Mô hình mô phỏng ứng dụng trong quản lý dự án xây dựng

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG TRONG QUẢN LÝ DỰ ÁN XÂY DỰNG PGS. Lê Kiều Chủ nhiệm Bộ môn Công nghệ&Tỉ chc xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Th.S Nguyễn Duy Long Nghiên cứu sinh Trường Đại học Thành phố Hương Cảng, Hồng Kông Th.S Lưu Trường Văn Giảng viên Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 1. KHÁI NIỆM Việc sử dụng mô hình mô phỏng để nắm bắt các động thái trong quá trình thực hiện dự án là ý tưởng của những người nghiên cứu về tổ chức sản xuất xây dựng. Mô hình toán học dưới dạng các đồ giải gọi là tích ( stock) và dòng ( flow ) sẽ xâm nhập như thế nào vào quản lý dự án? Có thể xây dựng được những mô hình mô phỏng để tìm ra phương thức hữu hiệu cho quản lý dự án không? Dưới đây, các tác giả trình bày những ý tưởng của mình, mong được tham khảo rộng rãi sự tham góp của độc giả. Các dự án xây dựng (DAXD) thường rất phức tạp và nhiều rủi ro. Một DAXD là một hệ thống động [1] : (i) rất phức tạp, nhiều yếu tố phụ thuộc lẫn nhau, (ii) không ngừng biến đổi, (iii) nhiều quá trình phản hồi, (iv) nhiều quan hệ phi tuyến, và (v) gồm nhiều dữ liệu “cứng” và “mềm” [15]. Vì thế, việc quản lý dự án (QLDA) xây dựng chứa đựng nhiều thử thách. Thêm vào đó, các công cụ QLDA truyền thống có nhiều thiếu sót, nhất là trong môi trường ra quyết định mang tính chiến lược. Mục đích chính của bài báo này là trình bày một mô hình mô phỏng động đóng vai trò như một công cụ đầy hứa hẹn cho các nhà thầu “thí nghiệm” những tác động và “tiên liệu” những kết quả của các chiến lược và chính sách của họ trước khi các chính sách này có hiệu lực. Mô hình này được đem ứng dụng vào một dự án cụ thể đang thi công để nắm bắt những động thái của nó. 2. NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA “ĐỘNG THÁI HỆ THỐNG” TRONG QLDA “Động thái hệ thống” (ĐTHT - System Dynamics) đã được Jay Forester phát minh vào cuối thập kỷ 50 của thế kỷ XX. Sterman (1992) [15] đã khẳng định rằng ĐTHT đã chứng tỏ là công cụ phân tích hiệu quả trong vô vàn tình huống – cả trong học thuật và ứng dụng – và ngày nay nó được sử dụng bởi nhiều công ty bao gồm cả các công ty trong “Top 500” của tạp chí Fortune. Trong QLDA nói chung, sự hạn chế của các công cụ quản lý truyền thống đã khuyến khích nhiều học giả và chuyên gia tìm kiếm những công cụ bổ sung. Từ đó, ĐTHT được xem là một phương án đầy hứa hẹn. ĐTHT là một “quan điểm” và một tập hợp các công cụ có thể giúp chúng ta hiểu những cấu trúc và động thái của các hệ thống phức tạp [16]. Mô hình ĐTHT có thể kết hợp các yếu tố khác nhau từ kỹ thuật, tổ chức đến con người và môi trường. Rodrigues và Bowers (1996) [14] đưa ra các nhân tố nhằm khuyến khích những ứng dụng của ĐTHT vào QLDA là: (i) quan tâm đến tổng thể DA hơn là tập hợp các yếu tố riêng biệt, (ii) nhu cầu xem xét những khía cạnh phi tuyến mà tiêu biểu là các vòng (loop) phản hồi “cân bằng” (balancing) và “củng cố” (reinforcing), (iii) nhu cầu có một mô hình dự án linh hoạt như một “phòng thí nghiệm” cho các lựa chọn/quyết định quản lý, và (iv) thất bại của các công cụ phân tích truyền thống trong việc giải quyết các vấn đề quản lý và mong muốn thử nghiệm những điều mới mẻ hơn. Kể từ khi nó được phát minh, ĐTHT đã và đang ứng dụng trong việc quản lý các dự án phức tạp. Hầu hết những ứng dụng này bị giới hạn trong các DA nghiên cứu phát triển (R&D) [13]và phát triển phần mềm[2], Cooper (1980) đã xây dựng và ứng dụng một mô hình mô phỏng để giải quyết tranh chấp giữa nhà thầu và chủ đầu tư (Hải Quân Hoa Kỳ) trị giá 500 triệu USD. Trong quản lý xây dựng, mô hình hóa ĐTHT của các dự án đã được nghiên cứu đáng kể. Chang (1990) [3] đã phát triển một mô hình DAXD dựa trên mô hình dự án R&D của Richardson và Pugh (1981) [12]. Mô hình ĐTHT cũng được áp dụng trong quản lý thiết kế [11], sự cản trở và làm chậm trể công trình [8], dự án BOT [4] và quản lý dự phòng [7]. Ở chừng mực nào đó, những nghiên cứu này đã giải quyết nhiều động thái của các dự án phức tạp. Tuy nhiên, những đặc tính động khác của dự án cần được nghiên cứu đầy đủ hơn. 3. PHƯƠNG PHÁP LUẬN Phương pháp luận ĐTHT được áp dụng trong nghiên cứu này. Mô hình hóa ĐTHT là một bộ phận của quá trình nhận thức và là một tiến trình liên tục trong việc hình thành giả thiết, kiểm tra, và hiệu chỉnh cả mô hình “nhận thức” (mental model) và mô hình toán [16]. Quá trình mô hình hóa thường có năm bước. Nghiên cứu này chọn quá trình mô hình hóa được đề nghị bởi Sterman (2000) [16] gồm những công tác sau: (i) xác định vấn đề cần giải quyết, (ii) hình thành giả thiết động hay lý thuyết về nguyên nhân của vấn đề, (iii) xây dựng mô hình mô phỏng để kiểm tra giả thiết, (iv) thử nghiệm mô hình cho đến khi mô hình phù hợp với mục đích đặt ra, và (v) thiết kế và thẩm định các chính sách để cải tiến khả năng thực hiện. Phần mềm VensimÒ PLE được chọn cho các công tác mô phỏng như xây dựng các biểu đồ phản hồi, đồ giải “tích” và “dòng”, mô hình chi tiết, thử nghiệm mô hình, quá trình mô phỏng, và phân tích chính sách. Chi tiết của phương pháp luận ĐTHT có thể tham khảo ở nhiều công trình khác [ 12] và [16]. Bài báo này chỉ trình bày vắn tắt việc xây dựng mô hình (model formulation), thử nghiệm hiệu chỉnh (validation) và ứng dụng mô hình (calibration). 4. CÁC CƠ CẤU PHẢN HỒI CHÍNH (KEY FEEDBACK STRUCTURES) Một vài nghiên cứu trước đây đã kết hợp những yếu tố động vào trong các mô hình cho từng dự án cụ thể. Ví dụ, Richardson and Pugh (1981) [12] cho dự án R&D, Cooper và Mullen (1993) [5] cho dự án phát triển phần mềm, Ford (1995) [6] cho dự án phát triển sản phẩm. Từ những công trình nghiên cứu sẵn có, Ford (1995) [6] đã kết hợp thành sáu cơ cấu phản hồi chính. Những cơ cấu này không phản ánh đầy đủ những đặc tính động của DAXD vì những tài nguyên khác ngoài nhân lực, an toàn lao động,… chưa được xem xét. Dựa trên những mô hình có sẵn và thực tiễn của ngành xây dựng, tám cấu trúc phản hồi của DAXD trong giai đoạn thi công được hình thành từ nghiên cứu này. Đó là những khung “khái niệm” cho việc nhận thức cách ứng xử (behavior) của dự án và là nền tảng cho việc xây dựng mô hình. Những cơ cấu phản hồi này có thể tham khảo chi tiết ở trong Long (2003) [9] và Long và Ogunlana (2003) [10]. 5. DỰ ÁN NGHIÊN CỨU Mặc dù có thể suy rộng cho tất cả các DAXD phức tạp nhưng mô hình được áp dụng cho một dự án cụ thể để dể dàng xây dựng giới hạn mô hình, giả thiết, xác định thông số, và thử nghiệm hiệu chỉnh. Dự án được dùng để nghiên cứu mô hình là Dự Án Đường Hầm Hải Vân. Gói thầu 1A trị giá xấp xỉ 43 triệu USD thực hiện 3.857m phía Bắc đường hầm được khảo sát trong nghiên cứu này. Vào thời điểm khảo sát (cuối năm 2002), dự án đã được xây dựng 28 tháng trong tiến độ kế hoạch 48 tháng. Công tác thu thập dữ liệu bao gồm: tham khảo các tài liệu về dự án, quan sát hiện trường và phỏng vấn giám đốc dự án. Dữ liệu thu thập là (i) thông tin về dự án, (ii) các vấn đề nảy sinh (tình hình ngân sách và tiến độ, công việc cần thực hiện lại…), (iii) việc thi công thực tế (công việc hoàn thành, tiến độ thực hiện, vật tư, thời gian làm việc…), và (iv) những chính sách quản lý phổ biến thực thi trong dự án. Phó giám đốc dự án được mời tham gia phỏng vấn để xác định rõ hơn những vấn đề mà nhà thầu thực sự gặp phải và để nắm bắt các dữ liệu khác (cách ứng xử của công nhân, tác động của mệt mỏi vào năng suất lao động,...), mà không thể thu thập từ các tư liệu có sẵn. 6. GIỚI HẠN CỦA MÔ HÌNH (MODEL BOUNDARY) Mô hình được giới hạn trong giai đoạn xây dựng và dùng cho nhà thầu (Bảng 1). Trong khi có nhiều giai đoạn khác nhau và nhiều tương tác giữa các giai đoạn, mô hình hóa ở giai đoạn thi công là cần thiết vì có nhiều tài nguyên và công sức được sử dụng ở giai đoạn này. Những tiền đề để xây dựng mô hình có thể xem chi tiết ở Long (2003) [9] và Long và Ogunlana (2003) [10]. Bảng 1. Bảng giới hạn mô hình Yếu tố “nội sinh” Yếu tố “ngoại sinh” Yếu tố không xét đến Qui mô dự án Thay đổi qui mô công trình Thầu phụ Công việc phải làm lại Thời gian hoàn thành Giai đoạn trước và sau thi công Chất lượng công việc Các ràng buộc về tài nguyên Thay đổi công nghệ Nhân lực Phân bố tài nguyên Sự phối hợp giữa các bên Máy móc thiết bị Vật tư dự trữ Những điều kiện ngoài dự đoán Vật tư Sở hữu máy móc thiết bị Phân phối tài nguyên Khả năng thực hiện Các mục tiêu của dự án 7. CẤU TRÚC MÔ HÌNH (MODEL STRUCTURE) Mô Hình Mô Phỏng Động (DSM) Qui mô Thay đổi qui mô Qui Mô Nhân lực Thiết bị chính Thiết bị hổ trợ Vật tư Tay nghề công nhân Tài Nguyên Năng suất lao động Năng suất thiết bị Kinh nghiệm An toàn lao động Chất lượng c/việc T/gian làm việc Giám sát Khả năng Thực Hiện Tiến độ t/hiện C/việc làm lại Tiến Độ và C/việc Làm Lại Chi phí vật tư Chi phí nhân công Chi phí thiết bị Phân Chia Chi Phí Kiểm soát tiến độ Kiểm soát chi phí Kiểm soát ch/lượng Kiểm Soát Mục Tiêu Hình 1. Các hệ thống con và thành tố của mô hình Mô hình bao gồm rất nhiều biến và phương trình và được chia làm sáu hệ thống con (HTC –subsystems) (Hình 1). Sáu HTC là qui mô (scope), tiến độ thực hiện và công việc phải làm lại (progress and rework), tài nguyên (resources), khả năng thực hiện (performance), chi phí (cost breakdown) và kiểm soát mục tiêu (objectives control). Cũng vậy, mỗi HTC có thể được phân thành các thành tố (sectors). Những HTC và thành tố này được liên hệ với nhau bằng các thông số chung (shared parameters). Tiến độ thực hiện và công việc phải làm lại có thể nhóm thành một HTC vì chúng có một mối liên hệ đặc biệt. Khi tiến hành các công việc của dự án, công việc cần phải làm lại (rework) có nguy cơ xuất hiện. Tài nguyên bao gồm nhân lực, máy móc thiết bị, và vật tư. HTC tài nguyên thể hiện sự phân phối khối lượng của chúng theo thời gian. Năng suất lao động, năng suất thiết bị, kinh nghiệm thi công, an toàn lao động, chất lượng công việc, thời gian làm việc, và giám sát công trường được xếp vào một HTC gọi là “khả năng thực hiện”. Chi phí cho dự án có thể phân ra thành chi phí vật tư, nhân công và máy móc thiết bị. Một DA rõ ràng là có nhiều mục tiêu. Tuy nhiên, các nhà thầu và các bên trong DA thường chú ý đến thời gian, chất lượng và chi phí. Vì thế, mô hình đã xem xét những mục tiêu này và kết hợp thành hệ thống con được đặt tên là kiểm soát mục tiêu. Mô tả chi tiết về cơ sở để hình thành cấu trúc mô hình, các quan hệ, thông số, biến và các HTC của mô hình này có thể tham khảo trong Long (2003) [9] và Long và Ogunlana (2003) [10]. Dưới đây là hình minh họa một vài HTC và thành tố được trích ra từ mô hình này. H×nh 2 : HƯ thng con tin ® thc hiƯn H×nh 3 . Thµnh t kiĨm so¸t tin ® Hình 4. Thành tố nhân lực thi công Mối quan hệ giữa các biến và tham số được thể hiện dưới dạng các phương trình toán theo ngôn ngữ của phần mềm mô phỏng. Ví dụ, một số phương trình tiêu biểu của HTC tiến độ thực hiện (Hình 2) được biểu diễn trong môi trường VensimÒ PLE như sau: Work remaining = INTEG (-progress rate + rework discovery rate + scope change rate, initial project scope) Work accomplished = INTEG (progress rate - rework discovery rate, 0) (tasks) Undiscovered rework = INTEG (progress rate*(1-quality of practice)-rework discovery rate, 0) (tasks) Known rework = INTEG (rework discovery rate, 0) (tasks) progress rate = MIN (labor progress rate, major equip progress rate) (tasks/month) rework discovery rate = (Undiscovered rework/time to discover defects)*discovered rework probability 8. ỨNG XỬ CỦA MÔ HÌNH (MODEL BEHAVIOR) Một đặc điểm quan trọng của ĐTHT là chú ý đến ứng xử (behavior) của các biến theo thời gian. Sự nhận thức trực quan về những tác động của kết cấu mô hình lên các ứng xử đáng chú ý hơn là những giá trị chính xác của thông số và kết quả mô phỏng [6]. Chuổi các kết quả mô phỏng theo thời gian giúp hiểu các ứng xử của mô hình. Số liệu đầu vào được lấy từ gói thầu 1A của đường hầm Hải Vân như đã trình bày ở trên. Kết quả ứng xử của mô hình với dữ liệu thực này được gọi là “baserun”. Theo tình hình của dự án tại thời điểm khảo sát thì quá trình mô phỏng cho thấy rằng công trình sẽ hoàn thành sau 52 tháng thi công. Như vậy, kết quả mô phỏng dự báo rằng công trình sẽ chậm tiến độ 4 tháng nếu so với 48 tháng được ghi trong hợp đồng. Cũng vậy, xem xét kết quả mô phỏng cho thấy rằng ứng xử của các biến là rất hợp lý. Hình 5. Ứng xử của các biến thuộc dạng công việc Hình 6. Ứng xử của các biến thuộc tiến độ “Công việc còn lại” (work remaining) giảm dần trong khi “công việc hoàn thành” và “công việc không đạt đã phát hiện” (known rework) biến thiên tăng hình chữ S (như S curve trong kiểm soát chi phí) (Hình 5). Ứng xử của các biến thuộc về kiểm soát tiến độ thể hiện trong Hình 6. Vì qui mô của dự án nghiên cứu là không thay đổi tại thời điểm khảo sát, “thời gian ấn định” bởi chủ đầu tư (project deadline) vẫn không đổi (48 tháng). “Kế hoạch thời gian hoàn thành” (scheduled completion date) của nhà thầu là rất lớn ở những tháng đầu thi công vì năng suất thi công hầm trong thời gian này rất thấp. Trong quá trình mô phỏng, “kế hoạch thời gian hoàn thành” lớn hơn “thời gian ấn định” nên nhà thầu luôn chịu “áp lực tiến độ” (schedule pressure) khi thi công. Nghĩa là, biến “áp lực tiến độ” trong mô hình lớn hơn một khi mô phỏng. Thêm vào đó, sự chênh lệch giữa “kế hoạch thời gian hoàn thành” và “thời gian ấn định” phản ánh công trình chậm hoặc vượt tiến độ. 9. THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH (MODEL TESTING) Trong mô phỏng ĐTHT, rất nhiều dạng thử nghiệm khác nhau nhằm tìm ra những khiếm khuyết của mô hình và để cải tiến mô hình. Sterman (2000) [16] đã chỉ ra 12 loại thử nghiệm mô hình và có những mục đích khác nhau. Đó là: mức độ đầy đủ của mô hình (boundary adequacy), xem xét cấu trúc (structure assessment), sự đúng đắn về thứ nguyên (dimensional consistency), khảo sát tham số (parameter assessment), thử với các điều kiện tới hạn (extreme conditions), sai số trong sai phân và tích phân (integration error), phản ánh ứng xử thực (behavior reproduction), sự dị thường trong ứng xử (behavior anomaly), thử nghiệm với một vấn đề tương tự (family member), ứng xử bất ngờ (surprise behavior), phân tích cảm biến (sensitivity analysis), và cải tiến hệ thống (system improvement). Lý thuyết của các thử nghiệm này tham khảo ở Sterman (2000) [16] và cụ thể áp dụng trong mô hình này tham khảo ở Long (2003) [9] và Long và Ogunlana (2003) [10]. Sau nhiều sửa đổi và cập nhật mô hình, cuối cùng, kết quả thử nghiệm mô hình cho thấy mô phỏng phản ánh được động thái thực của dự án nghiên cứu. 10. KẾT LUẬN Các dự án xây dựng lớn thường tương tác với nhiều yếu tố khác nhau: xã hội, kinh tế, quản lý, công nghệ, và môi trường. Những tác động của của các yếu tố này lên các ứng xử của dự án luôn ở trạng thái động. Những công cụ truyền thống (cơ cấu phân chia công việc (WBS), sơ đồ mạng (CPM), giá trị tích lũy (Earned Value),...) giải quyết khía cạnh tĩnh của QLDA. Vì thế, các bên tham gia sẽ rất khó khăn trong việc nắm bắt các ứng xử của DA ở mức độ tổng thể – mà lại là điều tối cần thiết trong quản lý chiến lược các dự án lớn. Từ đó, mô hình mô phỏng động trình bày trong nghiên cứu này đã tạo điều kiện cho các nhà thầu dễ dàng nắm bắt các động thái của dự án mà họ đang triển khai. Khi ứng dụng mô hình này vào dự án thực, có sự tương tự giữa ứng xử mô phỏng của mô hình và ứng xử thực của dự án một khi các thông số được chuẩn bị hợp lý. Điều này chứng tỏ rằng mô hình có thể mô phỏng động thái của dự án nghiên cứu. Như vậy, mô hình có thể giúp nhà thầu nâng cao khả năng kiểm soát dự án. Cuối cùng, nhà thầu có thể sử dụng mô hình này để xây dựng và thẩm định các chính sách để nâng cao hiệu quả hoạt động của dự án bằng cách thay đổi các giá trị của thông số trong mô hình và/hoặc thay đổi cấu trúc của mô hình ./. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lª KiỊu . K ho¹ch thi c«ng trong mt thc thĨ ®ng – T¹p chÝ X©y dng s 7-1997 [2] Abdel-Hamid, T. và Madnick, S. (1991). Software Project Dynamics: An Integrated Approach, Prentice Hall, Englewood Cliffs, USA. [3] Chang, C. L. (1990). “Applying R&D project dynamics concepts to construction management.” Master Research Study No. IE-90-1, AIT, Bangkok, Thailand. [4] Chritamara, S., Ogunlana, S. O. và Bach, N. L. (2002). “System dynamics modeling of design and build construction projects.” Construction Innovation, 2(4), 269-295. [5] Cooper, K. G. (1980). “Naval ship production: a claim settled and a framework built.” Interfaces, 10(6), 20-36. [6] Ford, D. N. (1995). The Dynamics of Project Management: An Investigation of the Impacts of Project Process and Coordination on Performance. Doctoral Dissertation. Massachusetts Institute of Technology, MA, USA. [7] Ford, D. N. (2002). “Achieving multiple project objectives through contingency management.” Journal of Construction Engineering and Management, 128(1), 30-39. [8] Howick, S. và Eden, C. (2001). “The impact of disruption and delay when compressing large projects: going for incentives?” Journal of the Operational Research Society, 52, 26-34. [9] Long, N. D. (2003). “Policy Analysis for Improving Performance of a Construction Projects by System Dynamics Modeling.” Master Thesis, AIT, Bangkok, Thailand. [10] Long, N. D. và Ogunlana, S. O. (2003). “Modeling the dynamics of an infrastructure project.” Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering (under reviews). [11] Love, P. E. D., Mandal, P., Smith, J. và Li, H. (2000). “Modelling the dynamics of design error induced rework in construction.” Construction Management and Economics, 18(5), 567-574. [12] Richardson, G. P. và Pugh A. L. (1981). Introduction to System Dynamic Modeling with DYNAMO. The MIT Press, MA, USA. [13] Roberts, E. (1964), The Dynamics of Research and Development, Harper and Row, USA. [14] Rodrigues, A và Bowers, J (1996). “The role of system dynamics in project management.” International Journal of Project Management, 14(4), 213-220. [15] Sterman, J. D. (1992). “System dynamics modeling for project management.” System Dynamics Group, MIT Sloan School of Management, Cambridge, MA, USA. [16] Sterman. J. D. (2000). Business Dynamics: System Thinking and Modeling for a Complex World. Irwin McGraw-Hill, USA.