多资源约束下船闸施工网络计划的仿真与优化

2020-02-10商剑平邰世文郭子坚

水运工程 2020年1期

商剑平，邰世文,郭子坚

(1.大连理工大学，辽宁大连 116024；2.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

船闸是一种通航建筑物，主要由闸首、闸室、输水系统、引航道、口门区、连接段、锚泊地、导航建筑物、靠船建筑物、闸阀门、启闭机械、电气控制设备和通讯、助导航、运行管理等附属设施等组成[1]。船闸工程具有投资大、建设周期长、涉及资源多、施工干扰大[2]等特点，船闸主体结构是施工重点控制性工程。

项目管理中，明确各工序的施工计划，均衡施工资源在项目执行过程中使用量的波动是至关重要的[3]，这样可以降低施工空间拥挤程度、平衡材料供应和需求、避免造成人力和物力浪费。实际工程中，船闸施工组织严重依赖于人脑经验，计划人员很难明确施工过程中各个施工工序所涉及的人工、设备、材料安排，只能粗略估算施工工期，无法站在全局的角度科学制定施工工序网络计划。

由于船闸工程庞大，各工序之间的配合、衔接、干扰交错复杂，很难用数学解析模型描述，而仿真能够用一个虚拟的系统描述真实系统的运行、演变及其发展过程[4]，可以更好地接近船闸工程施工运行情况，更精确地计算施工工期，并能快速、准确地对资源使用情况进行统计和分析。但仿真所得的施工网络进度计划中，非关键路线上的工序开始时间为其最早开始时间，这将会使得各个时段的资源强度需求量不均衡，甚至出现频繁、严重的高峰或低谷现象。为了使施工过程中资源能够尽量保持均衡的利用，最大限度节约施工费用，需要对初始仿真结果进行强度统计并进行“工期固定-资源均衡优化”。

因此，本文以典型船闸工程施工过程为对象，对施工网络计划仿真建模和资源均衡优化方法进行研究，以期为船闸工程施工组织计划提供新的解决途径。

1 施工网络计划仿真建模

船闸施工流程设计和施工空间的划分是施工网络计划的核心逻辑，其正确理解与科学抽象是模型建立的基础。

1.1 典型施工流程设计

典型船闸主体结构施工主要包括上、下闸首和闸室的施工以及闸阀门、启闭机械及电气控制设备等的安装。从施工过程上可以将典型船闸主体结构工程分为土石方工程、地基与基础处理、船闸主要混凝土结构施工和金属结构安装4个分部工程。

1.1.1土石方工程

土石方工程主要包括上、下闸首和闸室的土石方开挖与填筑。土石方工程工艺流程见图1。

图1 土石方开挖与填筑工艺流程

1.1.2地基与基础处理

地基与基础处理应根据施工条件与地质情况采取相应的处理方法。一般而言，上、下闸首和闸室在干施工的条件下，主要采用钻孔与灌浆的地基处理方案。地基与基础处理工艺流程见图2。

图2 钻孔与灌浆的地基处理工艺流程

1.1.3船闸主要混凝土结构施工

典型船闸上、下闸首和闸室等混凝土结构的施工一般均为现浇工艺。混凝土结构现浇工艺流程见图3。

图3混凝土结构现浇工艺流程

1.1.4金属结构安装

船闸金属结构安装项目主要包括闸阀门门页、门槽埋件、浮式系船柱、启闭机械、电气设备等。

1.2 典型施工空间划分

本文将船闸在空间布置上的施工过程抽象为平面和立面施工过程两个维度。

平面上，上、下闸首和闸室等主体结构可以进一步划分为多个结构段，各个结构段的施工顺序应根据设计要求、地质环境、施工便利性等具体情况而定；立面上，一个分段(结构段)可能根据设备、安全、可靠性等要求进一步分段分层施工，一般情况下，立面施工应遵循从下往上的施工顺序。

1.2.1结构段

一般而言，在设计图纸或施工之前，船闸工程各个组成结构分别被划分为多个结构类似的结构段，具体施工以结构段为单元组织施工。

1.2.2施工段

施工段是结构段内分层分段施工的划分概念，一个结构段可划分为m(层)×n(段)个施工段进行施工。

上、下闸首和闸室等混凝土结构的施工过程都是以一个典型的施工段为单元流水施工的。混凝土结构浇筑层划分原则如下：

1)考虑结构特点进行分层，比如廊道底高程处为便于模板固定和保证混凝土质量进行分层。

2)在结构突、折变处，为便于模板固定，须进行分层。

3)根据浇筑总高度，分层厚度尽量达到相同厚度，以减少模板数量和改动。

4)分层厚度考虑模板受力条件及组装、拆卸方便以及吊装设备的能力。

5)根据工期要求和大体积混凝土防裂要求进行适当分层。

1.3 仿真模型

根据典型船闸施工流程设计和施工空间划分，船闸工程各结构段的施工是由1.1节的4个分部施工工艺流程在空间布置上组成。其中，土石方工程、地基与基础处理工程及金属结构安装工程均可以多个分段同时施工，主体混凝土结构施工是最复杂的，可能存在多个分段并行的流水施工。

典型船闸施工系统仿真模型的建立充分利用了CPM(critical path method，关键路径法)网络计划的优点，并将工序分为仿真工序和非仿真工序两种：仿真工序的工程量以及施工设备或人工的效率易于评估；非仿真工序用来表示持续时间很难用直接的方法估计，需要凭经验确定。基于CPM网络计划，考虑所有分段和分部工程的典型船闸施工网络计划仿真模型见图4，利用该仿真模型可以计算工序开始时间、持续时长、资源利用情况、总工期和关键路线等施工计划。

图4 典型船闸施工网络计划仿真模型

2 资源均衡优化数学模型

通过仿真计算的施工网络计划需要进一步进行资源均衡优化，其原理是在仿真模型得到的施工网络进度计划基础上，利用工序的机动时差，通过调整非关键路线工序的开工时间，使资源分配动态曲线的高峰尽可能降低，达到资源均衡消耗的目的。

2.1 问题描述

“工期固定-资源均衡优化”问题描述如下：船闸工程工序集合N={1,2,…,n}，其中节点1和n是虚工序(工期均为0且不消耗资源)，分别表示项目的开始和结束。船闸施工工序网络计划可以用一个有n个节点的有向无环图表示，有向弧的关系集合用A表示，当(i，j)∈A表示工序i是工序j的紧前工序。项目中资源集合Q={1,2,…,q}，一共有q种资源，第k种资源总数为Rk，第k种资源的强度系数为λk，工序i对第k种资源的需求量为rik，仿真计算得到第i个工序的开始时间为si，工期为di，施工总工期为T，离散化为{1,2,…,m}个时间段，时间段t所有正在执行的工序集合用Nt表示。

2.2 目标函数

本模型的目标函数为最小化资源使用量的峰值F，它衡量了在整个项目周期内资源使用量的最大值，其值越小，表明资源的使用越均衡。表示如下：

(1)

2.3 约束条件

约束条件表示如下：

s1=0

(2)

sn=m

(3)

si+di≤sj[(i,j)∈A]

(4)

(5)

式中：si为第i个工序的开始时间，为决策变量；s1、sn为工序1(项目开始)、n(项目结束)的开始时间。式(2)表示项目从0时间段开始；式(3)表示项目在m时间段结束；式(4)表示工序的开始时间大于或等于其所有紧前工序的完成时间；式(5)在时间段t所有正在执行的活动对第k种资源的需求量之和约束。

3 遗传算法设计

资源均衡优化属于一个高维度、非线性、多约束的离散型最优化问题[5]，目前对于规模较大的资源均衡优化问题常用的求解算法主要是启发式算法和智能算法：比较常用的启发式算法有“削峰填谷”法[6]；常用的智能算法有遗传算法[7]、粒子群算法[8]、蚁群算法[9]等。遗传算法具有较强的全局搜索能力，应用较多，因此本文采用遗传算法求解。

3.1 编码

本文染色体基因设计为工序的开始作业时间,基因顺序即是工序顺序，要确保染色体中任一基因位置的工序的紧后工序都在该位置之后，本文采用拓扑排序法确定染色体基因排序。

种群个体初始化是从染色体序列的最后一个基因位向前执行的。令s′i为i工序的最早开始时间，Bi为工序i的紧后工序集合，则i基因位的开始时间si为：

si=s′i+random(min{sk|k∈Bi}-s′i-di)

(6)

3.2 适应值函数

适应值函数与式(1)成反比，因此适应值函数设计如下：

f=1/F

(7)

3.3 遗传操作

首先采用最流行的轮盘赌法从父代中选出一定比例的染色体，然后采用单点交叉操作和随机基因位变异操作；最后采取保优策略，从子代个体和父代个体中选择适应值较大的个体进入下一轮的遗传操作，使进化过程中的优秀个体全部保留下来。

对于交叉操作中产生的不合法染色体，本文算法设计为将不合法的基因位按照个体初始化规则重新生成。

4 工程应用

以国内某双线船闸施工项目为例。该项目为Ⅱ级船闸，闸室采用分离式闸室底板、重力式闸墙，有效尺度为280 m×34 m×22.7 m(长×宽×高)。本文重点以闸室施工为例进行分析：土石方工程从闸室中央向两端和从两端向闸室中央4个方向同时施工；闸室沿纵向分成16个结构段，第1、2段与第15、16段闸室长19 m，第3～14段闸室长均为17 m，立面上分8层，闸室混凝土结构施工采用从闸室中央开始以结构段为单元采取分层分段错开的流水施工方式。

根据仿真模型计算，工程总工期为526 d。本文以履带吊、塔吊和汽车吊3种吊车为例，说明闸室施工资源均衡优化前后对比，见图5。优化前，通过仿真计算的吊车月使用强度在施工过程中很不均匀，且强度高峰集中在施工中期，最大值为173工时/月，发生在第10个月；通过资源均衡优化模型和遗传算法优化后，吊车月使用强度最大值降为111工时/月，降低了62工时/月，为原来的64.16%。