Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Ứng dụng lý thuyết tập mờ lập tiến độ dự án xây dựng tại Đồng bằng Sông Cửu Long - Trương Công Bằng, ĐH Kiến trúc Hà Nội

Địa hình khu vực miền Tây Nam Bộ có mạng lưới sông ngòi dày đặc. Nền địa chất chủ yếu là bùn sét yếu với sức chịu tải thấp. Công tác xử lý nền móng đòi hỏi thời gian gia tải kéo dài. Mùa mưa bão và lũ lụt hàng năm làm ngập úng mặt bằng. Việc vận chuyển nguyên vật liệu phụ thuộc lớn vào giao thông thủy. Thủy triều lên xuống làm thay đổi lịch trình vận hành xà lan. Bên cạnh đó, công tác đền bù giải tỏa đất đai diễn ra phức tạp. Năng lực tài chính và thiết bị của một số nhà thầu còn yếu. Sự phối hợp giữa các đơn vị liên quan thiếu chặt chẽ. Những yếu tố này tạo ra mức độ bất định rất cao trong thi công.

Các nhà thầu thường dùng sơ đồ mạng CPM hoặc sơ đồ ngang Gantt. Các phương pháp này giả định thời gian công việc là giá trị cố định. Phương pháp truyền thống không phản ánh đúng thực tế hiện trường nhiều biến động. Khi gặp thời tiết xấu hoặc thiếu vật tư, bảng tiến độ nhanh chóng mất tác dụng. Kỹ sư khó ước lượng chính xác thời gian hoàn thành từng hạng mục. Việc điều chỉnh kế hoạch thường mang tính đối phó và cảm tính. Sai lệch tích lũy qua từng công đoạn làm vỡ tiến độ tổng thể. Nhà quản lý thiếu công cụ định lượng các rủi ro phát sinh. Dự án dễ rơi vào tình trạng chậm tiến độ và chịu phạt hợp đồng.

Môi trường xây dựng tại Đồng bằng Sông Cửu Long chứa đựng nhiều yếu tố bất định. Dữ liệu lịch sử về thời tiết và địa chất thường không đầy đủ. Đánh giá của chuyên gia hiện trường mang tính định tính và mơ hồ. Các mô hình xác suất thống kê cổ điển khó xử lý thông tin dạng này. Vì vậy, ngành xây dựng cần công cụ toán học biểu diễn tính không chắc chắn. Công cụ mới phải lượng hóa được ý kiến chuyên gia và kinh nghiệm thực tế. Việc tích hợp logic mờ vào tiến độ giúp tăng độ tin cậy của kế hoạch. Mô hình toán mờ cho phép dự báo khoảng thời gian thi công linh hoạt. Đây là giải pháp tối ưu hóa công tác điều hành dự án khu vực.

Tập mờ là phần mở rộng của tập hợp kinh điển truyền thống. Trong tập kinh điển, phần tử chỉ có thể thuộc hoặc không thuộc tập hợp. Ngược lại, tập mờ cho phép phần tử có mức độ thuộc nằm trong đoạn từ 0 đến 1. Mức độ này biểu diễn qua hàm thuộc đặc trưng. Trong ngành xây dựng, các yếu tố rủi ro và thời tiết thường không có ranh giới rõ ràng. Kỹ sư có thể dùng biến ngôn ngữ như 'thi công rất nhanh', 'bình thường' hoặc 'rất chậm'. Lý thuyết tập mờ trong xây dựng chuẩn hóa các biến ngôn ngữ này thành dữ liệu số. Phương pháp này tạo nền tảng vững chắc để phân tích tiến độ công trình.

Thiết lập hàm thành viên thời lượng công việc là bước quan trọng nhất. Hàm thành viên mô tả mức độ khả thi của từng khoảng thời gian thi công. Giá trị hàm thành viên đạt cực đại khi thời lượng có khả năng xảy ra cao nhất. Giá trị giảm dần về 0 khi thời lượng tiến về các giới hạn biên. Kỹ sư xác định hàm thành viên dựa trên kinh nghiệm và khảo sát thực tế. Việc thu thập ý kiến chuyên gia giúp phản ánh đúng điều kiện thi công tại chỗ. Hàm thành viên giúp bao quát cả trường hợp thuận lợi nhất lẫn bất lợi nhất. Dữ liệu mờ hóa này cung cấp đầu vào chuẩn xác cho thuật toán tiến độ.

Các dạng số mờ phổ biến gồm số mờ tam giác TFN và số mờ hình thang. Số mờ tam giác TFN biểu diễn qua bộ ba giá trị: lạc quan, khả dĩ nhất và bi quan. Dạng số này phù hợp với công việc có một điểm thời gian đạt độ tin cậy tuyệt đối. Số mờ hình thang mở rộng cho trường hợp có một khoảng thời gian khả dĩ nhất. Dạng hình thang thích hợp với các hạng mục chịu tác động kéo dài của thủy triều. Việc lựa chọn số mờ tam giác TFN hay số mờ hình thang phụ thuộc đặc tính công việc. Cả hai dạng số mờ đều đơn giản hóa các phép toán cộng trừ mờ phức tạp. Chúng giúp tính toán tiến độ nhanh chóng trên máy tính.

Xây dựng mạng công việc mờ bắt đầu từ phân chia cơ cấu công việc WBS. Mỗi gói thầu được chia thành các công tác đơn lẻ có mối quan hệ logic. Mối quan hệ trước sau giữa các công tác được thể hiện qua sơ đồ nút hoặc mũi tên. Điểm khác biệt là thời lượng mỗi nút được gán bằng một số mờ. Kỹ sư tổng hợp dữ liệu mờ từ khảo sát hiện trường và hồ sơ thiết kế. Mạng công việc phản ánh đầy đủ các ràng buộc công nghệ và tài nguyên. Cấu trúc mạng mờ cho phép mô phỏng nhiều kịch bản thi công khác nhau. Đây là khung sườn để áp dụng các thuật toán phân tích đường găng tiếp theo.

Phương pháp đường găng mờ FCPM tính toán tiến độ dựa trên các phép toán mờ. Thuật toán duyệt tiến giúp xác định thời điểm bắt đầu sớm và kết thúc sớm mờ. Thuật toán duyệt lùi giúp xác định thời điểm bắt đầu muộn và kết thúc muộn mờ. Độ dự trữ thời gian mờ của từng công tác được tính toán rõ ràng. Công tác có độ dự trữ mờ gần bằng 0 sẽ nằm trên đường găng mờ. Phương pháp FCPM cho biết độ găng tương đối của các công tác lân cận. Nhà thầu biết chính xác hạng mục nào cần tập trung máy móc và nhân lực. Nhờ đó, công tác điều hành công trường hạn chế tối đa nguy cơ vỡ tiến độ.

Kỹ thuật PERT mờ kết hợp tính linh hoạt của logic mờ và sơ đồ mạng PERT. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong lập tiến độ thi công bất định. Thay vì dùng phân phối xác suất Beta phức tạp, PERT mờ dùng hàm thuộc mờ. Kỹ thuật này giảm bớt khối lượng khảo sát mẫu số liệu lớn trong quá khứ. Các kỹ sư chỉ cần đưa ra ba mốc thời gian ước lượng cho mỗi đầu việc. Thuật toán PERT mờ nhanh chóng xác định khoảng thời gian hoàn thành toàn bộ dự án. Xác suất hoàn thành dự án đúng hạn được tính toán ở các mức tin cậy khác nhau. Chủ đầu tư có căn cứ khoa học để thương thảo hợp đồng thi công.

Quá trình khảo sát tại khu vực đã nhận diện 5 nhóm rủi ro chính. Nhóm rủi ro tự nhiên gồm mưa kéo dài, triều cường và sạt lở bờ sông. Nhóm rủi ro kỹ thuật gồm thay đổi thiết kế móng và sự cố xử lý nền đất yếu. Nhóm rủi ro nguồn lực gồm thiếu cát đắp nền, thiếu máy móc chuyên dụng và biến động giá. Nhóm rủi ro quản lý gồm chậm nghiệm thu, thanh toán trễ và giải phóng mặt bằng kéo dài. Nhóm rủi ro năng lực liên quan đến tay nghề công nhân và kinh nghiệm ban chỉ huy. Danh mục rủi ro này được chuẩn hóa để đưa vào bảng hỏi khảo sát chuyên gia.

Nghiên cứu ứng dụng số mờ tam giác TFN để thiết lập ma trận so sánh F-AHP. Mỗi chuyên gia đánh giá mức độ quan trọng giữa hai yếu tố theo thang đo ngôn ngữ mờ. Dữ liệu từ các chuyên gia được tổng hợp bằng phương pháp trung bình nhân mờ. Chỉ số nhất quán CR được kiểm tra nghiêm ngặt để đảm bảo tính logic của dữ liệu. Trọng số mờ của từng yếu tố rủi ro được giải mờ để ra giá trị thực. Kết quả cho thấy rủi ro thiếu vật liệu cát và thời tiết bất lợi chiếm trọng số cao nhất. Việc định lượng bằng TFN mang lại độ chính xác cao hơn hẳn phương pháp định tính.

Công tác quản lý rủi ro tiến độ dự án vùng ngập lũ cần giải pháp thích ứng riêng. Nhà thầu phải lập kế hoạch dự phòng vật tư cát và đá trước mùa lũ. Tiến độ thi công phần ngầm cần hoàn thành dứt điểm trước thời điểm nước nổi. Khi tính toán mạng công việc mờ, thời gian dự trữ mờ cần được cộng thêm cho các hạng mục ngoài trời. Doanh nghiệp cần ứng dụng các thiết bị thi công nổi để làm việc khi ngập nước. Việc giám sát chỉ số rủi ro mờ theo tuần giúp phát hiện sớm nguy cơ trễ hạn. Nhà quản lý có thể can thiệp kịp thời trước khi rủi ro chuyển thành chậm trễ thực tế.

Kỹ thuật giải mờ defuzzification phương pháp trọng tâm COA thường được ưu tiên sử dụng. Phương pháp này tính trọng tâm hình học của diện tích hàm thuộc tổng hợp. Kết quả giải mờ phản ánh đầy đủ thông tin của toàn bộ phân bố mờ. Khi giải mờ thời lượng công tác, kỹ sư thu được số ngày thi công danh định chính xác. Tương tự, ngày hoàn thành công trình được quy đổi thành mốc lịch cụ thể. Kỹ sư lập kế hoạch có thể lựa chọn mức cắt alpha để thể hiện mức độ chấp nhận rủi ro. Mức alpha càng cao thì độ an toàn của tiến độ càng lớn.

Nghiên cứu tiến hành áp dụng thực nghiệm mô hình trên một số dự án giao thông điển hình tại Cần Thơ và Hậu Giang. Kết quả cho thấy tiến độ mờ dự báo sát với thực tế hơn 25% so với phương pháp truyền thống. Các biến động do triều cường và khan hiếm cát san lấp được hấp thụ trong khoảng mờ dự phòng. Dự án không bị động khi xảy ra gián đoạn thời tiết. Sai lệch giữa ngày kết thúc thực tế và ngày dự báo giải mờ chỉ dưới 5%. Chi phí phát sinh do chậm tiến độ giảm đáng kể. Các nhà thầu và ban quản lý đánh giá rất cao tính thực tiễn của mô hình.

Quy trình kiểm soát tiến độ mờ gồm 5 bước tiêu chuẩn khép kín. Bước một: thu thập thông tin và phân tích mạng công việc dự án. Bước hai: xác định số mờ thời lượng và xây dựng hàm thành viên. Bước ba: tính toán đường găng mờ FCPM và thời gian dự trữ. Bước bốn: thực hiện kỹ thuật giải mờ defuzzification để lập lịch thi công chi tiết. Bước năm: theo dõi hiện trường và cập nhật số mờ khi có biến động lớn. Việc chuẩn hóa quy trình giúp các doanh nghiệp xây dựng dễ dàng triển khai phần mềm quản lý. Đây là tiền đề nâng cao năng lực cạnh tranh cho các nhà thầu tại khu vực.