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問題。對于多個開挖和填筑項目需同時進行的工程來說，需要進行多目標的優(yōu)化管理，以降低工程造價和保證工程順利實施。長峽水利樞紐是治理和開發(fā)長江的一項關(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:防護大壩標工程,三期土石圍堰工程。右岸土石方開挖工程(三期)主要包括:右岸 24#26#廠壩基礎開挖，右岸三期基坑開挖和開挖工程。右岸的開挖與填筑是一個動態(tài)過程,它不僅要求數(shù)量的匹配，也是強度和進度的匹配。右岸茅坪防護壩工程是三峽工程中等級建筑物,右岸三期土石圍堰也是重要的臨時建筑物，填筑工程量大(總

2、量 766.01 萬m3)，填筑強度高(月填筑強度320 萬m3/月)。通過對右岸土石方的調(diào)度管理,可以避免土石料的多次倒運，不僅關(guān)系到經(jīng)濟上的巨大效益,而且對于加快施工進度也有著重要的意義。通過土石方的總體規(guī)劃，可以盡量減少對良田、植被和有效生存空間的破壞，對保護環(huán)境有積極作用。1、右岸三期土石方調(diào)度問題及優(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)配達到最優(yōu)?結(jié)合三峽右岸土石方工程的特點，以上問題宜采用運籌學中的線性規(guī)劃方法予以解決。運籌學是現(xiàn)代管理的一種重要工具,它主要解決最優(yōu)生產(chǎn)計劃、最優(yōu)分配的問題。線性規(guī)劃法是運籌學的重要組

3、成部分,它的是正確建立和使用模型。數(shù)學模型一般由決策變量、約束或限制條件或目標函數(shù)組成。分析思路是：第一步，在充分考慮工程進度、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),提出一個能夠滿足右岸土石方工程目標的初步供料方案；第二步，按成本最小化為目標，采用線性規(guī)劃的分析方法對該問題進行建模分析；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 工程量土石方設計填筑量：防護壩標的填筑量為 394.01 萬m3，其中料 254.16 萬m3，混合料 139.85 萬m3；右岸三期土石圍堰的填筑量為 372萬m3,其中料109/97(上游/

4、下游)萬m3，混合75/91(上游/下游)萬m3；開挖料場儲量，右岸 24#26#廠壩基礎開挖、三峽右岸三期基坑、料場開挖三個料源的儲量分別是 170 萬m3、230 萬m3和 260 萬m3。料場到堆場的數(shù)量、料場容量以及堆場的填筑量表 1 所示。2.2 工程進度茅坪標工程計劃 2001 年 5 月開工,2004 年 4 月完工;右岸三期土石方圍堰計劃2002 年11 月上旬進占，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 2 個半月；24#26#廠壩基礎開挖，計劃 2001 年 5 月中旬開始，2002 年 6 月底結(jié)束；料場(位于庫區(qū)內(nèi)，是補充料場)開

5、采計劃從2001 年 5 月開始，2002 年 10 月底結(jié)束；三期基坑開挖計劃從 2003 年 1 月底基坑抽干開始，2003 年 9 月份結(jié)束，總計 8 個月。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m3(壩上方)。其中，一定要開挖的項目(24#26#廠壩基礎提前開挖工程和三峽右岸三期基坑開挖)的開挖量估計為 400 萬m3(自然方),料場已有堆料為 195 萬m3(松散方)，這兩者加起來為595 萬m3，缺口大約為 164.27 萬m3。因此,需要開采口。料場來滿足填料缺(2)由于料場距離右岸三期土石圍堰較近,采料要進行作業(yè),將對土石圍堰的高強度填筑造成影響,因此料

6、場開挖作業(yè)要求在三期截流表 1 決策變量：料場到堆場的數(shù)量堆場料場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62.1528.000.00139.8530.000.0024#26#廠把基礎開挖510.0059.000.000.0060.00三期基坑開挖141.010.000.000.000.000.00約束條件限制要求料場開挖量儲量料場26026024#26#廠把基礎開挖170170三期基坑開挖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正式開始(2002 年 1

7、1 月)之前結(jié)束。(3)防護壩為等級建筑物，對填筑料的質(zhì)量要求高,已有的堆料不能滿足要求，需要從新料場開采。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m3需要提前開挖出來，另辟暫存料場存料。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#廠壩基礎開挖料由于 24#26#廠壩基礎和料場和料場現(xiàn)有堆存料供應，2002 年 11 月份以后，料場開挖工作已經(jīng)結(jié)束坪壩填筑所需料由堆存料和三期基坑開挖料來供應。據(jù)此可以初步繪制右岸土石方工程平衡圖,參見圖2。2.4 運距及成本費用分析料場三個:分別是料場 24#26#廠壩基礎開

8、挖和三期基坑開挖。堆場三個:分別是茅坪壩、三期上游圍堰、三期下游圍堰。料場到堆場之間的運距如表 2 所示。料的種類決定成本費用,需要對不同的料類進行不同的分析。三期基坑開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,故設定變量系數(shù)為 999999(元/方)(參見表 3)。料場與堆場之間的價費用如圖四所示。單表 3 運費單價綜合表表 2 運距綜合表（km）堆場料場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112224#26#廠把基礎開挖2.002.004三期基坑開挖5.5料/混合料元/m3料場堆場茅坪壩三期上游圍堰三期下游圍堰料場26/1

9、922.4/16.424.7/19.5場壩基礎開挖25.4/18.524/17.521.1/15.4三期基坑開挖28.5/99999999999/999999999999/999999建模過程首先將實際問題抽象為數(shù)學模型，為長峽右岸三期工程土石方調(diào)配示意圖。：萬立方米C1：料場W1：24#26#廠壩基礎開挖場地 W2：基坑開挖場地T1：茅坪壩填筑場地 T2:上游圍堰填筑場地 T3：下游圍堰填筑場地（CiTj 表示從 Ci 向 Tj）M：料體積運費 N：混合料體積運費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 個決策變量，分別代表從料場 C1，24#26#廠壩基礎開

10、挖場地 W1，基坑開挖場地 W2；到茅坪壩填筑場地 T1:上游圍堰填筑場地 T2：下游圍堰填筑場地 T3 的料量 D,和混合料量 Q.立約束條件：1.料場和開挖場地開挖上限和進度要求：料場的開挖上限約束：33 1 + 1 260=1=124#26#廠壩基礎開挖場地開挖進度約束:33 1 + 1 = 170=1=1基坑開挖場地開挖上限約束：33 2 + 2 230=1=12.提前開挖的限制：3333 1 + 1 + 1 + 1 385.7=1=1=1=13.填筑場地的填筑進度要求：茅坪壩填筑進度約束：料：D11 + D11 + D21 = 254.16混合料：Q11 + Q11 + Q21 = 95.55上游圍堰填筑場地：料：D12 + D12 + D22 = 28混合料：Q12 + Q12 + Q22 = 30下游圍堰填筑場地：料：D13 + D13 + D23 = 59混合料：Q13 + Q13 + Q23 = 604.非負要求：18 個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m3 需要提前開