系統(tǒng)工程大作業(yè)建模

1、前言背景資料土石方調(diào)配是土石方工程施工中的一個(gè)問(wèn)題。對(duì)于多個(gè)開(kāi)挖和填筑項(xiàng)目需同時(shí)進(jìn)行的工程來(lái)說(shuō)，需要進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化管理，以降低工程造價(jià)和保證工程順利實(shí)施。長(zhǎng)峽水利樞紐是治理和開(kāi)發(fā)長(zhǎng)江的一項(xiàng)關(guān)鍵工程,壩址位于宜昌三斗坪。大壩為混凝土重力壩,正常蓄水位 175m。右岸土石方填筑工程(三期)主要包括:防護(hù)大壩標(biāo)工程,三期土石圍堰工程。右岸土石方開(kāi)挖工程(三期)主要包括:右岸 24#26#廠壩基礎(chǔ)開(kāi)挖，右岸三期基坑開(kāi)挖和開(kāi)挖工程。右岸的開(kāi)挖與填筑是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,它不僅要求數(shù)量的匹配，也是強(qiáng)度和進(jìn)度的匹配。右岸茅坪防護(hù)壩工程是三峽工程中等級(jí)建筑物,右岸三期土石圍堰也是重要的臨時(shí)建筑物，填筑工程量大(總

2、量 766.01 萬(wàn)m3)，填筑強(qiáng)度高(月填筑強(qiáng)度320 萬(wàn)m3/月)。通過(guò)對(duì)右岸土石方的調(diào)度管理,可以避免土石料的多次倒運(yùn)，不僅關(guān)系到經(jīng)濟(jì)上的巨大效益,而且對(duì)于加快施工進(jìn)度也有著重要的意義。通過(guò)土石方的總體規(guī)劃，可以盡量減少對(duì)良田、植被和有效生存空間的破壞，對(duì)保護(hù)環(huán)境有積極作用。1、右岸三期土石方調(diào)度問(wèn)題及優(yōu)化分析方法的確定為確?？傮w工期和減少工程成本,如何確定滿足填筑工程質(zhì)量和數(shù)量要求的料源?如何使土石方調(diào)配達(dá)到最優(yōu)?結(jié)合三峽右岸土石方工程的特點(diǎn)，以上問(wèn)題宜采用運(yùn)籌學(xué)中的線性規(guī)劃方法予以解決。運(yùn)籌學(xué)是現(xiàn)代管理的一種重要工具,它主要解決最優(yōu)生產(chǎn)計(jì)劃、最優(yōu)分配的問(wèn)題。線性規(guī)劃法是運(yùn)籌學(xué)的重要組

3、成部分,它的是正確建立和使用模型。數(shù)學(xué)模型一般由決策變量、約束或限制條件或目標(biāo)函數(shù)組成。分析思路是：第一步，在充分考慮工程進(jìn)度、填筑要求和挖填工程相互協(xié)調(diào)要求的情況下,收集、分析、整理各種數(shù)據(jù),提出一個(gè)能夠滿足右岸土石方工程目標(biāo)的初步供料方案；第二步，按成本最小化為目標(biāo)，采用線性規(guī)劃的分析方法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行建模分析；第三步，輸出析方法流程圖如圖 1 所示。，繪制三峽右岸土石方用料平衡圖。分2與分析2.1 工程量土石方設(shè)計(jì)填筑量：防護(hù)壩標(biāo)的填筑量為 394.01 萬(wàn)m3，其中料 254.16 萬(wàn)m3，混合料 139.85 萬(wàn)m3；右岸三期土石圍堰的填筑量為 372萬(wàn)m3,其中料109/97(上游/

4、下游)萬(wàn)m3，混合75/91(上游/下游)萬(wàn)m3；開(kāi)挖料場(chǎng)儲(chǔ)量，右岸 24#26#廠壩基礎(chǔ)開(kāi)挖、三峽右岸三期基坑、料場(chǎng)開(kāi)挖三個(gè)料源的儲(chǔ)量分別是 170 萬(wàn)m3、230 萬(wàn)m3和 260 萬(wàn)m3。料場(chǎng)到堆場(chǎng)的數(shù)量、料場(chǎng)容量以及堆場(chǎng)的填筑量表 1 所示。2.2 工程進(jìn)度茅坪標(biāo)工程計(jì)劃 2001 年 5 月開(kāi)工,2004 年 4 月完工;右岸三期土石方圍堰計(jì)劃2002 年11 月上旬進(jìn)占，12 月上旬截流合攏,2003 年1 月上旬三期基坑閉氣,1月底基坑抽干，總計(jì) 2 個(gè)半月；24#26#廠壩基礎(chǔ)開(kāi)挖，計(jì)劃 2001 年 5 月中旬開(kāi)始，2002 年 6 月底結(jié)束；料場(chǎng)(位于庫(kù)區(qū)內(nèi)，是補(bǔ)充料場(chǎng))開(kāi)

5、采計(jì)劃從2001 年 5 月開(kāi)始，2002 年 10 月底結(jié)束；三期基坑開(kāi)挖計(jì)劃從 2003 年 1 月底基坑抽干開(kāi)始，2003 年 9 月份結(jié)束，總計(jì) 8 個(gè)月。土石方平衡初步分析右岸土石方工程總填筑方量為 766.01 萬(wàn)m3(壩上方)。其中，一定要開(kāi)挖的項(xiàng)目(24#26#廠壩基礎(chǔ)提前開(kāi)挖工程和三峽右岸三期基坑開(kāi)挖)的開(kāi)挖量估計(jì)為 400 萬(wàn)m3(自然方),料場(chǎng)已有堆料為 195 萬(wàn)m3(松散方)，這兩者加起來(lái)為595 萬(wàn)m3，缺口大約為 164.27 萬(wàn)m3。因此,需要開(kāi)采口。料場(chǎng)來(lái)滿足填料缺(2)由于料場(chǎng)距離右岸三期土石圍堰較近,采料要進(jìn)行作業(yè),將對(duì)土石圍堰的高強(qiáng)度填筑造成影響,因此料

6、場(chǎng)開(kāi)挖作業(yè)要求在三期截流表 1 決策變量：料場(chǎng)到堆場(chǎng)的數(shù)量堆場(chǎng)料場(chǎng)料混合料茅坪上游圍堰下游圍堰茅坪上游圍堰下游圍堰料場(chǎng)62.1528.000.00139.8530.000.0024#26#廠把基礎(chǔ)開(kāi)挖510.0059.000.000.0060.00三期基坑開(kāi)挖141.010.000.000.000.000.00約束條件限制要求料場(chǎng)開(kāi)挖量?jī)?chǔ)量料場(chǎng)26026024#26#廠把基礎(chǔ)開(kāi)挖170170三期基坑開(kāi)挖141.01230填筑要求料類填筑量要求茅坪料254.14254.16茅坪混合料139.85139.85上游料2828上游混合料3030下游料5959下游混合料6060正式開(kāi)始(2002 年 1

7、1 月)之前結(jié)束。(3)防護(hù)壩為等級(jí)建筑物，對(duì)填筑料的質(zhì)量要求高,已有的堆料不能滿足要求，需要從新料場(chǎng)開(kāi)采。根據(jù)地勘,右岸三期基坑不能提供石渣混合料。因此茅坪壩在截流后所需的混合料44.3 萬(wàn)m3需要提前開(kāi)挖出來(lái)，另辟暫存料場(chǎng)存料。因此，2002 年 11 月份以前,茅坪壩填筑所需料和三期土石圍堰備料由 24#26#廠壩基礎(chǔ)開(kāi)挖料由于 24#26#廠壩基礎(chǔ)和料場(chǎng)和料場(chǎng)現(xiàn)有堆存料供應(yīng)，2002 年 11 月份以后，料場(chǎng)開(kāi)挖工作已經(jīng)結(jié)束坪壩填筑所需料由堆存料和三期基坑開(kāi)挖料來(lái)供應(yīng)。據(jù)此可以初步繪制右岸土石方工程平衡圖,參見(jiàn)圖2。2.4 運(yùn)距及成本費(fèi)用分析料場(chǎng)三個(gè):分別是料場(chǎng) 24#26#廠壩基礎(chǔ)開(kāi)

8、挖和三期基坑開(kāi)挖。堆場(chǎng)三個(gè):分別是茅坪壩、三期上游圍堰、三期下游圍堰。料場(chǎng)到堆場(chǎng)之間的運(yùn)距如表 2 所示。料的種類決定成本費(fèi)用,需要對(duì)不同的料類進(jìn)行不同的分析。三期基坑開(kāi)挖料不可能向三期土石圍堰備料,而且三期基坑不產(chǎn)混合料,為使這些決策變量為零,故設(shè)定變量系數(shù)為 999999(元/方)(參見(jiàn)表 3)。料場(chǎng)與堆場(chǎng)之間的價(jià)費(fèi)用如圖四所示。單表 3 運(yùn)費(fèi)單價(jià)綜合表表 2 運(yùn)距綜合表（km）堆場(chǎng)料場(chǎng)上游圍堰石渣混合料上游圍堰料下游圍堰石渣混合料下游圍堰料混 合料料料場(chǎng)112224#26#廠把基礎(chǔ)開(kāi)挖2.002.004三期基坑開(kāi)挖5.5料/混合料元/m3料場(chǎng)堆場(chǎng)茅坪壩三期上游圍堰三期下游圍堰料場(chǎng)26/1

9、922.4/16.424.7/19.5場(chǎng)壩基礎(chǔ)開(kāi)挖25.4/18.524/17.521.1/15.4三期基坑開(kāi)挖28.5/99999999999/999999999999/999999建模過(guò)程首先將實(shí)際問(wèn)題抽象為數(shù)學(xué)模型，為長(zhǎng)峽右岸三期工程土石方調(diào)配示意圖。：萬(wàn)立方米C1：料場(chǎng)W1：24#26#廠壩基礎(chǔ)開(kāi)挖場(chǎng)地 W2：基坑開(kāi)挖場(chǎng)地T1：茅坪壩填筑場(chǎng)地 T2:上游圍堰填筑場(chǎng)地 T3：下游圍堰填筑場(chǎng)地（CiTj 表示從 Ci 向 Tj）M：料體積運(yùn)費(fèi) N：混合料體積運(yùn)費(fèi)D：三期工程料量Q：三期工程混合料量立決策變量：該線性規(guī)劃模型共有 18 個(gè)決策變量，分別代表從料場(chǎng) C1，24#26#廠壩基礎(chǔ)開(kāi)

10、挖場(chǎng)地 W1，基坑開(kāi)挖場(chǎng)地 W2；到茅坪壩填筑場(chǎng)地 T1:上游圍堰填筑場(chǎng)地 T2：下游圍堰填筑場(chǎng)地 T3 的料量 D,和混合料量 Q.立約束條件：1.料場(chǎng)和開(kāi)挖場(chǎng)地開(kāi)挖上限和進(jìn)度要求：料場(chǎng)的開(kāi)挖上限約束：33 1 + 1 260=1=124#26#廠壩基礎(chǔ)開(kāi)挖場(chǎng)地開(kāi)挖進(jìn)度約束:33 1 + 1 = 170=1=1基坑開(kāi)挖場(chǎng)地開(kāi)挖上限約束：33 2 + 2 230=1=12.提前開(kāi)挖的限制：3333 1 + 1 + 1 + 1 385.7=1=1=1=13.填筑場(chǎng)地的填筑進(jìn)度要求：茅坪壩填筑進(jìn)度約束：料：D11 + D11 + D21 = 254.16混合料：Q11 + Q11 + Q21 = 95.55上游圍堰填筑場(chǎng)地：料：D12 + D12 + D22 = 28混合料：Q12 + Q12 + Q22 = 30下游圍堰填筑場(chǎng)地：料：D13 + D13 + D23 = 59混合料：Q13 + Q13 + Q23 = 604.非負(fù)要求：18 個(gè)決策變量均大于等于零。注：根據(jù)地勘,右岸三期基坑不能提供混合料。因此茅坪壩在截流后所需的混混合合料 44.3 萬(wàn)m3 需要提前開(kāi)