渠系施工工區(qū)布置方案優(yōu)化研究與應(yīng)用

魏成勇，陳 新，李小五，張 倩，周武松(.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 60065；.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司,廣東 深圳 58000)

近年來隨著我國水利工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的水庫渠系工程進(jìn)入工程建設(shè)施工階段。水庫渠系工程在施工時(shí)需沿線劃分施工工區(qū)，目前國內(nèi)外，按照什么原則，依據(jù)什么理論，采用什么方法對(duì)工區(qū)進(jìn)行劃分的文獻(xiàn)很少。同樣渠系工程工區(qū)內(nèi)場內(nèi)交通運(yùn)輸方案的設(shè)計(jì)是聯(lián)系施工工地內(nèi)部各施工工作面、料場、渣場及各生產(chǎn)、生活區(qū)等之間的紐帶，合理規(guī)劃和組織場內(nèi)運(yùn)輸，使形成的交通網(wǎng)絡(luò)能滿足整個(gè)工程施工進(jìn)度和工藝流程的要求具有重要的意義，當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)場內(nèi)交通規(guī)劃布置的研究很多，但對(duì)場內(nèi)交通運(yùn)輸及道路布置的研究應(yīng)進(jìn)一步考慮更多的邊界條件，比如對(duì)運(yùn)輸問題所涉及參數(shù)的確定，物料運(yùn)輸方案如何優(yōu)化等等，建立智能化場內(nèi)物料運(yùn)輸管理系統(tǒng)是當(dāng)下的研究目標(biāo)與方向之一。

1 場內(nèi)交通模型建立與求解工具

渠系施工期的場內(nèi)交通運(yùn)輸，需要從一個(gè)或多個(gè)物料中心組織配送運(yùn)輸。由于連接一個(gè)或多個(gè)物料供應(yīng)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)物料需求點(diǎn)存在一個(gè)交通網(wǎng)絡(luò),必須在這張道路交通網(wǎng)絡(luò)上綜合考慮各條線路的車流量、道路狀況、物料需求點(diǎn)的分布狀況、物料中心的劃分、車輛額定載重量以及其他車輛運(yùn)行限制等因素,確定場內(nèi)物料的最優(yōu)調(diào)運(yùn)方案,達(dá)到節(jié)省運(yùn)距、運(yùn)輸時(shí)間和費(fèi)用的目的。在從料源點(diǎn)將施工物料運(yùn)輸至需求點(diǎn)的過程中,由于料源點(diǎn)數(shù)量和需求點(diǎn)數(shù)量不同，可將渠系工程場內(nèi)交通運(yùn)輸優(yōu)化模型歸結(jié)為一對(duì)一、一對(duì)多和多對(duì)多運(yùn)輸模型[1]。

1.1 一對(duì)一運(yùn)輸模型

一對(duì)一運(yùn)輸就是指某類物料只有一個(gè)供料點(diǎn)，需料點(diǎn)也只有一個(gè)，此類物料供需料點(diǎn)之間的運(yùn)輸。在這種運(yùn)輸模式中, 要求在公路網(wǎng)中找到一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的最短運(yùn)輸路徑, 達(dá)到用最低的運(yùn)費(fèi)實(shí)現(xiàn)最快的運(yùn)輸速度，以實(shí)現(xiàn)高效率的運(yùn)輸。

1.2 一對(duì)多運(yùn)輸模型

一對(duì)多運(yùn)輸是指由一個(gè)供料點(diǎn)往多個(gè)需料點(diǎn)的運(yùn)輸。這種運(yùn)輸模型要求同一條施工道路上某種物料所有需求點(diǎn)的需求量總和不大于一輛車的額定載重量。其基本思路為:由一輛車裝載某種所有需求點(diǎn)的物料,沿一條優(yōu)選的路徑(最短路徑),依次逐一將物料送到各個(gè)需求點(diǎn),既保證按時(shí)運(yùn)輸物料至需求點(diǎn)又節(jié)約里程,節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用。

1.3 多對(duì)多運(yùn)輸模型

多對(duì)多運(yùn)輸是指某類物料有多個(gè)供料點(diǎn)和多個(gè)需料點(diǎn)，多個(gè)供料點(diǎn)向多個(gè)物料需求點(diǎn)的運(yùn)輸。模型在數(shù)量上的規(guī)定如下，即: 工程共需W種物料調(diào)配，K個(gè)工程建筑物開挖供料源,L個(gè)直接開采料場,M個(gè)中轉(zhuǎn)料場,N個(gè)工程建筑物受料區(qū)，H個(gè)渣場。在這種物料運(yùn)輸模式中,又分為供需平衡模式和供需不平衡模式,要求設(shè)計(jì)合理的運(yùn)輸方案達(dá)到總運(yùn)費(fèi)最小，該問題可歸納為圖1的數(shù)學(xué)模型[2-4]。

圖1 物料多對(duì)多運(yùn)輸示意圖Fig.1 Material of many-to-many transport sketch

1.4 模型的求解工具

本文研究的渠系工程施工期場內(nèi)交通運(yùn)輸問題的實(shí)質(zhì)是種特殊的線性規(guī)劃問題，因?yàn)榇祟悊栴}的數(shù)值和規(guī)模比較大、變量較多、約束條件表達(dá)式比較復(fù)雜時(shí)，不宜用手工計(jì)算來求解，編程計(jì)算工作量大、程序長而繁瑣，易出錯(cuò)，需要花費(fèi)很多時(shí)間和精力，還不具備通用性。Lingo是一個(gè)求解各種規(guī)劃問題的專業(yè)軟件，功能強(qiáng)大，為求解優(yōu)化模型提供了計(jì)算平臺(tái)。

Lingo軟件內(nèi)部有以下4個(gè)基本的求解程序用于求解不同類型的優(yōu)化模型[5]，見圖2。

(1)直接求解程序；

(2)分支定界管理程序；

(3)線性優(yōu)化求解程序；

(4)非線性優(yōu)化求解程序。

圖2 Lingo軟件的求解過程Fig.2 Solving process of the software

2 渠系工程施工工區(qū)方案優(yōu)選指標(biāo)與優(yōu)選模型

在工區(qū)劃分方案的優(yōu)選決策中，目前公認(rèn)的主要影響指標(biāo)有：物料運(yùn)輸費(fèi)用、施工工期、工程施工難易程度這3個(gè)指標(biāo)。

建立工區(qū)劃分的灰色關(guān)聯(lián)分析模型優(yōu)選方案的一般步驟如下[6]：

(1)根據(jù)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn)選擇合理的、貼切的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)各比較方案分別按有關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)排列，每個(gè)方案形成一比較向量。

(3)推求各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分配，推求某一關(guān)聯(lián)序中各因素的權(quán)重分配時(shí)，需保證權(quán)重分配的客觀性及一致性。

(4)將定性指標(biāo)采用白化權(quán)函數(shù)將其量化[7]。

(5)通過各方案比較按照相對(duì)最優(yōu)的原則構(gòu)造參考序列X。

(6)分別求出各比較向量與參考序列間的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度最大者為最優(yōu)方案[8]。

3 應(yīng)用于AH水庫干渠

資中縣AH水庫位于沱江中游左岸一級(jí)支流濛溪河中游，壩址位于濛溪河干流(大濛溪)的鳳凰嘴河段，渠系由干渠及3條支渠組成，干渠總長19.38 km，其中明渠29條，總長5.79 km；暗渠26條，總長1.81 km；隧洞22條，總長9.44 km；渡槽13座，總長1.84 km；倒虹吸2座，總長0.5 km。

3.1 施工工區(qū)方案優(yōu)選

AH水庫干渠全長19.4 km，本文擬定3個(gè)備選方案，這3個(gè)方案的工區(qū)都是基于一般的施工經(jīng)驗(yàn)來劃分的。方案一將干渠劃為4個(gè)工區(qū)，方案二將干渠劃為5個(gè)工區(qū)，方案三將干渠劃為6個(gè)工區(qū)，具體的樁號(hào)劃分和建筑物概況見表1～表3。

按照AH水庫渠系工程劃分的方法，確定各方案的施工工期，這里選用總工期作為工期指標(biāo)。具體各方案工期見表5。

施工難易程度指標(biāo)是一項(xiàng)綜合指標(biāo)，反映了多方面因素。本文通過請教相關(guān)專家，專家分別對(duì)各工區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出定性指標(biāo)值，確定方案一為“難”，方案二為“較難”，方案三為“一般”。為保證指標(biāo)的可比性，采用白化權(quán)函數(shù)的方法將其量化，量化結(jié)果如表4。

本文采用各物料的交通運(yùn)費(fèi)作為費(fèi)用指標(biāo)，首先對(duì)場內(nèi)物料進(jìn)行分類，分別確定各類物料運(yùn)輸適用的運(yùn)輸模型，即前文提到的場內(nèi)交通模型，運(yùn)用Lingo軟件對(duì)各種模型進(jìn)行求解，然后得出各方案各個(gè)工區(qū)各類物料運(yùn)輸?shù)淖钚】傔\(yùn)費(fèi)，后文對(duì)方案二中棄渣量進(jìn)行了計(jì)算，其他方案計(jì)算方法與方案二相同。

表1 方案一(4工區(qū)方案)特性表Tab.1 Scheme1 (4 work area) characteristics

表2 方案二(5工區(qū)方案)特性表Tab.2 Scheme2 (5 work area) characteristics

表3 方案三(6工區(qū)方案)特性表Tab.3 Scheme3 (6 work area) characteristics

表4 白化權(quán)函數(shù)量化標(biāo)準(zhǔn)及量化值Tab.4 Whiten weight function of quantitative criteria and quantitative values

綜上分析，定性指標(biāo)量化后各方案評(píng)價(jià)指標(biāo)值匯總?cè)绫?。

表5 各方案評(píng)價(jià)指標(biāo)值量化后統(tǒng)計(jì)表Tab.5 After evaluation indexes of quantitative statistics of the program

本文采用層次分析法計(jì)算各方案評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，為方便專家打分提高一致性檢驗(yàn)通過率，本文將生成的判斷矩陣的因素重要程度的判斷值做了簡化，采用三級(jí)，1級(jí)表示兩個(gè)元素具有同樣的重要的性，2級(jí)表示一個(gè)元素比另一個(gè)元素稍微重要，3級(jí)表示一個(gè)元素比另一個(gè)元素明顯重要。

共聘請6位經(jīng)驗(yàn)豐富的相關(guān)專家對(duì)兩兩因素間的重要性程度進(jìn)行打分，充分考慮了專家年齡結(jié)構(gòu)的合理性，保證了他們對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性和合理性，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，6份全部合格，求出的各因素指標(biāo)的權(quán)重值如表6。

表6 各因素指標(biāo)的權(quán)重值Tab.6 The weight of each factor index value

由上可知，3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分配向量為(0.424，0.409，0.167)。

采用灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算方法，首先按照最優(yōu)的原則構(gòu)建參考序列為(779.1，32，0.5714)，分別計(jì)算各方案評(píng)價(jià)向量與參考序列的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表7。

表7 各方案灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算成果表Tab.7 Grey correlation calculation results table of the program

根據(jù)“關(guān)聯(lián)度越大，方案則越優(yōu)”的原則，關(guān)聯(lián)度數(shù)值：方案二>方案三>方案一，確定方案二為最優(yōu)方案，即將干渠劃分為5個(gè)工區(qū)，方案二最大優(yōu)點(diǎn)就是場內(nèi)交通運(yùn)費(fèi)較低，節(jié)省了工程造價(jià)，結(jié)合專家意見考慮施工工區(qū)劃分時(shí)，側(cè)重關(guān)注各方案的運(yùn)費(fèi)及工期，因此方案二更合理，說明灰色關(guān)聯(lián)分析的優(yōu)選模型是可行的、結(jié)論可信。

3.2 場內(nèi)交通方案優(yōu)化

渠系工程施工工區(qū)劃分3個(gè)方案中，所選擇的物料運(yùn)輸種類，計(jì)算方法等都相同，下面就2#方案，即5工區(qū)方案的場內(nèi)物料運(yùn)輸?shù)木唧w計(jì)算進(jìn)行介紹。

由施工總布置可知渠系的沿線建筑物均有開挖，土石方平衡后都有棄渣，即有多個(gè)棄渣產(chǎn)生點(diǎn)，這些棄渣均運(yùn)往渠系沿線布置的各個(gè)渣場，即棄渣料運(yùn)輸為多對(duì)多運(yùn)輸。

混凝土由渠系沿線布置的各個(gè)混凝土拌和站運(yùn)往各個(gè)混凝土需求點(diǎn)，即混凝土運(yùn)輸也為多對(duì)多運(yùn)輸。水泥、木材、鋼材、施工機(jī)械等其他生產(chǎn)生活物資由縣城運(yùn)至各施工區(qū)，運(yùn)量大，屬于一對(duì)一運(yùn)輸。加工鋼件、爆破材料由工區(qū)運(yùn)往各工作面，為二次轉(zhuǎn)運(yùn)，根據(jù)各施工面的需求情況為一對(duì)一運(yùn)輸。混凝土粗細(xì)骨料由砂石料場運(yùn)往混凝土拌和站，砂石料場在沱江河段備選有3個(gè)砂石料場，混凝土粗細(xì)骨料運(yùn)輸屬于多對(duì)多運(yùn)輸。

本文以1號(hào)工區(qū)1～4號(hào)渣場為例，進(jìn)行棄渣運(yùn)輸計(jì)算。建筑物特性見表8，1～4號(hào)渣場容量見表9。

表81號(hào)工區(qū)開挖點(diǎn)-渣場運(yùn)距表

Tab.8 Excavation points of 1# work area-distance table of slag field

表9 1～4號(hào)渣場容量表Tab.9 1～4# Table of slag field capacity

因?yàn)榍到ㄖ锍示€性分布，為簡化運(yùn)距統(tǒng)計(jì)，明渠、暗渠、渡槽、隧洞(單向施工)到各渣場的運(yùn)距為建筑物的中點(diǎn)到渣場的距離；隧洞(雙向施工)運(yùn)距為兩端各1/4處到渣場的距離；倒虹吸運(yùn)距為河兩岸建筑物中點(diǎn)到各渣場的距離，這里在進(jìn)行棄渣運(yùn)輸計(jì)算時(shí)規(guī)定一個(gè)工區(qū)內(nèi)的建筑物棄渣只運(yùn)往該工區(qū)內(nèi)的渣場里，不運(yùn)往其他工區(qū)渣場內(nèi)。

1號(hào)工區(qū)棄渣總量為65 133 m3(松方)，有13個(gè)建筑物開挖點(diǎn)，4個(gè)渣場，屬于多對(duì)多運(yùn)輸，1～4號(hào)渣場總?cè)萘繛?0 366 m3，大于棄渣總量，本文把渣場設(shè)為供點(diǎn)，開挖點(diǎn)為需點(diǎn)，理解為有a個(gè)渣場，每個(gè)渣場內(nèi)所容納的棄渣運(yùn)到原b個(gè)開挖點(diǎn)，為供大于求問題，符合多對(duì)多運(yùn)輸條件。由于沒有中轉(zhuǎn)場，不考慮分時(shí)段運(yùn)輸量，相應(yīng)的棄渣運(yùn)輸數(shù)學(xué)模型可以簡化，即為上面提到的多對(duì)多運(yùn)輸模型。

這是一個(gè)線性規(guī)劃問題，即4個(gè)供點(diǎn)，13個(gè)需求點(diǎn)，供大于求的運(yùn)輸問題，用Lingo軟件編制相應(yīng)的程序進(jìn)行求解，計(jì)算界面及運(yùn)行結(jié)果部分界面如圖3、圖4所示。

由圖4可知，1號(hào)工區(qū)棄渣運(yùn)輸計(jì)算，以運(yùn)輸總運(yùn)費(fèi)最低為目標(biāo)函數(shù)，相應(yīng)的結(jié)果為0.635×108m·m3，棄渣量1 m3(松方)按1.5 t計(jì)算，運(yùn)費(fèi)單價(jià)為1元/(t·km)，其總運(yùn)費(fèi)結(jié)果為9.53萬元。計(jì)算總的迭代次數(shù)為22次，變量A(i)為供點(diǎn)i所能提供的數(shù)量，B(j)為需求點(diǎn)j所需求的數(shù)量，C(i，j)為供點(diǎn)i到需點(diǎn)j的運(yùn)距，X(i，j)為求解結(jié)果，即第i個(gè)渣場運(yùn)到第j個(gè)開挖點(diǎn)運(yùn)量。

匯總得到各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果如下：

(1)渣場。1號(hào)工區(qū)運(yùn)費(fèi)為9.53萬元；2號(hào)工區(qū)運(yùn)費(fèi)為11.67 萬元；3號(hào)工區(qū)運(yùn)費(fèi)為3.14萬元；4號(hào)工區(qū)運(yùn)費(fèi)為6.15萬元；5號(hào)工區(qū)運(yùn)費(fèi)為4.89萬元。1～5號(hào)工區(qū)棄渣最小總運(yùn)費(fèi)約35.39萬元[棄渣1 m3按1.5 t計(jì)算，運(yùn)費(fèi)單價(jià)為1元/(t·km)]。

(2)混凝土拌和站。2號(hào)混凝土拌和站拌和的混凝土量為6 669 m3，2號(hào)混凝土拌和站所供給的建筑物中梨樹隧洞為控制性工程，所需混凝土為4 471 m3，混凝土1 m3按2.55 t計(jì)算，運(yùn)費(fèi)單價(jià)為1元/(t·km)，1～5號(hào)工區(qū)混凝土最小總運(yùn)費(fèi)約8.69萬元。

(3)骨料運(yùn)輸。在混凝土粗細(xì)骨料運(yùn)輸中，同時(shí)考慮了水庫大壩工程所需的混凝土粗細(xì)骨料，粗骨料運(yùn)輸計(jì)算中，渠系工程3、7號(hào)拌和站及大壩工程27.6萬t所需的粗骨料由大中壩料場提供，其余的拌和站及大壩工程剩余粗骨料由文江料場提供，扣除大壩工程粗骨料運(yùn)輸費(fèi)用，渠系工程粗骨料總運(yùn)費(fèi)為458.62萬元；細(xì)骨料運(yùn)輸中，大壩工程所需的細(xì)骨料由文江料場提供3.2萬t，唐明渡料場提供8.1萬t；渠系工程1～18號(hào)拌和站中，唐明渡料場提供412 t至8號(hào)拌和站，其余所需的細(xì)骨料由大中壩料場提供，扣除大壩工程細(xì)骨料運(yùn)輸費(fèi)用，渠系工程粗骨料最小總運(yùn)費(fèi)為200.62萬元，渠系工程粗細(xì)骨料最小總運(yùn)費(fèi)為659.24萬元。

圖3 棄渣運(yùn)輸計(jì)算編程界面圖Fig.3 Abandon slag transport calculation programming interface

圖4 棄渣運(yùn)輸計(jì)算結(jié)果界面圖Fig.4 Abandon slag transport interface diagram calculation results

(4)器材物資運(yùn)輸。外來器材物資運(yùn)輸屬于一對(duì)一運(yùn)輸模型，資中縣至1號(hào)工區(qū)最短運(yùn)距為29.73 km，總的外來器材物資運(yùn)輸總量為8 186.05 t，運(yùn)費(fèi)單價(jià)為1元/(t·km)，總運(yùn)費(fèi)為24.34萬元；資中縣至2號(hào)工區(qū)總運(yùn)費(fèi)為15.68萬元；資中縣至3號(hào)工區(qū)總運(yùn)費(fèi)為11.14萬元；資中縣至4號(hào)工區(qū)總運(yùn)費(fèi)為11.33萬元；資中縣至5號(hào)工區(qū)總運(yùn)費(fèi)為9.3萬元，外來器材物資最小總運(yùn)費(fèi)為71.79萬元。各類物料運(yùn)輸最小總運(yùn)費(fèi)為779.1萬元。

4 結(jié) 語

渠系施工工區(qū)劃分及場內(nèi)物料運(yùn)輸方案優(yōu)選是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文結(jié)合AH水庫渠系工程的實(shí)際情況，通過建立渠系工程場內(nèi)交通運(yùn)輸模型和施工工區(qū)劃分方案優(yōu)選的灰色關(guān)聯(lián)模型，對(duì)確定此類渠系施工場內(nèi)交通運(yùn)輸和施工布置方案具有指導(dǎo)作用。

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