動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論在錦江生態(tài)帶河道治理中的應(yīng)用

摘要：城市河道的規(guī)劃與建設(shè)不僅要考慮傳統(tǒng)的防洪要求，更要考慮道路軌道規(guī)劃、地下管網(wǎng)建設(shè)以及周邊區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等綜合因素，在施工階段還要顧及城市道路交通壓力、百姓居住環(huán)境、施工環(huán)境治理等動(dòng)態(tài)因素。以錦江生態(tài)帶河道治理工程為研究對(duì)象，從工程設(shè)計(jì)角度出發(fā)，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，針對(duì)項(xiàng)目決策、設(shè)計(jì)、施工的3階段各關(guān)鍵要素進(jìn)行動(dòng)態(tài)研判和分析，并在具體實(shí)踐過(guò)程中進(jìn)行最優(yōu)解配置，在力求滿足工程實(shí)體建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量、低成本的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化滿足錦江生態(tài)帶周邊的“公園城市”建設(shè)?；趧?dòng)態(tài)規(guī)劃理論的河道治理工程全過(guò)程控制取得了較好的應(yīng)用效果，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可為其他市政工程提供借鑒。

關(guān) 鍵 詞：河道治理；市政工程；動(dòng)態(tài)規(guī)劃；錦江生態(tài)帶

中圖法分類號(hào)：TV85 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.008

0 引言

河道治理對(duì)城市建設(shè)具有重要意義，是城市基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境管理的關(guān)鍵組成部分^［1］，涉及一系列工程及管理措施，旨在恢復(fù)、提升河流的安全、環(huán)境等功能價(jià)值。然而，城市河道治理工程的實(shí)施過(guò)程復(fù)雜，不僅關(guān)注工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，還涵蓋社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和行政等多個(gè)維度。目前，城市河道治理主要采用碎片化的管理模式，項(xiàng)目各階段與相關(guān)部門(mén)的聯(lián)動(dòng)不足^［2-3］。為了解決這些問(wèn)題，必須對(duì)河道治理工程開(kāi)展全過(guò)程控制，包括項(xiàng)目決策、設(shè)計(jì)、施工3個(gè)階段，有效控制成本、質(zhì)量等關(guān)鍵內(nèi)容。本文運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，對(duì)河道治理項(xiàng)目全過(guò)程控制進(jìn)行研究，確保河道建設(shè)與城市規(guī)劃建設(shè)目標(biāo)一致，給居民帶來(lái)持久的利益。

1 工程概述

成都市是成渝地區(qū)建設(shè)和發(fā)展的中心城市，總體規(guī)劃的防洪標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇，而錦江則是成都市中心城區(qū)的重要河流，同時(shí)也作為“公園城市”建設(shè)的重要串聯(lián)主線，支撐著兩岸河流的區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展和“綠水青山就是金山銀山”環(huán)境建設(shè)^［4］。

錦江發(fā)源于成都市郫縣境內(nèi)石堤堰分水樞紐府河閘，其水源來(lái)自都江堰干渠柏條河及走馬河分支徐堰河，從北至南依次流經(jīng)金牛、青羊、成華、武侯、錦江、成都高新和天府新區(qū)^［5］。錦江生態(tài)帶位于天府新區(qū)，總長(zhǎng)約10.8 km，規(guī)劃藍(lán)線寬度為200 m（圖1）。區(qū)域內(nèi)管轄有9個(gè)街道，常駐人口約94.33萬(wàn)，存有大量的地下綜合管廊等附屬設(shè)施，站華路、牧華路、天保大道、正公路等交通道路從區(qū)域內(nèi)穿行而過(guò)，同時(shí)地鐵6號(hào)線、19號(hào)線等重要地鐵干線均在錦江周邊穿越而行。因此，錦江生態(tài)帶河道的治理工作面臨眾多復(fù)雜的邊界條件。針對(duì)以上問(wèn)題，采用運(yùn)籌學(xué)動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，針對(duì)項(xiàng)目決策、設(shè)計(jì)、施工的3階段各關(guān)鍵要素進(jìn)行動(dòng)態(tài)研判和分析，并在錦江生態(tài)帶的治理過(guò)程中進(jìn)行最優(yōu)解配置，最終保證工程的高效推進(jìn)和治理效果的生態(tài)美麗。

2 河道治理工程動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論模型

動(dòng)態(tài)規(guī)劃是求解決策過(guò)程最優(yōu)化的過(guò)程，主要用于求解以時(shí)間劃分階段的動(dòng)態(tài)過(guò)程優(yōu)化問(wèn)題。動(dòng)態(tài)規(guī)劃的尋優(yōu)過(guò)程有正序、逆序兩種方式，正序適用于終止?fàn)顟B(tài)給定，逆序則適用于初始狀態(tài)給定，其求解過(guò)程均采用序貫決策方法，把一個(gè)含有n個(gè)變量的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為求解n個(gè)單變量問(wèn)題，同時(shí)必須滿足分級(jí)條件，即目標(biāo)函數(shù)可分性和狀態(tài)可分性。

工程項(xiàng)目全過(guò)程控制包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度3個(gè)目標(biāo)控制，首先將各目標(biāo)控制劃分為決策、設(shè)計(jì)、施工3個(gè)控制階段，引入階段控制變量k（k=1，2，3），相應(yīng)的各階段狀態(tài)為S_k（當(dāng)k=1，2，3時(shí)，分別是項(xiàng)目決策階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段），某階段（狀態(tài)S_k）國(guó)家政策、工程項(xiàng)目所在地社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況、自然情況、工程項(xiàng)目參與各方以及其他邊界條件等對(duì)工程項(xiàng)目全過(guò)程控制產(chǎn)生影響的各種因素稱為狀態(tài)變量，用S_ki表示第k階段的第i個(gè)狀態(tài)變量，這樣第k階段狀態(tài)集合可表示為：S_k=（S_k1，S_k2，…，S_ki，…，S_kr）；相應(yīng)的在各階段采取的過(guò)程控制措施，稱之為決策變量，用U_k（S_k）表示。當(dāng)工程項(xiàng)目處于某種狀態(tài)時(shí)，在做出相應(yīng)的決策后，從而進(jìn)入下一狀態(tài)，這一過(guò)程可用狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程S_k+1=T_k（S_k，U_k）表示。各階段指標(biāo)函數(shù)用V_j（S_j，U_j）表示，j=1，2，3時(shí)分別對(duì)應(yīng)項(xiàng)目決策過(guò)程控制效果、設(shè)計(jì)過(guò)程控制效果、施工過(guò)程控制效果，全過(guò)程指標(biāo)函數(shù)用V_1，3（S₁，U₁，S₂，U₂，…，S₄）表示。從k階段的狀態(tài)S_k開(kāi)始到終止?fàn)顟B(tài)的最優(yōu)指標(biāo)函數(shù)用f_k（S_k）表示^［6］。

河道治理工程動(dòng)態(tài)規(guī)劃的函數(shù)方程表示為

maxV_1，3（S₁，U₁，S₂，U₂，…，S₄，U₄）=∑V_k（S_k，U_k）

S_（k+1）=T_k（S_k，U_k），f₄（S₄）=0

河道治理工程動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型示意見(jiàn)圖2，通過(guò)逆序解法求解。項(xiàng)目決策、設(shè)計(jì)、施工3個(gè)階段是河道治理工程轉(zhuǎn)流的關(guān)鍵線路，這是由河道治理工程的建設(shè)流程決定的。河道治理工程全過(guò)程控制最大的特征是衡量全過(guò)程優(yōu)劣的主要指標(biāo)函數(shù)包括了質(zhì)量、成本、進(jìn)度3個(gè)目標(biāo)，既有量化指標(biāo)又有抽象概念。

3 河道治理工程動(dòng)態(tài)規(guī)劃分析

3.1 多階段的動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解分析

河道治理工程目標(biāo)的總體優(yōu)化通過(guò)項(xiàng)目決策階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段3個(gè)階段的指標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，采取逆序解法，從項(xiàng)目施工完成后的質(zhì)量、成本、進(jìn)度控制成果出發(fā)，依次往施工階段、設(shè)計(jì)階段、決策階段逆推，要求施工質(zhì)量、成本、進(jìn)度最優(yōu)，進(jìn)而要求設(shè)計(jì)階段、決策階段的質(zhì)量、成本、進(jìn)度最優(yōu)^［7］。各階段控制的最優(yōu)化具體表述見(jiàn)表1。

基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論的河道治理工程全過(guò)程控制，就是要使得各階段控制變量作用下?tīng)顟B(tài)變量對(duì)各階段指標(biāo)函數(shù)的負(fù)面影響作用最小，從而構(gòu)建全過(guò)程最優(yōu)指標(biāo)函數(shù)f₁（S₁）=max∑V^*_j（S_j，U_j），V^*_j為最優(yōu)解，達(dá)到全過(guò)程控制的目的，實(shí)現(xiàn)河道治理工程全過(guò)程控制目標(biāo)的總體優(yōu)化以及與外部因素的協(xié)調(diào)。

3.2 多階段的狀態(tài)轉(zhuǎn)移及分析

河道治理工程包括項(xiàng)目決策階段、項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段、項(xiàng)目施工階段3個(gè)狀態(tài)，多階段的狀態(tài)轉(zhuǎn)移是指由項(xiàng)目決策階段逐步向設(shè)計(jì)階段、施工階段過(guò)渡的演變過(guò)程，一直伴隨著各階段的決策進(jìn)行。例如在項(xiàng)目決策階段時(shí)，河道治理工程的參與各方，包括政府部門(mén)、建設(shè)業(yè)主、咨詢單位等在政策、資源、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件下開(kāi)展項(xiàng)目策劃、項(xiàng)目建設(shè)書(shū)、可行性研究報(bào)告等編制和審查工作，最終決定該工程是否立項(xiàng)，一旦立項(xiàng)，即可轉(zhuǎn)移進(jìn)入項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段。還有在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，初步設(shè)計(jì)文件、施工圖設(shè)計(jì)文件編制和審批后，即可轉(zhuǎn)移進(jìn)入項(xiàng)目施工階段?？梢钥吹剑殡S著各階段決策的進(jìn)行，工程項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程也逐步從初始階段向后轉(zhuǎn)移。狀態(tài)S_k+1隨著狀態(tài)S_k和U_k的變化而變化，這種關(guān)系可用狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程S_k+1=T_k（S_k，U_k）表示^［9］。河道治理工程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程如圖3所示。

圖3 河道治理工程建設(shè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意

從狀態(tài)轉(zhuǎn)移的分析來(lái)看，河道治理工程的建設(shè)過(guò)程就是參與各方的工作與環(huán)境條件、材料設(shè)備、技術(shù)方法等有機(jī)組合的過(guò)程。同時(shí)，由于指標(biāo)函數(shù)是狀態(tài)S_k和決策變量U_k的函數(shù)，而工程項(xiàng)目全過(guò)程控制質(zhì)量由狀態(tài)變量S_k決定，因此針對(duì)狀態(tài)中的各變量進(jìn)行特征分析，是全過(guò)程控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其狀態(tài)變量集合如表2所列。

將錦江生態(tài)帶河道治理工程建設(shè)全過(guò)程劃分為3個(gè)狀態(tài)、12個(gè)子狀態(tài)，并給出相應(yīng)的狀態(tài)變量，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行狀態(tài)變量的特征分析。運(yùn)用層次分析法將其劃分為建設(shè)各方、材料設(shè)備、技術(shù)方法、環(huán)境條件4大類，從其特征分析看，建設(shè)各方的工作質(zhì)量和技術(shù)方法具有較大可變性，自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境的有些變量具有不可預(yù)測(cè)性，對(duì)其進(jìn)行控制難度較大，材料設(shè)備的質(zhì)量及其對(duì)工程項(xiàng)目全過(guò)程控制的影響具有較強(qiáng)的可控制性。其狀態(tài)變量層次劃分如表3所列。

通過(guò)對(duì)狀態(tài)變量開(kāi)展層次分析，可以確定決策變量U_k與狀態(tài)變量S_k密切相關(guān)。以決策階段的允許決策集合與該階段狀態(tài)變量分析為例，決策變量主要涉及政府部門(mén)、建設(shè)業(yè)主、設(shè)計(jì)咨詢單位，進(jìn)一步分析，決策變量實(shí)際上是參與各方的具體表現(xiàn)。因此項(xiàng)目決策階段的全過(guò)程控制主要是如何采取有效措施提高參建各方的工作質(zhì)量，從而保證對(duì)設(shè)計(jì)文件質(zhì)量、材料設(shè)備質(zhì)量、施工組織安排等進(jìn)行有效控制，有效地改進(jìn)技術(shù)方案，并對(duì)環(huán)境條件可能造成的不利情況進(jìn)行預(yù)防。

3.3 項(xiàng)目建議書(shū)階段全過(guò)程控制分析

以項(xiàng)目決策階段的子狀態(tài)項(xiàng)目建議書(shū)為例進(jìn)行控制分析，按照本文提出的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，首先確定最優(yōu)指標(biāo)函數(shù)，即錦江生態(tài)帶河道治理工程建設(shè)必要性、實(shí)施條件成熟程度等。根據(jù)最優(yōu)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，建設(shè)必要性主要是符合城市發(fā)展規(guī)劃、防洪專項(xiàng)規(guī)劃，河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)200 a一遇，項(xiàng)目實(shí)施后極大改善城市防洪排澇能力，有顯著的社會(huì)效益；實(shí)施條件成熟主要是周邊用地保證到位，架空線可進(jìn)行遷改下地等。

本子狀態(tài)下?tīng)顟B(tài)變量主要有政府部門(mén)、建設(shè)業(yè)主、設(shè)計(jì)咨詢單位等，決策變量就是上述各方的行為表現(xiàn)。首先，建設(shè)業(yè)主的全過(guò)程控制主要體現(xiàn)在指導(dǎo)設(shè)計(jì)咨詢單位編制項(xiàng)目建議書(shū)過(guò)程中，充分分析城市發(fā)展規(guī)劃、城市防洪規(guī)劃確保項(xiàng)目建設(shè)必要性，同時(shí)梳理工程項(xiàng)目建設(shè)存在的障礙條件，積極與政府部門(mén)、街道辦事處等溝通，協(xié)調(diào)用地保障，聯(lián)系相關(guān)地下管線、架空線產(chǎn)權(quán)單位調(diào)取資料，支撐項(xiàng)目方案并開(kāi)展遷改研究工作等。建設(shè)業(yè)主在項(xiàng)目建議書(shū)階段積極開(kāi)展以上工作，才能確保該狀態(tài)變量在該階段的決策與最優(yōu)指標(biāo)函數(shù)一致。其次，政府部門(mén)進(jìn)行項(xiàng)目建議書(shū)的審批正是為了有效防止財(cái)政資金流失，避免不良項(xiàng)目的有效控制程序。其中水務(wù)部門(mén)主要對(duì)工程項(xiàng)目防洪排澇功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行審查，規(guī)自部門(mén)對(duì)工程項(xiàng)目合規(guī)性及土地條件進(jìn)行審查。國(guó)家發(fā)改委結(jié)合前述部門(mén)的前期評(píng)審意見(jiàn)對(duì)項(xiàng)目建議書(shū)進(jìn)行專項(xiàng)審批后，本工程即可流轉(zhuǎn)至可行性研究子狀態(tài)。政府部門(mén)在項(xiàng)目建議書(shū)階段對(duì)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模、投資、社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響等進(jìn)行審查，保證了工程項(xiàng)目全過(guò)程控制的階段最優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論的河道治理工程全過(guò)程控制，是運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃基本思想進(jìn)行建設(shè)項(xiàng)目全過(guò)程控制的一種方法，與其他多階段決策問(wèn)題相比具有一般動(dòng)態(tài)規(guī)劃的基本特征，在解法上又區(qū)別于其他動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題。通過(guò)各階段指標(biāo)函數(shù)的確定，可以找出影響指標(biāo)函數(shù)的關(guān)鍵因素，即相關(guān)狀態(tài)，通過(guò)狀態(tài)的特征分析而采用相應(yīng)的決策。雖然可將全過(guò)程最優(yōu)指標(biāo)函數(shù)定義為各階段最優(yōu)指標(biāo)函數(shù)的綜合體現(xiàn)，但對(duì)建設(shè)項(xiàng)目全過(guò)程控制起決定性作用的應(yīng)該是各階段狀態(tài)的決策質(zhì)量，從動(dòng)態(tài)規(guī)劃的逆序解法很容易證明這一點(diǎn)。本文的全過(guò)程控制在錦江生態(tài)帶河道治理工程中得到了應(yīng)用，并取得較好的效果。

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（編輯：謝玲嫻）