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

近年來隨著我國水利工程建設的蓬勃發(fā)展，越來越多的水庫渠系工程進入工程建設施工階段。水庫渠系工程在施工時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，采用什么方法對工區(qū)進行劃分的文獻很少。同樣渠系工程工區(qū)內(nèi)場內(nèi)交通運輸方案的設計是聯(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)運輸，使形成的交通網(wǎng)絡能滿足整個工程施工進度和工藝流程的要求具有重要的意義，當前，國內(nèi)外對場內(nèi)交通規(guī)劃布置的研究很多，但對場內(nèi)交通運輸及道路布置的研究應進一步考慮更多的邊界條件，比如對運輸問題所涉及參數(shù)的確定，物料運輸方案如何優(yōu)化等等，建立智能化場內(nèi)物料運輸管理系統(tǒng)是當下的研究目標與方向之一。

1 場內(nèi)交通模型建立與求解工具

渠系施工期的場內(nèi)交通運輸，需要從一個或多個物料中心組織配送運輸。由于連接一個或多個物料供應點和一個或多個物料需求點存在一個交通網(wǎng)絡,必須在這張道路交通網(wǎng)絡上綜合考慮各條線路的車流量、道路狀況、物料需求點的分布狀況、物料中心的劃分、車輛額定載重量以及其他車輛運行限制等因素,確定場內(nèi)物料的最優(yōu)調(diào)運方案,達到節(jié)省運距、運輸時間和費用的目的。在從料源點將施工物料運輸至需求點的過程中,由于料源點數(shù)量和需求點數(shù)量不同，可將渠系工程場內(nèi)交通運輸優(yōu)化模型歸結(jié)為一對一、一對多和多對多運輸模型[1]。

1.1 一對一運輸模型

一對一運輸就是指某類物料只有一個供料點，需料點也只有一個，此類物料供需料點之間的運輸。在這種運輸模式中, 要求在公路網(wǎng)中找到一個點到另一個點的最短運輸路徑, 達到用最低的運費實現(xiàn)最快的運輸速度，以實現(xiàn)高效率的運輸。

1.2 一對多運輸模型

一對多運輸是指由一個供料點往多個需料點的運輸。這種運輸模型要求同一條施工道路上某種物料所有需求點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需求點,既保證按時運輸物料至需求點又節(jié)約里程,節(jié)省運輸費用。

1.3 多對多運輸模型

多對多運輸是指某類物料有多個供料點和多個需料點，多個供料點向多個物料需求點的運輸。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個工程建筑物開挖供料源,L個直接開采料場,M個中轉(zhuǎn)料場,N個工程建筑物受料區(qū)，H個渣場。在這種物料運輸模式中,又分為供需平衡模式和供需不平衡模式,要求設計合理的運輸方案達到總運費最小，該問題可歸納為圖1的數(shù)學模型[2-4]。

圖1 物料多對多運輸示意圖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)交通運輸問題的實質(zhì)是種特殊的線性規(guī)劃問題，因為此類問題的數(shù)值和規(guī)模比較大、變量較多、約束條件表達式比較復雜時，不宜用手工計算來求解，編程計算工作量大、程序長而繁瑣，易出錯，需要花費很多時間和精力，還不具備通用性。Lingo是一個求解各種規(guī)劃問題的專業(yè)軟件，功能強大，為求解優(yōu)化模型提供了計算平臺。

Lingo軟件內(nèi)部有以下4個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，目前公認的主要影響指標有：物料運輸費用、施工工期、工程施工難易程度這3個指標。

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

(1)根據(jù)評價項目的實際特點選擇合理的、貼切的評價指標。

(2)各比較方案分別按有關評價指標排列，每個方案形成一比較向量。

(3)推求各評價指標的權重分配，推求某一關聯(lián)序中各因素的權重分配時，需保證權重分配的客觀性及一致性。

(4)將定性指標采用白化權函數(shù)將其量化[7]。

(5)通過各方案比較按照相對最優(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聯(lián)度，關聯(lián)度最大者為最優(yōu)方案[8]。

3 應用于AH水庫干渠

資中縣AH水庫位于沱江中游左岸一級支流濛溪河中游，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個備選方案，這3個方案的工區(qū)都是基于一般的施工經(jīng)驗來劃分的。方案一將干渠劃為4個工區(qū)，方案二將干渠劃為5個工區(qū)，方案三將干渠劃為6個工區(qū)，具體的樁號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。具體各方案工期見表5。

施工難易程度指標是一項綜合指標，反映了多方面因素。本文通過請教相關專家，專家分別對各工區(qū)進行評價，得出定性指標值，確定方案一為“難”，方案二為“較難”，方案三為“一般”。為保證指標的可比性，采用白化權函數(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費作為費用指標，首先對場內(nèi)物料進行分類，分別確定各類物料運輸適用的運輸模型，即前文提到的場內(nèi)交通模型，運用Lingo軟件對各種模型進行求解，然后得出各方案各個工區(qū)各類物料運輸?shù)淖钚】傔\費，后文對方案二中棄渣量進行了計算，其他方案計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 白化權函數(shù)量化標準及量化值Tab.4 Whiten weight function of quantitative criteria and quantitative values

綜上分析，定性指標量化后各方案評價指標值匯總?cè)绫?。

表5 各方案評價指標值量化后統(tǒng)計表Tab.5 After evaluation indexes of quantitative statistics of the program

本文采用層次分析法計算各方案評價指標權重，為方便專家打分提高一致性檢驗通過率，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，1級表示兩個元素具有同樣的重要的性，2級表示一個元素比另一個元素稍微重要，3級表示一個元素比另一個元素明顯重要。

共聘請6位經(jīng)驗豐富的相關專家對兩兩因素間的重要性程度進行打分，充分考慮了專家年齡結(jié)構(gòu)的合理性，保證了他們對評價結(jié)果的客觀性和合理性，并進行一致性檢驗，6份全部合格，求出的各因素指標的權重值如表6。

表6 各因素指標的權重值Tab.6 The weight of each factor index value

由上可知，3個評價指標的權重分配向量為(0.424，0.409，0.167)。

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

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

根據(jù)“關聯(lián)度越大，方案則越優(yōu)”的原則，關聯(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個工區(qū)，方案二最大優(yōu)點就是場內(nèi)交通運費較低，節(jié)省了工程造價，結(jié)合專家意見考慮施工工區(qū)劃分時，側(cè)重關注各方案的運費及工期，因此方案二更合理，說明灰色關聯(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個方案中，所選擇的物料運輸種類，計算方法等都相同，下面就2#方案，即5工區(qū)方案的場內(nèi)物料運輸?shù)木唧w計算進行介紹。

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，即有多個棄渣產(chǎn)生點，這些棄渣均運往渠系沿線布置的各個渣場，即棄渣料運輸為多對多運輸。

混凝土由渠系沿線布置的各個混凝土拌和站運往各個混凝土需求點，即混凝土運輸也為多對多運輸。水泥、木材、鋼材、施工機械等其他生產(chǎn)生活物資由縣城運至各施工區(qū)，運量大，屬于一對一運輸。加工鋼件、爆破材料由工區(qū)運往各工作面，為二次轉(zhuǎn)運，根據(jù)各施工面的需求情況為一對一運輸。混凝土粗細骨料由砂石料場運往混凝土拌和站，砂石料場在沱江河段備選有3個砂石料場，混凝土粗細骨料運輸屬于多對多運輸。

本文以1號工區(qū)1～4號渣場為例，進行棄渣運輸計算。建筑物特性見表8，1～4號渣場容量見表9。

表81號工區(qū)開挖點-渣場運距表

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

表9 1～4號渣場容量表Tab.9 1～4# Table of slag field capacity

因為渠系建筑物呈線性分布，為簡化運距統(tǒng)計，明渠、暗渠、渡槽、隧洞(單向施工)到各渣場的運距為建筑物的中點到渣場的距離；隧洞(雙向施工)運距為兩端各1/4處到渣場的距離；倒虹吸運距為河兩岸建筑物中點到各渣場的距離，這里在進行棄渣運輸計算時規(guī)定一個工區(qū)內(nèi)的建筑物棄渣只運往該工區(qū)內(nèi)的渣場里，不運往其他工區(qū)渣場內(nèi)。

1號工區(qū)棄渣總量為65 133 m3(松方)，有13個建筑物開挖點，4個渣場，屬于多對多運輸，1～4號渣場總?cè)萘繛?0 366 m3，大于棄渣總量，本文把渣場設為供點，開挖點為需點，理解為有a個渣場，每個渣場內(nèi)所容納的棄渣運到原b個開挖點，為供大于求問題，符合多對多運輸條件。由于沒有中轉(zhuǎn)場，不考慮分時段運輸量，相應的棄渣運輸數(shù)學模型可以簡化，即為上面提到的多對多運輸模型。

這是一個線性規(guī)劃問題，即4個供點，13個需求點，供大于求的運輸問題，用Lingo軟件編制相應的程序進行求解，計算界面及運行結(jié)果部分界面如圖3、圖4所示。

由圖4可知，1號工區(qū)棄渣運輸計算，以運輸總運費最低為目標函數(shù)，相應的結(jié)果為0.635×108m·m3，棄渣量1 m3(松方)按1.5 t計算，運費單價為1元/(t·km)，其總運費結(jié)果為9.53萬元。計算總的迭代次數(shù)為22次，變量A(i)為供點i所能提供的數(shù)量，B(j)為需求點j所需求的數(shù)量，C(i，j)為供點i到需點j的運距，X(i，j)為求解結(jié)果，即第i個渣場運到第j個開挖點運量。

匯總得到各項計算結(jié)果如下：

(1)渣場。1號工區(qū)運費為9.53萬元；2號工區(qū)運費為11.67 萬元；3號工區(qū)運費為3.14萬元；4號工區(qū)運費為6.15萬元；5號工區(qū)運費為4.89萬元。1～5號工區(qū)棄渣最小總運費約35.39萬元[棄渣1 m3按1.5 t計算，運費單價為1元/(t·km)]。

(2)混凝土拌和站。2號混凝土拌和站拌和的混凝土量為6 669 m3，2號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計算，運費單價為1元/(t·km)，1～5號工區(qū)混凝土最小總運費約8.69萬元。

(3)骨料運輸。在混凝土粗細骨料運輸中，同時考慮了水庫大壩工程所需的混凝土粗細骨料，粗骨料運輸計算中，渠系工程3、7號拌和站及大壩工程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輸費用，渠系工程粗骨料總運費為458.62萬元；細骨料運輸中，大壩工程所需的細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號拌和站中，唐明渡料場提供412 t至8號拌和站，其余所需的細骨料由大中壩料場提供，扣除大壩工程細骨料運輸費用，渠系工程粗骨料最小總運費為200.62萬元，渠系工程粗細骨料最小總運費為659.24萬元。

圖3 棄渣運輸計算編程界面圖Fig.3 Abandon slag transport calculation programming interface

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

(4)器材物資運輸。外來器材物資運輸屬于一對一運輸模型，資中縣至1號工區(qū)最短運距為29.73 km，總的外來器材物資運輸總量為8 186.05 t，運費單價為1元/(t·km)，總運費為24.34萬元；資中縣至2號工區(qū)總運費為15.68萬元；資中縣至3號工區(qū)總運費為11.14萬元；資中縣至4號工區(qū)總運費為11.33萬元；資中縣至5號工區(qū)總運費為9.3萬元，外來器材物資最小總運費為71.79萬元。各類物料運輸最小總運費為779.1萬元。

4 結(jié) 語

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

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