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劳动力计划的动态规划方法
Alireza Ahmadian Fard Fini1; Ali Akbarnezhad2; Taha H. Rashidi3; and S. Travis Waller, A.M.ASCE4
摘要：一个好的劳动力计划在建筑工程的顺利实施中起着举足轻重的作用。建筑行业面临着日益增长的挑战，如技能短缺、员工老龄化、劳动力吸引不足、保留和购买问题，这些都无疑增加了劳动力规划的技术复杂性。然而，现有的劳动力规划技术要么是定性的，要么缺乏战略视角。这使得在面临上述挑战时，雇佣劳动力的计划安排容易在雇佣和计划外解雇方面做出不佳的决定。本文提出了一种基于人力资源战略、劳动权利和建设项目的技术和管理约束的优化招聘与解雇决策的新框架。该框架首先通过构建信息建模(BIM)、项目性能数据库、契约和立法文档的信息来设置模型参数和决策标准。然后使用动态规划算法确定不同技能、技能水平和多技能的工人的最佳工作模式和持续时间。通过案例研究，论证了该框架的应用和优点。DOI:10.1061/(ASCE)CO.1943-7862.0001434. copy; 2017 American Society of Civil Engineers.
作者关键词：雇佣和解雇;劳动力资源;建筑信息模型(BIM);动态规划;劳动权利;劳动和人事问题
前言
建筑业严重依赖劳动力，劳动力成本占总建筑成本的40%(Alfares and Bailey 1997),考虑到这一点，熟练工人的可用性被认为是影响建筑项目成功的主要因素之一(Sambasivan and 2007)。在以往的研究中，我们已经做出了大量的努力来确定和解决建筑业所面临的人力资源挑战(Castaneda et al. 2003, Castaneda et al. 2005)。在一个项目中，熟练工人的短缺已经成为人力资源管理的一个突出问题(Wang et al.2009)。在美国、加拿大、澳大利亚、德国和英国等不同国家，随着越来越多比例的技术工人老龄化或退休(AWPA 2013;Elliot and Kollewe 2011;Hayutin et al.2013; POSTNOTE 2011; Salah 2012),熟练工人短缺问题正在达到一个高峰点。年轻一代的工作人员发现，在建筑项目中，从事技能要求高的工作会越来越难获得在职培训的机会。但另一方面，他们又由于技能不足而普遍受到批评(Dai et al. 2009)。这无疑增加了建筑工人之间现有的技能差距，并且在不久的将来，更是加剧了技能短缺问题。
由于项目的临时性，吸引和维持劳动力也被强调为建筑组织所面临的一些主要挑战(Castaneda et al.2005; Rowings et al.1996)。当招聘和解雇决定主要是由计划压力驱动时，这时这种挑战会尤其明显(Easa 1989;Seibert and Evans1991;Siu et al.2016)。但这种方法导致了两个主要的缺陷。第一，它引入了人力资源管理的短期观点，在这个观点中，人力资源政策和战略几乎没有机会与项目的执行计划相结合 (Shi and Halpin 2003)。因此，这一领域的长期问题，如技能短缺和老龄化问题，仍然存在并停留在理论层面(Maloney 1997)。第二，在将人力资源和非人力资源的分配中，二者将几乎没有差别(Thomas et al. 2002, 2003)这可能会在不知不觉中将人力资源管理视为商品，这不仅反对了劳工权利，而且阻碍了任何吸引该行业所需人才的计划(Ballard et al.2005;Rojas and Aramvareekul 2003)。
资源均衡是资源分配中一种广泛使用的技术，目的是在给定的时间范围内，使得资源使用产生的波动最小化(Neumann and Zimmermann 1999;Seibert and Evans 1991;Siu et al.2016年)。尽管隐含的目标是使得与频繁的雇佣和火灾相关的成本最小化，但是这种方法的明确目标是要在升级资源的同时产生最小的不利因素 (Seibert and Evans 1991）。工人的学习效果，以减少时间或承担连续单位的成本为代表，可以显著影响项目的总成本和持续时间，因此应在尽量减少人力资源波动的同时也考虑到这一点(Harris 1990;Neumann and Zimmermann 1999)。然而，在现有的资源分配模型中，这种效应并不是在数学上形成的，因此，如果一个团队已经达到了最佳的学习水平，就无法判断这种影响。此外，在传统的资源均衡技术中，重点是提高工人的利用率，而不考虑由此产生的人力资源利用计划可能对工人造成的社会影响不利，这其中包括在职学习和发展机会、安全、工作保障和财政权利(Chih et al.2017; Castaneda et al. 2005)。这可能是对目前的人力资源规划策略结果不充分支持的一个因素(Jergeas 2010)。
提高雇佣和解雇决策的可靠性依赖于对项目活动和人力资源需求的准确和机密信息的获取(Shi and Halpin 2003)。构建信息建模(BIM)与其他项目数据库一起，在促进此类访问方面发挥了关键作用(Chen et al. 2013)。这些系统已广泛部署在不同的决策领域，包括人力规划、项目调度和资源分配(Chen et al. 2013;Lee et al . 2014;Liu et al . 2015; Shi and Halpin 2003)。类似于这些，BIM和项目信息系统的应用仍然可以扩展，通过向已开发的模型提供详细和不带偏见的信息来协助招聘和执行决策。
本研究提出了一种新的雇佣和解雇决策的优化框架，该框架同时考虑了适用的人力资源战略、劳工权利以及建设项目的技术和管理约束。这些政策和约束被转换成一个内聚的数学模型，优化了不同技能背景、技能水平和多技能状态工人的就业类型和持续时间。该框架从BIM、项目性能数据库、合同和立法文件中导入所需的信息，并在计算模块中使用它们，其中设置了决策标准的参数和边界。然后将这些数据输入到优化模块中，该模块采用动态编程的方法来优化招聘和解雇决策。
在开发的框架中，我们提出了一种人力密集型的资源获取模型，在该模型中，机组人员组成及其技术水平对项目的进展有显著影响。在一个住宅建筑工程中，应用一个真实的案例工程，涉及三种相似的四层混凝土结构建筑，论证了该框架的应用。
文献综述
人力资源被认为是承包商最重要的资本。人力资源的技能和能力大大提高了公司的竞争优势。
图1 框架的主要构成
与此同时，承包商试图寻找并维持一个最优的人力资本集合，以优化公司的经营业绩(Blasco and Pertold-Gebicka 2013)。与此相一致的是，工人之间的个体差异是应该考虑的第一个因素(Fagan and Ployhart 2015)。从承包商的成本导向的角度来看，这些都是可取的和不可取的差异，因为它们可以被技能多样性和经验不足的工人所取代(Brandenburg et al. 2006; Maloney 1997)。虽然资源池中可用的技能的多样性使承包商能够提供更广泛的服务，从而扩大其市场份额。但由于缺乏有经验的工人，这些优势可能会被取消。因为这些工人的表现如果水平较差可能会妨碍公司的时间承诺。此外，承包商必须定期处理业务环境的变化。这可能包括人力资源市场的变化，如熟练劳动力的可用性、以及法律和监管义务的变化、以及社会责任。为应付这种情况，需要制订一套管理人力资源的策略性规划计划，以促进业务的顺利运作(Maloney1997)。
日益加剧的技能短缺问题，以及建筑业对各种技能需求的增加，使得现有的人力资源规划方法需要修改，以应对新的挑战、需要和社会需求Chini et al.1999; De Bruecker et al. 2015)。一种被广泛提倡的策略是多技能训练。这种策略提出，工人拥有技能的集合而不是专攻某一技能(Burlesonet al.1998;Florez et al. 2012;Wongwai and Malaikrisanachalee 2011)。由于打破了传统的特殊任务边界(Wang et al. 2009)，多技能劳动者有望通过创新来提高工作表现。此外，它还可用于解决与施工活动调度相关的分配不足和分配问题，从而解决施工过程中各种不同的问题(Liu and Wang 2012;Wongwai和Malaikrisanachalee 2011)。
相关文献已对资源均衡技术的发展给予了大量关注(Cheng et al. 2016; El-Rayes and Jun 2009; Neumann and Zimmermann 1999) 计算方法是传统的启发式和计数的,主要适用于中小型活动网络水准的顺序执行每一个资源(Neumann and Zimmermann 1999)。以往的研究主要集中在改善资源水平的两个方面。利用现代算法，如神经网络和遗传算法(El-Rayes and Jun 2009)，促进更大的活动网络的资源平衡。其次，对算法进行修改，使多个资源可以同时被分层(Cheng et al. 2016)。通过在之前的研究中提出的方法(Cheng et al. 2016)，已经报告了计算效率的显著提高。(Cheng et al. 2016)
但不管使用的方法是什么，资源均衡技术都有一些共同的特点。首先，他们的主要目标是满足项目的到期日，如果不可能的话，尽量减少延误(Seibert and Evans 1991)。其次，主要的决策变量是活动的开始日期，从而减少了人力资源需求的波动。((El-Rayes and Jun 2009; Harris 1990)。最后，通过最小化雇佣和解雇成本，提高维护人员的学习效果，间接说明资源均衡对项目是有利的。(Easa 1989; Harris 1990)。虽然这些优势高度依赖于不同活动中工人的技能水平和学习速度等因素，但所使用的方法并没有在具体的基础上加以考虑。此外，现有的方法往往忽略了劳动权利的原则，过分强调了时间表的需要。虽然不满意的劳动力很可能会表现不佳，从而在短期内否定计划中的进展，忽视人力资源规划中的培训需求很可能会导致长期的技能短缺。然而，要在人力资源规划中实际考虑这些因素，就需要获得相关和可靠的数据。
在人力资源规划和项目调度中，信息的作用越来越多地体现在其对准确性的贡献和降低决策过程的行政负担(Cho et al. 2009; Dulebohn and Johnson 2013)。在公司层面，人力资源信息系统包含大量的公司智慧和市场数据，包括技能、社会和人口数据、搜索成本、归纳成本、补偿、福利和工资，用于支持决策支持系统。如企业资源规划(ERP)工具(Cho et al. 2009)。 通过将ERP系统与项目规划工具(如上一个计划系统)整合在一起，可以改善计划的可靠性和准确性。这是通过用数据支持的计划代替猜测驱动的计划来实现的。另一方面，BIM模型已被用作综合项目规划和管理的平台(Liu et al. 2015)。它的通用平台提供了准确和有组织的数量，同时允许为项目元素定义和嵌入新的属性。。(Zhang et al. 2015)。与项目调度、仿真软件和/或跟踪技术相结合，文献已经将BIM模型从三维可视化(3D)可视化扩展到四维(4D)和(5D)应用。用于不同目的，如活动调度、资源分配、安全规划、进度测量和跟踪(Chen et al. 2013)。
将人力资源分配给建设项目是一个多方面的问题，项目某一阶段的分配结果会通过诸如学习效果等因素影响下一个阶段的分配 (Lam et al. 2001)。解决这类问题的一种专业方法是动态规划，在此过程中，连续决策的优化是基于前几个阶段所做决策的顺序。这项技术最初是由Richard Bellman在1987年提出的，作为一种系统的优化方法来进行相互关联的决策，这些决策将在多个阶段进行。(Bellman 2003)。然而，当涉及到复杂的相互关联的决策阶段时，它在不同部门的当代研究中很受欢迎。文献例举了一些动态规划在规划水资源和水电运行、优化勘探项目经济运行、减轻环境影响、运输网络事故预防、优化配送服务、优化项目调度等方面的有效应用(El-Rayes and Said 2009;Mahmoudi and Zhou 2016; Showalter and Halpin 2008; Zhaoet al. 2012)。
在系统优化多级问题的过程中，成功的关键是正确确定分阶段和状态，而在这些阶段中，递归在子问题中是最基本的问题(Bellman 2003)。以往研究中使用的两种主要方法包括向后和正向建模(Hillier和Lieberman 2001)。在逆向方法中，子问题从第一个阶段到最后一个阶段进行优化;然后，递归从末尾开始执行。然而，从第一个阶段开始到问题的最后阶段，向前的方法与递归的处理方式上会有所不同。虽然这两种方法在组合中都有不同，但都应该得到正确的解决方案。尽管在制定动态规划问题上有基本的相似性，但没有标准的算法可以推广到解决所有类型的问题(Hillier和Lieberman 2001)。因此，应该开发一种独特的解决方法来解决特定类型的问题。
框架开发
该框架由数学模型、信息管理模块和综合计算优化平台三个支柱组成。每个支柱主要是通过对相关文献的严格研究而发展起来的，就像在框架中提到的那样。特别需要指出，通过调查与人力资源管理相关的行业文件，包括招聘政策、项目规划程序和劳动权利立法，进一步补充了数学支柱。最后，对BIM工具（Autodesk Revit或更新版本）、编程包（Excel宏模块、Microsoft求解程序）和数据库（Microsoft Access 2010或更新版本）的理解，需要在不同的系统之间构建链接，并解决优化模型。
优化平台在数学模型和信息数据库之间建立了递归连接的关系，以确保在满足所有约束条件的情况下，在项目时间轴上优化招聘和解雇决策。该框架的基本特征包括
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