沈翊鋒 江西省路港檢測中心有限公司

疏浚作業(yè)方案一般都是經(jīng)過充分論證和設計，但這并不意味依據(jù)原設計施工就會必然保證水上作業(yè)的一切順利和工程安全，由于水上作業(yè)的動態(tài)性、影響因素的復雜性、突發(fā)情況的緊迫性和安全威脅性幾乎時刻存在，基于此，航道疏浚工程的優(yōu)化組織，一直為水工作業(yè)科研和管理所重視。案例工程在航道疏浚作業(yè)組織中，應用疏浚船優(yōu)化施工組織仿真分析技術，通過仿真模擬分析，驗證了原作業(yè)方案可行性，同時進一步給出了優(yōu)化實施方案，從而為疏浚工程目標的順利實現(xiàn)進一步提供了技術保證。

1.疏浚船優(yōu)化施工組織仿真分析技術述要

1.1 模型計算引入的參數(shù)項

（1）作業(yè)船資源，形成參數(shù)集I={1,2,...,I}，其中i為第i 艘作業(yè)船；（2）疏浚段，形成參數(shù)集J={1,2,...,J}，其中j為第j個施工段；（3）避讓區(qū)，形成參數(shù)集K={1,2,...,K}，其中k為第k個避讓劃分區(qū)；（4）工期時點集合，形成參數(shù)集T={1,2,...，T}，其中t為第t個時點；（5）作業(yè)船溢流用時，形成參數(shù)集Y={0,1,2,,Y}，其中y為第y個溢流裝載時長；（6）避讓規(guī)則，形成參數(shù)集Z={1,2,3,…,Z},z為作業(yè)船施工過程中所采取的第z條避讓規(guī)則；（7）工段須完成的作業(yè)量，m3；（8）T周后的作業(yè)量，m3；（9）疏浚前航道水深，m；（10）疏浚前航道寬度，m；（11）作業(yè)船實時吃水，m；（12）作業(yè)船滿載吃水，m；（13）作業(yè)船每周施工費用定額，元；（14）作業(yè)船航帶寬度，m；（15）作業(yè)船與航道岸壁的間距，m；（16）錯船間距，m；如此等等，模型計算引入的參數(shù)項總計達30項之多。

1.2 決策變量

本分析模型的決策變量選擇如下：

（1）作業(yè)船作業(yè)計劃。該變量決定了各作業(yè)船施工的地點和時間，影響著作業(yè)船的選擇與分配，同時，也影響其它變量。比如由于不同作業(yè)船吃水不同，不同作業(yè)船避讓過航船只時選擇的避讓位置也會有所不同，若施工段航道邊的避讓區(qū)水深（kH）滿足作業(yè)船吃水，則作業(yè)船可在航道邊就近避讓；否則作業(yè)船需在指定避讓區(qū)進行避讓。

（2）作業(yè)船溢流用時。該變量決定了作業(yè)船溢流裝卸時間。比如無溢流裝卸法會比溢流裝卸法的溢流用時更富余。挖泥時間較長，會增大作業(yè)船與其它船只的影響幾率與時長，不同的溢流裝卸用時，作業(yè)船的生產(chǎn)效率必然不同。在模擬計算中，作業(yè)船溢流時長一般從作業(yè)船（Y）溢流用時集合中選取。

（3）作業(yè)船與其它船只的避讓規(guī)則。該變量關系作業(yè)船與其它船只的避讓規(guī)劃、時機與時點選擇。模型計算中，需避讓的船只類型存在n種，表達為DWTcargo={DWT1，DWT2，…，DWTn},表達式中的cargo={1,2,…,n}，分別代表集裝箱船、散雜液體貨船、雜貨船、滾裝船等；DWTn=[DWTmin,DWTmax]，其中DWTmax與DWTmin表示須避讓的船只的最大噸級和最小噸級。

1.3 仿真計算

疏浚船優(yōu)化施工組織仿真計算系統(tǒng)主要包括如下3個功能板塊：

（1）主智能體。負責輸入仿真原初方案化參數(shù)，通航規(guī)則，形成目標區(qū)通航仿真環(huán)境與邊界；創(chuàng)設其它智能體并激活，如作業(yè)船智能體和過航船只智能體；仿真計算結束后，輸出計算結果。

（2）作業(yè)船智能體。包括所有作業(yè)船，形成作業(yè)船的施工動態(tài)流轉圖，同時通過信息傳送，與其它智能體交互，實現(xiàn)作業(yè)流程模擬。

（3）過航船只智能體。負責管理過航船只屬性、出進港航線等信息處理，從保證保證過航船只和作業(yè)船只安全的角度，參與作業(yè)過程模擬計算，形成過航船只和作業(yè)船只進出港流程，并通過信息傳送，與其它智能體交互，分析確定作業(yè)區(qū)船只流轉移條件，實現(xiàn)兩類船只進出港過程的模擬。

2.案例簡介

某航道原設計底標高-18.0m，寬度230m，滿足3萬噸級以下船只雙向航行，擴建疏浚后，航道底標高-22.0m，通航寬度280m。工程面對的土質，主要由密實的中粗砂和堅硬的粘土構成。疏浚作業(yè)總量370.8萬m3左右，施工段作業(yè)量分別為：

2.1 航道ab段

作業(yè)量130.5萬m3左右。

2.2 航道bc段

作業(yè)量92.4萬m3左右。

2.3 航道cd段

作業(yè)量82.9萬m3左右。

2.4 航道de段

作業(yè)量65.0萬m3左右。

耙吸船4艘，采用溢流裝卸法。以周為單元劃分工期，共計17周。

3.疏浚船優(yōu)化施工組織仿真技術分析

3.1 作業(yè)船施工對過航船只通航的影響分析

分析結果見表1所示，數(shù)據(jù)顯示航道疏浚期間，年度進港船只7480艘，港區(qū)年度過航船只的服務水平和施工期過航船只的服務水平評價值均保持在0.31，僅疏浚期的船只進出港等待時間存在0.05h的增加，顯示原方案下疏浚施工對港區(qū)年度吞吐量的幾乎沒有影響，對港區(qū)過航船只的通航存在部分影響。

表1 過航船只仿真結果

3.2 作業(yè)船施工組織方案優(yōu)化

3.2.1 優(yōu)化方案分析

①場景1，優(yōu)化4艘耙吸船?？紤]A耙吸船的挖泥溢流耗時較長，導致其工期避讓次數(shù)和耗時較大，和模擬計算中發(fā)現(xiàn)B、C、D耙吸船的作業(yè)天數(shù)比初始設計方案要少，故探討制定新的作業(yè)計劃，重新組織分配4艘耙吸船，對作業(yè)船施工組織進行優(yōu)化。

②場景2，多加添一艘小型耙吸船資源后優(yōu)化。現(xiàn)有作業(yè)船資源下，多加添一艘小型E耙吸船，也在第3周進場，其屬性與C耙吸船一致。不改動A耙吸溢流用時，在5艘作業(yè)船可使用的條件下，重新分配耙吸船，在保證港區(qū)正常運營和工期要求的前提下，對作業(yè)船施工組織進行優(yōu)化。

3.2.2 優(yōu)化分析結果

①基于場景1的分析結果。應用作業(yè)船施工組織仿真優(yōu)化模型，獲得場景1下的作業(yè)船施工優(yōu)化組織方案，即在作業(yè)船必須避讓過航船只的規(guī)則下，A耙吸船采取無溢流裝卸方法。

經(jīng)模擬計算，初始疏浚方案的作業(yè)成本為7685.4萬元，優(yōu)化后的成本被降低到7412.0萬元，節(jié)省了273.4萬元。

由表2可知，相比原方案，優(yōu)化方案下A 耙吸船工期每個工作日平均避讓由3.3次降低到2.2次，并且每周期避讓耗時均值由0.93h降低到0.31h；其它耙吸船每個工作日平均避讓過航船只仍保持在1.5次，周期避讓耗時小于0.23h，基本同于原方案。優(yōu)化方案下A耙吸船的生產(chǎn)效率提高明顯，A耙吸船作業(yè)用時降低。

表2 作業(yè)船仿真結果（場景1）

溢流用時對優(yōu)化方案的影響：表3給出采取不同溢流用時的部分方案，方案1～5需要C耙吸船在1施工段作業(yè)1周才能完成本段作業(yè)任務，這是因為A耙吸船均在1施工段作業(yè)4周，表3顯示，溢流用時越多，在相同時間內A耙吸船所完成的作業(yè)量越小。方案5與優(yōu)化方案相比，A耙吸船在4周內作業(yè)量多完成6.7萬m3。

表3 不同溢流用時的A耙吸船可行方案分析結果

表3 顯示，隨著溢流用時的降低，A耙吸船生產(chǎn)效率得到提升，作業(yè)總成本也對應降低。A耙吸船每周期平均避讓耗時和避讓次數(shù)顯示，隨著溢流用時的降低，A耙吸船每工作日的避讓次數(shù)由3.3次降低至2.2次；A 耙吸船的周期平均避讓耗時也由0.91h降低到0.31h。

②基于場景2的分析結果。同理應用施工組織仿真分析模型，得到基于場景2的優(yōu)化施工組織方案，即在A 耙吸船溢流用時不變和作業(yè)船避讓過航船只的規(guī)則下作業(yè)計劃。

分析顯示，原方案的作業(yè)成本7685.40萬元，而優(yōu)化方案的作業(yè)成本7439.10萬元，降低了246.30萬元。作業(yè)船施工對過航船只的影響和通航對作業(yè)船施工的影響分析顯示，場景2的作業(yè)方案的改善效果如下：

一是，通航對作業(yè)船的施工影響分析顯示，4艘耙吸船優(yōu)化方案下的作業(yè)總用時間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耙吸船生產(chǎn)效率為367m3/h，該船在1施工段作業(yè)用時較長。E 耙吸船每個工作日避讓過航船只平均1.4次，每周期避讓耗時平均為0.22h，其受過航船只的影響遠小于A耙吸船。

二是，作業(yè)船施工對過航船只通航的影響分析顯示，疏浚工期，港區(qū)年度過航船只進港為7480艘次，說明場景2方案下，疏浚施工對港區(qū)年度的吞吐量也沒有造成影響，且港區(qū)年度過航船只的服務水平仍能夠保持在0.31，工期過航船只進出港待時增加0.16h，工期過航船只進出港服務水平的評價值略微降低，是因為相比于A耙吸船，E耙吸船在1施工段的挖泥次數(shù)較多，則E耙吸船上下線的航道占用時間較長。

3.3 避讓規(guī)則施工影響

原作業(yè)方案下避讓規(guī)則的施工影響如表4所示。

表4 過航船與作業(yè)船之間的避讓規(guī)則

表5 過航船只仿真結果對比

原方案避讓規(guī)則中，A耙吸船工期不能跟5萬噸及以上級別的過航船只交匯，該情況下，A耙吸船必須提前駛離航道，以避讓這些船只。在優(yōu)化方案中，A 耙吸船優(yōu)先級得到提高，即僅對5萬噸級以上的過航船只實施避讓，作業(yè)中相遇，過航船只須等待A耙吸船完成當前作業(yè)務。分析計算顯示，在同一工程目標下，原方案的疏浚成本在7685.4萬元，優(yōu)化方案則為7583.80萬元，降低成本101.60萬元。

3.4 作業(yè)船對過航船只的影響

作業(yè)船對過航船只的影響模擬分析結果見5所示。

數(shù)據(jù)顯示，疏浚工期的港區(qū)年度進港7468艘次，顯示新避讓規(guī)則下，疏浚施工對港區(qū)年度的吞吐量沒有造成影響，但新方案下過航船只工期整體服務水平值由0.31降為0.32，是因為工期5萬噸以下過航船只的待航時間提升了0.24h，服務水平由0.26提升至0.28。新避讓規(guī)則提高耙吸船作業(yè)效率，但也對過航船只通航有一定影響。

4.結語

開展了疏浚船優(yōu)化施工組織仿真優(yōu)化分析技術及應用研究。（1）從模型計算引入的參數(shù)項、決策變量、仿真計算三個方面，介紹了疏浚船優(yōu)化施工組織仿真分析技術要點。（2）介紹了案例疏浚工程應用該技術進行疏浚施工組織仿真分析過程和結果。案例通過仿真模擬分析，驗證了原疏浚方案對港區(qū)年度吞吐量的幾乎沒有影響，但對港區(qū)過航船只的通航存在部分影響。案例通過作業(yè)船施工組織方案優(yōu)化模擬分析，對原疏浚組織方案進行了部分優(yōu)化改進，提高了耙吸船作業(yè)效率，也進一步節(jié)約了部分疏浚作業(yè)成本。