仿真在场平工程土石方调配管理与效率提升中的应用——以宜都化工园场平工程为例

□ 俞颖皓 李 嘉 周 颖

随着城市化进程的加速，基础设施建设对土石方调配技术的要求日益提高。然而，传统的土石方调配管理方式相对粗放，作业顺序计划不精确，工程技术信息化优势未得到充分发挥。为了提升工程效率、降低成本并推动现场精细化管理，笔者以宜都化工园二期2 号地块场平工程为案例，聚焦于基础设施建设项目中土石方调配的优化问题，通过多智能方法综合优化，在土石方调度构建的土石方调配数学模型上，采用表上作业法进行配送路径优化，基于Arena仿真平台进行土石方调配作业的仿真应用，从而有效提升现场的土石方调配环节实施有序化管理水平。

一、现行土石方调配实践与优化需求

基础设施建设在国民经济中扮演着举足轻重的角色，而土石方工程作为基础设施建设的关键环节，其调配问题直接影响工程进度、成本、资源利用效率等。现有的土石方最优调配研究主要集中在水电工程项目领域，而在道路工程方面的研究较为有限。此外，许多研究仍然依循了水电工程项目的实践方法，因此在道路与建筑工程中的适用性受到了限制。借助可视化技术，以详尽的方式呈现土石方施工情况，从而为实施土石方调配的动态管理提供基础，以确保其平衡性和科学性。土石方调配在土石坝或堆石坝的施工中具有关键意义，其合理性直接影响到工程成本的降低和工程顺利进行，因此具备重要的经济和技术价值。

二、场平工程土石方调配面临的挑战

场平工程土石方调配管理是现代基础设施建设中一个至关重要的环节，面临着一系列复杂且严峻的问题与挑战。

1.粗放的管理方式

传统土石方调配管理方式往往过于粗放，基于经验和主观判断缺乏科学性和系统性，这导致了施工进度和资源利用效率难以保证。管理者常常依赖人工计算和经验来安排土方运输，可能增加不必要的土石方运输成本，从而降低项目的经济效益。

2.土石方平衡问题

场平工程中土方的开挖和填筑必须保持平衡，以防止资源浪费和环境破坏。然而，传统管理方法很难有效地解决土石方平衡问题。如果在不考虑施工进度、地质条件和其他因素的情况下，土方的开挖和填筑就很容易失衡，导致资源浪费和工程延期。

3.缺乏信息化支持

土石方调配管理过程中的信息化程度通常较低，这意味着管理者很难实时获取关于土石方运输、施工进度和资源分配的准确数据。缺乏信息化支持使得管理者难以做出及时的决策，也妨碍了管理的精细化和科学化。

4.土石方调配的动态管理

土石方调配是一个动态过程，需要不断调整和优化。传统管理方法往往缺乏有效的机制来实现土石方调配的动态管理。在工程施工过程中，地质条件、气候变化、施工进度等因素都可能发生变化，需要随时对土石方调配方案进行调整。如果没有及时的信息和工具支持，管理者将难以应对这些变化，可能导致工程的不稳定性及增加额外成本。

5.土石方调配的可视化管理

土石方调配需要以一种可视化的方式进行管理，以便管理者能够清晰地了解土石方的开挖和填筑情况。这种可视化管理不仅有助于保持土石方的平衡，还可以及时发现和解决问题。然而，传统方法往往缺乏有效的工具和技术来实现土石方调配的可视化管理，使得管理过程缺乏透明度。

为了应对这些挑战，现代场平工程管理需要采用更科学、更精确和信息化的方法。这包括制定详细的管理方案，建立科学的土石方调配模型，采用信息化工具来支持管理决策，实现土石方调配的可视化管理。

三、仿真技术在土石方调配管理中的应用

在实际土石方调配作业中，如车辆行驶时间、实际行驶距离、土石方挖掘及装卸时间都受到不确定性的影响，车辆工作过程还需要考虑加油、维修等相关操作。为了更精确地理解系统行为规律，验证数学模型的有效性，并为制定新的优化方案提供可靠指导，可以选择搭建基于仿真平台的土石方作业系统模型。仿真分析的目的是在考虑不同复杂因素和不确定性的情况下，对土石方调配作业系统进行整体分析，以进一步完善以往的单纯数学建模分析结果，并在可能的条件下进行一定程度的动画模拟。这有助于为交通行业管理工作提供实用、可操作性强的指导借鉴，以推动效率提升和成本降低。仿真技术在土石方调配管理中的应用原理和方法具体有土石方调配路径规划、资源分配优化、施工进度模拟、风险评估以及可视化监管等方面的应用。

1.土石方调配路径规划

仿真技术用于土石方调配路径规划的优化。通过建立土石方运输的仿真模型，结合地质数据、道路条件等因素，模拟不同的土石方调配方案，并评估其效率和成本。仿真可以帮助确定最佳的土石方调配路径，以减少运输距离、降低成本，并确保土方的平衡。

2.资源分配优化

仿真技术可以优化资源的分配，包括人力、设备和时间。通过模拟不同资源配置方案找到最佳的资源分配策略，以满足工程进度要求，最大程度地提高资源利用率。这有助于减少浪费和成本，并提高工程的效率。

3.施工进度模拟

仿真技术用于模拟施工进度，预测工程完成时间，并识别潜在的延误因素。通过考虑各种不确定性因素，如天气、资源供应等，建立准确的施工进度模型，帮助管理者制定合理的工程计划和应对策略。

4.风险评估

仿真技术用于风险评估。通过模拟不同风险情景下的土石方调配过程，确定潜在的风险和影响，并制定相应的风险管理策略。这有助于降低工程风险，确保工程按计划进行。

5.可视化监管

仿真技术用于可视化监管。通过将土石方调配过程以可视化的方式呈现，管理者可以实时监测土石方的开挖和填筑情况，及时发现问题并采取措施。这提高了管理的透明度和决策的准确性。

总之，仿真技术为土石方调配管理提供了强大的工具，可以帮助解决传统方法所面临的问题。通过仿真，管理者可以更加科学、精确地规划土石方调配过程，优化资源分配，模拟施工进度，评估风险，实现可视化监管，从而提高工程的效率、质量和可控性。

四、宜都化工园场平工程案例分析

宜都化工园二期2 号地块基础设施建设项目场平工程，通过多智能方法的应用，探索土石方调配优化的新路径，形成了场平工程土石方调度管理优化流程及方法。综合方格网法对土方计算的结果、表上作业法对运输路径的分配，在土石方调配数学模型基础上借助Arena仿真技术进行方案验证和效果分析可以使得土石方调配作业可视化增强、作业管理清晰，同时作业前仿真可以对工程成本进一步预估。

1.填挖区域作业仿真呈现

宜都化工园场平工程一号区域全部挖区和填区如图1 所示。将模块按照既定的区域划分、资源部署及参数设定后，构建整个区域的仿真模型，根据一号场地作业区现场，其仿真模型运行时候的实时呈现示意图如图2 所示。

图1 一号场地土石方调配示意图

图2 一号作业区仿真运行实时呈现示意图

为保证搭建的仿真模型能够反映现实，以确保后期模型优化方案具有可信度，设计和搭建的模型需要校核与验证。

（1）在模型搭建完成后，将模型的概念模型与模型搭建的逻辑进行比对，整个流程与设计无误，输入参数也无误。

（2）运行模型，其动画表现、实时指标表现如预期基本一致。

（3）由于模型运行时间较长，选用一区模型运行作为验证实例。选取自卸车的运行距离作为对比依据，将计算模型与仿真运行结果进行对比。每个挖方和填方有既定的运输土石方数量，自卸车有既定的容量和运输距离。通过计算1 号场地的全部运量，得到1 号场地的全部运距理论上为50668。将相关参数输入仿真模型，运行模型后得到全部运距输出为50674.03，误差极小。说明在指定输入后，仿真模型可以很好响应理论计算结果，模型可靠性得到验证。

2.土石方作业关键参数敏感性仿真分析

在现实中，一些问题在数学建模中难以处理，但可能对作业效率和成本会造成影响：①绕行系数。在估算运距时，数学模型采取的是区块重心之间的直线距离，但现实中受地形影响，土石方运输道路并非直线，而是会存在一定的绕行曲线；②自卸车前往加油车的距离。构建数学模型中，由于建模复杂没有考虑自卸车自身加油行为。现实中自卸车本身因油箱容量限制，在油料不足时会去指定的加油处加油，从而影响作业效率。此外，还有土石方装卸效率、燃油消耗水平、自卸车容量等都可能是对作业效率和成本造成的影响因素。采用数学建模方式会较为复杂，可运用构建的仿真模型将数学建模难以处理的不确定性问题和复杂因素进行快速求解分析，以便从系统层面发现系统关键要素，从而为方案优化提供思路。

（1）绕行系数。车辆在不同区域之间的土石方运输作业的距离是一个变化量，非直线距离，可将实际运输距离与区块重心（数学建模中的定义）之间的比值定义为绕行系数。绕行系数越大，现实中则表现为两个区块之间的道路弯曲绕行距离越长。随着绕行系数增加，自卸车总行驶距离、燃油中消耗和作业总时长均增长。二者基本是等比例增长，作业总时长因受加油、装载排队等多因素影响，增长会出现波动，但当绕行系数到一定阈值后会出现快速上升。

（2）装卸时长。挖掘机给自卸车装载过程将直接影响到整个作业的效率和成本。装卸时长对中作业时长的影响出现波动，这主要是由于挖掘机与自卸车在每个区域是按比例投放的，相对而言挖掘机的数量较少。若自卸车抵达挖掘机的时间间隔过短，则会排队等候装载，从而造成作业时间变长。因此，装卸时长对作业总时间的影响受自卸车每次往返的运输抵达频率影响。如果频率控制得恰当，每次自卸车返回时候不需要排队就可以完成装载。但是，由于一个区域的作业线路较多，且挖掘机和自卸车会在不同线路之间进行调配，因此其自卸车抵达频率相对难以控制，从而出现因排队造成的波动情况。但整体上看，装卸时间增加，会造成整体作业时间的增加，进而导致挖掘机的油料消耗上升。

（3）加油行驶距离。自卸车前往加油的往返过程中不进行实际土石方作业，属于空驶距离。如果加油距离远，其绕行系数可能会增加，对整体燃油消耗可能会造成很大影响。加油距离对行驶距离和燃油消耗的影响较大，对作业时长也会产生影响，因此实际作业时，应该在保障安全的前提下尽量前往自卸车作业最近的现场完成加油。

（4）自卸车容量。自卸车有不同型号，其主要差别为装载的土石方量不同。采用大容量自卸车可以显著提高作业效率，降低运输成本。

（5）自卸车运输速度。自卸车在作业场地内一般以不超过5 公里/小时运输土方，如果做好道路规划和平整，进行合理的安全控制，可以采取提高运输速度的方式来提高整体作业效率。特别是在平整作业后期，场地大部分区域平整后，可以提高实际车速。如果在保障安全的前提下提高自卸车运输速度，可以显著提高作业效率，从而降低整体成本。

五、结语

宜都化工园二期2 号地块基础设施建设项目中，仿真分析的成功应用实现了场平工程土石方调配管理的优化。多智能方法的综合运用为土石方调配问题的解决提供了新的思路和途径。通过定量数据的支持，案例验证了优化方案在成本和资源利用方面的显著改进，具体体现在优化的调配方案可显著降低运输成本，提高资源的利用效率，为工程施工过程提供了经济保障。这些成果不仅在技术上具有创新意义，更为工程项目的高效实施和可持续发展提供了有力支持。未来，通过科学的数学模型和仿真分析，项目管理者可以更好地预测和应对土石方调配过程中的挑战，从而提高项目的顺利进行。相信类似的智能方法和优化思路将在更多的工程项目中得以应用，推动工程建设朝着更加智能化、高效化和可持续化的方向发展。