何 威，李 偉

(燕山大學(xué) a.建筑工程與力學(xué)學(xué)院；b.河北省土木工程綠色建造與智能運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

能源問題長(zhǎng)期以來是人類關(guān)注的熱點(diǎn)[1]，能耗控制也是人類持續(xù)努力的重要方向[2]，建筑業(yè)能耗是全球總能耗的重要組成部分，在中國(guó)這一比例已經(jīng)高達(dá)40%[3]，建筑業(yè)能耗分為材料制造能耗、施工能耗和運(yùn)行能耗[4]，其中建筑施工能耗約占建筑物全生命周期總能耗的23%，在低能耗建筑中該比例甚至高達(dá)40%～60%[5]，施工能耗的研究已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)專家學(xué)者工作的著重點(diǎn)，施工能耗量也成為項(xiàng)目竣工驗(yàn)收的重要指標(biāo)之一，現(xiàn)階段建筑企業(yè)通過計(jì)算各類能耗定額[6]進(jìn)行粗淺的能耗統(tǒng)計(jì)，并沒有一套貫穿施工期的能耗實(shí)時(shí)權(quán)衡分析方法。施工能耗的控制分析不僅可以提高施工項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，還可以降低資源浪費(fèi)實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益，通過對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)挖掘，利用智能算法實(shí)現(xiàn)施工能耗分析的可視化，并以此構(gòu)建施工能耗數(shù)據(jù)庫[7,8]，對(duì)擬建工程進(jìn)行能耗預(yù)算，因此施工期能耗的精準(zhǔn)分析和有效控制[9～11]對(duì)推動(dòng)建筑行業(yè)的能耗管理具有重要意義。

針對(duì)施工能耗各國(guó)專家學(xué)者多年來做了大量的研究工作，相關(guān)研究成果給予建筑行業(yè)豐富的理論基礎(chǔ)，主要工作集中在三個(gè)方面：(1)施工能耗定額分析研究：在住宅建筑施工初始能耗定量計(jì)算[12]中，分析了各階段能耗的比例和能耗定額計(jì)算值，針對(duì)碳排放做出了計(jì)量分析[13]等工作；(2)節(jié)能施工技術(shù)：通過對(duì)建筑技術(shù)的統(tǒng)計(jì)分析[14]，在施工能耗控制上利用NB-IoT等技術(shù)給建筑行業(yè)帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益[15]，并且促進(jìn)施工節(jié)能技術(shù)的發(fā)展；(3)建筑能耗監(jiān)測(cè)：根據(jù)多年來對(duì)中國(guó)建筑能耗現(xiàn)狀特征[16]的探析，發(fā)現(xiàn)合同能源管理模式下的公共建筑能耗監(jiān)測(cè)存在風(fēng)險(xiǎn)[17]，利用BIM(Building Information Modeling)協(xié)同優(yōu)化方案對(duì)建筑能耗進(jìn)行了系統(tǒng)性分析[18]等相關(guān)研究，隨后有關(guān)學(xué)者對(duì)施工能耗進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化[19]，得到了適用的調(diào)度方案。但是現(xiàn)存工作中忽略了施工期隨機(jī)事件和施工方式對(duì)施工能耗的影響分析，目前隨機(jī)性的研究很廣泛[20～22]，在施工和管理中尤為突出，并且隨機(jī)性事件的影響概率分布很難被統(tǒng)計(jì)出來，已有工作都是在理想化約束條件下完成的，因此在考慮施工期隨機(jī)性事件和施工方法的前提下，對(duì)施工能耗進(jìn)行權(quán)衡分析是一項(xiàng)有研究意義的工作。

本文根據(jù)前人研究和現(xiàn)存問題，利用處理動(dòng)態(tài)隊(duì)列控制的Lyapunov drift-plus-penalty技術(shù)[23～25]應(yīng)用于施工期能耗的權(quán)衡分析，該技術(shù)本身的突出優(yōu)勢(shì)在于考慮隨機(jī)性事件過程中不需要知道其概率分布[26]，以此處理施工期隨機(jī)性事件下的施工能耗權(quán)衡問題具有良好的結(jié)合性。通過構(gòu)建施工隊(duì)列和虛擬隊(duì)列[27]，引入二次Lyapunov函數(shù)，進(jìn)行函數(shù)漂移后把目標(biāo)函數(shù)引入懲罰邊界[28]，實(shí)現(xiàn)算法的漂移加懲罰。以實(shí)際工程項(xiàng)目為實(shí)驗(yàn)背景，分析施工期能耗的動(dòng)態(tài)關(guān)系[29]，可以實(shí)現(xiàn)施工能耗數(shù)據(jù)可視化、多影響因素權(quán)衡分析和精準(zhǔn)施工能耗管理的目的。

1 問題表達(dá)與建模

1.1 問題描述

在基于Lyapunov動(dòng)態(tài)隊(duì)列控制技術(shù)的施工期能耗權(quán)衡模型設(shè)計(jì)過程中，目的是解決土木工程施工期內(nèi)的能耗權(quán)衡和控制問題，使施工期內(nèi)工程管理的特性細(xì)節(jié)化。將研究問題劃分為三個(gè)階段進(jìn)行處理，第一個(gè)階段是建立動(dòng)態(tài)施工隊(duì)列，首先要根據(jù)施工期工序的先后狀態(tài)將其進(jìn)行編排，構(gòu)造施工隊(duì)列函數(shù)Qi(t+1)，然后將進(jìn)度劃分為由單位時(shí)間槽t(工日)組成的時(shí)標(biāo)軸(T—正常工期；T′—應(yīng)急工期)；第二階段是利用Lyapunov動(dòng)態(tài)隊(duì)列控制技術(shù)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，構(gòu)建虛擬施工隊(duì)列，考慮到施工中隨機(jī)性事件對(duì)能耗的影響，使用drift-plus-penalty算法，突出懲罰參數(shù)V的控制影響；第三個(gè)階段是將Lyapunov動(dòng)態(tài)隊(duì)列控制技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程案例，構(gòu)建時(shí)變工期和能耗函數(shù)T(t)，E(t)，調(diào)查勘測(cè)出各階段實(shí)際能耗數(shù)額，以懲罰參數(shù)V來控制多余浪費(fèi)的能耗工序，經(jīng)過權(quán)衡后進(jìn)行詳細(xì)分析，文中所用函數(shù)的表達(dá)含義如表1所示。

表1 主要符號(hào)注釋

記C=(N,L)表示以N0(開工)作為施工隊(duì)列的起點(diǎn)，經(jīng)過施工隊(duì)列通道的數(shù)量為L(zhǎng)(l1,l2,…,ln)，以Ne(竣工驗(yàn)收)作為施工隊(duì)列的終點(diǎn)，建立以N1(土方工程)、N2(基礎(chǔ)工程)、N3(主體工程)、N4(裝飾裝修工程)為工程信息節(jié)點(diǎn)的施工隊(duì)列單向傳輸模型；同時(shí)，記工期為T，能耗為E，將各子工序在單位時(shí)間槽內(nèi)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息表達(dá)出來，其中，用Li+1(L1,L2,…,L5)表示各施工節(jié)點(diǎn)前后順序的傳輸路徑，i+j×10t來表示t時(shí)內(nèi)的施工隊(duì)列數(shù)據(jù)狀況，i∈[1,10]，i=10表示施工隊(duì)列結(jié)束，i為工序數(shù)，j為對(duì)應(yīng)i的施工技術(shù)，將施工過程數(shù)據(jù)化，設(shè)Umin為各階段施工的最低完成質(zhì)量，當(dāng)i工序完成并且Ui(t)>Umin時(shí)，i+1工序的開工條件滿足要求，當(dāng)i工序完成但是Ui(t)

圖1 施工隊(duì)列模型示意

(1)每項(xiàng)活動(dòng)的不同工序自由選擇，以便編排施工隊(duì)列；

(2)施工順序是單向的；

(3)由于實(shí)際施工過程中具有隨機(jī)性和不可預(yù)估性，故單位時(shí)間內(nèi)的施工狀態(tài)和能耗均不同，并且具有隨機(jī)性，根據(jù)算法本身的特性，不需要預(yù)先知道施工期內(nèi)隨機(jī)性事件的概率分布；

(4)在本文中做如下規(guī)定：將0

(5)本文的能耗統(tǒng)計(jì)是基于同一個(gè)工程進(jìn)行的。

1.2 構(gòu)建施工隊(duì)列

(1)將工期變量進(jìn)行統(tǒng)籌安排，以每工日為單位建立時(shí)間槽t，構(gòu)建施工進(jìn)度平行計(jì)劃：T，T′。

(2)將施工期的過程項(xiàng)目在單位t內(nèi)進(jìn)行編排，t是正整數(shù)，由于整體工期受合同的規(guī)定時(shí)間限制，因此，其范圍如下：

tmax>t∈[1,2,…,n]

(1)

(3)劃分施工節(jié)點(diǎn)：N0，N1，N2，N3，N4，Ne。

Ni∈(N0,Ne)

(2)

(4)施工指示判決標(biāo)量：an(t)∈[0,1],n∈N。其中，an(t)=1表示該工序完成進(jìn)入下一個(gè)工序施工；an(t)=0表示該工序未開始。根據(jù)施工進(jìn)行程度將an(t)劃分為0,0.1,0.2,…,1的11個(gè)狀態(tài)與上文提到的階段完成質(zhì)量U的情況共同表示某個(gè)施工階段的實(shí)時(shí)信息，an(t)=[a1(t),a2(t),…，aN(t)]表示在t內(nèi)的施工指示判決標(biāo)量，并且定義傳輸矢量：

μ(t)=(μn(t))|n∈N

(3)

式中：μn(t)為進(jìn)入到下一施工階段的數(shù)量，使得0<μ(t)<μmax。根據(jù)以上信息和問題表達(dá)，構(gòu)建施工隊(duì)列，將施工組織設(shè)計(jì)的流水施工方案規(guī)定的施工工序n放入單位臺(tái)班t內(nèi)，排成可以根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行隨機(jī)資源分配的施工隊(duì)列，并且施工隊(duì)列的實(shí)時(shí)更新如下：

Qi(t+1)=max[Qi(t)-μn(t)bi(t),0]+

an(t)μn(t)，Qi(0)=0，0<μ(t)<μmax，

0≤bi(t),U>Umin

(4)

式(4)右端包括兩個(gè)部分，分別表示考慮到了bm(t)的影響和未完成工序傳輸量。

根據(jù)an(t)指示，工序銜接數(shù)量的實(shí)時(shí)狀態(tài)。bm(t)=(b1(t),b2(t),…,bn(t))為第m類別隨機(jī)性事件的n級(jí)影響程度下所需要決策的實(shí)時(shí)工序變量。將施工中的隨機(jī)性數(shù)據(jù)化，對(duì)抽象的施工期隨機(jī)性事件進(jìn)行處理，產(chǎn)出隨機(jī)的數(shù)組來模擬實(shí)際情況。

1.3 工期模型

本文將工期函數(shù)劃分為三個(gè)部分尋解：施工過程工期Ti、流水間歇工期Tz和驗(yàn)收時(shí)間Ts。根據(jù)實(shí)際施工情況進(jìn)行如下分析。

施工過程中，在預(yù)估時(shí)間及成本條件下，Ti太小會(huì)涉及質(zhì)量問題，Ti過大，則會(huì)涉及到趕工期的問題，意味著長(zhǎng)時(shí)間占用人員、機(jī)械，因此會(huì)導(dǎo)致能耗和成本的增加，故工期要在Tg下找到一個(gè)平衡值，來規(guī)范工期的長(zhǎng)短。因此，存在一個(gè)最小的施工過程時(shí)間，記作ti,min，因此規(guī)定ti,min

(1)施工項(xiàng)目過程工期Ti(各個(gè)施工段的工期)，由于該部分工期不是主動(dòng)的能變值，因此在這方面做簡(jiǎn)單的累加：

(5)

(2)流水間歇工期Tz：

Tz=nti

(6)

為了方便計(jì)算，按施工經(jīng)驗(yàn)，取ti=2 d。

(3)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際竣工情況來確定的驗(yàn)收時(shí)間Ts。

綜上，得到工期的權(quán)值函數(shù)T(t)：

(7)

式(7)右端包括三個(gè)部分，分別表示：施工順利銜接所用的工期、施工中所耽誤的工期、驗(yàn)收時(shí)間。

1.4 能耗模型

本文考慮施工過程總能耗Ep，在計(jì)算上會(huì)減少大量不可估計(jì)的數(shù)值。為方便計(jì)算，利用施工工序能耗估算法及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。能耗統(tǒng)計(jì)主要受到四個(gè)方面的影響：自然條件、機(jī)械效能、技術(shù)因素和管理水平。注意，在統(tǒng)計(jì)機(jī)械效能過程中，氣溫與海拔會(huì)對(duì)機(jī)械產(chǎn)生較大的影響，在本文的計(jì)算中均取中國(guó)內(nèi)地施工標(biāo)準(zhǔn)值。因此，本文將施工能耗劃分為以下三個(gè)方面，并且做了相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)。

(1)施工過程能耗E1

(8)

式中：Ni,j為第i項(xiàng)活動(dòng)的第j道工序；P為一臺(tái)機(jī)械的耗油率(比油耗)，P=Tn/9550；I為一臺(tái)設(shè)備電能消耗率，I=8NK1K2K3/K4，電能利用系數(shù)K1∈(0.6,0.8)，時(shí)間利用系數(shù)K2∈(0.6,0.75)，損耗系數(shù)K3=1.05，電機(jī)在滿負(fù)荷時(shí)，有效利用系數(shù)K4=K1[30]；t為設(shè)備工作時(shí)間，按統(tǒng)一規(guī)定，一個(gè)臺(tái)班為8 h；βEi,j為第i項(xiàng)活動(dòng)的第j個(gè)工序的特殊能耗，考慮到其影響的比重，β∈[0,1]為權(quán)衡系數(shù)。

表2是在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察后計(jì)算整合起來的分部工程能耗統(tǒng)計(jì)表，并且以此作為后續(xù)仿真參考。

表2 施工各分部工程能耗統(tǒng)計(jì)

(2)施工生活區(qū)能耗E2

生活及辦公區(qū)的能耗均取定額量，為了確保精確性，以實(shí)際統(tǒng)計(jì)值為準(zhǔn)，單位統(tǒng)一為熱量單位J。由于部分能耗不易被統(tǒng)計(jì)出來，用理論計(jì)算值能耗作為參考，表3為施工過程中的主要輔助能耗統(tǒng)計(jì)。

表3 施工過程中輔助能耗統(tǒng)計(jì)

(3)施工后期廢棄物處理能耗E3

本部分能耗以往在竣工前后產(chǎn)生，為了方便審查驗(yàn)收，施工單位會(huì)組織機(jī)械處理施工后的場(chǎng)地，但是在實(shí)際工作中這部分能耗時(shí)常被企業(yè)忽視，本文查詢了施工現(xiàn)場(chǎng)中常用垃圾貨物清理車的物理標(biāo)量及能耗定額，表達(dá)式如下：

(9)

式中：et為運(yùn)走單位質(zhì)量，單位時(shí)間、單位距離的能耗；mi為垃圾的質(zhì)量；l為安排清理廢棄垃圾時(shí)所運(yùn)輸?shù)木嚯x，是根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)管理安排的，一般取固定值。

綜上，得到施工期能耗的權(quán)值函數(shù)E(t)：

(10)

式(10)右端包括三個(gè)部分，分別表示：施工順利銜接的能耗、施工中耽誤工期的能耗、廢物處理的能耗。用施工指示判決標(biāo)量an(t)來權(quán)衡各部分的問題。

2 算法設(shè)計(jì)及求解

2.1 算法設(shè)計(jì)

(1)利用前文所構(gòu)建的施工隊(duì)列函數(shù)與工期內(nèi)能耗函數(shù)進(jìn)行處理得到目標(biāo)函數(shù)。

(2)引入Lyapunov優(yōu)化算法：1)構(gòu)建虛擬施工隊(duì)列依次進(jìn)行調(diào)度；2)將施工隊(duì)列函數(shù)導(dǎo)入二次Lyapunov函數(shù)；3)將2)進(jìn)行漂移處理，帶入懲罰項(xiàng)及懲罰參數(shù)V，得到目標(biāo)函數(shù)的Lyapunov drift-plus-penalty表達(dá)式。

(3)經(jīng)算法運(yùn)行后，分析懲罰參數(shù)V和施工期隨機(jī)性事件參數(shù)bi(t)對(duì)施工期能耗的權(quán)重影響與措施。

模型設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 模型設(shè)計(jì)流程

2.2 相關(guān)理論與求解過程

2.2.1 虛擬施工隊(duì)列

假設(shè)虛擬施工隊(duì)列的積壓隨時(shí)間t的關(guān)系滿足下式：

Qi(t+1)=max[Qi(t)-μ(t)bi(t)+

δQi(t),0]

(11)

式中：Qi(0)=0；δQi(t)是根據(jù)Qi(t)實(shí)時(shí)狀態(tài)可調(diào)的參數(shù)，當(dāng)Qi(t)>0時(shí)，δQi(t)取值影響隨機(jī)情況下的延誤工期和優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，本文Qi(t)>0是根據(jù)隨迭代次數(shù)的增多而變化的，可以用來計(jì)算在t內(nèi)的Lyapunov漂移邊界：

Qi(t+1)2=max(Qi(t)-μn(t)bi(t)+δQi(t)>0)2

≤(Qi(t)-μn(t)bi(t)+δQi(t)>0，0)2

(12)

2.2.2 施工排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的Lyapunov漂移

在離散的單位時(shí)隙t內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)，在施工期，有N個(gè)工序，定義工序的虛擬隊(duì)列積壓量為Qi(t)={Q1(t),Q2(t),…,Qn(t)},對(duì)于每個(gè)時(shí)隙t內(nèi)的所有隊(duì)列大小平方和后取1/2，由此，定義二次Lyapunov函數(shù)：

(13)

用式(13)函數(shù)來表示排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的隊(duì)列積壓狀態(tài)，是一個(gè)標(biāo)量。

定義Lyapunov漂移為兩個(gè)相鄰時(shí)隙內(nèi)的二次Lyapunov變化量：

ΔL(t)=L(t+1)-L(t)

(14)

據(jù)施工隊(duì)列及虛擬的施工隊(duì)列的實(shí)時(shí)更新可得：

ΔL(t)=L(t+1)-L(t)

(15)

ΔL(t)=L(t+1)-L(t)

(16)

式中：

因?yàn)樵跁r(shí)隙t+1內(nèi)完成的工序和將要開始的工序數(shù)量積壓是有界的，因此一定存在一個(gè)大于0的常數(shù)B使得施工隊(duì)列和虛擬隊(duì)列的向量θ(t)∈{θ1(t),θ2(t),…,θn(t)}，在時(shí)隙t滿足E[B(t)|θ(t)]≤B，對(duì)ΔL(t)可以得到有界的Lyapunov漂移的條件期望：

E[ΔL(t)|θ(t)]≤B+

(17)

使其滿足，對(duì)實(shí)數(shù)ε>0，滿足

E[μn(t)bi(t)-δQi(t)>0|θ(t)]≤-ε

(18)

2.2.3 施工排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的Lyapunov漂移加懲罰

(1)Lyapunov漂移加懲罰理論

將Vp(t)引入漂移項(xiàng)當(dāng)中，使懲罰的函數(shù)p(t)接近最優(yōu)，得到相應(yīng)的平均隊(duì)列大小。因此，這里定義施工隊(duì)列的控制狀態(tài)的最小化如下面的漂移加懲罰表達(dá)式：

ΔL(t)+Vp(t)

(19)

式中：V為非負(fù)權(quán)衡值；p(t)為在時(shí)間平均狀態(tài)下的懲罰函數(shù)，假設(shè)p(t)是由其他R個(gè)yi(t)時(shí)間平均函數(shù)的集合約束，可以選擇不同的權(quán)值V，使得懲罰函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，該方法用于施工模型中，不需要知道施工工序某時(shí)刻的完成量和是否處于正在驗(yàn)收狀態(tài)的概率分布，分析式子，當(dāng)V=0時(shí)，漂移加懲罰方法則轉(zhuǎn)化成最小Lyapunov漂移算法。當(dāng)V>0時(shí)，表示在算法控制中增加了權(quán)重參數(shù)，權(quán)重隊(duì)列的增減和最小化目標(biāo)函數(shù)之間的平滑，V值越大，說明隊(duì)列等待數(shù)量越多，穩(wěn)定性會(huì)有所降低，目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重越大。

(2)漂移加懲罰的表達(dá)式

由于保障隊(duì)列的穩(wěn)定，定義Lyapunov函數(shù)L(t)，對(duì)等式的兩邊取平方的形式，得到隊(duì)列的邊界：

Qi(t+1)2≤(Qi(t)+yi(t))2

=Qi(t)2+2Qi(t)yi(t)

(20)

(21)

將ΔL(t)代入式(21)，得到：

(22)

(23)

再將Vp(t)加入到不等式兩邊，在每個(gè)時(shí)間槽t內(nèi)，觀察當(dāng)前隊(duì)列狀態(tài)采取懲罰措施以控制最小化的drift-plus-penalty界限，得到漂移加懲罰表達(dá)式：

Θ(t)=ΔL(t)+Vp(t)

(24)

2.2.4 施工期E(t)的權(quán)衡管理

由于實(shí)際施工項(xiàng)目的工期、能耗單位和計(jì)算方法的要求存在差異，故要采取權(quán)重的處理方式，將多目標(biāo)量進(jìn)行無量綱化處理：

(25)

(26)

S(t)=log(αST(t)+(1-α)SE(t))

(27)

為了直觀地將數(shù)據(jù)表達(dá)及方便計(jì)算式(28)，定義log(x)為凸函數(shù)，α為權(quán)重系數(shù)，并且0<α<1。由于能耗和工期各自的權(quán)重函數(shù)里已經(jīng)考慮了控制變量對(duì)各自的影響，因此為了方便計(jì)算，工期和能耗的權(quán)衡目標(biāo)函數(shù)不做重復(fù)參數(shù)的迭代，只需做目標(biāo)函數(shù)中參數(shù)的權(quán)衡。

綜上所述，算法設(shè)計(jì)如下：

漂移加懲罰算法的主要思想為在滿足一定平均時(shí)間的約束下最小化懲罰函數(shù)，首先在時(shí)隙t內(nèi)選擇懲罰函數(shù)所包含的事件向量和控制決策函數(shù)，在施工隊(duì)列模型中，由于施工模型不同于通信網(wǎng)絡(luò)所存在的隊(duì)列穩(wěn)定、時(shí)變收斂和數(shù)據(jù)參數(shù)廣泛等問題，使得運(yùn)算具有簡(jiǎn)單性，由施工期能耗和工期所聯(lián)合控制的施工函數(shù)S(t)為目標(biāo)函數(shù)，最終將目標(biāo)函數(shù)尋找一個(gè)控制策略來最小化如下問題：

Θ(t)=ΔL(t)+VS(t)

≤B(t)+VP(T(t),E(t))+

(28)

(29)

Θ(t)=ΔL(t)+VS(t)

VP(ST(t),SE(t))+

(30)

yi(t)=Yi(ST(t),SE(t))

(31)

p(t)=P(ST(t),SE(t))

(32)

(33)

約束條件為U>Umin。

上式y(tǒng)i(t)是在平均t內(nèi)的影響函數(shù)的集合，是非負(fù)的。根據(jù)施工模型可知，yi(t)，S(t)都是有界的，其中E(x)表示對(duì)x求數(shù)學(xué)期望，U>Umin時(shí)，保證施工質(zhì)量。

3 仿真與分析

3.1 仿真設(shè)計(jì)

現(xiàn)有河北省秦皇島市某小區(qū)工程，住宅部分為剪力墻結(jié)構(gòu)，地下車庫為框架結(jié)構(gòu)，具體工程概況如下，根據(jù)算法設(shè)計(jì)部分的目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)參數(shù)仿真設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 仿真設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)建筑面積：175445.63 m2(地上建筑面積約144820 m2，地下建筑面積約30625.63 m2)。

(2)目標(biāo)工作：由六棟地上建筑(38#，39#，40#，41#，42#，43#六棟樓，30～32層加地下室3層)和一層地下人防車庫組成。

(3)工期要求：2017.6.15—2018.9.30(共472 d)。

(4)能耗統(tǒng)計(jì)：截止到2018年9月30日，項(xiàng)目共消耗電量41.2萬度，汽油用量3.66 t，柴油用量8.64 t，綜合能耗0.0098 t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬元，低于本年分解指標(biāo)0.0326 t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬元(可比價(jià))。表5～7為二—四季度(按300個(gè)臺(tái)班)的主體及裝修施工階段總能耗統(tǒng)計(jì)表與其他研究數(shù)據(jù)。

表5 施工現(xiàn)場(chǎng)主體施工階段能耗統(tǒng)計(jì)

(5)其他：建筑垃圾處理階段，安排清理廢棄垃圾時(shí)所運(yùn)輸?shù)木嚯xl=1210 km，使用常規(guī)的垃圾壓縮車，容積8 t；竣工驗(yàn)收時(shí)間約為10 d，包括合同簽字；bi(t)=1，3，4，5，7；V=10，20，30，40；1 MJ熱量按0.03412 kg標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算，單位取t標(biāo)準(zhǔn)煤。

表6 項(xiàng)目部所統(tǒng)計(jì)的2018年二—四季度主體施工及裝修階段相關(guān)指標(biāo)

表7 工程項(xiàng)目的工期及工序安排

3.2 懲罰參數(shù)V和bi(t)對(duì)施工模型的影響及分析

本文在設(shè)置隨機(jī)性bi(t)的取值問題解決如下：在三個(gè)影響等級(jí)中均勻取值，分別取隨機(jī)性bi(t)=1，3，4，5，7，其中m是隨機(jī)事件的類別。通過非負(fù)的懲罰參數(shù)V和隨機(jī)性影響等級(jí)參數(shù)對(duì)施工網(wǎng)絡(luò)模型的影響，仿真結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 參數(shù)V和隨機(jī)性bi(t)對(duì)施工網(wǎng)絡(luò)模型的傳輸完成數(shù)量的影響

圖4 參數(shù)V控制下對(duì)施工隊(duì)列模型單位t內(nèi)的平均能耗影響

圖5 參數(shù)V、隨機(jī)性bi(t)和施工隊(duì)列平均能耗關(guān)系

圖3通過調(diào)節(jié)參數(shù)V來控制因bi(t)影響的施工工序的數(shù)量，可見V由10到40的懲罰力度很大，在考慮隨機(jī)性事件發(fā)生條件下不耽誤施工或者將其影響降到最低。如圖3，bi(t)>3時(shí)，說明某一隨機(jī)性影響在中等及以上，會(huì)對(duì)施工有較大影響，但通過調(diào)節(jié)參數(shù)V的大小來增加對(duì)這一隨機(jī)性的懲罰，即對(duì)施工中的隨機(jī)性進(jìn)行預(yù)估處理，可以降低該事件對(duì)施工工序阻礙的影響，間接改變工期，這是符合實(shí)際要求的。

通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，利用rand(x)函數(shù)產(chǎn)出所要模擬隨機(jī)性事件的影響等級(jí)對(duì)實(shí)際施工過程的影響，觀察算法的懲罰參數(shù)V和隨機(jī)性事件影響的等級(jí)參數(shù)bi(t)對(duì)目標(biāo)的作用，分析結(jié)果如下：

根據(jù)圖3,4可知，bi(t)的值增大，說明隨機(jī)性能影響增大，嚴(yán)重會(huì)阻礙施工，會(huì)降低能耗值，但這并不是我們?cè)趯?shí)際工程中想要的結(jié)果，所以，調(diào)整懲罰參數(shù)V來降低能耗變化，但是增加了懲罰項(xiàng)的隊(duì)列堆積，會(huì)延誤施工進(jìn)度，增加工期，V在0～10之間的影響最為明顯，對(duì)施工中的隨機(jī)性進(jìn)行預(yù)估處理來應(yīng)對(duì)隨機(jī)性對(duì)施工的影響。為了突顯仿真結(jié)果，取V=10時(shí)，能耗與施工隊(duì)列的數(shù)值如表8所示。

表8 V=10時(shí)對(duì)施工網(wǎng)絡(luò)模型性能的影響

由表8可知，同一非負(fù)懲罰參數(shù)V條件下，對(duì)隨機(jī)性影響的完成施工量和隨機(jī)性影響的平均能耗的權(quán)重影響是由bi(t)來決定的，如圖6所示。bi(t)>7時(shí)，無明顯影響，因?yàn)榇藭r(shí)隨機(jī)性偶遇事件對(duì)施工的影響很大，需要采取對(duì)應(yīng)方案處理。V代表著采取的處理措施及力度。

圖6 V=10時(shí)不同bi(t)下的施工隊(duì)列和平均能耗關(guān)系

當(dāng)bi(t)對(duì)施工期的影響程度逐漸增加時(shí)，可以看到平均能耗隨之增長(zhǎng)，為了懲罰多余的能耗浪費(fèi)，此時(shí)懲罰參數(shù)V亦隨之增加，目的是針對(duì)過多的能耗量實(shí)現(xiàn)對(duì)bi(t)的懲罰，減小目標(biāo)函數(shù)中SE(t)的值。當(dāng)V在同一個(gè)值的狀況下，表示懲罰效益不變，隨著施工隊(duì)列的進(jìn)行，bi(t)取小值，而施工隊(duì)列已經(jīng)進(jìn)行到一定程度，能耗值不可能為負(fù)數(shù)，說明三者之間必然存在一個(gè)權(quán)衡范圍，因此在上述V=10的研究過程中，bi(t)和Qi(t)的值符合仿真設(shè)計(jì)得到的結(jié)果。

施工期隨機(jī)事件對(duì)能耗的影響，主要研究的是極端天氣對(duì)施工進(jìn)度和能耗的影響，可以結(jié)合人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)科的互融性和專業(yè)交叉的應(yīng)用，通過引入大數(shù)據(jù)的思想采集50年內(nèi)的某地區(qū)施工日志、環(huán)境數(shù)據(jù)和地區(qū)法規(guī)來約束bi(t)的函數(shù)關(guān)系，提高算法精度和速度。將施工期隨機(jī)性做精準(zhǔn)的函數(shù)表達(dá)與定義是下一步要解決的重要工作。

由于虛擬隊(duì)列的構(gòu)建、相關(guān)參數(shù)的選取和數(shù)量級(jí)范圍與施工模型存在差異，因此本文在算法設(shè)計(jì)上進(jìn)行了修改，選取合適的參數(shù)和符合實(shí)際施工的約束條件，避免數(shù)據(jù)處理的計(jì)算錯(cuò)誤；然而，這個(gè)模型也有一些局限性，在算法仿真中很難克服隨機(jī)性中級(jí)數(shù)范圍的取值問題，因?yàn)樵撍惴ǖ淖陨黼S機(jī)包容量很大，搜索結(jié)果可能存在不穩(wěn)定性，針對(duì)這個(gè)問題，作者正在努力尋求改進(jìn)的方法。

4 結(jié) 論

本文利用Lyapunov動(dòng)態(tài)隊(duì)列控制技術(shù)建立施工隊(duì)列模型對(duì)施工能耗進(jìn)行權(quán)衡與分析，得出以下結(jié)論：

(1)通過對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的查閱與施工現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)了目前建筑企業(yè)的施工能耗管理存在重視程度不足和分析片面等問題，因此建立了施工隊(duì)列模型，對(duì)施工能耗進(jìn)行系統(tǒng)的權(quán)衡分析。

(2)利用Lyapunov控制動(dòng)態(tài)隊(duì)列技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和土木工程施工的特點(diǎn)，將兩者巧妙結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化施工，本文模型的明顯優(yōu)越之處是不需要知道施工隨機(jī)事件的概率分布信息。

(3)通過實(shí)證分析，驗(yàn)證了該模型的適用性和可行性，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)影響參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，特別是懲罰參數(shù)V的影響，體現(xiàn)了該模型的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)建筑企業(yè)施工能耗的分析和控制具有一定的指導(dǎo)意義。