应用仿真技术实现疏浚船优化施工组织探究

沈翊锋 江西省路港检测中心有限公司

疏浚作业方案一般都是经过充分论证和设计，但这并不意味依据原设计施工就会必然保证水上作业的一切顺利和工程安全，由于水上作业的动态性、影响因素的复杂性、突发情况的紧迫性和安全威胁性几乎时刻存在，基于此，航道疏浚工程的优化组织，一直为水工作业科研和管理所重视。案例工程在航道疏浚作业组织中，应用疏浚船优化施工组织仿真分析技术，通过仿真模拟分析，验证了原作业方案可行性，同时进一步给出了优化实施方案，从而为疏浚工程目标的顺利实现进一步提供了技术保证。

1.疏浚船优化施工组织仿真分析技术述要

1.1 模型计算引入的参数项

（1）作业船资源，形成参数集I={1,2,...,I}，其中i为第i 艘作业船；（2）疏浚段，形成参数集J={1,2,...,J}，其中j为第j个施工段；（3）避让区，形成参数集K={1,2,...,K}，其中k为第k个避让划分区；（4）工期时点集合，形成参数集T={1,2,...，T}，其中t为第t个时点；（5）作业船溢流用时，形成参数集Y={0,1,2,,Y}，其中y为第y个溢流装载时长；（6）避让规则，形成参数集Z={1,2,3,…,Z},z为作业船施工过程中所采取的第z条避让规则；（7）工段须完成的作业量，m3；（8）T周后的作业量，m3；（9）疏浚前航道水深，m；（10）疏浚前航道宽度，m；（11）作业船实时吃水，m；（12）作业船满载吃水，m；（13）作业船每周施工费用定额，元；（14）作业船航带宽度，m；（15）作业船与航道岸壁的间距，m；（16）错船间距，m；如此等等，模型计算引入的参数项总计达30项之多。

1.2 决策变量

本分析模型的决策变量选择如下：

（1）作业船作业计划。该变量决定了各作业船施工的地点和时间，影响着作业船的选择与分配，同时，也影响其它变量。比如由于不同作业船吃水不同，不同作业船避让过航船只时选择的避让位置也会有所不同，若施工段航道边的避让区水深（kH）满足作业船吃水，则作业船可在航道边就近避让；否则作业船需在指定避让区进行避让。

（2）作业船溢流用时。该变量决定了作业船溢流装卸时间。比如无溢流装卸法会比溢流装卸法的溢流用时更富余。挖泥时间较长，会增大作业船与其它船只的影响几率与时长，不同的溢流装卸用时，作业船的生产效率必然不同。在模拟计算中，作业船溢流时长一般从作业船（Y）溢流用时集合中选取。

（3）作业船与其它船只的避让规则。该变量关系作业船与其它船只的避让规划、时机与时点选择。模型计算中，需避让的船只类型存在n种，表达为DWTcargo={DWT1，DWT2，…，DWTn},表达式中的cargo={1,2,…,n}，分别代表集装箱船、散杂液体货船、杂货船、滚装船等；DWTn=[DWTmin,DWTmax]，其中DWTmax与DWTmin表示须避让的船只的最大吨级和最小吨级。

1.3 仿真计算

疏浚船优化施工组织仿真计算系统主要包括如下3个功能板块：

（1）主智能体。负责输入仿真原初方案化参数，通航规则，形成目标区通航仿真环境与边界；创设其它智能体并激活，如作业船智能体和过航船只智能体；仿真计算结束后，输出计算结果。

（2）作业船智能体。包括所有作业船，形成作业船的施工动态流转图，同时通过信息传送，与其它智能体交互，实现作业流程模拟。

（3）过航船只智能体。负责管理过航船只属性、出进港航线等信息处理，从保证保证过航船只和作业船只安全的角度，参与作业过程模拟计算，形成过航船只和作业船只进出港流程，并通过信息传送，与其它智能体交互，分析确定作业区船只流转移条件，实现两类船只进出港过程的模拟。

2.案例简介

某航道原设计底标高-18.0m，宽度230m，满足3万吨级以下船只双向航行，扩建疏浚后，航道底标高-22.0m，通航宽度280m。工程面对的土质，主要由密实的中粗砂和坚硬的粘土构成。疏浚作业总量370.8万m3左右，施工段作业量分别为：

2.1 航道ab段

作业量130.5万m3左右。

2.2 航道bc段

作业量92.4万m3左右。

2.3 航道cd段

作业量82.9万m3左右。

2.4 航道de段

作业量65.0万m3左右。

耙吸船4艘，采用溢流装卸法。以周为单元划分工期，共计17周。

3.疏浚船优化施工组织仿真技术分析

3.1 作业船施工对过航船只通航的影响分析

分析结果见表1所示，数据显示航道疏浚期间，年度进港船只7480艘，港区年度过航船只的服务水平和施工期过航船只的服务水平评价值均保持在0.31，仅疏浚期的船只进出港等待时间存在0.05h的增加，显示原方案下疏浚施工对港区年度吞吐量的几乎没有影响，对港区过航船只的通航存在部分影响。

表1 过航船只仿真结果

3.2 作业船施工组织方案优化

3.2.1 优化方案分析

①场景1，优化4艘耙吸船。考虑A耙吸船的挖泥溢流耗时较长，导致其工期避让次数和耗时较大，和模拟计算中发现B、C、D耙吸船的作业天数比初始设计方案要少，故探讨制定新的作业计划，重新组织分配4艘耙吸船，对作业船施工组织进行优化。

②场景2，多加添一艘小型耙吸船资源后优化。现有作业船资源下，多加添一艘小型E耙吸船，也在第3周进场，其属性与C耙吸船一致。不改动A耙吸溢流用时，在5艘作业船可使用的条件下，重新分配耙吸船，在保证港区正常运营和工期要求的前提下，对作业船施工组织进行优化。

3.2.2 优化分析结果

①基于场景1的分析结果。应用作业船施工组织仿真优化模型，获得场景1下的作业船施工优化组织方案，即在作业船必须避让过航船只的规则下，A耙吸船采取无溢流装卸方法。

经模拟计算，初始疏浚方案的作业成本为7685.4万元，优化后的成本被降低到7412.0万元，节省了273.4万元。

由表2可知，相比原方案，优化方案下A 耙吸船工期每个工作日平均避让由3.3次降低到2.2次，并且每周期避让耗时均值由0.93h降低到0.31h；其它耙吸船每个工作日平均避让过航船只仍保持在1.5次，周期避让耗时小于0.23h，基本同于原方案。优化方案下A耙吸船的生产效率提高明显，A耙吸船作业用时降低。

表2 作业船仿真结果（场景1）

溢流用时对优化方案的影响：表3给出采取不同溢流用时的部分方案，方案1～5需要C耙吸船在1施工段作业1周才能完成本段作业任务，这是因为A耙吸船均在1施工段作业4周，表3显示，溢流用时越多，在相同时间内A耙吸船所完成的作业量越小。方案5与优化方案相比，A耙吸船在4周内作业量多完成6.7万m3。

表3 不同溢流用时的A耙吸船可行方案分析结果

表3 显示，随着溢流用时的降低，A耙吸船生产效率得到提升，作业总成本也对应降低。A耙吸船每周期平均避让耗时和避让次数显示，随着溢流用时的降低，A耙吸船每工作日的避让次数由3.3次降低至2.2次；A 耙吸船的周期平均避让耗时也由0.91h降低到0.31h。

②基于场景2的分析结果。同理应用施工组织仿真分析模型，得到基于场景2的优化施工组织方案，即在A 耙吸船溢流用时不变和作业船避让过航船只的规则下作业计划。

分析显示，原方案的作业成本7685.40万元，而优化方案的作业成本7439.10万元，降低了246.30万元。作业船施工对过航船只的影响和通航对作业船施工的影响分析显示，场景2的作业方案的改善效果如下：

一是，通航对作业船的施工影响分析显示，4艘耙吸船优化方案下的作业总用时间382天，比原方案多45天，主要是由E耙吸船替代A耙吸船施工，E耙吸船生产效率为367m3/h，该船在1施工段作业用时较长。E 耙吸船每个工作日避让过航船只平均1.4次，每周期避让耗时平均为0.22h，其受过航船只的影响远小于A耙吸船。

二是，作业船施工对过航船只通航的影响分析显示，疏浚工期，港区年度过航船只进港为7480艘次，说明场景2方案下，疏浚施工对港区年度的吞吐量也没有造成影响，且港区年度过航船只的服务水平仍能够保持在0.31，工期过航船只进出港待时增加0.16h，工期过航船只进出港服务水平的评价值略微降低，是因为相比于A耙吸船，E耙吸船在1施工段的挖泥次数较多，则E耙吸船上下线的航道占用时间较长。

3.3 避让规则施工影响

原作业方案下避让规则的施工影响如表4所示。

表4 过航船与作业船之间的避让规则

表5 过航船只仿真结果对比

原方案避让规则中，A耙吸船工期不能跟5万吨及以上级别的过航船只交汇，该情况下，A耙吸船必须提前驶离航道，以避让这些船只。在优化方案中，A 耙吸船优先级得到提高，即仅对5万吨级以上的过航船只实施避让，作业中相遇，过航船只须等待A耙吸船完成当前作业务。分析计算显示，在同一工程目标下，原方案的疏浚成本在7685.4万元，优化方案则为7583.80万元，降低成本101.60万元。

3.4 作业船对过航船只的影响

作业船对过航船只的影响模拟分析结果见5所示。

数据显示，疏浚工期的港区年度进港7468艘次，显示新避让规则下，疏浚施工对港区年度的吞吐量没有造成影响，但新方案下过航船只工期整体服务水平值由0.31降为0.32，是因为工期5万吨以下过航船只的待航时间提升了0.24h，服务水平由0.26提升至0.28。新避让规则提高耙吸船作业效率，但也对过航船只通航有一定影响。

4.结语

开展了疏浚船优化施工组织仿真优化分析技术及应用研究。（1）从模型计算引入的参数项、决策变量、仿真计算三个方面，介绍了疏浚船优化施工组织仿真分析技术要点。（2）介绍了案例疏浚工程应用该技术进行疏浚施工组织仿真分析过程和结果。案例通过仿真模拟分析，验证了原疏浚方案对港区年度吞吐量的几乎没有影响，但对港区过航船只的通航存在部分影响。案例通过作业船施工组织方案优化模拟分析，对原疏浚组织方案进行了部分优化改进，提高了耙吸船作业效率，也进一步节约了部分疏浚作业成本。