工程项目诊断指标自适应调整仿真系统

2021-11-18侯学良

计算机仿真 2021年1期

王毅，郭玉，侯学良

(华北电力大学工程技术与管理研究所，北京102206)

1 引言

在我国“十三五”规划实施期间，为促进国民经济持续稳定的健康发展，我国建设了一大批大型和特大型工程项目，如纵接港珠澳的超长大桥、横贯内蒙、北京、河北、山东和天津五省市的特高压交流工程、全球最大的水能机组白鹤滩电站等。在这些工程项目的建设管理中，为实现对工程项目科学有效的监管和控制，很多工程建设单位采用了大型建设工程项目实施状态诊断系统这一管理工具。工程实践应用结果已充分证明，在完成工程项目实态信息的采集后，这一管理软件不仅能够即时诊断出工程项目分部分项中各管理对象的即时所处状态，而且还能基于预设标准，分析和判断出工程项目中所存在的有关问题，并为工程项目管理者及时高效地解决工程项目管理中的有关问题提供相关的对策和建议。因此，在工程项目的建设管理中，该工具深受工程项目管理者的好评[1]。

但在该系统的使用过程中也同时发现，随着工程项目阶段的演变，当工程项目管理对象发生变化后，工程项目实施状态的诊断指标本应随即也同步做出相应的调整和修正，但实际上，诊断指标并没有随着管理对象的变化而变化。很显然，一旦出现这一问题，必然无法实现对工程项目的科学分析与诊断。面对这一问题，工程项目管理者就用人工干预的方式进行诊断指标的调整和修正。然而，由于大型和特大型工程项目各个阶段的管理对象及其管理指标数量庞大，这种人工调整方式不仅会给工程项目管理者带来极大的工作负担，而且也工程项目实现工程大数据的自动化分析与处理带来非常不利的影响，更无法实现对工程项目及时有效的科学分析与诊断[2]。

为有效解决这一问题，一些研究者经过多年的研究和探索，提出了基于自适应控制技术的解决思路与方案[3]。但从其研究结果和仿真效果来看，还与现行工程项目诊断系统还存在着明显的非兼容性和非协同性，特别是在工程实际应用方面，与大型工程项目实施状态诊断系统实现诊断指标的自动调整这些现实需求还存在着较大差距。因此，如何基于自适应控制这一新技术开发出能够满足工程实际使用和管理需求的新系统就具有非常重要的现实意义。

2 实现自适应调整的系统所需功能

现行工程项目实施状态诊断系统是由项目概况、信息采集、数据处理、指标管理、专家评价、状态评判、分析结果、状态预警、文档查询、后期管理和用户信息十一个一级子系统组成的。从其使用功能来看，当工程项目管理阶段发生变化并出现需要分析和诊断的管理新对象后，工程项目管理者就从诊断系统的指标数据库中调取相应的管理指标，人工完成诊断指标及其权重的调整和修正工作[4]。然而，若要使现行诊断系统从目前的人工调整模式转变为诊断指标的自动调整模式，根据相关研究成果可知[3]，现行工程项目实施状态诊断系统就必须在现有功能基础上增补若干具有自适应运行功能的模块。这些模块主要分为两大类，一类是根据诊断系统所采集的信息自动进行广义误差分析，并根据分析和判定结果，自动指令诊断系统实施诊断指标自适应调整伺服程序的核心模块，另一类则是为系统开展广义误差分析而提供数据支持的工程项目、管理对象、诊断指标、参数修正、游程增补、处理规则和判定标准查询与修正的七个关联模块。

1)工程项目查询模块

工程建设管理企业当前所使用的工程项目实施状态诊断系统是一个大型集成管理系统，系统中存储着少则几十项、多则数百项的大型工程项目数据和资料。由于每项大型工程项目是由多个单位工程组成的，每个单位工程又包含着若干分部分项工程[5]，因此，若要使诊断系统实现某一工程随其实施状态和管理对象的变化而完成诊断指标的自适应调整，就必须预先告知自适应诊断模块的分析与处理对象。同时，由于自适应诊断功能模块的增补是基于现有诊断系统研发的，因此，自适应控制系统中的工程项目查询这一模块的运行程序就应是一个链接到现有诊断系统母体中工程项目概况模块的行为指令。这样的处理方式不仅可以确保系统管理对象参数的一致性，而且还有利于系统同类数据的高效利用，提高系统的整体运行效率。

2)管理对象查询模块

工程项目是一个开放系统，在其实施过程中，极有可能由于系统内外因素的干扰，出现系统数据库所未存储的新的异态表象或突变新态。在此情况下，即使系统信息采集模块完成了系统实态数据的采集工作，诊断系统也无法开展所获数据的广义分析与判定。此时，就需要具有自适应功能的诊断系统基于所采集的工程信息，通过对这些新问题表象的自动查询与检索，就其信息特征、类别归属、所属对象及其映射的诊断指标进行分析和提取，并归集到相应的指标管理体系，以实现诊断系统长期稳定的自适应运行功能。

3)诊断指标查询模块

工程项目是由分项、分部到单位工程多个层级组成的，并与工程项目的微观、中观与宏观层级相对应[6]。很显然，不同层级的管理对象及其实施状态需要不同层级的诊断指标去分析，当工程项目实施状态发生变化并出现新的异态表象或突变新态后，就需要增减系统原有的诊断指标，并同步修正和完善不同层级的诊断指标体系[7]。面对这些系统性、系列性的复杂变化，工程项目管理者若要实现对工程项目从宏观到微观的有效管理，就必须能够及时、快速、精准的了解和掌握工程项目各层级管理对象的诊断指标，并为实现诊断指标的系统性调整提供有效保障，而诊断指标查询模块正是为实现这一功能而设计的模块。

4)指标参数修正模块

针对工程项目管理中出现的新问题，诊断系统在完成管理指标的类别归属和指标映射后，就需要工程项目管理者输入与这些新指标相配套的指标名称、指标编码、所属层级、指标标准、指标权重等参数，以满足工程项目实施状态诊断中的数据分析需求，并为系统实现工程项目实施状态的自适应分析与诊断提供支持与保障。如果在工程项目诊断指标的管理中需要开展这一工作，管理者即可通过该模块完成此项任务。

5)信息游程模块

信息游程是有效描述管理对象处于任何状态的全息信息[8]，诊断系统若要识别工程项目管理对象在工程项目实施中所呈现出的各种形态和表象，就必须在诊断系统的数据库中预先存储和记忆工程项目所有管理对象的信息游程，并形成一个系统、完整、全面、准确的信息游程集合。当工程项目实施中出现了新的异态表象或突变新态后，管理者即可通过该模块，将该管理对象的新形态游程模型及时存储在诊断系统的数据库中。这样，诊断系统在开展管理对象的广义误差分析中就不会出现断点和静默现象，确保诊断系统自适应分析工作的顺利进行。

6)广义分析模块

自适应分析包含工程实态信息的自采集、自规整、自分析、自处理和自存储。在分析过程中，系统将会根据系统预设的处理规则，就管理对象的现有形态与数据库所存储相关参数进行广义误差分析，并根据分析结果给出诊断当前管理对象的最佳诊断指标。由于这一过程的运行完全是基于系统研发者所编写的算法进行的，因此，该模块的设置不仅可以使诊断系统实现管理对象的现有形态与其最佳诊断指标的精准映射，而且还可以帮助系统研发者和工程项目管理者不断改进和完善广义误差的分析算法，提高诊断系统自适应运行的效率和分析精度。

7)处理规则模块

不论是系统开展自适应分析还是执行诊断指标自适应调整的伺服程序，自适应诊断系统的运行都必须遵循相应的规则[9]。但在工程项目实施中，由于项目的复杂性、多样性、互馈性和束导性，可能就需要对原有的一些规则进行修改和完善，对所采集的新信息进行特征分析、冗余消除、属性判定、模式规整等工作。对于这些规则，管理者即可通过信息处理规则这一模块，完成诊断系统有关运行规则的修正或增补工作，为实现诊断系统的自适应功能提供支持与保障。

8)判定标准修正模块

图1 自适应调整系统数据流程

诊断系统在完成基于管理对象实态信息的广义误差分析后，将会把分析结果与数据库所存储的工程项目实施状态判定标准范数值进行对比，并做出是否进行诊断指标的调整与修正决定[10]。研究表明，当广义分析结果的数值大于等于3.14时，诊断系统便需执行诊断指标自适应调整与修正的伺服程序[11]。但当工程项目管理者需要对诊断系统执行自适应调整伺服程序的阈值进行修正时，即可通过该模块来调整工程项目实施状态的判定标准参数值，实现对诊断系统自适应行为的精准控制。

9)伺服程序修正模块

诊断系统的自适应伺服程序是链接、传输、发送、指令系统内含各模块之间产生系统性、系列性自适应行为的指令代码，只有确保这些代码的正确性和完整性，系统的自适应行为才能顺利实施。但在诊断系统的运行中，如果发生系统功能的增减或算法修正或规则改变，就必然会给系统原有模块之间的信息互馈和接续行为带来影响，原有的自适应伺服程序就可能无法满足诊断系统的运行新要求。因此，诊断系统就需要设置伺服程序修正这一模块来修改和完善系统的原有伺服程序，为诊断系统实施自适应分析提供依据完整的运行链路。

3 自适应系统功能模块的数据流程

根据信息理论可知，若要开发出实用有效的信息管理系统，编写出可靠稳定的系统运行程序，就必须预先准确了解和掌握系统内含各功能模块之间以及与相关系统之间的数据流程。

在开展数据流程分析时，目前最实用有效的方法当属流程图法[12]。该方法可以从实际业务的运行角度来考察研究对象在系统中的数据流动过程，并以清晰的箭线图方式表示出来，这样，便可为编制模块之间的自适应伺服程序提供清晰的逻辑关系依据。基于这一思想与方法，大型建设工程项目实施状态诊断指标自适应调整系统各功能模块与现行诊断系统一级相关模块之间的数据流程即可以图1所示图形表示出来。

4 诊断指标自适应调整仿真系统的研发

通过对自适应调整的系统所需功能的分析可知，当前开发的诊断指标自适应调整系统隶属于现行大型建设工程项目实施状态诊断系统的子系统，是专用于实现诊断指标自动调整与修正的集成模块。鉴此，在研发诊断指标自适应调整系统时，出于该自适应系统与现有大型建设工程项目实施状态诊断系统兼容性、匹配性、协同性以及运行稳定性等多方面的考虑，本研究采用了与原有系统完全一致的开发语言，并以Visual Studio 为开发环境，SQL Server 2008为数据库平台，Devexpress为系统插件，XML为伺服程序的链路工具，开发了大型建设工程项目实施状态诊断指标自适应调整系统，其主要的仿真页面参见图2至图7所示，主要运行代码为：

partial class

{

///

/// Required designer variable．

///

private System.ComponentModel.IContainer

components=null;

///

/// Clean up any resources being used．

///

/// true;

else， false．

if (disposing && (components !=null))

components.Dispose();

base.Dispose(disposing);

}

图2 系统首页

图3 系统目录界面

图4 工程项目查询界面

图5 数据分析过程界面

图6 信息处理规则界面

图7 指标参数修正界面

5 系统检测与试验

为了验证所开发的自适应诊断系统能否达到预期的研究目标，尽早发现所开发系统中存在的有关问题，结合自适应仿真系统的运行原理和运行要求，研究人员对自适应诊断系统开展了系统模块、子系统和系统整体三个层级的规模性检测和试验，其中，模块检测是分析和确定自适应诊断系统九个模块能否实现各自的功能，子系统检测是分析和测试诊断指标自适应调整系统的整体性能，系统整体检测是测试该系统与大型建设工程项目实施状态诊断系统的整体联动性能。

在测试中，依据计算机系统黑盒测试和白盒测试的经典方法与规则[13]，采用白盒测试法开展了系统模块功能的检测，采用黑盒测试法开展了诊断指标自适应调整子系统和系统整体联动性能的测试。同时，为了对测试中所出现的有关问题及时进行针对性分析，在测试前，预先将测试过程中可能出现的问题(Bug)分为A、B、C、D和E五个等级[14]，其中，A级错误问题最为严重，可以致使系统瘫痪；E级错误最轻，只需简单的局部修正。测试分为三组，一组为模块测试，测试次数为81次，每个模块测试9次；二组为子系统测试，测试次数为40次，三组为系统整体测试，测试次数为15次。各组的测试效果参见表表1所示。

从表1所示的测试结果可知，在81次的模块测试中出现了5次Bug，其中，D级Bug 一次，E级Bug四次，问题分别出在工程项目查询模块、广义误差分析模块、信息处理规则模块和指标参数修正模块，主要问题都是在编写程序中漏缺一些动作指令代码符。在40次的子系统测试中出现了2次D级Bug，问题分别是判定标准未指定、自适应数据输出路径未指定。

在完成系统功能模块和子系统所现错误修正工作，并通过再次测试确保系统功能模块和子系统运行正常的基础上，研究组开展了系统整体测试工作。该测试先后进行了15次，其中，10次测试采用了模拟工程信息间断输入的测试模式，5次采用了模拟工程信息连续输入的测试模式。由于自适应诊断系统在试验前都得到了充分的检验和修正，所开发的系统也与目前大型建设工程项目实施状态诊断系统采用了完全一致的开发环境，因此，这15次测试中，内含自适应诊断系统模块的大型建设工程项目实施状态诊断系统没有出现任何层级的Bug，达到了100%的合格率。