Tối ưu hóa bố trí công trình xây dựng với thuật toán hybrid ant lion optimizer

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu quản lý xây dựng site layout optimization using novel hybrid ant lion optimizer alo algorithm, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề

• Tác giả: Febrina Vienna Soulisa
• Người hướng dẫn: PhD/Associate Prof. Pham Vu Hong Son
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Construction Management
• Đề tài: Tối ưu hóa bố trí mặt bằng thi công sử dụng thuật toán lai ghép kiến sư tử - (ALO) mới
• Loại tài liệu: master’s thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Tóm tắt

I. Tối ưu hóa bố trí công trình

Việc tối ưu hóa bố trí công trình xây dựng là một yếu tố quan trọng trong quản lý dự án, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, chi phí và thời gian thực hiện. Một bố trí mặt bằng hợp lý giúp giảm thiểu khoảng cách di chuyển, tiết kiệm thời gian và giảm chi phí nhân công, đồng thời nâng cao an toàn lao động. Các nghiên cứu chỉ ra rằng một mặt bằng thi công được lên kế hoạch kỹ lưỡng có thể tiết kiệm từ 20% đến 50% chi phí hoạt động. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc áp dụng các thuật toán tối ưu hóa, đặc biệt là trong bối cảnh xây dựng hiện đại, nơi mà các dự án ngày càng phức tạp và yêu cầu tính hiệu quả cao. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển một thuật toán lai ghép mới, nhằm cải thiện khả năng tối ưu hóa mặt bằng thi công, đồng thời giảm thiểu các xung đột và tăng cường hiệu suất làm việc.

1.1. Tầm quan trọng của bố trí công trình

Bố trí công trình không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất mà còn liên quan mật thiết đến chi phí và thời gian thực hiện dự án. Một bố trí hợp lý giúp giảm thiểu thời gian di chuyển của công nhân và thiết bị, từ đó nâng cao năng suất lao động. Theo một nghiên cứu, việc tối ưu hóa mặt bằng có thể giảm chi phí vật liệu và chi phí vận chuyển từ 10% đến 30%. Điều này cho thấy rằng việc áp dụng các công nghệ xây dựng hiện đại và các thuật toán tối ưu hóa như thuật toán hybrid có thể mang lại lợi ích kinh tế lớn cho các dự án xây dựng.

II. Thuật toán Ant Lion Optimizer ALO

Thuật toán Ant Lion Optimizer (ALO) là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên hành vi săn mồi của kiến sư tử. Mặc dù thuật toán này đã được chứng minh là hiệu quả trong nhiều lĩnh vực, nhưng nghiên cứu về ứng dụng của nó trong tối ưu hóa bố trí mặt bằng công trình còn hạn chế. ALO có khả năng tìm kiếm giải pháp tối ưu với độ chính xác cao và thời gian chạy ngắn. Tuy nhiên, để tối ưu hóa hơn nữa, cần phát triển một phiên bản lai ghép của ALO, kết hợp các phương pháp học tập đối kháng và các kỹ thuật đột biến để cải thiện khả năng hội tụ và hiệu suất tổng thể của thuật toán. Việc phát triển thuật toán lai ghép ALO sẽ mở ra hướng đi mới trong việc giải quyết các vấn đề phức tạp trong quản lý dự án xây dựng.

2.1. Cơ chế hoạt động của ALO

ALO hoạt động dựa trên cơ chế săn mồi của kiến sư tử, trong đó các con kiến di chuyển ngẫu nhiên để tìm kiếm thức ăn. Thuật toán này sử dụng chiến lược tối ưu hóa metaheuristic để tìm kiếm giải pháp tốt nhất cho các bài toán tối ưu hóa. Bằng cách mô phỏng hành vi của kiến sư tử và các con kiến, ALO có thể tìm ra các giải pháp tối ưu cho bố trí mặt bằng công trình, giảm thiểu khoảng cách di chuyển và chi phí. Việc áp dụng ALO trong tối ưu hóa bố trí công trình có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu quả hoạt động và giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công.

III. Phát triển thuật toán lai ghép ALO

Nghiên cứu này đã phát triển một thuật toán lai ghép Ant Lion Optimizer (NH-ALO) nhằm cải thiện khả năng tìm kiếm giải pháp tối ưu cho bố trí công trình. Thuật toán này kết hợp các phương pháp học tập đối kháng và kỹ thuật đột biến để tăng cường khả năng hội tụ và hiệu suất của ALO. Các thử nghiệm cho thấy NH-ALO không chỉ vượt trội hơn so với ALO nguyên bản mà còn có thể cạnh tranh với các thuật toán tối ưu hóa khác như Particle Swarm Optimization (PSO) và Genetic Algorithm (GA). Việc áp dụng NH-ALO trong các nghiên cứu điển hình cho thấy khả năng tối ưu hóa hiệu quả, giảm thiểu khoảng cách di chuyển và thời gian thi công.

3.1. Các phương pháp cải tiến trong NH ALO

Để cải thiện hiệu suất của ALO, nghiên cứu đã áp dụng các phương pháp như học tập đối kháng (OBL) và kỹ thuật đột biến. Học tập đối kháng cho phép thuật toán tìm kiếm các giải pháp thay thế tốt hơn bằng cách so sánh các giải pháp hiện tại với các giải pháp tiềm năng khác. Kỹ thuật đột biến giúp tạo ra sự đa dạng trong quá trình tìm kiếm, từ đó tăng khả năng tìm ra giải pháp tối ưu. Nhờ vào những cải tiến này, NH-ALO cho thấy sự vượt trội trong việc tìm kiếm giải pháp tối ưu cho bố trí công trình, đồng thời giảm thiểu thời gian và chi phí thực hiện.

IV. Ứng dụng thực tiễn của NH ALO

Việc áp dụng thuật toán NH-ALO vào các bài toán thực tế trong xây dựng đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của nó. Các nghiên cứu điển hình cho thấy rằng NH-ALO có thể giảm thiểu đáng kể khoảng cách di chuyển giữa các khu vực trong công trường, từ đó tiết kiệm thời gian và chi phí cho các nhà thầu. Hơn nữa, việc sử dụng NH-ALO không chỉ giúp tối ưu hóa bố trí công trình mà còn cải thiện an toàn lao động bằng cách giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn và tai nạn trong quá trình thi công. Điều này cho thấy NH-ALO không chỉ là một công cụ lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn cao trong ngành xây dựng.

4.1. Lợi ích kinh tế từ việc áp dụng NH ALO

Việc áp dụng NH-ALO trong tối ưu hóa bố trí công trình có thể mang lại nhiều lợi ích kinh tế cho các nhà thầu. Giảm thiểu khoảng cách di chuyển và thời gian thi công không chỉ giúp tiết kiệm chi phí nhân công mà còn giảm thiểu chi phí vật liệu. Theo các nghiên cứu, việc tối ưu hóa bố trí công trình có thể giảm chi phí tổng thể từ 10% đến 30%. Hơn nữa, NH-ALO có thể giúp cải thiện năng suất lao động, từ đó gia tăng hiệu quả kinh doanh cho các công ty xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FEBRINA VIENNA SOULISA SITE LAYOUT OPTIMIZATION USING NOVEL HYBRID ANT LION OPTIMIZER (ALO) ALGORITHM TỐI ƯU HÓA BỐ TRÍ MẶT BẰNG THI CÔNG SỬ DỤNG THUẬT TOÁN LAI GHÉP KIẾN SƯ TỬ - (ALO) MỚI Major: CONSTRUCTION MANAGEMENT Major code: 8580302 MASTER’S THESIS HO CHI MINH CITY, DECEMBER 2022 2 THIS RESEARCH IS COMPLETED AT: UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU – HCM CITY Instructor: PhD/Associate Prof. Pham Vu Hong Son Examiner 1: Assoc. Luong Duc Long Examiner 2: Dr. Nguyen Van Tiep Master’s thesis is defended at HCM city University of Technology, VNU- HCM City on December 7th, 2022 The board of the Master’s Thesis Defense Council includes: 1.

Do Tien Sy 2. Tran Duc Hoc 3. Counter-argument member 1: Assoc. Luong Duc Long 4.

Counter-argument member 2: Dr. Nguyen Van Tiep 5. Council member: Dr. Nguyen Thanh Viet Verification of the Chairman of the Master’s Thesis Defense Council and the Dean of faculty of Civil Engineering after the thesis being corrected (If any).

CHAIRMAN OF THE COUNCIL DEAN OF FACULTY OF CIVIL ENGINEERING …………………. 2 i VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM HO CHI MINH CITY Independence – Freedom - Happiness HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY THE TASK SHEET OF MASTER’S THESIS Full name: FEBRINA VIENNA SOULISA Student code: 2070288 Date of birth: 03/02/1994 Place of birth: Bandung, Indonesia Major: Construction Management Major code: 8580302 I. THESIS TOPIC: Site layout optimization using novel hybrid ant lion optimizer (ALO) algorithm Tối ưu hóa bố trí mặt bằng thi công sử dụng thuật toán lai ghép kiến sư tử - (ALO) mới II. TASKS AND CONTENTS: Site layout optimization using artificial intelligence in Construction Management III.

TASKS STARTING DATE: March, 2022 IV. TASKS ENDING DATE: December, 2022 V. INSTRUCTOR: PhD/Associate Prof. Pham Vu Hong Son HCM City, December, 2022 INSTRUCTOR PhD/Assoc.

Pham Vu Hong Son HEAD OF DEPARTMENT …………………. DEAN OF FACULTY OF CIVIL ENGINEERING …………………. i ii ACKNOWLEDGEMENT I want to express my gratitude to all the lecturers (both Vietnamese and Japanese), admins (both academic and OISP), and classmates, especially my fellow CEP students (John, Zei, and Poe) of the International Master Program at the Ho Chi Minh City University of Technology for the continuous support and help given during the program. The completion of this research is possible thanks to my respectful and kind thesis instructor and advisor, Ph.

Pham Vu Hong Son, for his guidance and assistance. The constructive feedback, advice, suggestions, and shared knowledge helped me a lot during the process of making this thesis research. I would like to send my special thanks to the Japan International Cooperation Agency Project for ASEAN University Network / Southeast Asia Engineering Education Development Network (JICA project for AUN-SEED-Net) for the scholarship of Collaborative Education Program (CEP) that allows me to pursue my master's degree and have the opportunity to broaden both my knowledge and connection with people within the construction industry. Finally, I would like to express my deepest gratitude to my family members (Reviyani Malinda Soulisa, Acung, Genu) and friends, especially Addinda, Precelia, Alver, and Aurora, for their continuous support.

I am also forever thankful for my favorite characters Suna Rintarou, Miya Atsumu, Miya Osamu, and Kokonoi Hajime, for being my source of motivation. ii iii ABSTRACT The layout of a construction site must be properly planned to guarantee safe and effective operations. Planning the construction site's layout has a significant impact on a project's productivity, budget, and timeline. An effective process for optimization models has been developed using a number of different algorithms.

Artificial intelligence-based solutions, such as metaheuristic algorithms, have been studied in depth for the site planning problem in the construction industry. However, the Ant Lion Optimization (ALO) algorithm has limited research in solving site layout optimization problems although proven consistent for problem that require an optimization approach. Moreover, a novel hybrid ALO algorithm is necessary to produce a more optimal solution with better runtime. Thus, this study developed a novel hybrid Ant Lion Optimizer (ALO) algorithm and applied it to a case study representing the site layout problem to determine the optimal site layout and travel distance.

Overall, the proposed algorithm outperformed other algorithms in terms of consistency and efficiency and can be used to solve site layout problem. Keywords: Construction, Site Layout, Optimization, Novel Hybrid Ant Lion Optimizer (ALO), Algorithm iii iv TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Bố trí mặt bằng thi công của một công trường phải được lên kế hoạch chính xác để đảm bảo các hoạt động diễn ra an toàn và hiệu quả. Việc lên kế hoạch sắp xếp mặt bằng thi công của một công trường ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất, ngân sách và thời gian thực hiện dự án. Các thuật toán trí tuệ nhân tạo đã được sử dụng để tạo lập mô hình tối ưu hóa mặt bằng thi công.

Các giải pháp dựa trên trí tuệ nhân tạo, chẳng hạn như thuật toán metaheuristic, đã được nghiên cứu chuyên sâu cho việc bố trí bề mặt công trường trong ngành xây dựng. Tuy nhiên, các nghiên cứu về thuật toán tối ưu kiến sư tử (ALO) rất hạn chế trong việc giải quyết các vấn đề tối ưu hóa bố cục mặc dù đã được chứng minh là nhất quán đối với vấn đề tối ưu hóa toàn cục. Hơn nữa, một thuật toán ALO lai ghép mới là cần thiết để tạo ra một giải pháp tối ưu hơn với thời gian chạy tốt hơn. Do đó, nghiên cứu này đã phát triển một thuật toán lai ghép kiến sử tử mới (ALO) áp dụng vào một nghiên cứu điển hình đại diện cho vấn đề bố cục lại bề mặt công trường xây dựng để tối ưu hoá khoảng cách di chuyển.

Nhìn chung, thuật toán được đề xuất vượt trội so với các thuật toán khác về tính nhất quán, hiệu quả và có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề tối ưu bố trí mặt bằng thi công trên công trường. Từ khóa: Xây dựng, Bố trí mặt bằng thi công, Tối ưu hóa, Thuật toán lai ghép kiến sư tử mới (ALO) iv v AUTHOR’S COMMITMENT The undersigned below: Name : Febrina Vienna Soulisa Student ID : 2070288 Place and date of born : Bandung, Indonesia, February 3, 1994 Address : Ho Chi Minh City With this declaring that the master thesis entitled “Site Layout Optimization Using Novel Hybrid Ant Lion Optimizer (ALO) Algorithm” is done by the author under supervision of the instructor. All works, ideas, and material that was gain from other references have been cited in the corrected way. Ho Chi Minh City, December 14, 2022 Febrina Vienna Soulisa v vi TABLE OF CONTENTS THE TASK SHEET OF MASTER’S THESIS .iii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ.

iv AUTHOR’S COMMITMENT. v TABLE OF CONTENTS. vi LIST OF FIGURES. Scope of Study.

Academic and Practical Significances. Construction Site Layout Optimization. Ant Lion Optimizer (ALO) Algorithm. DEVELOPMENT AND APPLICATION.

Application of Ant Lion Optimizer (ALO). Novel Hybrid Ant Lion Optimizer (NH-ALO). Opposition-based learning (OBL). Mutation and crossover.

Objective Function and Parameter. 66 vii viii Random_walk_around_antlion. MATLAB Command Window Result. 70 Case study 1 command window result.

70 Case study 1 command window result (2). 71 Case study 2 command window result. 76 Case study 3 command window result. 77 Case study 4 command window result.

MATLAB Excel result. 79 Case study 1, 2, 3, & 4 excel result. 79 Case study 1 (2) excel result. 80 viii ix LIST OF FIGURES Figure 1-1.

Time-Cost-Quality in project management. Scope of study. Predatory behavior of antlions [34]. Ant's random walk inside the trap [30].

Scopus report on ALO application [36]. Ant lion predation [28]. 15 Figure 3-2 Illustration of three ants' random walk [30]. Flowchart of novel hybrid ant lion optimizer (NH-ALO) algorithm.

Theoretical illustration of OBL in one-dimension optimization [49]. Theoretical illustration of mutation [50]. Conceptual illustration of crossover [51]. Pre-arranged site layout of case 1.

Convergence curve NH-ALO for case 1. NH-ALO site layout arrangement of case 1. Convergence curve NH-ALO for case 1 (200 iterations). The convergence curve comparison.

Pre-arranged site layout of case 2. Convergence curve NH-ALO for case 2. NH-ALO site layout arrangement of case 2. Pre-arranged site layout of case 3.

Convergence curve NH-ALO for case 3. NH-ALO site layout arrangement of case 3. Pre-arranged site layout of case 4. Convergence curve NH-ALO for case 4.

NH-ALO site layout arrangement of case 4. 43 x xi LIST OF TABLES Table 2-1. List of related studies. Pre-arranged site layout information of case 1.

Distance between locations of case 1 (meters). Trip frequencies of case 1. Total traveling distance comparison of case 1. Site layout arrangement for case 1.

Total traveling distance case 1 (200 iterations). Pre-arranged site layout information of case 2. Distance between locations of case 2 (meters). Trip frequencies of case 2.

Total traveling distance comparison of case 2. Site layout arrangement for case 2. Pre-arranged site layout information of case 3. Distance between locations of case 3 (meters).

Trip frequencies of case 3. Total traveling distance comparison of case 3. Site layout arrangement for case 3. Pre-arranged site layout information of case 4.

Distance between locations of case 4 (meters). Trip frequencies of case 4. Total traveling distance comparison of case 4. Site layout arrangement for case 4.

INTRODUCTION ------ This chapter presents the research problem which describes the importance of well-planned site layout and brief explanation about optimization of site layout (Section 1.1), research objectives (Section 1.2), scope of study (Section 1.3), research methodology (Section 1. The academic and practical significances (Section 1.5) also presented in the last part of this chapter. Problem Statement It is known that construction and project planners often aim to accomplish maximum quality by considering minimal cost and time. The most common challenge is maximizing resource utilization to strike a balance between various and frequently conflicted aspects of project management.

Thus, quality, cost, and time are intricately related as these three objectives are broadly discussed for their practical relevance in project accomplishment [1]. The layout of the construction site also has a significant impact on the project’s cost, productivity, safety, and other aspects [2]. However, the site layout plan is frequently created without consideration for the project plan itself and, occasionally, no specific site layout plan in practice [3]. As a result, it leads to long project duration, poor quality, and expensive costs on the construction.

Time-Cost-Quality in project management A construction site has a space that is considered a limited resource in construction projects compared to other resources such as material and equipment. Layout planning of construction sites often interacts with construction management (i., planning, scheduling, and cost estimating) [2], [4]. A study mentioned that site layout planning should be carried out successfully prior to starting the main work. A well-planned layout will contribute to saving time and site congestion.

Moreover, minimize travel distance, material handling effort, and operational cost [5], [6]. This process of organizing facilities, known as the production factors, is also considered part of operational strategies to produce a more efficient system [7]. Besides, workers and site personnel spend most of their time on construction sites. Therefore, if they can move around the site easily and quickly, it will improve productivity [8].

Layout planning for each construction site is unique as it depends on variables such as workspace and interaction between each location [9], [10].