李 明，王玉龍，劉 穎

(1.石家莊鐵道大學(xué)管理學(xué)院，石家莊 050043； 2.中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司， 大連 116033)

1 概述

在高速鐵路建設(shè)中，橋梁占線路比重較大。很多鐵路在建設(shè)時需要設(shè)置多個梁場，而且梁場建設(shè)投資額高、周期短，對鐵路建設(shè)成本和進(jìn)度影響甚大[1]。生產(chǎn)效率確定及資源配置是高鐵梁場設(shè)計中兩個關(guān)鍵的問題，在確保梁場生產(chǎn)效率的同時，優(yōu)化資源配置對于提高梁場建設(shè)乃至整個鐵路建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

根據(jù)《鐵路大型臨時工程和過度工程設(shè)計暫行規(guī)定》[2]，可采用公式N1=ηT1計算確定梁場制梁臺座的數(shù)量，其中，η為梁場每日預(yù)制箱梁數(shù)(榀/d)，T1為預(yù)制每榀箱梁占用單個制梁臺座時間(個·d/榀)。王治斌等[3]按公式n=Kt計算制梁臺座數(shù)量，其中，K為梁場生產(chǎn)效率(榀/d)，t為單臺座制梁周期(d/榀)。薛寧鴻和張文格[4]采用公式M=N/η計算制梁臺座的數(shù)量，其中，N為梁場制梁效率(榀/d)，η為單臺座制梁效率(榀/d)，并建議在規(guī)劃時預(yù)留1～2個制梁臺座。李立軍和秦宏磊[5]采用dN/D(d為單片梁預(yù)制周期，N為梁場的總產(chǎn)量，D為制梁工期)的方法對制梁臺座的數(shù)量進(jìn)行計算。不難看出，上述方法盡管表達(dá)形式不同，卻均把單臺座制梁效率(周期)作為梁場生產(chǎn)效率確定的關(guān)鍵指標(biāo)，而在單臺座制梁效率這一關(guān)鍵指標(biāo)的確定方法上，實踐中大多采用簡單的指標(biāo)化和經(jīng)驗化處理方式，并且會考慮一定的安全富余[6-7]。

不同的梁場設(shè)計者對梁場關(guān)鍵資源生產(chǎn)效率認(rèn)識不同，相應(yīng)的在資源配置數(shù)量上也會存在一定差異。表1為現(xiàn)有文獻(xiàn)中不同梁場在制梁臺座、存梁臺座、模板配置數(shù)量及其對應(yīng)的生產(chǎn)效率情況。就單臺座制梁效率這一關(guān)鍵指標(biāo)來看，文獻(xiàn)中最小為0.14榀/d[4]，最大為0.25榀/d[5]，后者是前者的1.79倍。在模板的配置上，現(xiàn)有梁場的底、側(cè)、內(nèi)、端模板數(shù)量比例也各不相同，存在1∶1∶1∶1，2∶1∶1∶1，2∶2∶1∶1和6∶6∶5∶6等多種情況。此外，存制梁臺座比在不同梁場之間也存在較大差異，最小值僅為5.33[2]，最大值則達(dá)到了12.67[11]。

表1 文獻(xiàn)中各梁場資源配置及生產(chǎn)效率情況

造成不同梁場之間單臺座制梁效率和資源配置差異的因素是多方面的。這其中，一些因素屬于正常因素，例如不同梁場之間生產(chǎn)工藝、氣溫因素等；而另一些因素則為異常的因素，例如設(shè)計者風(fēng)險偏好，典型的表現(xiàn)是風(fēng)險厭惡者會在設(shè)計時額外增設(shè)制梁臺座[17]以備不時之需。

近年來隨著科技的進(jìn)步，越來越多的新技術(shù)被應(yīng)用到梁場的規(guī)劃和設(shè)計工作中。王虎等[18]采用SLP方法并結(jié)合BIM技術(shù)對梁場的布置規(guī)劃進(jìn)行研究，提出了人員配置和機(jī)械位置的優(yōu)化方法。李艷茹等[19]提出了需求不均衡情況下考慮模具周轉(zhuǎn)時間的制梁臺座規(guī)模優(yōu)化算法，對制梁臺座的數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。此外，還有學(xué)者將智能建造技術(shù)[20-21]引入到梁場設(shè)計和生產(chǎn)管理中，提出了智慧梁場的理念。

系統(tǒng)仿真技術(shù)作為一種有效地管理工具，已經(jīng)廣泛地被用于很多生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化和管理，但目前在高鐵梁場的設(shè)計和生產(chǎn)管理領(lǐng)域使用還不夠普及。本文將系統(tǒng)仿真技術(shù)引入到高鐵梁場的設(shè)計與管理工作中，使用仿真軟件Aren(16.0)對梁場生產(chǎn)系統(tǒng)建立仿真模型，在考慮工序作業(yè)時間隨機(jī)性的情況下，就不同工作時間制度、資源配置與梁場生產(chǎn)效率的關(guān)系展開仿真實驗研究，以期能夠給梁場管理者提供更加科學(xué)和精確的量化決策指引。

2 箱梁生產(chǎn)工藝過程及相關(guān)參數(shù)

本研究采用的高鐵箱梁生產(chǎn)工藝過程如圖1所示。為方便說明，本文統(tǒng)一規(guī)定使用如下參數(shù)：

u——單臺座制梁周期，h，由工序編號為2、3、4、6、7、8、9、10、11、12、13和14(具體工序編號見圖1)的12個工序作業(yè)時間和工序間等待時間累加而成；

η——單臺座制梁效率，榀/d，即一個制梁臺座一天可生產(chǎn)梁的數(shù)量，η=24/u；

M——制梁臺座數(shù)量，個；

N——內(nèi)模數(shù)量，套；

K——梁場制梁效率，榀/d，理論上K=M·η=24M/u。

圖1 箱梁生產(chǎn)工藝流程

3 仿真模型建立

按照圖1的生產(chǎn)工藝關(guān)系建立邏輯仿真模型，在工作時間以及資源等輸入數(shù)據(jù)建模時，選取京石客專HT梁場的相關(guān)信息。按照施工組織設(shè)計，該預(yù)制梁場配置了11個制梁臺座，u為120 h，η為0.2榀/d，整個梁場設(shè)計生產(chǎn)效率為2.2榀/d。

3.1 工序作業(yè)時間

考慮作業(yè)時間的隨機(jī)性，由梁場工程師依據(jù)經(jīng)驗對每個工序時間進(jìn)行最樂觀時間、最悲觀時間和最可能時間估計，然后處理成三角分布輸入模型；養(yǎng)護(hù)時間采用均勻分布假設(shè)。表2為仿真模型中各工序作業(yè)時間輸入數(shù)據(jù)，時間單位均為h。

表2 箱梁生產(chǎn)工序作業(yè)時間分布

3.2 資源配置

根據(jù)HT梁場實際情況，本文在建立仿真模型時對關(guān)鍵資源的配置數(shù)量如表3所示。對于其他非關(guān)鍵資源，本文均假定數(shù)量充足，不會出現(xiàn)因為資源短缺造成停工。

表3 梁場主要生產(chǎn)資源配置

3.3 仿真條件

考慮現(xiàn)場作業(yè)實際，初始模型在進(jìn)行仿真條件設(shè)置時，采用了如下調(diào)度規(guī)則：1、5工序?qū)?yīng)的工作強(qiáng)度較高，對作業(yè)隊的調(diào)度采用preempt規(guī)則，執(zhí)行10 h/d工作制，從早晨7點開始，工人上下午各工作5 h，中午休息2 h；工序2、3、4、6、7、8、10、11、12、13、14等11個工序?qū)?yīng)工作強(qiáng)度較低，對作業(yè)隊的調(diào)度采用ignore規(guī)則，即作業(yè)一旦啟動，必須等到該項作業(yè)完成方可休息；工序9混凝土養(yǎng)護(hù)則根據(jù)實際采用每天24 h工作制。

根據(jù)施工組織設(shè)計，HT梁場總生產(chǎn)任務(wù)為685榀梁，其中：32 m箱梁635榀，24 m箱梁和20 m箱梁分別為48榀和2榀。由于不同梁型的預(yù)制工藝過程相同，且工序時間差異較小，本研究暫時忽略因梁型差異，統(tǒng)一按32 m梁型工藝時間考慮。在后續(xù)的箱梁制運架協(xié)同分析研究中再考慮由于梁型轉(zhuǎn)換、設(shè)備故障、架橋機(jī)橋間轉(zhuǎn)移等因素對施工工期的影響。

4 模型驗證

本文研究了2種實驗驗證仿真模型的有效性。

第一種為單片梁固定工序時間仿真驗證。實驗假設(shè)各工序作業(yè)時間為已知固定值，數(shù)值如圖2中第2列所示。按照3.3節(jié)中所設(shè)置的條件，手工確定一片梁的生產(chǎn)過程時間，如圖2所示，u為109 h。執(zhí)行仿真實驗，將各工序時間輸入到仿真模型中，生產(chǎn)數(shù)量設(shè)定為1，仿真結(jié)果顯示，u值恰好為109 h。這表明該仿真模型對工藝流程邏輯和資源時間調(diào)度定義是正確的。

圖2 單片梁生產(chǎn)時間手工模擬

兩種驗證實驗結(jié)果表明，該仿真模型能夠反映HT梁場生產(chǎn)系統(tǒng)實際，可用于對該梁場進(jìn)行進(jìn)一步的仿真實驗研究。

5 梁場生產(chǎn)仿真實驗

5.1 梁場制梁效率仿真實驗

該項仿真實驗主要研究在梁場資源配置固定的情況下，不同工作時間制度對梁場制梁效率的影響。實驗設(shè)計首先將箱梁鋼筋綁扎作業(yè)生產(chǎn)效率分別設(shè)定為2套/d和3套/d兩種情況，每種情況分別采用10、12、14、16、18 h/d和24 h/d共6種工作時間制度，合計生成12種實驗情景，每種情景進(jìn)行100次仿真實驗。

圖3 單臺座制梁周期及效率仿真結(jié)果

圖4 梁場制梁效率仿真結(jié)果

5.2 梁場關(guān)鍵資源仿真實驗

本實驗主要研究制梁臺座在不同生產(chǎn)情景下的使用效率。設(shè)定同類資源使用調(diào)度規(guī)則為preferred order，即生產(chǎn)系統(tǒng)按照事先編制好的資源序號依次占用資源。實驗仍采用5.1節(jié)中的12種情景，每種情景仿真實驗100次。

表4和表5分別為鋼筋籠綁扎效率為2套/d時，不同工作時間制度下制梁臺座平均瞬時利用率和平均使用次數(shù)統(tǒng)計情況。當(dāng)采用10 h/d工作制時，1號～10號制梁臺座的平均瞬時利用率均在0.542 4～0.760 4之間，11號制梁臺座的平均瞬時利用率明顯較低，僅有0.146 2，對應(yīng)的平均使用次數(shù)僅為2.47。當(dāng)采用12 h/d工作制時，11號制梁臺座的平均瞬時利用率下降至0.007 8，平均使用次數(shù)下降為0.14。當(dāng)采用14 h/d工作制時，11號制梁臺座的平均瞬時利用率和使用次數(shù)均下降至0，10號制梁臺座的平均瞬時利用率也下降至了0.009 6，平均使用次數(shù)僅為0.19。

表4 鋼筋籠生產(chǎn)效率為2套/d時制梁臺座平均瞬時利用率

表5 鋼筋籠生產(chǎn)效率為2套/d時制梁臺座平均使用次數(shù)

實驗結(jié)果表明，當(dāng)鋼筋綁扎生產(chǎn)效率固定為2榀/d時，制梁臺座資源配置存在浪費現(xiàn)象，適當(dāng)增加每天的工作時間，減少1～2個制梁臺座的配置完全不會影響整個梁場的制梁效率。

表6為鋼筋綁扎效率為3套/d時，制梁臺座平均瞬時利用率統(tǒng)計情況?？梢钥闯?，不同時間制度下各制梁臺座的利用率均比較高，這說明由于上游工序鋼筋綁扎效率較高，制梁臺座利用比較充分，不存顯著浪費的情況。

表6 鋼筋籠生產(chǎn)效率為3套/d時制梁臺座平均瞬時利用率

5.3 資源配置優(yōu)化仿真實驗

本實驗主要考察在特定使用場景下，制梁臺座和內(nèi)模數(shù)量變化對梁場生產(chǎn)效率的影響。鋼筋綁扎效率設(shè)為2榀/d，工作時間制度為14 h/d，根據(jù)前面仿真實驗的結(jié)果，設(shè)定3種制梁臺座和內(nèi)模數(shù)量方案，如表7所示，每種場景均進(jìn)行100次仿真實驗。結(jié)果表明：當(dāng)把制梁臺座數(shù)量從11個減少至9個、內(nèi)模數(shù)量從10套減至8套時，制梁臺座平均占用時間和梁場平均制梁效率均保持不變，當(dāng)進(jìn)一步把制梁臺座的數(shù)量從9個減至8個時，制梁臺座平均占用時間和梁場平均制梁效率僅有非常微小的變化。由此可以初步判斷，在采用14 h/d工作制時，減少3個制梁臺座和2套內(nèi)模，并不會顯著降低梁場的生產(chǎn)效率。

表7 資源優(yōu)化配置實驗結(jié)果

為驗證這一判斷，就梁場平均制梁效率指標(biāo)分別進(jìn)行了“情景1vs情景2”和“情景1vs情景3”兩種情況的均值配對T檢驗。假設(shè)檢驗結(jié)果如圖5所示。當(dāng)將制梁臺座數(shù)量從11個減至9個，內(nèi)模數(shù)量從10套減至8套時，假設(shè)檢驗結(jié)論為整個梁場生產(chǎn)效率沒有變化；當(dāng)把制梁臺座的數(shù)量進(jìn)一步縮減至8個時，梁場生產(chǎn)效率只有非常微小的變化，此時，生產(chǎn)效率降低的均值為0.003 71榀/d，生產(chǎn)效率降低值的95%置信區(qū)間為[-0.005 56，-0.001 86]。

圖5 梁場制梁效率均值配對T檢驗結(jié)果

該項仿真實驗結(jié)果表明，采用仿真技術(shù)可以在保證梁場生產(chǎn)效率不變的情況下，優(yōu)化資源配置，從而達(dá)到節(jié)省成本的目的。

6 結(jié)論

精細(xì)化管理是工程建設(shè)管理領(lǐng)域發(fā)展的重要方向，本研究使用仿真技術(shù)對高鐵梁場的生產(chǎn)效率和資源配置等核心管理問題進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論。

(1)采用固定的單臺座生產(chǎn)效率指標(biāo)對梁場生產(chǎn)效率進(jìn)行計算的方法過于粗略。本研究借助仿真技術(shù)準(zhǔn)確地刻畫了在資源配置固定的情況下，梁場的生產(chǎn)效率與工作時間制度之間的變化關(guān)系。根據(jù)這種關(guān)系，管理者可通過對工作時間制度的調(diào)整以實現(xiàn)對梁場生產(chǎn)效率的調(diào)節(jié)。

(2)整個梁場的生產(chǎn)效率不能簡單地認(rèn)為是各個制梁臺座生產(chǎn)效率之和。由于工序作業(yè)時間的隨機(jī)性和工序之間的相互影響關(guān)系，整個梁場的生產(chǎn)效率實際上低于各個制梁臺座效率之和。根據(jù)仿真實驗結(jié)果，將梁場生產(chǎn)效率計算公式修訂為K=§Mη(§=0.91～0.93)更符合實際。

(3)使用仿真技術(shù)，管理者可對不同的資源配置方案和不同的工作時間制度下梁場生產(chǎn)效率進(jìn)行預(yù)測，并對資源使用情況進(jìn)行定量分析，在確保制梁效率能夠滿足施工進(jìn)度的前提下對梁場資源配置進(jìn)行優(yōu)化，從而節(jié)省梁場建設(shè)成本。