انتخاب و مدیریت صحیح آنها است.

همچنین در دنیای پررقابت امروز بهرهوری یکی از مؤلفههای اساسی و مهم تضمین موفقیت و سودآوری یک صنعت یا یک پروژه است. بهرهوری را میتوانمستقیماً به میزان کاهش هزینهها و یا افزایش سودآوری پروژه نسبت داد. ازآنجاکه در همه پروژهها ضمن حفظ کیفیت، کاهش هزینهها و زمان و اجرا و نیز به دست آوردن سود بیشتر مورد نظر است لذا با بهبود بهرهوری میتوان سود پروژه را تضمین کرد .[1]

در پروژههای راهسازی و عملیات خاکیمعمولاً بیش از 70 درصد از هزینههای عملیات اجرایی را ماشینآلات مختلف تشکیل میدهد. همچنین میزان تخصیص ماشینآلات به پروژه یکی از موارد دائمی اختلافنظر بین پیمانکاران و کارفرمایان در این قبیل پروژهها است. بهاینترتیب که کارفرمایانمعمولاً تمایل به تخصیص ماشینآلات بیشتر به پروژه در جهت تسریع زمان عملیات اجرایی را دارند.

درصورتیکه این مسئله به علت دربرداشتن هزینههای سنگینمعمولاً با عدم تمایل پیمانکاران همراه است. بنابراین استفاده از روشهای علمی مناسب جهت تخصیص بهینه ماشینآلات به پروژه علاوه بر کمک به کاهش هزینهها میتواند بهعنوان مبنایی مشترک جهت برنامهریزی پیمانکاران و کارفرمایان مورداستفاده قرار گیرد .[2] انتخاب تجهیزات یک فاکتور بسیار مهم در هنگام تکمیل یک پروژه است کهکاملاً بر روی بودجه و برنامهریزی عملیات تأثیرگذار است.

بدون تجهیزات مناسب، بهرهوری کاهش، تأخیر در تحویل پروژه افزایش، صدمات افزایش و هزینههای آن را برای همه طرفهای درگیر در عملیات افزایش میدهد .[3] با مطالعه بودجه سالانه ایران این واقعیت مشهود است که هرساله رقم قابلتوجهی از بودجه صرف پروژههای عمرانی میشود که پروژههای مرتبط با بخش تأمین آب یکی از عمدهترین منابع مصرفی این بودجه است. از مهمترین و پرهزینهترین پروژههای صنعت آب میتوان به پروژههای احداث سد اشاره کرد.

در پروژههای ساختمعمولاً برای هر فعالیت، تعدادی گزینه یا روش اجرایی وجود دارد که هر یک از آنها را میتوان برای انجام آن فعالیت برگزید. بهعنوانمثال برای حفر محل یک پی میتوان از بیل مکانیکی و یا کارگر استفاده نمود. این کار میتواند در دوره کاری روزانه و یا در دوره اضافهکاری انجام داد. بدون تردید هر یک از این روشهای اجرا بهعنوان یک راهحل برای انجام فعالیت حفر پی، مدتزمان، هزینه و کیفیت خاصی را خواهند داشت. در یک مسئله بهینهسازی یا موازنه زمان- هزینه-کیفیت، روشهای اجرایی مناسب برای انجام مجموعه فعالیتهای یک پروژه از ابتدا تا انتها باید بهگونهای انتخاب شود که یک تابع هدف تعریفشده مرکب از عوامل زمان، هزینه و کیفیت کل اجرای پروژه کمینه گردد.

کاهش همزمان هزینه و زمان پروژه، در شرایط رقابتی حاکم بین شرکتهای پیمانکاری، امروزه به امری حیاتی تبدیل شده است. ازاینرو سازمانهای پیمانکاری باید بهدقت رویکردهای مختلف را جهت رسیدن به یک موازنه بهینه زمان- هزینه - TCO - بررسی کنند. تاکنون مدلهای مختلفی در این زمینه گسترش یافته اند، ولیاکثراً حالتی را در نظر میگیرند که زمان پروژه بر طبق قرارداد، ثابت است. بنابراین هدف از بهینهسازی در این موارد، به یافتن راه حلی برای مینیمم کردن هزینه پروژه محدود میشود.

با رواج سیستم پیشنهاد زمان تحویل پروژه، کارفرما و پیمانکار هردو در پی افزایش سود و جذب موقعیتهای حاصل از اتمام هرچه سریعتر پروژه هستند. ظهور قراردادهای جدید که افزایش کیفیت عملیات اجرایی پروژهها را همزمان با کاهش زمان و هزینه آنها در نظر میگیرند، نیازمند توسعه مدلهایی است که علاوه بر زمان و هزینه، عامل کیفیت را در ارزیابی و بهینهسازی روشهای اجرایی پروژه منظور دارند.

کاهش زمان و هزینه اجرا و همچنین افزایش کیفیت آن، اهداف متفاوتی بوده کهغالباً با یکدیگر همسو نمیباشند. ازاینرو این قبیل مسائل به مسائل موازنه زمان- هزینه- کیفیت موسوم شدهاند . با توجه به اهمیت موضوع در این پژوهش قصد داریم به معرفی کاربرد الگوریتم شبیهسازی تبرید در بهینهسازی عملیات عمرانی بپردازیم. در ادامه پس از بیان برخی تعاریف به معرفی و نحوه کارکرد الگوریتم شبیهسازی تبرید و بیان تحقیقات صورت گرفته در این حوزه پرداخته شده است.

-2 تعاریف

-2-1 طرح عمرانی

مجموعه عملیات و خدمات مشخصی است که بر اساس مطالعات توجیهی فنی و اقتصادی و اجتماعی در یک موقعیت جغرافیایی معلوم و در یک دوره زمانی از قبل تعیینشده با اعتبار معین، برای اجرای یک قسمت از فعالیتهای یک بخش اقتصادی در قالب یک برنامه عمرانی، به مرحله اجرا در میآید. اینگونه طرحها عموماً بطورمستقیماً بهوسیله کارفرمای دولتی برنامهریزی شده و کلیه مراحل طراحی و ساخت آن توسط وی پیگیری میشود.[4]

-2-2 پروژه عمرانی

مجموعه عملیات، خدمات طراحی و ساخت تمام یا قسمتی از یک طرح عمرانی به صورت واحدی مستقل یا قابل بهرهبرداری از آن طرح به پروژه تفکیک میگردد و از نظر ساخت در قالب یک یا چند قرارداد به مرحله اجرا گذاشته میشود. پروژه عمرانی عبارت است از تلاشی موقتی که برای ایجاد یک محصول و یا خدمات یکتا تعهد شده است.[5]

-2-3 تأخیر در پروژههای عمرانی

تأخیر یکی از مهمترین پدیدههای رایج در پروژههای عمرانی است که کیفیت اجرای پروژه را تحت تأثیر قرار میدهد. در طول دهههای گذشته این پدیده در پروژههای ساده ساختمانی تا پیچیدهترین آنها نظیر پروژههای پتروشیمی، سدسازی، نیروگاههای هستهای رخ داده است بهگونهای که میانگین وزنی مدت اجرای پروژهها در کشور11/1 سال بوده است.

تأخیر در اجرای پروژههای عمرانی موجب راکد ماندن سرمایه و به تعویق افتادن بازگشت سرمایه، افزایش هزینههای جاری پروژه، کاهش قدرت خرید بودجه پروژه به علت افزایش نرخ تورم، معطل ماندن منابع و عدم بهکارگیری آن در سایر پروژهها، از دست رفتن موضوعیت پروژههای وابسته به زمان و اختلاف طرفهای درگیر در پروژه به دلیل تحمیل هزینههای مازاد و نارضایتی مردم، مشتریان و ذینفعان میگردد.[5]

-2-4 زمان، هزینه و کیفیت اجرای پروژههای عمرانی

هر پروژه شامل مجموعهای از فعالیتهای اجرایی است که برخی میتوانند بهصورت همزمان یا بهعبارتدیگر به صورت موازی با هم انجام شده و برخی نیز به هم وابسته بوده و با رعایت تقدم و تأخر زمانی اجرا میشوند. برای انجام هر فعالیت روشهای مختلفی میتواند وجود داشته باشد. که هر یک ازنظر مدت زمان، هزینه و کیفیت اجرا میتواند با دیگری متفاوت باشد. بنابراین برای اجرای یک پروژه که از شروع تا خاتمه متشکل از فعالیتهای اجرایی متعددی است میتوان روشهای متفاوتی را در برنامه اجرایی آن فرض نمود، که هر یک از آنها مدت زمان، هزینه و کیفیت اجرای مربوط به خود را دارند.

زمان اجرای کل پروژه بر اساس یکی از روشهای اجرایی ممکنه، مجموع زمان فعالیتهای موجود در مسیر بحرانی - CPM - طرحریزیشده برای آن روش اجرا یا جواب است. یکی از این روشهای اجرایی حائز بیشترین و یکی نیز حائز کمترین طول مدت اجرای کل میباشند که آنها را به ترتیب با Tmax و Tmin نمایش میدهند. هزینه کل پروژه شامل دو بخش هزینههای مستقیم و هزینههای غیرمستقیم است.

هزینههای مستقیم پروژه، مجموع هزینههای مستقیم کلیه فعالیتهای پروژه است، درحالیکه هزینههای غیرمستقیم از مخارج بالاسری و مدیریتی پروژه تشکیل یافته و به زمان پروژه وابسته است. هر چه مدت اجرای یک پروژه طولانیتر باشد هزینههای غیرمستقیم آن بیشتر میشود. محاسبه کیفیت پروژه کاری پیچیده و دشوار است. این پیچیدگی شامل دو بخش محاسبه کیفیت اثر هر گزینه مصرف منابع بر روی فعالیت در نظر گرفته شده و تجمیع عملکرد کیفی برای محاسبه سطح کیفیت کل پروژه است.[6]

-3 الگوریتم تبرید شبیهسازیشده

الگوریتمهای تقریبی به دو دسته الگوریتمهای اکتشافی و فرا اکتشافی تقسیمبندی میشوند.[7] در بین الگوریتمهای فرا اکتشافی، شبیهسازی تبرید تدریجیٌ روشی سودمند و کارا برای یافتن راهحل بهینه مسائل ارزیابی محسوب میشود .[8] الگوریتم تبرید شبیهسازیشده، یک الگوریتم بهینهسازی فرا ابتکاری ساده و اثربخش در حل مسائل بهینهسازی است. منشأ الگوریتم تبرید شبیهسازیشده، کارهای کریک پاتریک و کرنی و همکارانشان در سالهای 1983 و 1985 است.[9]