Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Принципы создания комплексных систем управления строительными процессами на основе сквозного планирования и диспетчеризации

Артем Мнацаканян,

Независимый исследователь, г. Шарлотт, США

Статья посвящена исследованию принципов создания комплексных систем управления строительными процессами на основе сквозного планирования и диспетчеризации. Рассматривается современный контекст цифровизации управления строительством как альтернатива традиционным решениям. Раскрывается сущность сквозного планирования как метода формирования единой модели строительных работ, а также роль диспетчеризации как инструмента оперативного управления выполнением строительных процессов. Проанализировано проблемное поле внедрения цифровых систем управления строительством и сформулированы требования к системе как к инженерной системе управления. Предложены принципы и подходы построения комплексной системы управления строительными процессами, разработана информационная модель системы. На основе экономической модели выполнен сравнительный анализ эффективности традиционных решений и системы сквозного планирования и диспетчеризации. Полученные результаты подтверждают целесообразность внедрения комплексных систем управления строительством для повышения управляемости и экономической эффективности реализации строительных проектов.

Введение

Происходящая на протяжении последних лет цифровая трансформация строительной отрасли становится одним из фундаментальных факторов повышения эффективности реализации инвестиционно-строительных проектов. В части последних, особый интерес представляет феномен увеличивающейся сложности проектирования и усиления требований к качеству его реализации; регламентация и стандартизация деятельности строительных организаций становится все более выраженной, в связи с чем проявляется повышенная необходимость одновременного управления сроками, стоимостью и качеством без их ущерба друг другу. Закономерно, особую актуальность приобретает разработка комплексных систем управления строительными процессами, основанных на принципах сквозного планирования и оперативной диспетчеризации.

Стоит отметить, что традиционные подходы к управлению строительством, основанные на построении статичных календарно-сетевых моделей и периодическом контроле выполнения работ, все в меньшей степени соответствуют современным условиям реализации проектов. Как отмечают O. Madubuike, C.J. Anumba и R. Khallaf, существующие методы планирования, как правило, не обеспечивают постоянной обратной связи между фактическим ходом работ и плановыми показателями, что приводит к запаздыванию принимаемых решений и накоплению отклонений по срокам и ресурсам. В конечном счете инерционность управления приводит к снижению эффективности проекта [3]. При этом современный этап развития строительной отрасли характеризуется активным внедрением цифровых технологий, которые позволяют осуществлять сквозное планирование, учитывать факторы времени, сроков и стоимости проекта, повысить управляемость последнего. Причем, как признается, важным обстоятельством развития сквозного планирования является его интеграция с механизмами диспетчеризации, которые делают возможным оперативное управление выполнением строительных процессов. Диспетчеризация ориентирована на работу в режиме, близком к реальному времени, и предполагает непрерывное сопоставление плановых и фактических данных с последующей корректировкой заданий, ресурсов и последовательности работ, что, как подчеркивают Y. Yang, C. Chen, X. Liu и Z. Zhang, позволяет перейти к системному управлению потоками работ и ресурсов (что является необходимым условием повышения эффективности строительных проектов) [10]. В совокупности изложенные обстоятельства обусловили актуальность настоящего исследования и определили его цель.

Цель исследования – обоснование принципов построения комплексных систем управления строительными процессами, ориентированных на интеграцию сквозного планирования и диспетчеризации, а также выявление предпосылок их эффективности по сравнению с традиционными подходами управления строительством.

Теоретические и прикладные аспекты сквозного планирования и диспетчеризации в управлении строительными процессами

Сквозное планирование в строительстве целесообразно рассматривать как методологию формирования и поддержания единой модели работ, которая охватывает все уровни управления проектом. Принципиальной особенностью сквозного планирования является декомпозиция работ и сохранение временной и ресурсной связности между уровнями планирования, что позволяет обеспечивать согласованность целей и действий всех участников строительного процесса. Так, например, C.P. Schimanski, C. Marcher, G.P. Monizza и D.T. Matt, справедливо указывают, что переход к иерархической модели, состоящей из фазового, недельного и краткосрочного планирования, позволяет обеспечить прямую связь между стратегическими целями проекта и фактическими производственными заданиями. При этом особое внимание уделяется формированию надежных планов выполнения работ, основанных на реальных производственных возможностях и ограничениях строительной площадки, а не исключительно на нормативных расчетах [7].

Итак, в отличие от классического подхода сквозное планирование предполагает постоянную актуализацию планов с учетом фактического хода работ. Неотъемлемую роль в этом играет и диспетчеризация.

Диспетчеризация строительных процессов представляет собой совокупность действий, направленных на координацию, корректировку и синхронизацию выполнения строительных операций в режиме, близком к реальному времени (т.е. на управление ими). Основной задачей диспетчеризации является контроль исполнения заданий и управление причинно-следственными связями между работами, ресурсами и временными параметрами. В рамках диспетчеризации осуществляется перераспределение ресурсов, изменение последовательности операций, уточнение сроков и корректировка заданий в ответ на возникающие отклонения.

С теоретико-методологической точки зрения важным вкладом в развитие данного подхода вносят исследования M. Rogalska, Z. Hejducki и P. Kostrzewa-Demczuk, в которых управление строительными процессами рассматривается через призму каузального моделирования. По мнению авторов, эффективность диспетчеризации напрямую зависит от способности системы выявлять и анализировать причинно-следственные связи между событиями строительного процесса – задержками поставок, простоями техники, изменениями фронта работ или дефицитами ресурсов [6].

Соответственно, сквозное планирование и диспетчеризацию следует рассматривать в качестве взаимодополняющих элементов единой системы управления строительными процессами (Рис. 1):

Рис. 1. Сквозное планирование и диспетчеризация как элементы единой системы управления строительными процессами

Итак, переход к сквозному планированию и диспетчеризации направлен в первую очередь на устранение проблемного поля, связанного с управлением требованиями и изменениями в строительных процессах. Одной из основных проблем остается разрыв между планированием и управлением как строительными процессами, т.к. в большинстве строительных проектов долгосрочные графики, оперативные планы и фактическое управление производством существуют в виде слабо связанных между собой документов и информационных систем. В результате нарушается преемственность планов, а решения принимаются на основе неполной или устаревшей информации. Как показывают S. Moradi и P. Sormunen, даже при внедрении элементов Lean Construction существенная часть организаций сталкивается с отсутствием сквозной интеграции данных, низкой надежностью краткосрочных планов и ограниченной способностью подстраиваться под изменения в ходе реализации проекта. Авторы отмечают, что формальное использование инструментов бережливого строительства без соответствующей информационной и организационной поддержки не позволяет достичь искомых эффектов повышения эффективности [5]. Именно система сквозного планирования и диспетчеризации становится источником соответствующих данных.

При этом смеем констатировать, что статичное планирование в условиях крайней неопределенности оказывается все наименее благоприятствующим для проекта. Как итог, отсутствие механизмов оперативного реагирования и системной диспетчеризации приводит к тому, что управление фактически является запаздывающим или поспевающим.

Еще одной типовой проблемой является ограниченная прозрачность строительных процессов, которая проявляется на оперативном уровне – руководители работ и диспетчерские службы не обладают актуальной информацией о фактическом состоянии выполнения заданий, загрузке ресурсов и возникающих ограничениях, что нарушает координацию работ между подрядчиками, участками и видами работ, а также усложняет принятие обоснованных решений. Тем самым возрастает доля неэффективных простоев, дублирования операций и несогласованных действий.

Как считают A. Shakharov, T. Beach и Y. Rezgui, современные системы управления строительством должны обеспечивать постоянную связь между планированием и исполнением, поддерживать автоматическую генерацию и актуализацию заданий, а также учитывать многомерные ограничения (временные, ресурсные, пространственные и технологические). При этом основным требованием является способность системы подстраиваться под изменения в ходе выполнения работ без необходимости полной переработки планов [8]. С учетом выявленного проблемного поля можно выделить следующие базовые требования к комплексной системе управления строительными процессами на основе сквозного планирования и диспетчеризации (Рис. 2):

Рис. 2. Принципы формирования сквозной системы управления строительными процессами

Опираясь на Рис. 2, раскроем прикладную реализацию приведенных принципов с их приведением к существующим подходам к управлению. Так, в части их реализации основным является системный подход, который предполагает объединение всех элементов управления строительными процессами в единое информационно-функциональное пространство. Планирование сроков, управление ресурсами, контроль выполнения и анализ отклонений должны основываться на общей модели данных и согласованных правилах взаимодействия. Как отмечают O. Alnajjar, E. Atencio и J. Turmo, именно интеграция Lean Construction, BIM и цифровых технологий позволяет перейти к единой системе, ориентированной на управление потоками работ и ресурсов на протяжении всего жизненного цикла строительного проекта [1].

Здесь же реализуется подход, основанный на сквозной связности уровней планирования, в соответствии с которым стратегические, тактические и оперативные планы формируются как взаимосвязанные представления одной и той же системы работ. Соответственно, возможным становится изменение планирования с упором на оперативное корректирование плановых решений в ответ на изменения условий выполнения работ; так, отклонения, связанные с ресурсными ограничениями, технологическими задержками, логистическими сбоями (и т. п.) фиксируются и автоматически поддерживаются с упором на единую модель проекта. Тут же осуществляется диспетчеризация в режиме, близком к реальному времени, который предполагает постоянное сопоставление плановых и фактических данных; учитывая многомерность ограничений, автоматическое планирование с их учетом позволяет повысить реализуемость графиков и снизить вероятность конфликтов на строительной площадке [9]. Учет таких ограничений должен быть встроен в основание системы управления (Таблица 1):

Таблица 1 – Подходы к построению комплексной системы управления строительными процессами на основе сквозного планирования и диспетчеризации

Исходя из приведенных подходов, возможной становится формализация функций комплексной системы управления строительными процессами и их выведения в формате информационной модели (Рис. 3).

С точки зрения функциональной декомпозиции основным элементом архитектуры выступает подсистема планирования, которая формирует и поддерживает единую модель строительных работ. В рамках данной подсистемы осуществляется формирование структуры работ, задаются логические и технологические зависимости, определяются календарные параметры и увязываются работы с ресурсами. Важной особенностью является то, что модель представляет собой динамическое представление строительного процесса, пригодное для последующей детализации и актуализации.

Существенный вклад в формирование подобного подхода вносит работа M.A. Al-Sinan, A.A. Bubshait и Z. Aljaroudi, в которой архитектура системы управления строительством рассматривается как последовательная цепочка преобразования данных: от информационной модели объекта (BIM) через интеллектуальные модули планирования к формированию детализированных графиков и производственных заданий. Авторы показывают, что использование машинного обучения в сочетании с BIM позволяет автоматизировать генерацию расписаний с учетом технологических, временных и ресурсных ограничений [2].

Следующим элементом архитектуры является модуль оперативного планирования и диспетчеризации, который нужен для трансляции укрупненных планов в недельные и сменные задания. Данный модуль отвечает за изменение плановых решений в соответствии с фактическими условиями строительной площадки, учетом доступности ресурсов и фронтом работ, а также координацией действий исполнителей. В рамках диспетчеризации осуществляется управление последовательностью выполнения работ, перераспределение ресурсов и актуализация заданий в ответ на возникающие отклонения.

Также неотъемлемой частью системы выступает модуль мониторинга и сбора фактических данных, которая нужна для получения информации о ходе выполнения строительных работ. Источниками данных могут выступать отчеты производственного персонала, данные от датчиков и средств мониторинга, а также сведения, поступающие из смежных информационных систем. Данный модуль формирует основу для сопоставления плановых и фактических показателей и обеспечивает функционирование контура обратной связи.

Рис. 3. Комплексная система управления строительными процессами

На основе данных мониторинга функционирует и аналитический модуль, который необходим для анализа отклонений, выявления причинно-следственных связей и поддержки принятия управленческих решений. В рамках данного модуля осуществляется оценка влияния отклонений на сроки и ресурсы проекта, формирование рекомендаций по корректировке планов и сценарный анализ возможных решений. Информационная модель комплексной системы управления строительными процессами формируется на основе принципа единого информационного пространства. В ее состав входят данные о структуре работ, ресурсах, календарных параметрах, пространственных ограничениях, а также фактические данные о выполнении работ. Все элементы модели связаны между собой через систему идентификаторов и зависимостей, что обеспечивает возможность сквозного анализа данных на различных уровнях управления [4].

Сравнительный анализ и сценарии применения комплексной системы управления строительными процессами на основании модели сквозного планирования и диспетчеризации

Для оценки экономической эффективности внедрения модели сквозного планирования и диспетчеризации используется экономическая модель, ориентированная на анализ управляемых затрат строительного проекта. Под управляемыми затратами понимается та часть совокупных затрат, величина которой напрямую зависит от качества системы управления и может быть изменена в результате внедрения цифровых инструментов планирования и диспетчеризации.

В рамках модели предполагается, что прямые производственные затраты (материалы, базовая заработная плата по смете, нормативные расценки) в большинстве случаев сопоставимы при традиционном управлении и при использовании сквозной системы. Существенные различия формируются за счет косвенных факторов – увеличения фактической длительности проекта, простоев трудовых и технических ресурсов, затрат на переделки, а также стоимости внедрения системы управления.

Рассматриваются два сценария управления строительством:

T – традиционное управление;

E2E – управление на основе сквозного планирования и диспетчеризации.

Для каждого сценария вводится следующий минимальный набор параметров:

D_k – фактическая длительность проекта, дней;

c_oh – накладные (общеплощадочные и управленческие) затраты в расчете на один день, руб./день;

H_k – суммарные часы простоев ресурсов (бригады и техника), часов;

c_idle – средневзвешенная стоимость одного часа простоя, руб./час;

R_k – затраты на переделки и дополнительные работы, руб.;

C_sys – стоимость внедрения системы управления, руб. (учитывается только для сценария E2E).

С целью упрощения модели простои агрегируются в одну величину H_k, а их стоимость учитывается по единой ставке c_idle.

Управляемые затраты проекта в сценарии k рассчитываются по формуле:

MC_k = c_oh × D_k + c_idle * H_k + R_k

Соответственно, для традиционного управления:

MC_T = c_oh * D_T + c_idle * H_T + R_T

Для сценария сквозного планирования и диспетчеризации:

MC_E2E = c_oh * D_E2E + c_idle * H_E2E + R_E2E + C_sys

Экономический эффект от внедрения системы определяется как разница управляемых затрат:

E = MC_T − MC_E2E

Если значение E > 0, внедрение системы является экономически оправданным.

Методика расчета включает несколько последовательных этапов. На первом этапе формируются исходные данные по проекту, реализованному с использованием традиционного управления. Фактическая длительность проекта D_T определяется по календарно-сетевым графикам и отчетности. Накладные затраты в расчете на один день могут быть определены по формуле:

c_oh = OH_month. / N_daymonth

Либо, при использовании бюджета проекта:

c_oh = OH_total / D_plan

где OH_month – общеплощадочные расходы за месяц,

N_daysmonth – количество рабочих дней в месяце,

OH_total – суммарные накладные расходы проекта,

D_plan – плановая длительность проекта.

Суммарные часы простоев H_T определяются по журналам простоев, нарядам, путевым листам техники и данным диспетчеризации. Средняя стоимость часа простоя может быть рассчитана по формуле:

c_idle = (Cost_mach * w_mach + Cost_lab * w_lab) / (w_mach + w_lab)

где Cost_mach – стоимость часа простоя техники,

Cost_lab – стоимость часа простоя бригад,

w_mach, w_lab – весовые коэффициенты (доли техники и труда в общем объеме простоев).

При отсутствии детализированных данных допускается упрощенный расчет:

c_idle = Total_idlecost / Total_idlehours

Затраты на переделки R_T определяются по актам дополнительных работ, корректировкам смет и списаниям.

На втором этапе аналогичные показатели формируются для сценария сквозного планирования и диспетчеризации (D_E2E, H_E2E, R_E2E). Дополнительно фиксируется стоимость внедрения системы C_sys, которая включает в себя программное обеспечение, обучение персонала и сопровождение.

На третьем этапе рассчитываются значения MC_T и MC_E2E, после чего определяется экономический эффект E и относительный эффект в процентах:

E_% = (E / MC_T) * 100 %

Для иллюстрации применения модели рассмотрим пример расчета.

Для традиционного управления задано:

D_T = 180 дней

c_oh = 200000 руб./день

H_T = 1200 часов

c_idle = 8000 руб./час

R_T = 8000000 руб.

Расчет управляемых затрат:

Накладные затраты:

c_oh * D_T = 200000 * 180 = 36000000 руб.

Затраты на простои:

c_idle * H_T = 8000 * 1200 = 9600000 руб.

Переделки:

R_T = 8000000 руб.

Итого:

MC_T = 53600000 руб.

Для сценария сквозного управления задано:

D_E2E = 170 дней

H_E2E= 900 часов

R_E2E= 6500000 руб.

C_sys = 6000000 руб.

Накладные затраты:

200000 * 170 = 34000000 руб.

Затраты на простои:

8000 * 900 = 7200000 руб.

Переделки:

6500000 руб.

Система управления:

6000000 руб.

Итого:

MC_E2E = 53700000 руб.

Экономический эффект:

E = 53600000 − 53700000 = -100000 руб.

Полученный результат означает, что при разовом применении системы на одном проекте и учете полной стоимости внедрения экономический эффект оказывается близким к нулю. Однако при использовании системы на портфеле проектов затраты на внедрение распределяются между ними (Рис. 4). Например, при применении системы на двух аналогичных проектах удельная стоимость внедрения составит вдвое меньше (3 млн. руб.), в связи с чем экономический эффект сформируется в размере 2,9 млн. руб. Относительный эффект E_% = (2900000 / 53600000) × 100 % = 5,4%

Рис. 4. Накопительный экономический эффект от внедрения системы сквозного планирования и диспетчеризации

Таким образом, экономическая модель показывает, что основной эффект от внедрения сквозного планирования и диспетчеризации формируется за счет сокращения длительности проекта, уменьшения простоев ресурсов и снижения затрат на переделки. При этом решающим фактором экономической целесообразности является тиражируемость системы и ее использование на совокупности проектов, что позволяет трансформировать цифровую систему управления в постоянно действующий инструмент повышения эффективности строительной деятельности.

Заключение

Таким образом, внедрение комплексных систем управления строительными процессами на основе сквозного планирования и диспетчеризации является экономически и организационно целесообразным в первую очередь для средних и крупных инвестиционно-строительных проектов, а также для организаций, реализующих несколько проектов параллельно. Полученные результаты могут быть использованы при разработке и внедрении цифровых систем управления строительством, а также в качестве методической основы для дальнейших исследований, направленных на формализацию показателей управляемости и надежности планирования строительных процессов.

Список источников:

1. Alnajjar O., Atencio E., Turmo J. Framework for Optimizing the Construction Process: The Integration of Lean Construction, Building Information Modeling (BIM), and Emerging Technologies // Applied Sciences. Vol. 15. Art. 7253. DOI: 10.3390/app15137253.
2. Al-Sinan M.A., Bubshait A.A., Aljaroudi Z. Generation of Construction Scheduling through Machine Learning and BIM: A Blueprint // Buildings. Vol. 14. Art. 934. DOI: 10.3390/buildings14040934.
3. Madubuike O., Anumba C.J., Khallaf R. A review of digital twin applications in construction // Journal of Information Technology in Construction. Vol. 27. P. 145–172. DOI: 10.36680/j.itcon.2022.008.
4. Meng F., Yu S., Xue J. Construction Schedule Management System for Large-Scale Construction Projects Based on Multisensor Network // Computational Intelligence and Neuroscience. Vol. 2022. Art. 3003552. DOI: 10.1155/2022/3003552.
5. Moradi S., Sormunen P. Implementing Lean Construction: A Literature Study of Barriers, Enablers, and Implications // Buildings. Vol. 13. Art. 556. DOI: 10.3390/buildings13020556.
6. Rogalska M., Hejducki Z., Kostrzewa-Demczuk P. Causal Reasoning in Construction Process Scheduling // Applied Sciences. Vol. 16. Art. 207. DOI: 10.3390/app16010207.
7. Schimanski C.P., Marcher C., Monizza G.P., Matt D.T. The Last Planner® System and Building Information Modeling in Construction Execution: From an Integrative Review to a Conceptual Model for Integration // Applied Sciences. Vol. 10. Art. 821. DOI: 10.3390/app10030821.
8. Shakharov A., Beach T., Rezgui Y. Automated and adaptable construction work scheduling: a roadmap // Organization, Technology and Management in Construction. Vol. 17. P. 239–259. DOI: 10.2478/otmcj-2025-0014.
9. Wang L., Li J., Ye Q., Li Y., Feng A. Automatic Planning Method of Construction Schedule under Multi-Dimensional Spatial Resource Constraints // Buildings. Vol. 14. Art. 3231. DOI: 10.3390/buildings14103231.
10. Yang Y., Chen C., Liu X., Zhang Z. Integration of Lean Construction and BIM in Sustainable Built Environment: A Review and Future Research Directions // Buildings. Vol. 15. Art. 2411. DOI: 10.3390/buildings15142411.

17.10.2024 г.