Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành xây dựng ngày càng cạnh tranh gay gắt, việc quản lý và cân bằng đồng thời hai yếu tố tiến độ và ngân sách dự án (Time-Cost Optimization - TCO) đóng vai trò quyết định đến sự sống còn của các doanh nghiệp. Trên thực tế, nếu tiến độ kéo dài, các chủ đầu tư phải đối mặt với nguy cơ gia tăng chi phí tài chính từ 10% đến 20%, dòng tiền bị ứ đọng và chịu tác động nặng nề bởi lạm phát. Ngược lại, việc đẩy nhanh tiến độ thi công một cách thiếu kiểm soát bằng cách tăng cường nhân lực, máy móc và ca kíp làm chi phí trực tiếp đội lên nhanh chóng. Nhằm giải quyết bài toán cân bằng phức tạp này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quản lý Xây dựng (Mã số: 8580302) của tác giả Nguyễn Duy Toàn, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Phạm Vũ Hồng Sơn và TS. Chu Việt Cường tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM, đã nghiên cứu ứng dụng thuật toán tối ưu ngọn lửa (Moth-Flame Optimization - MFO) kết hợp phương pháp trọng số thích ứng có điều chỉnh (Modified Adaptive Weight Approach - MAWA).

Được thực hiện trong thời gian từ ngày 05/09/2022 đến ngày 18/12/2022, nghiên cứu tập trung thiết lập mô hình toán học giải quyết bài toán TCO rời rạc, đánh giá hiệu năng trên các mô hình dự án từ 7, 18, 63 gói công việc và kiểm chứng trên 1 công trình xây dựng thực tế. Đóng góp nổi bật của đề tài là việc ứng dụng thành công thuật toán meta-heuristic mới MFO vào lĩnh vực quản lý dự án xây dựng tại Việt Nam, giúp giảm tới 1,50% tổng chi phí thực hiện dự án (tiết kiệm khoảng 4.400 USD trên mô hình 18 công tác) và giảm khối lượng tính toán tới 88,8% (chỉ cần 2.800 lần đánh giá hàm mục tiêu so với 25.000 lần của thuật toán di truyền truyền thống).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu và tập nghiệm Pareto Optimum do nhà kinh tế học Vilfredo Pareto khởi xướng. Trong bài toán TCO, một giải pháp được xem là tối ưu Pareto khi không thể rút ngắn thời gian thi công mà không làm gia tăng tổng chi phí hoặc ngược lại. Khung lý thuyết của đề tài tích hợp ba trụ cột chính:

Thứ nhất là mô hình đánh đổi thời gian - chi phí dự án (TCO), trong đó tổng chi phí dự án là hàm tổng hợp giữa chi phí trực tiếp (Direct Cost) của từng công tác theo các phương án thi công khác nhau và chi phí gián tiếp (Indirect Cost) phát sinh theo thời gian thực hiện toàn dự án (ví dụ định mức 1.500 USD/ngày).

Thứ hai là thuật toán tối ưu ngọn lửa MFO do nhà toán học Seyedali Mirjalili công bố vào năm 2015. MFO mô phỏng cơ chế định hướng ngang (transverse orientation) và quỹ đạo bay xoắn ốc logarit của loài bướm đêm quanh nguồn sáng nhân tạo. Thuật toán sử dụng ma trận vị trí bướm đêm đại diện cho các phương án tìm kiếm và ma trận ngọn lửa lưu giữ các vị trí tối ưu nhất. Hằng số hội tụ $r$ giảm tuyến tính từ -1 về -2 cùng cơ chế giảm thích ứng số lượng ngọn lửa theo từng vòng lặp giúp thuật toán cân bằng hoàn hảo giữa khả năng khám phá (exploration) và khai thác sâu (exploitation) không gian nghiệm.

Thứ ba là phương pháp tiếp cận trọng số thích ứng có điều chỉnh (MAWA), phát triển từ nghiên cứu của nhóm tác giả Zheng và các cộng sự năm 2004. MAWA tự động điều chỉnh linh hoạt tỷ trọng giữa mục tiêu thời gian ($w_t$) và mục tiêu chi phí ($w_c$) theo biến thiên giá trị cực đại và cực tiểu trong tập Pareto, ngăn ngừa nguy cơ mắc kẹt tại các điểm cực trị địa phương (local optima).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số học thực nghiệm trên nền tảng ngôn ngữ lập trình Python, bao gồm 3 module chính: Module xử lý dữ liệu đầu vào, Module tối ưu hóa thời gian - chi phí (kết hợp MFO và MAWA) và Module trích xuất kết quả đầu ra.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu dữ liệu: Nghiên cứu lựa chọn 4 tập dữ liệu chuẩn từ các công trình nghiên cứu kinh điển quốc tế và 1 trường hợp thực tế tại Việt Nam để thực nghiệm kiểm chứng. Cụ thể gồm: Ca nghiên cứu 1 với 7 công tác và 4.860 tổ hợp phương án khả thi; Ca nghiên cứu 2 với 18 công tác có 5 phương án/công tác; Ca nghiên cứu 3 với 18 công tác có 3 phương án; Ca nghiên cứu 4 với 63 công tác quy mô lớn (chia thành tập 63a và 63b) được chạy lặp lại 10 lần độc lập để kiểm định sai số; và Ca nghiên cứu 5 là dự án xây dựng thực tế.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Bài toán TCO trong xây dựng có không gian tìm kiếm rời rạc, phi tuyến tính và thuộc nhóm bài toán NP-hard. Các phương pháp toán học truyền thống như quy hoạch tuyến tính (Linear Programming - LP) hay quy hoạch số nguyên (Integer Programming - IP) bộc lộ hạn chế lớn khi quy mô dự án mở rộng, dễ rơi vào bẫy tối ưu cục bộ. Trong khi đó, việc kết hợp MAWA-MFO cho phép duyệt không gian nghiệm đa chiều với tốc độ cao, không phụ thuộc vào đạo hàm hàm mục tiêu, mang lại độ tin cậy vượt trội. Toàn bộ quá trình lập trình, thử nghiệm và phân tích dữ liệu được tiến hành liên tục trong 15 tuần nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và đối chuẩn thuật toán MAWA-MFO với các giải thuật phổ biến như GA (Thuật toán di truyền), ACO (Tối ưu hóa đàn kiến), PSO (Tối ưu hóa bầy đàn), ACS (Hệ thống đàn kiến) và TLBO (Tối ưu hóa dựa trên dạy - học) đã đem lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, đối với mô hình dự án 7 công tác (tổng 4.860 không gian nghiệm, chi phí gián tiếp 1.500 USD/ngày), MAWA-MFO xác lập đường biên Pareto gồm 5 giải pháp tối ưu chỉ sau 4 thế hệ lặp với tổng số lần đánh giá hàm mục tiêu (f-count) là 50. Thuật toán chỉ cần quét 1,02% tổng số giải pháp khả thi (50/4.860) để tìm ra các cặp giá trị tối ưu toàn cục: 60 ngày (233.500 USD), 62 ngày (233.000 USD), 63 ngày (225.500 USD), 67 ngày (224.000 USD) và 68 ngày (220.500 USD).

Thứ hai, ở mô hình 18 công tác (5 tùy chọn thi công), MAWA-MFO đem lại kết quả vượt trội so với tất cả các thuật toán đối chuẩn. Tại mốc tiến độ 100 ngày, giải pháp của MAWA-MFO đạt tổng chi phí 283.320 USD, trong khi MAWA-GA đạt 287.720 USD, MAWA-AS đạt 286.670 USD và MAWA-TLBO đạt 283.420 USD. Như vậy, MAWA-MFO giúp tiết kiệm 4.400 USD (tương đương giảm 1,50% chi phí) so với mô hình GA truyền thống.

Thứ ba, tốc độ hội tụ của MAWA-MFO vượt trội rõ rệt. Trên mô hình 18 công tác, thuật toán đạt trạng thái hội tụ tối ưu chỉ sau 22 vòng lặp, với quy mô quần thể 40 cá thể và tổng f-count là 2.800 lần. Con số này thấp hơn 8,9 lần so với MAWA-GA (25.000 f-count) và thấp hơn 7,1 lần so với MAWA-AS (20.000 f-count).

Thứ tư, trên mô hình phức tạp 63 công tác qua 10 lần chạy thử nghiệm độc lập cho hai tập dữ liệu 63a và 63b, MAWA-MFO thể hiện độ ổn định ấn tượng với độ lệch phần trăm trung bình sau 10 lần chạy duy trì ở mức dưới 0,5%, chứng minh thuật toán không bị suy giảm chất lượng nghiệm khi mở rộng quy mô mạng công việc.

Thảo luận kết quả

Khi biểu diễn trực quan kết quả trên hệ tọa độ hai chiều Thời gian - Chi phí, đồ thị đường biên Pareto Front của MAWA-MFO luôn nằm thấp hơn và bao trùm các đường biên của GA, PSO và ACO. Điều này chứng minh rằng ở bất kỳ mốc tiến độ mục tiêu nào, mô hình đề xuất đều tìm được cấu hình tổ chức thi công với chi phí thấp nhất. Đồ thị hội tụ (Convergence Curve) cũng cho thấy đường cong giảm chi phí của MAWA-MFO có độ dốc ban đầu lớn và nhanh chóng đi vào quỹ đạo nằm ngang ổn định, không xuất hiện hiện tượng dao động trồi sụt hay dừng sớm tại điểm tối ưu cục bộ.

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến hiệu suất vượt trội của MAWA-MFO nằm ở sự phối hợp nhịp nhàng giữa hai cơ chế: quỹ đạo bay xoắn ốc logarit giúp các cá thể bướm đêm thăm dò liên tục xung quanh vùng giải pháp tiềm năng của các ngọn lửa dẫn đường, kết hợp với cơ chế gán mỗi bướm đêm cho một ngọn lửa riêng biệt giúp phân tán lực lượng tìm kiếm. Nhờ đó, việc loại bỏ dần các ngọn lửa kém hiệu quả theo công thức giảm thích ứng đã giúp thuật toán tập trung tài nguyên tính toán vào các vùng không gian hứa hẹn nhất ở những bước lặp cuối cùng. Về mặt kinh tế, việc tối ưu hóa đồng thời giúp các kỹ sư dự án đưa ra quyết định lựa chọn biện pháp thi công chính xác, tránh lãng phí định mức chi phí gián tiếp 1.500 USD mỗi ngày mà vẫn đảm bảo mốc bàn giao công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp cụ thể nhằm đưa thuật toán MAWA-MFO vào ứng dụng thực tiễn trong ngành xây dựng:

Thứ nhất, tích hợp giải thuật MAWA-MFO vào các phần mềm quản lý tiến độ chuyên dụng như Primavera P6 và Microsoft Project thông qua API lập trình mở. Mục tiêu là tự động hóa quá trình tối ưu hóa tiến độ - ngân sách, rút ngắn thời gian lập kế hoạch tổng thể từ 7-10 ngày xuống dưới 2 giờ làm việc. Giải pháp này do Ban Quản lý dự án phối hợp cùng bộ phận Kỹ thuật Công nghệ triển khai trong vòng 3 tháng đầu sau nghiệm thu.

Thứ hai, thiết lập ngân hàng dữ liệu định mức chi phí - thời gian đa kịch bản (từ 3 đến 5 tùy chọn thi công cho mỗi gói công việc, bao gồm phương án thi công tiêu chuẩn, tăng ca, thuê thêm thiết bị cơ giới hoặc đúc sẵn cấu kiện). Mục tiêu là nâng cao độ chính xác của dữ liệu đầu vào lên trên 95%, do Phòng Dự toán và Phòng Đấu thầu phụ trách hoàn thiện trong khung thời gian 6 tháng.

Thứ ba, áp dụng mô hình cân bằng TCO để kiểm soát và cắt giảm tối thiểu 5% đến 10% chi phí gián tiếp công trường (ước tính tiết kiệm hàng trăm triệu đồng đối với các gói thầu kéo dài trên 100 ngày). Chỉ huy trưởng công trường và Kỹ sư kế hoạch chịu trách nhiệm theo dõi định kỳ hàng tuần, cập nhật lại mạng tiến độ khi có phát sinh thực tế.

Thứ tư, tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về ứng dụng trí tuệ nhân tạo và thuật toán meta-heuristic trong quản trị xây dựng. Mục tiêu là 100% kỹ sư kế hoạch và quản lý dự án nắm vững kỹ năng phân tích biểu đồ Pareto để ra quyết định lựa chọn phương án tối ưu, thực hiện định kỳ hàng năm dưới sự phối hợp giữa doanh nghiệp và các trường đại học chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  1. Chủ đầu tư và Ban quản lý dự án: Giúp tối ưu hóa phân bổ dòng tiền, xác định chính xác thời điểm hoàn thành công trình để thu hồi vốn sớm, đồng thời xây dựng kế hoạch giải ngân hiệu quả dựa trên tập nghiệm Pareto.
  2. Nhà thầu xây dựng và Kỹ sư định giá đấu thầu: Cung cấp công cụ mạnh mẽ để lập hồ sơ dự thầu với mức giá cạnh tranh nhất và tiến độ rút ngắn tối ưu, giúp gia tăng tỷ lệ trúng thầu mà vẫn đảm bảo biên lợi nhuận kỳ vọng.
  3. Kỹ sư kế hoạch và Chỉ huy trưởng công trường (Planner & Site Manager): Sử dụng mô hình để linh hoạt điều phối các phương án thi công ngoài hiện trường, ứng phó kịp thời với các biến động về nhân lực, máy móc và vật tư mà không làm vỡ kế hoạch chi phí.
  4. Giảng viên, Nghiên cứu sinh và Học viên cao học: Là tài liệu tham khảo học thuật giá trị cao về ứng dụng thuật toán trí tuệ nhân tạo (MFO, MAWA) trong bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu ngành kỹ thuật xây dựng, đi kèm toàn bộ mã nguồn Python chi tiết.

Câu hỏi thường gặp

Thuật toán MFO có điểm gì vượt trội hơn thuật toán di truyền (GA) trong bài toán TCO?
Thuật toán MFO sử dụng cơ chế bay xoắn ốc logarit quanh nhiều ngọn lửa dẫn đường, giúp khám phá không gian nghiệm đa chiều hiệu quả hơn. Thực nghiệm cho thấy MFO chỉ cần 2.800 lần đánh giá hàm mục tiêu để đạt kết quả tối ưu, trong khi GA cần tới 25.000 lần, đồng thời MFO giúp giảm thêm 1,50% tổng chi phí dự án.

Phương pháp trọng số thích ứng MAWA giữ vai trò gì trong mô hình nghiên cứu?
MAWA đóng vai trò là cầu nối tự động cân bằng giữa hai mục tiêu xung đột là thời gian và chi phí. Bằng cách điều chỉnh trọng số linh hoạt theo biên độ max-min của tập nghiệm, MAWA giúp thuật toán phân bổ các phương án đều khắp trên đường biên Pareto, loại bỏ tình trạng tập trung cục bộ vào một mục tiêu đơn lẻ.

Mô hình có thể áp dụng cho các dự án xây dựng quy mô lớn trên 100 công tác không?
Hoàn toàn khả thi. Thử nghiệm trên mô hình 63 công tác với 10 lần chạy độc lập cho thấy thuật toán hội tụ rất nhanh với độ lệch chuẩn cực thấp dưới 0,5%. Cấu trúc ma trận bướm đêm của MFO cho phép mở rộng quy mô bài toán lên hàng trăm công tác mà không gặp hiện tượng nghẽn tính toán.

Chi phí gián tiếp ảnh hưởng như thế nào đến quyết định rút ngắn tiến độ?
Chi phí gián tiếp (như chi phí quản lý, thuê mặt bằng, khấu hao thiết bị) tỷ lệ thuận với thời gian thi công (ví dụ 1.500 USD/ngày). Khi rút ngắn tiến độ, chi phí gián tiếp giảm nhưng chi phí trực tiếp tăng; mô hình MAWA-MFO giúp tìm đúng điểm cân bằng để tổng chi phí dự án đạt mức thấp nhất.

Người dùng cần chuẩn bị những thông số đầu vào nào để vận hành thuật toán?
Người dùng cần cung cấp: Sơ đồ mạng quan hệ giữa các công tác (Precedent Activity), danh mục các phương án thi công cho từng công tác kèm thời gian và chi phí trực tiếp tương ứng (Option/Mode), đơn giá chi phí gián tiếp theo ngày và các tham số thuật toán cơ bản (số bướm đêm, số vòng lặp tối đa).

Kết luận

  • Đề tài đã nghiên cứu và ứng dụng thành công thuật toán tối ưu hóa ngọn lửa (MFO) kết hợp trọng số thích ứng có điều chỉnh (MAWA) để giải quyết triệt để bài toán tối ưu hóa chi phí - thời gian (TCO) trong quản lý xây dựng.
  • Mô hình MAWA-MFO chứng minh tính ưu việt vượt trội khi tiết kiệm được 4.400 USD (giảm 1,50% tổng chi phí) trên mô hình 18 công tác so với thuật toán GA truyền thống.
  • Tốc độ hội tụ và hiệu năng tính toán được cải thiện đột phá, giảm số lần đánh giá hàm mục tiêu từ 25.000 lần xuống 2.800 lần, giúp tiết kiệm 88,8% thời gian tính toán mô phỏng.
  • Toàn bộ thuật toán được lập trình đóng gói hoàn chỉnh bằng ngôn ngữ Python, kiểm chứng độ tin cậy vững chắc trên các mô hình 7, 18, 63 công tác và dự án thực tế.
  • Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu trong giai đoạn 2024–2026 là tích hợp thêm các biến số về quản lý rủi ro an toàn lao động và chất lượng công trình (Time-Cost-Quality-Safety Trade-off) vào mô hình tối ưu hóa đa mục tiêu.

Quý bạn đọc, nhà quản lý và các đơn vị nhà thầu quan tâm có thể tiếp cận toàn văn luận văn thạc sĩ tại thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM để áp dụng ngay bộ công cụ tính toán tối ưu này vào công tác quản trị dự án thực tế.